Automação de Estações de Biogás e de Gás Natural: Soluções em Hardware e Software

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1 Automação de Estações de Biogás e de Gás Natural: Soluções em Hardware e Software Relatório submetido à Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a aprovação da disciplina: DAS 5501: Estágio em Controle e Automação Industrial Rodrigo Tumelero Conte Florianópolis, maio de 2007

2 Automação de Estações de Biogás e de Gás Natural: Soluções em Hardware e Software Rodrigo Tumelero Conte Esta monografia foi julgada no contexto da disciplina DAS 5511: Projeto de Fim de Curso e aprovada na sua forma final pelo Curso de Engenharia de Controle e Automação Banca Examinadora: Dipl.-Ing. Matthias Frahm Orientador Empresa Dipl.-Ing. Hans-Joachim Wilkens Orientador Empresa Prof. Dr. Max Hering de Queiroz Orientador do Curso Prof. Dr. Augusto Humberto Bruciapaglia Responsável pela disciplina Prof. Dr. Werner Kraus Junior, Avaliador Cassiano Bonin, Debatedor Cristiano Studzinski de Souza, Debatedor

3 Agradecimentos À Greylogix Automation, por proporcionar durante esses seis meses um ambiente agradável de trabalho, onde pude usufruir e contribuir para a excelência do conhecimento lá produzido. Aos chefes da Greylogix e do Departamento de Software, os engenheiros Lars Malter e Matthias Buch, pela acolhida desde o primeiro momento e pela atenção quando foi preciso. Ao orientador do projeto Nieheim, o engenheiro Hans-Joachim Wilkens, pela forma descontraída como dirige a equipe de hardware, sem deixar de exigir o máximo de todos os colaboradores. Ao orientador no projeto Waidhaus, o engenheiro Matthias Frahm, pela cobrança, pelos ensinamentos e pela paciência de esclarecer as dúvidas quantas vezes fosse preciso. Ao engenheiro especialista em WinCC, Marc Kuchenbecker, por sempre ajudar na solução dos problemas mais cabeludos em software, e às meninas da secretaria, Stephanie Blank e Julia Berg, pelo apoio burocrático durante toda a estadia na Alemanha e pelo incentivo ao aprendizado da língua alemã. Ao pessoal da informática, Thorsten Winkler, Dirk Sablotny, Karl-Heinz Jaeschk, pelo suporte que oferecem dentro da empresa, não deixando, em momento algum, qualquer colega na mão. Ao pessoal da Werkstatt, Sebastian Jürgens, Eric Nebel, Michael Reichl, Falk Bieleit, Bosse Schulz, Leif Strehlow, Lothar Michaelsen, pelo companheirismo, pelas risadas e pela acolhida, dando exemplo de como se é trabalhar em equipe. Aos colegas da empresa que se tornaram amigos, Uwe Behrendt, Christian Fritz, Stefan Rathjen, Matthias Wauer, Jochen Fröhlich, Tim Jetten, Matthias Göhler, Björn Lund, pelos bons momentos juntos, principalmente nas horas do cafezinho. i

4 Ao amigo Renato Leal, em especial, pelo convite de estágio na empresa Greylogix, tornando possível o sonho de um estágio no exterior. Ao orientador desse projeto de fim de curso, o professor Max Hering de Queiroz, pelas dicas na elaboração das atividades, mesmo à distância. Ao coordenador da disciplina de estágio na Automação, o professor Augusto Brucciapaglia, pelas cobranças, às vezes um pouco austeras, mas que no final só demonstra o grande carinho que tem pelos alunos do curso. Aos amigos que conquistei durante esses quase seis anos de morada em Florianópolis, do meio universitário ou não, que contribuíram, sem dúvida, para o meu crescimento como pessoa e como profissional. Em especial à amiga e quase irmã Janaína Pontes, pela ajuda na correção deste documento e pela pessoa maravilhosa que é; e aos amigos Ramiro Saraiva, Leonardo Schurt e Alisson Dalsasso, por também contribuírem quanto à realização deste. À minha família, pelo apoio incondicional, pelo amor e carinho dados em todos os momentos de minha vida. Em especial à minha mãe, pelo seu imenso coração e dedicação aos filhos. Também de forma especial à minha tia e segunda mãe Cirlei Tumelero, pelos puxões de orelha e por ter tornado minha viagem possível, junto com meu tio Milton Tumelero. A todos, que participaram direta ou indiretamente da realização deste trabalho, o meu grande obrigado. ii

5 Resumo O seguinte trabalho tem como principal objetivo mostrar as perspectivas, especificidades e a interação entre projetos de software e hardware dentro de uma empresa de automação. Dessa forma, as atividades realizadas em software e hardware se encontram no âmbito dos seguintes projetos: reestruturação do antigo sistema de automação da estação de compressão de gás natural ME4 da empresa EON-Ruhrgas, na cidade de Waidhaus; automatização da nova planta de biogás da empresa Kompotec, na cidade de Nieheim. No projeto Waidhaus as colaborações se deram no sentido de desenvolver uma função de monitoramento e controle de emissões para o sistema de exaustão da turbina ME4, no programa PCS7, juntamente com sua interface homem-máquina utilizando software WinCC; assim como o desenvolvimento da Ajuda Automática para a biblioteca de Waidhaus, vinculando o software Simatic Manager com a documentação de ajuda. No projeto Nieheim foram estas as contribuições: montagem e testes das cabines de comando (sistemas de acionamento de potência e CLPs). As atividades em software envolveram o conhecimento das disciplinas de modelagem e controle (sistemas a eventos discretos, Grafcet), da informática industrial (CLP, sistemas SCADA, programação) e redes industriais (Profibus, Industrial Ethernet). As tarefas em hardware foram ao encontro das áreas de Mecânica (processos de fabricação metalmecânicos), Elétrica (acionamentos elétricos de potência) e Automação (redes industriais, sistemas tolerantes a falhas, redundância, segurança intrínseca). Ao final do documento é mostrado, a partir de toda a experiência obtida, como as atividades das equipes de hardware e software, mesmo sendo completamente distintas, se complementam e se entrelaçam para formar um projeto completo de automação industrial. Palavras-chave: Automação Industrial; SCADA; Controle Supervisório; CLPs; Simatic Manager. iii

6 Abstract The main goal of this report is to show the perspectives, characteristics and the interaction between projects of software and the hardware inside of an automation company. The developed activities are related inside the scope of the following projects: development of a new automation system to the station of natural gas compressure of the company EON-Ruhrgas located in Waidhaus, Germany; automation of the new plant of biogas which belongs to Kompotec Co. and is located in Nieheim, Germany. In the Waidhaus project the activities in software had involved the knowledge of the subjects of Modeling and Control (discrete systems, Grafcet), Industrial Informatics (PLC, SCADA systems, programming) and Industrial Networks (Profibus, Industrial Ethernet). The contributions of the student in this project had been: the development of a monitoring function and control of emissions for the exhaustion system of the turbine ME4, the human-machine interface for this function in the WinCC, and the development of Case Sensitive Help tool for the Waidhaus library, linking the software Simatic Manager with the help documentation. In the Nieheim project, the pupil had carried out tasks related with the knowledge areas of Mechanical Engineering (Manufacturing Processes), Electric Engineering (Electric Drive Systems) and Automation (Industrial Networks, Fail-safe Systems, Intrinsically Safe Systems, Redundant Systems), being his contributions: assembly and testing of the command cabins (drive power systems and PLCs). Keywords: Industrial Automation; SCADA; Supervisory Control; PLCs; Simatic Manager iv

7 Sumário Agradecimentos...i Resumo... iii Abstract...iv Sumário...v Índice de Figuras... vii Capítulo 1: Introdução : A empresa Greylogix Automation : Objetivos Globais e Específicos : Metodologia Aplicada : Organização do Documento... 5 Capítulo 2: Sistemas de Automação Industrial : O pacote de softwares Simatic Capítulo 3: Projeto em Software da Estação de Compressão de Waidhaus : Introdução : Justificativas : Ambientação do projeto : O gás natural : Processos Envolvidos : Especificações de projeto : Soluções em software : O bloco CFC de Monitoramento do Sistema de Exaustão : A Interface Gráfica ao Operador : Testes no CLP v

8 3.4.4: Documentação Online : Considerações Capítulo 4: Projeto em Hardware da Estação de Biogás de Nieheim : Introdução : Justificativas : Ambientação do projeto : O Biogás : A empresa Kompotec : Especificações de projeto e normas : Soluções em Hardware : Montagem e Instalação dos Componentes nas Cabines : Teste das Cabines : Considerações Capítulo 5: Discussões e Conclusões Finais Bibliografia: Apêndice A: História e Formação do Gás Natural Apêndice B: Entradas e Saídas do bloco do Sistema de Exaustão (Abgassystem). 70 Apêndice C: A vista geral do WinCC para a estação de compressão ME Apêndice D: Tabela do Diâmetro dos Condutores (DIN VDE ) vi

9 Índice de Figuras Figura 1.1 Sede da Greylogix Automation em Flensburg Figura 2.1 Esquema de um sistema supervisório SCADA Figura Relação entre os diagramas CFC e SFC Figura Zonas críticas de emissão de compostos nitrosos NOx na Europa Figura Fontes de energia primária na Alemanha Figura Gasodutos e Estações da EON-Ruhrgas na Alemanha Figura Funcionamento de uma turbina a combustão Figura Medição das temperaturas no Sistema de Exaustão Figura Temperatura de Exaustão versus Razão A/C num motor a gasolina Figura 3.7 Parte do Código da Lógica das Temperaturas Válidas Figura 3.8 Bloco Abgassystem no diagrama CFC de teste Figura 3.9 Exemplo de Ícones (Typicals) Figura 3.10 Ícone do bloco Abgassystem Figura 3.11 Janela principal da interface do sistema de exaustão Figura 3.12 Barras representativas dos desvios da temperatura média Figura 3.13 Comparações das temperaturas vizinhas Figura 3.14 Janela de Mensagens Figura 3.15 Gráfico da Média, Vmáx e Vmin do sistema de exaustão Figura 3.16 Diagrama CFC para testes de run-time Figura 3.17 Quadro com o código do arquivo de registro Figura 3.18 A janela do help para a biblioteca de Waidhaus Figura 4.1 Formação do Biogás Figura 4.2 Visão aérea da planta da Kompotec Nieheim vii

10 Figura 4.3 Funcionamento de uma planta de biogás Figura 4.4 Montagem da cabine 14 (Schrank 14) Figura 4.5 Topologia da Rede de Nieheim Figura 4.7 Lógica de emergência na Haustechnik Figura C 1 Visão geral do sistema SCADA em Waidhaus Figura D 1 Tabela do diâmetro dos condutores elétricos viii

11 Capítulo 1: Introdução De origem grega, a palavra Automação significa auto controlado, o que se auto determina (self-dictated) [ 1 ]. Podemos ter uma melhor idéia do seu significado ao pensar em tarefas cotidianas que podem ser realizadas de forma automática. Um exemplo seria o de um caixa automático de um banco, este realizando muitos processos de forma automática. Analisando dessa forma, uma definição atual para Automação seria: Automação é a coordenação automática de mecanismos e processos por ferramentas de processamento numérico como computadores, substituindo ou ao menos reduzindo as requisições de trabalho físico, sensorial e mental dos operadores humanos. Denominada por muitos como o período da pós-mecanização (séc. XIX) [ 2 ], a Automação, está disseminada atualmente pelas indústrias, usinas de geração de energia (termoelétricas, atômicas), usinas de compressão e distribuição de gás, empresas de logística, nas instituições financeiras e comerciais. Nesses últimos anos, pela grande evolução da tecnologia da informação e do aumento da capacidade computacional das ferramentas de processamento numérico, vem se consolidando um novo conceito de automação chamado TIA do inglês Totally Integrated Automation. A Automação Totalmente Integrada abrange o universo do MES (Manufacturing Execution System) responsável pelo gerenciamento do processo de produção, integrado ao sistema de gestão corporativo ou ERP (Enterprise Resources Planning) [ 3 ],[ 4 ], levando as ordens de produção até o nível da automação no chão de fábrica. Dentro desse universo da automação no qual estão encravados os conceitos de sistemas supervisórios SCADA 1 e CLPs 2, apresentaremos a empresa de automação industrial Greylogix. 1 Do inglês Supervisory Control and Data Aquisition. 2 Controlador Lógico Programável.

12 1.1: A empresa Greylogix Automation A Greylogix Automation GmbH é uma empresa de formação recente (cerca de 6 anos) originada de um dos departamentos especializados em automação da HGC Hamburg Gas Consult GmbH. Composta inicialmente por seus três idealizadores Lars Malter, Sven Carsten e Gerd Witzel a Greylogix hoje é formada por quase 200 colaboradores de várias áreas, com filiais funcionais em Hamburgo, Berlin, Gelsenkirchen, Munique e Viena, além da matriz em Flensburg. Seu objetivo é voltado para a automação de parques fabris, assim como o controle dos processos da planta (sistemas SCADA). Todo o sistema desenvolvido é baseado na suíte de softwares para os CLPs e equipamentos SIEMENS, desde o controle supervisório às interfaces ao usuário (cabines, estação de engenharia, servidores, clientes). Seus principais projetos se encontram atualmente nas áreas de geração de energia (elétrica, aquecimento), plantas de gás natural e biogás, tratamento e distribuição de água e indústrias alimentícias. Mesmo com pouco tempo de vida, a empresa possui uma organização institucional impressionante. O setor de qualidade e gerência atua de perto com os outros setores a fim de se obter um rigoroso controle da qualidade dos produtos oferecidos ao cliente. Treinamentos e auditorias internas são realizados periodicamente. Materiais de apoio são disponibilizados aos novos colaboradores. Uma documentação detalhada de todas as etapas do processo de desenvolvimento é exigida a fim de se manter a organização das informações. Dessa forma, tem como princípios duas frases, a primeira de Andy Warhol: Automation is an opportunity to make the things easier. ( A automação é uma oportunidade para tornar as coisas mais fáceis ). E, A qualidade sempre prevalece. 2

13 Figura 1.1 Sede da Greylogix Automation em Flensburg. Foi dentro desse ambiente de criação e desenvolvimento propiciado pela empresa Greylogix que as atividades de conclusão do curso de Engenharia de Controle e Automação foram realizadas, no período de outubro de 2006 a março de : Objetivos Globais e Específicos Dentro dos conceitos de automação e sistemas supervisórios apresentados anteriormente, são definidos os objetivos globais e específicos para as atividades de estágio do aluno. O objetivo global desse projeto de fim de curso é realizar atividades de automação, tanto no contexto de software como em hardware, mostrando a visão de projeto desses dois ramos de atividades, analisando suas especificidades e como eles se relacionam dentro de uma empresa. No contexto de software temos as atividades dentro do projeto de reautomatização da unidade de compressão de gás natural ME4 da empresa EON- Ruhrgas em Waidhaus, Alemanha. No contexto de hardware temos as atividades referentes ao projeto de automatização da nova planta de biogás da empresa Kompotec, situada na cidade de Nieheim, Alemanha. Um dos objetivos específicos desse trabalho é a reestruturação da antiga lógica de monitoramento e controle de emissões do sistema de exaustão da turbina de compressão ME4 de Waidhaus. Para que isso seja alcançado, destacam-se as seguintes atividades em software: programação de uma função na linguagem SCL para o monitoramento do Sistema de Exaustão da turbina ME4, a criação da interface gráfica dessa função disponibilizada ao usuário final nas estações, e a 3

14 documentação do bloco (Online Help) através de um software de Help Authoring 3, vinculando automaticamente o programa construído aos documentos de ajuda. Como segundo objetivo específico, no contexto de hardware e referente ao projeto Nieheim, temos a montagem e testes das cabines de comando onde serão instalados os CLPs e o sistema de acionamento elétrico dos atuadores. Para alcançar esse objetivo serão necessárias as atividades de instalação dos dispositivos eletro-eletrônicos (CLPs, cartelas de I/O, relés, fontes eletrônicas, inversores de freqüência, sistema de comunicação e da fiação envolvida), de acordo com os diagramas elétricos projetados pela equipe de Hardware, calibração das entradas e saídas analógicas assim como a realização de testes nas ligações elétricas, na lógica do sistema de emergência (relés e botoeiras) e na comunicação entre os dispositivos. Para a obtenção de resultados satisfatórios ao final das atividades se faz necessário aglutinar o conhecimento proveniente de várias disciplinas do curso de Controle e Automação: da informática industrial e das teorias de controle e automação (programação das funções e da interface, topologia e configuração da rede), dos processos de fabricação metal-mecânico e acionamentos elétricos (montagem das cabines e do sistema de acionamento de potência), da instrumentação (transmissão de dados e sensores) e da segurança no trabalho (sistemas redundantes e com segurança intrínseca). 1.3: Metodologia Aplicada Definidos os objetivos gerais e específicos, são abaixo listados, em passos, a metodologia empregada, desde o inicio até o fim do período de atividades do estágio, de forma a planejar o trabalho para alcançar as metas propostas. 1) Treinamento e familiarização com as ferramentas de desenvolvimento da lógica de controle (PCS7, Step7), da interface homem-máquina (WinCC) e de simulação (PLCSim); 3 Software para a criação de documentos de ajuda do Windows (Winhelp) ou mesmo ajuda em html para outros programas ou páginas da Web. 4

15 2) Revisão Bibliográfica de Instrumentação, CLPs, Controle a Eventos Discretos, Redes Industriais, Segurança no Trabalho, Acionamentos Elétricos; 3) Especificação dos requisitos do projeto de gás natural de Waidhaus, ou seja, das atividades a serem realizadas em software para o Sistema de Exaustão da Estação de Compressão; 4) Desenvolvimento do bloco CFC do Sistema de Exaustão, de sua interface gráfica e de sua documentação; 5) Simulação e teste dos programas no CLP (CPU 417-H) e na Estação de Engenharia (PC dedicado); 6) Especificação dos requisitos de projeto de hardware de Nieheim, dos equipamentos e da lógica operacional dentro das normas DIN e ISO para ambientes com risco de explosão; 7) Definição dos sinais de instrumentação e controle e da comunicação entre os equipamentos (Profibus, Industrial Ethernet, MPI) dentro das normas de segurança intrínseca para áreas de risco de explosão; 8) Montagem das cabines de comando e integração com o sistema supervisório da planta de acordo com os diagramas elétricos (projeto Nieheim); 9) Testes do funcionamento dos equipamentos nas cabines, das ligações elétricas e calibração das cartelas de I/O dos CLPs. 1.4: Organização do Documento Para uma melhor compreensão e organização, esse documento foi dividido em capítulos, cada um relacionado a um objetivo específico do projeto global. Por sua vez os capítulos foram divididos em sub-capítulos pra uma melhor separação do que é introduzido como contexto e o que foi produzido pelo aluno. Ao início dos capítulos 3 e 4 há uma introdução do que virá a ser descrito na seqüência. Ao final dos mesmos temos as considerações com comentários sobre resultados obtidos e dificuldades encontradas. O documento foi então dividido nos seguintes capítulos com seus respectivos assuntos: 5

16 Capítulo 2: Resumo bibliográfico. Conceitos e teorias dentro do universo da automação, CLPs, sistemas supervisórios SCADA, redes industriais, interface homem-máquina. Descrição da suíte de automação da Siemens. Capítulo 3: O projeto de Software na Estação de Compressão de Gás Natural de Waidhaus. Breve introdução ao gás natural. Abordagem das especificações do projeto Waidhaus e das atividades desenvolvidas em software pelo aluno para o Sistema de Exaustão da Estação de Compressão. Simulações e testes do programa nas estações e no CLP. Capitulo 4: O projeto em Hardware na Estação de Biogás de Nieheim. Descrição sucinta do processo de formação do biogás e da sua importância ambiental. Especificações do projeto. Descrição das atividades em hardware realizadas pelo aluno, dentro de um grupo de trabalho supervisionado, na oficina da Greylogix incluindo a montagem, instalação dos componentes elétricos nas cabines de comando e da rede de comunicação. Descrição dos testes e resultados. Capitulo 5: Discussões e Conclusões Finais. Perspectivas em software e hardware e sua interação dentro de um projeto global de Automação; resultados das atividades realizadas; importância do trabalho na carreira profissional do aluno; perspectivas. 6

17 Capítulo 2: Sistemas de Automação Industrial Apesar dos primeiros mecanismos automáticos terem sido idealizados e construídos há muito tempo pelo homem, em prol da redução do trabalho repetitivo imposto aos trabalhadores, somente no século XX que este tipo de área da ciência tornou-se popular. Mas isso só foi possível com o advento do computador e dos Controladores Lógicos Programáveis os CLPs no final da década de 70, em substituição à lógica de relés, eletro-pneumática e pneumática pura. Para se ter uma idéia, a IBM só introduziu o Personal Computer (PC) em 1981 para o uso nos lares, escritórios e escolas. Mas cerca de 10 anos antes, empresas de semicondutores como Texas Instruments, Intel e Fairchild haviam começado uma corrida pela velocidade e capacidade de processamento. Os chips e circuitos tornavam-se cada vez mais compactos, permitindo a junção de cada vez mais funções em um único equipamento. A capacidade de processamento dobrava a cada dois anos aproximadamente, sendo essa uma tendência percebida ainda hoje e conhecida como a Lei de Moore 4. Logicamente que as empresas que já fabricavam versões primitivas de CLPs se beneficiaram e muito com essa corrida do silício. Inicialmente os CLPs foram construídos com o intuito de atender às necessidades da indústria automobilística americana, visto que o controle e a lógica de seqüenciamento nas fábricas de automóveis eram realizados por relés, timers e controladores dedicados [ 5 ]. Certamente podia se dizer que os primeiros CLPs eram um conglomerado de relés e timers. Até por esse motivo que a linguagem de programação Ladder, que lembra diagramas de lógica em relé, foi fortemente utilizada pelos engenheiros eletricistas 4 Gordon Moore, co-fundador da Intel, enunciou em 1965 uma regra que muitos chamam de Lei Moore dita como: O número de transistores incorporados num chip dobrará aproximadamente a cada 2 anos. Disponível em: Acesso em: 15 Março

18 da época, que programavam os dispositivos no próprio local da implementação (Programming on the Job) [ 6 ]. Atualmente existem vários fabricantes como Siemens, ABB, Allen-Bradley, Mitsubishi, Modicon 5 e outros, sendo que os CLPs mais modernos podem ser programados em várias linguagens como BASIC e C. Há um esforço da International Electrotechnical Comission IEC em definir uma padronização das linguagens de programação para controladores lógicos programáveis. A norma IEC de dezembro 1993 define cinco tipos de linguagens: FBD (Diagrama de Blocos), LD (Ladder), ST (Linguagem Estruturada, similar ao Pascal), IL (Lista de Instruções, similar à linguagem Assembly) e SFC (Diagrama de Seqüência). Mesmo com essas tentativas de padronização, na maior parte dos casos os controladores lógicos de diferentes fabricantes são incompatíveis. O endereçamento das entradas e saídas, a organização da memória assim como as instruções são muito peculiares, e até mesmo para diferentes modelos de uma mesma marca a incompatibilidade é um caso comum. Sobre a comunicação de um CLP com outros dispositivos de campo e estações (de engenharia, servidores e clientes) esta pode se realizar sobre vários protocolos. Normalmente os protocolos de comunicação de um CLP são construídos sobre os padrões IEC-485 6, como o Profibus (fieldbus) da SIEMENS, ou Ethernet 7. Há alguns anos era usado também o protocolo RS-232. A sua desvantagem, porém, era de realizar uma comunicação ponto-a-ponto somente entre dois dispositivos. Já 5 Modicon (MOdular DIgital CONtroller) foi o primeiro controlador lógico programável produzido pela Bedford Associates Massachusetts, empresa na qual trabalhou Dick Morley, considerado o pai do CLP. A marca Modicon foi adquirida posteriormente pela alemã Schneider Electric. Disponível em: < Acesso em: 22 março O protocolo IEC-485 ou antigo RS-485 é uma especificação elétrica da camada física baseada no modelo ISO/OSI para um cabo de dois fios, half-duplex com comunicação serial multiponto. Disponível em: < RS485>. Acesso em: 23 março Ethernet é uma tecnologia de comunicação baseada em frames (pacotes) para redes locais (Local Area Networks LANs). Calcada sobre o padrão IEEE 802.3, usa topologia em estrela (centralizada por um roteador) e a informação transcorre em cabos de pares trançados. Disponível em: < Acesso em: 23 março

19 o protocolo RS-485, por ser multi-ponto, tem a capacidade de conectar vários dispositivos simultaneamente. Os meios mais usados são cabos de pares trançados, cabos coaxiais, fibra ótica e wireless (transmissão sem cabo, por ondas eletromagnéticas) [ 7 ]. Entretanto, a automação não pode ser realizada somente com o uso do CLP. Outros dispositivos devem trabalhar em conjunto com a unidade de processamento para a automatização de um sistema. Um exemplo disso é a interface ao operador humano, a qual deve apresentar informações através de elementos visuais. Chamada no meio industrial de Human Machine Interface HMI é através de uma interface que o operador pode acompanhar as variáveis da planta e inserir modificações nos parâmetros. Fisicamente, pode ser representada por um terminal de dados, por um painel de controle com botões de acionamento e luzes indicadoras, ou mesmo um monitor touch screen 8. A todo o conjunto (CLPs, HMI, sensores, atuadores, servidores e clientes), ligado aos barramentos de campo e Ethernet, e integrado por protocolos de comunicação em cada nível, denominamos de sistema SCADA. SCADA é o acrônimo de Supervisory Control and Data Acquisition, referindose a um sistema central de controle e monitoramento de estações locais ou remotas [referencia]. As funções de controle normalmente ficam restritas a um nível hierárquico mais baixo, como o controle de temperatura realizado por um determinado CLP da planta; mas é o SCADA que permite que o ponto de operação (set point) seja mudado pelo operador ou que as condições de alarme de perda de pressão ou alta temperatura, por exemplo, sejam armazenadas no servidor de dados e mostradas numa interface. Outra característica importante do SCADA é a implementação de uma base de dados distribuída, a qual contém elementos chamados de tags ou pontos. Um ponto ou uma tag é uma simples entrada ou saída monitorada pelo sistema [ 8 ]. E essas tags podem ser em hardware ou software, ou seja, um sinal proveniente de um transdutor ou um resultado lógico de uma operação aritmética, por exemplo. 8 Monitor com entrada e saída de dados. 9

20 Neste cenário é apresentado o esquema de um sistema SCADA onde estão presentes o controle de nível de um tanque, o controle de vazão para uma bomba hidráulica e a estação de controle, como visto na figura 2.2: Figura 2.1 Esquema de um sistema supervisório SCADA. Os CLPs têm atualmente uma capacidade de processamento incrível. Conseguem suportar centenas de entradas e saídas de dados, fazendo tanto o controle seqüencial de eventos como o controle de variáveis analógicas, o que era impensado alguns anos atrás. Há cerca de 20 anos, um sistema de automação era composto por dezenas de sinais provenientes dos processos da planta. Hoje esse número está nos milhares, podendo chegar logo às dezenas ou centenas de milhares de variáveis manipuladas. 2.1: O pacote de softwares Simatic Para que as atividades fossem iniciadas nesse projeto era necessário conhecer a ferramenta PCS7 e a suíte de softwares da SIEMENS para automação de plantas, controle de processos, e desenvolvimento da interface gráfica com o operador. 10

21 Todo esse pacote da SIEMENS trabalha de acordo com o conceito da Automação Totalmente Integrada (TIA Totally Integrated Automation). Esse conceito vem facilitar o intercâmbio de dados e uma melhor estruturação do projeto, desde o nível do MES até o chão de fábrica. Sendo assim, a informação flui por todas as camadas sem que haja qualquer conflito ou incompatibilidade entre os diferentes softwares, permitindo que boa parte da configuração do sistema possa ser realizada de forma automática. Dentre os softwares utilizados, os de maior relevância são o Simatic Manager, o PCS7 e o WinCC. Cada um dos programas citados tem suas peculiaridades, sendo descritos na seqüência. A. SIMATIC MANAGER O Simatic Manager é o ambiente padrão da SIEMENS que suporta tanto o PCS7, usado para grandes projetos com os CLPs da família 400, como o Step7, usado para empreendimentos de pequeno porte com CLPs da família 300. De maneira geral, ele permite que os projetos sejam organizados como simples ou como multiprojetos. Nos multiprojetos é possível que várias equipes trabalhem simultaneamente no mesmo projeto sem que haja perda da integridade e da estrutura como um todo. O projeto de automação pode ser visualizado e organizado de três maneiras no Simatic: com a Visão dos Componentes (Component View), com a Visão da Planta (Plant View) e com a visão dos Processos (Process Object View). Dentro da visão Component View é apresentada a estrutura de hardware, ou seja, dos barramentos da rede, dos CLPs e das estações de trabalho. São definidos aqui quais tipos de CLPs serão usados (com redundância, com tolerância a falhas), qual a topologia da rede, os protocolos usados (MPI 9, PROFIBUS, Ethernet), quais cartelas de I/Os, quantos clientes, quantos e que tipo de servidores, e a estação de engenharia. 9 Do inglês Multi-Point Interface. 11

22 Na Plant View pode ser vista a estrutura hierárquica da planta, organizada de acordo com cada unidade da planta. Uma estação de compressão, por exemplo, pode ser dividida em Turbina, Sistema Hidráulico, Sistema de Exaustão, etc. Nessa estrutura podem ser vistos os diagramas CFC (blocos de funções) e SFC (Grafcet) assim como a visualização (interface) para cada unidade. Finalmente, na Process Object View tem-se uma visão detalhada de todos os objetos da planta (diagramas, figuras, tipos, bibliotecas), permitindo uma configuração muito mais rápida dos parâmetros e componentes. B. PCS7 PCS7 é a principal ferramenta de controle de processos e automação de plantas da SIEMENS. Como já foi dito, ele é largamente utilizado para projetos complexos, que misturam segurança intrínseca, redundância, automação de múltiplas linhas sobre vários protocolos de comunicação, e ainda controle contínuo de processos. Após a configuração do hardware no Simatic Manager, divide-se a planta segundo uma hierarquia, nas quais serão inseridas as funções implementadas em SFC e CFC charts (diagramas). Os CFCs (Continuous Function Chart) são constituídos por blocos representando funções básicas ou complexas, sempre conectados uns aos outros. Eles podem representar um controle de nível de um tanque ou mesmo um setor todo de uma planta com vários processos envolvidos. Com essa visão do sistema em blocos há uma maior facilidade na programação dos subsistemas da planta, sem perder a clareza das informações. Os SFCs do inglês Sequential Function Chart permitem o controle seqüencial de eventos, ou seja, automação de processos controlados a eventos, muito similar ao conhecido GRAFCET [ 9 ], e composto por estados e transições. Com isso, funções criadas em CFC são executadas nos devidos estados, assim como comandos de acionamento (liga/desliga). Será mostrado mais tarde que a programação da lógica seqüencial pode ser feita tanto em SFC como utilizando a estrutura dos CFCs; isso dependendo do nível de visualização requerido pelo cliente. 12

23 A figura 2.2 exemplifica um pouco disso, mostrando que tanto nos estados como nas transições dos SFCs podem ser chamados outros CFCs ou mesmo enviar e receber mensagens de outros dispositivos. Figura Relação entre os diagramas CFC e SFC. A estrutura de dados do software PCS7 é composta por blocos de funções (Functions Blocks) executados dentro de blocos de organização OBs. O que ocorre é que cada função tem um OB vinculado. Se o OB é cíclico, a cada tantos milissegundos o código é percorrido. Se o OB é de interrupção, a função só é executada quando ocorre uma falha, por exemplo. Os OBs possuem prioridades de execução, sendo maior a prioridade quanto maior for seu número. O OB84 representa, por exemplo, uma falha nas cartelas de entrada-saída e só é disparado na ocorrência do evento. Já as funções ou blocos de instruções são organizados em FBs e FCs. Os FBs são funções mais complexas que armazenam os dados relativos às variáveis numa base de dados chamada de DB (Data Blocks), a fim de serem usados no próximo ciclo de execução. É importante mencionar que cada FB possui um único DB vinculado, definido automaticamente ou através de uma tabela simbólica. Os FCs, por sua vez, executam funções simples, lendo suas entradas e devolvendo um valor na saída. Nenhum dado é armazenado, e por isso não pode 13

24 disponibilizar seus dados em Tags 10. Geralmente são usados para cálculos matemáticos ou conversões de dados. No que se refere à programação, as funções usadas nos CFCs podem ser programadas de várias maneiras. O software PCS7 se baseia na diretriz da IEC utilizando os seguintes métodos: STL ou Lista de Instruções, semelhante a linguagem de máquina; LADDER ou Lógica de Relés; FBD ou Diagrama de Blocos. Uma outra possibilidade é a programação em SCL 11 ou Linguagem Estruturada, semelhante ao Pascal. SCL é uma linguagem textual da Siemens que inclui elementos típicos de um CLP como timers, acumuladores, input/output além de funções de controle de fluxo como IF, WHILE, FOR, CASE, estruturas como STRUCT e ARRAYS, e ponteiros. Geralmente é usada para a programação de funções complexas como controle de processos. Em outras palavras, SCL expande as possibilidades frente às linguagens Ladder, FBD e STL. C. WinCC O WinCC ou Windows Control Center é o ambiente que aglutina todas as ferramentas necessárias para o desenvolvimento da interface homem-máquina e da base de dados disponíveis nas estações clientes e de engenharia e de toda estrutura SCADA. Dentro desse ambiente se configuram os dados que serão apresentados ao operador, como eles serão armazenados no servidor de arquivos, o gerenciamento de mensagens, controle da informação de acordo com uma base de dados distribuída, etc. A grande vantagem do PCS7 em relação ao outro software de automação da Siemens, o Step7, é que no PCS7 já ocorre uma integração automática do projeto de automação e controle com o projeto do sistema SCADA no WinCC. Ao se fazer a compilação dos diagramas CFC ou SFC, os dados são automaticamente disponibilizados para o projeto no WinCC. Entenda-se por dados toda a configuração e topologia criada no Simatic, as tags, as variáveis arquivadas, as mensagens do 10 Tags são variáveis de entrada ou saída monitoradas pelo sistema, contidas numa base de dados distribuída. 11 Do inglês Structured Control Language. 14

25 sistema. Como comparativo, os projetos de automação e do SCADA são feitos separadamente no Step7, havendo a necessidade de uma configuração manual pra alguns parâmetros. Dentro dessa suíte de softwares que compõem o WinCC podemos citar alguns mais importantes e que foram usados no projeto do Sistema de Exaustão: Gerenciador de Tags: O gerenciador de tags disponibiliza ao desenvolvedor do projeto SCADA tanto as tags internas (variáveis locais dos scripts usados) como as tags fornecidas pelo PCS7. Vale lembrar que uma variável de entrada ou saída só é visível no WinCC se o atributo da visibilidade no código SCL for definido como verdadeiro. Gerenciador de Mensagens: No gerenciador de mensagens pode ser feita a configuração das mensagens de alarme ou falha, de acordo com condições definidas em projeto. São definidos os alarmes sonoros, as cores e o comportamento das janelas de aviso na tela dos terminais, e como o operador pode fazer o reconhecimento das mensagens. O WinCC permite 16 tipos diferentes de mensagens como alarme (Alarme), aviso (Warning), Falha de Hardware (Failure), tolerância (Tolerance), Erro Interno (Error), etc. Essas informações são aglutinadas em palavras chamadas EventState de 32 bits, onde os 16 primeiros estão relacionados a cada tipo de mensagem, e os 16 últimos ao reconhecimento (Aknowledgement) do usuário para cada uma delas. Arquivo de Dados: O arquivo de dados permite que informações sobre tags sejam armazenadas no Servidor de Arquivo, já devidamente configurado e rodando um software de banco de dados como Microsoft SQL Server. Essas informações podem então ser usadas para desenhar gráficos ou para a criação de arquivos de Log 12 do Sistema. 12 Arquivo de Log é um registro dos eventos que ocorreram num especial período de tempo. No caso, é um registro do comportamento de todas as variáveis monitoradas pelo sistema, e usadas, geralmente, para a depuração de erros. 15

26 Faceplate Designer: O Faceplate Designer é um programa que cria automaticamente os faceplates pra visualização de um bloco do CFC. Os faceplates são arquivos especiais representados por janelas pop-up que são chamados em tempo de execução quando se clica sobre a figura ícone do bloco em questão (Block Icon). Eles possuem todas as informações visuais do bloco e funcionam também como entrada de dados. Grafics Designer: O grafics designer é a grande ferramenta da suíte para a programação e criação da interface gráfica. Nela são criadas as figuras e imagens dos processos que estarão disponíveis ao operador no terminal de acesso dentro da fábrica, para o controle e supervisão. Com ela pode se fazer também a inserção de objetos dinâmicos que possuem atributos que variam juntamente com parâmetros do sistema. Por exemplo, o operador obtém o estado atual de uma válvula simplesmente olhando a figura que a representa. Ainda podem ser usados scripts em VBScript ou ANSI-C para configurar ações disparadas por triggers, dando maior flexibilidade e interatividade à visualização. Maiores detalhes sobre os faceplates e sobre os ícones dos blocos serão apresentados no capítulo 3. 16

27 Capítulo 3: Projeto em Software da Estação de Compressão de Waidhaus 3.1: Introdução Este capítulo relata as atividades realizadas como parte do estágio do aluno, no contexto do projeto de automação para a estação de compressão de gás natural ME4 de Waidhaus, da empresa EON-Ruhrgas, em substituição ao antigo sistema supervisório SCADA existente. Destacam-se as atividades em software como a programação de funções para o monitoramento do Sistema de Exaustão de ME4; a criação de uma nova interface gráfica desse sistema disponibilizada ao operador nas estações de engenharia e nos terminais clientes; e a implementação da documentação de ajuda automática (Case-sensitive help) no Simatic para as funções das bibliotecas das GreyLogix GmbH. 3.2: Justificativas A melhoria do sistema de controle da estação de compressão ME4 de Waidhaus se justifica no momento em que o sistema antigo estava, em muito, ultrapassado, resultando em falhas periódicas e incompatibilidade com outros sistemas mais novos. Percebendo isso, a empresa EON-Ruhrgas veio requerer da empresa Greylogix Automation um projeto novo de automação, antes somente para a ME4 e agora para as outras estações ME1, ME2 e ME3 com conclusão para Na turbina de ME4 também se faz necessária uma nova lógica para o monitoramento do sistema de exaustão onde são medidas 14 temperaturas. A importância do bom funcionamento da exaustão é devida às leis ambientais que entrarão em vigor nos próximos anos na Europa. Um dos tópicos dessa lei se refere 17

28 à emissão de gases poluidores tóxicos NOx misturado aos outros gases da exaustão, provenientes de má queima do gás combustível ou mau funcionamento da turbina. A razão da grande preocupação com a emissão de gases como NOx, SO 2, CO 2 e CO se deve às modificações climáticas que isso vem acarretando. E essas alterações não são somente perceptíveis nos países industrializados, mas em todo o planeta. Fenômenos como o Efeito Estufa, o El Niño e os buracos na camada de Ozônio são responsáveis pelo aquecimento global e pelo derretimento das geleiras, pelos longos períodos de seca em regiões de grande pluvialidade, e enchentes em regiões de chuvas escassas. Muitas conferências e debates internacionais vêm sendo realizados, mas pouco tem sido feito. Países altamente industrializados que assinaram o protocolo de Kioto para redução de emissões nos próximos anos, não têm cumprido as cláusulas. Na Europa, por exemplo, normas ambientais mais rígidas entrarão em vigor apenas a partir de Figura 3.1 Zonas críticas de emissão de compostos nitrosos NOx na Europa. Outra exigência do cliente é quanto à disponibilidade das informações do sistema de exaustão ao usuário operador através de gráficos, curvas e animações nas estações cliente e de engenharia. Para isso deve ser criada uma interface HMI 18

29 totalmente nova com o uso da ferramenta WinCC, a qual será descrita posteriormente. Outra necessidade, dessa vez da própria Greylogix, é que a documentação das funções programadas estivesse disponível facilmente caso houvesse dúvida sobre suas funcionalidades ou algum ajuste fosse preciso. Faz-se necessário, então, descobrir como o software Simatic vincula automaticamente o arquivo HPL (Winhelp) à função programada. Essa tarefa ainda não foi implementada na Greylogix e importante, não só para o projeto de Waidhaus, mas para a documentação de todos os outros projetos da empresa. 3.3: Ambientação do projeto 3.3.1: O gás natural De origem fóssil como o petróleo, o gás natural é constituído na sua maioria de metano (cerca de 90 a 95%) e outros gases como hélio, propano, butano, dióxido de carbono, nitrogênio e sulfeto de hidrogênio, estes em proporções mínimas, sendo provenientes da decomposição da matéria orgânica que passou por um lento processo de sedimentação durante milhares de anos [ 10 ]. Apesar de ter se tornado realmente comercializável só depois da Segunda Guerra Mundial com o advento da engenharia de dutos, a história do gás natural não é nada recente. Relatos históricos relatam que ele já era conhecido na região do oriente médio e na Pérsia antes de 2000 a.c. [ 11 ]. (Maiores detalhes vide Apêndice A - História e formação do gás natural). Nas últimas décadas o gás natural vem despontando como uma grande alternativa energética para grandes empresas e até para os domicílios. Além de ser mais barato, o que o torna muito atraente a grandes consumidores, ele tem uma queima mais limpa que outros combustíveis derivados do petróleo, pois libera praticamente vapor de água e baixas quantidades de CO2, este sendo o grande responsável pelo efeito estufa. 19

30 A questão do uso do gás natural como fonte de energia primária é de grande relevância. Na Alemanha, para ser ter uma idéia, 23% da energia consumida provém do gás, ficando atrás somente dos derivados de petróleo com 36% (vide figura abaixo) [ 12 ]. Figura 3.2 Fontes de energia primária na Alemanha. Nesse contexto se encontra a alemã EON-Ruhrgas AG com seu know-how de mais de 75 anos de compra, distribuição e venda de gás a toda a Europa. Empresa líder no mercado europeu, a EON-Ruhrgas tem hoje uma capacidade de distribuição de gás natural de 690 bilhões de KWh, com volume de gás contratado na ordem de 10¹³ KWh até Seus principais fornecedores são a Rússia e a Noruega com 28% do volume total comprado pela empresa. A Holanda vem em seguida com 20%, além do Reino Unido, da Dinamarca e da própria Alemanha. Outro fato a ser descrito é que para transportar o gás por quilômetros de distância em gasodutos ele deve ser antes pressurizado. Por isso são necessárias estações de compressão ao longo do caminho mantendo-o na pressão e temperatura desejadas, sem umidade e impurezas. Uma dessas estações de compressão da EON encontra-se na cidade de Waidhaus, na divisa com a Republica Tcheca. Nela, o gás natural proveniente da Rússia chega e precisa ser comprimido para uma posterior distribuição aos consumidores finais ou a outras estações. 20

31 Tem-se, na figura 2.2, uma visão geográfica das linhas (gasodutos), das estações de compressão e de armazenamento. Nela, as setas em vermelho indicam por onde entra o gás proveniente de outros países como Holanda e Rússia. Os dois círculos maiores em azul-escuro e azul-claro indicam, respectivamente, a cidade de Flensburg onde se situa a Greylogix Automation assim como uma das estações de compressão da Ruhrgas, e a cidade de Waidhaus na fronteira da Alemanha com a Rep. Tcheca. Figura 3.3 Gasodutos e Estações da EON-Ruhrgas na Alemanha : Processos Envolvidos Para propor melhorias ao sistema antigo é necessário entender a lógica do sistema de compressão, quais os sensores utilizados, o tipo de turbina e seu funcionamento, ou seja, como funcionam os processos dessa unidade. 21

32 Sobre as turbinas se diz que são máquinas termodinâmicas descritas pelo Ciclo de Brayton 13, em teoria mais simples que um motor de combustão interna por possuírem basicamente apenas uma parte móvel: a montagem eixo-compressorturbina-alternador-rotor [ 13 ]. A figura 2.3 consegue descrever bem como é uma turbina e cada etapa no ciclo de Brayton: Figura 3.4 Funcionamento de uma turbina a combustão. Logicamente que esse comportamento é idealizado, uma vez que a turbina entrega ao ambiente mais calor do que o necessário. E isso acarreta em perda de trabalho útil. De certa forma se tenta aproveitar essa energia térmica para aquecer o próprio ar da combustão, ou gerar vapor para outro processo na planta. O sistema de compressão de ME4 é composto por duas turbinas, a de alta pressão HP (High Pressure Turbine) e a de baixa pressão LP (Low Pressure Turbine), a câmara de combustão e os compressores de ar e de gás natural, todos dispostos num mesmo equipamento. O detalhe é que a combustão ocorre na turbina de alta pressão, que se movimenta e comprime o ar da admissão. Os gases resultantes da combustão vão para a turbina de baixa pressão, a movimentam, e daí ocorre a compressão do gás natural. O que normalmente ocorre numa turbina comum é que a mesma comprime o ar para a combustão e move mecanicamente outra turbina para comprimir o gás natural, todas no mesmo eixo. Em Waidhaus, 13 O ciclo de Brayton descreve o funcionamento ideal para uma turbina. No primeiro estágio o ar é comprimido isotropicamente (entropia s do ar igual à zero), a combustão se realiza a pressão constante e a expansão novamente ocorre de forma isotrópica, voltando à pressão inicial. Disponível em: < Acesso em: 25 março

33 apesar de serem um só equipamento, existem duas turbinas com eixos separados internamente. Podemos dizer que a turbina de ME4 realiza, em termos, um Ciclo Combinado 14, como nas turbinas de vapor e a gás operando a partir de um mesmo combustível, e possuindo conjuntos distintos. Neste caso, os próprios gases da exaustão movimentam a turbina LP, podendo ainda aquecer o ar que entra na câmara de combustão através de um trocador de calor Essa técnica permite melhorar a eficiência térmica de todo o processo, na ordem de 60% [ 14 ]. Sendo assim, os gases altamente energéticos resultantes da combustão vão para a turbina de baixa pressão e só depois saem através de uma tubulação para a atmosfera. Mas antes de deixarem completamente a máquina, as temperaturas desses gases são medidas na secção transversal do duto do sistema de exaustão. O esquema de medição pode ser visto na fotografia abaixo, retirada na planta de Waidhaus: 14 CICLO COMBINADO - São turbinas a gás e a vapor operando a partir de um mesmo combustível, o gás natural. A turbina a gás gera energia e os gases de escape da turbina (quentes) são usados para gerar vapor em uma caldeira recuperadora. Este vapor aciona a turbina a vapor produzindo mais eletricidade. Será aplicado na maioria das usinas termelétricas quando concluídas todas as fases de construção. Disponível em: < Acesso: 9 Março

34 Figura 3.5 Medição das temperaturas no Sistema de Exaustão. A medição de 14 temperaturas nessa secção transversal é necessária para a obtenção de um gradiente ou perfil de temperatura dos gases de escape. Essa informação pode então ser utilizada para propósitos de controle de temperatura, de injeção ou de redução de emissões [ 15 ]. Baseado no princípio de que a temperatura em regime dos gases na saída da turbina fornece uma indicação sobre a relação estequiométrica da reação de combustão, pode-se estimar a concentração de cada substância do lado direito da equação química que representa essa reação. Consegue-se, então, identificar uma queima inadequada, a qual libera produtos indesejáveis como monóxido de carbono (CO) e óxidos nitrosos (NOx) na atmosfera [ 16 ]. Como visto em GRIFFIN et al (2001), a temperatura de exaustão é uma função da razão ar/combustível (A/C) na câmara de combustão (figura 2.5). A partir dessa informação realiza-se o controle variando a concentração de ar ou gás combustível injetado. 24

35 Figura 3.6 Temperatura de Exaustão versus Razão A/C num motor a gasolina. Algumas lógicas de controle de emissões mais sofisticadas utilizam medições da velocidade da turbina, da carga (fluxo de ar comprimido), da temperatura média de exaustão, da concentração de oxigênio expelido (determinando a atual relação A/C) e de alguns dados empíricos para fazer a estimativa de uma curva ideal de temperatura de exaustão. A temperatura obtida em simulação é comparada a temperatura ideal, e pela diferença são feitas correções na razão A/C. Em resumo, a partir do gradiente das temperaturas medidas em todos os pontos do sistema de exaustão pode se concluir: 1. Problemas mecânicos com a turbina (nos injetores da câmara de combustão, por exemplo), resultando em baixo rendimento e maior emissão de poluentes; 2. Uma proporção inadequada de ar/combustível na câmara de combustão, resultando em má queima e consequentemente em maior quantidade de emissões. 25

36 3.3.3: Especificações de projeto Na estação de compressão de gás de Waidhaus existe a necessidade de uma modernização de todo o sistema de controle, ou seja, a instalação de novos CLPs, substituição da lógica antiga para o funcionamento da turbina, nova topologia de rede com multi-clientes, servidores de arquivos e estação de engenharia ES, e novas cabines de controle para a sala de comando. Inicialmente, quando o contrato foi feito, este se referia somente à estação de compressão ME4, sendo ampliado no início de 2007 para as outras unidades ME1, ME2 e ME3 na mesma planta de Waidhaus. Deixa-se claro aqui que as atividades de estágio que serão descritas a posteriori se referem somente à unidade ME4. Uma ressalva foi feita pelo cliente no sentido de que as respectivas localizações dos novos equipamentos devem respeitar o arranjo já presente, sendo a expansão feita por puro retrofitting, ou seja, sem que houvesse mudanças nos equipamentos instalados, isso se possível. A partir de todos os dados fornecidos pela EON-Ruhrgas, definiu-se tudo o que a função a ser programada deveria monitorar e quais dados ela deveria fornecer dentro de toda a lógica de controle da turbina. Sobre a interface desse novo bloco, a única exigência é que dados como a média das temperaturas, máxima variação e a relação de cada temperatura com a média global (dispersão da temperatura) sempre estivessem disponíveis. 3.4: Soluções em software 3.4.1: O bloco CFC de Monitoramento do Sistema de Exaustão Como já foi explanado anteriormente, existe a necessidade de que a lógica do sistema de controle da turbina ME4 seja alterada por uma nova. Isso ocorre em virtude de uma total substituição dos CLPs e programas utilizados, assim como de uma nova topologia do sistema supervisório SCADA a ser projetada. A principal característica da função que deve ser criada é, de certa forma, funcionar como um observador do sistema de exaustão da turbina. Pelo calor emitido pelos gases resultantes da queima, pode se fazer uma estimativa do 26

37 funcionamento da turbina, ou melhor, de seu rendimento. Mas, sobretudo, essa função é essencial para que ocorra a realimentação dos dados que possam ser usados na modificação do estado da válvula de ar da câmara de combustão, resultando numa queima mais completa, limpa e menos poluidora. A questão chave é a redução das emissões poluidoras simplesmente com a melhoria da mistura ar/combustível, de acordo com a faixa de compressão que se deseja na saída da máquina. O primeiro passo foi compreender como as lógicas antigas funcionavam, tanto a de automatização da estação (seqüência de ligamento ou desligamento) como do controle de pressão de saída do gás natural. Na verdade, essas duas estavam um tanto entrelaçadas, juntamente com a lógica de controle de emissões. Os estados e transições geravam variáveis que seriam usadas, mais tarde, em passos anteriores e posteriores. Além do mais, como num sistema multivariável que é, alterando-se certa variável altera-se parâmetros de várias partes do programa. Mesmo sendo de difícil compreensão, a exigência do cliente é de que a lógica seqüencial continuasse a ser feita nos diagramas CFC, a fim de uma melhor visualização e controle no sistema SCADA (WinCC). Aliás, essa é uma das vantagens dos diagramas CFCs em relação aos SFCs. Enquanto um é mais fácil de programar, o outro permite uma interface mais amigável e um controle maior sobre o processo. Vale a pena abrir um parêntesis aqui para esclarecer de que maneira pode ser construído o controle seqüencial no PCS7. Como já foi dito, existem duas formas: o SFC (Grafcet) e o CFC. O SFC ou Controle de Seqüência de Fluxo é programado de acordo com estados (passos) e transições. Em cada passo há um conjunto de ações que devem ser tomadas; enquanto na transição tem-se várias condições que devem ser respeitadas a fim de se atingir ou habilitar o passo seguinte. O problema desse método no PCS7 é como ele gera a interface ao operador, muitas vezes tornando complicada a visualização das variáveis que estão sendo alteradas em cada passo. O CFC, por sua vez, necessita que todas as condições sejam realizadas com funções lógicas AND e OR, gerando um programa extenso, com muitas variáveis intermediárias, e por isso de difícil compreensão. Porém, como cada função no CFC pode ter uma interface gráfica no WinCC, a 27

38 visualização se torna simples, não sendo necessário ao operador o entendimento do conceito de Grafcet, ou Redes de Petri. Esse novo bloco (Baustein) a ser programado na linguagem SCL deverá aglutinar praticamente todas a funções referentes ao sistema de exaustão da turbina ME4, disponibilizando seus dados processados para a interface no programa WinCC, para o gerenciador de mensagens (alarmes) e para o passo do ajuste da mistura ar/combustível na lógica de acionamento da turbina. Antes que a programação seja realmente iniciada, é necessário definir todas as entradas e saídas do bloco, quais seus atributos (unidades métricas, visibilidade, disponibilidade para o WinCC, armazenamento no servidor de dados, etc), e qual OB a ser usado. A primeira versão do bloco é nomeada de Abgastemperaturmittelwert ou Média das Temperaturas do Sistema de Exaustão, pertencente à biblioteca de funções Waidhaus. Mais tarde muda-se o nome para Abgassystem ou Sistema de Exaustão, a nível de simplificação. O ciclo de execução utilizado é o OB 35, cíclico com período de 100 milissegundos, ou seja, a cada 0,1 segundo, o código compilado, respectivo a essa função, é percorrido. A fim de facilitar a organização do código, certos passos foram definidos a priori, sendo implementados em SCL praticamente na seqüência que será apresentada a seguir: I. Obter todas as informações provenientes dos sensores, ou seja, as temperaturas e as variáveis booleanas QBAD ( true = falha no sensor, false = funcionamento sem problemas); II. Desabilitar todas as entradas conectadas aos sensores que estão inadequadas (falha no elemento sensor, valores fora dos limites de operação) e disponibilizar esse dado ao WinCC; III. Calcular a média aritmética das temperaturas válidas e disponibiliza-la a outros blocos CFC e ao WinCC; IV. Calcular o valor máximo Vmáx, o valor mínimo Vmin, e a diferença entre dos dois (Vmin-max), sempre considerando as entradas válidas; 28

39 V. Calcular a diferença entre cada uma das entradas válidas e a média, obtendo-se uma distribuição das temperaturas ao longo da secção transversal da tubulação de escape; VI. Calcular a diferença entre as temperaturas da vizinhança, ou seja, entre uma temperatura válida e suas temperaturas adjacentes; VII. Comparar os dados dos passos V e VI com os limites; VIII. Comparar o valor Vmin-máx obtido em IV com a entrada 4_TXSPL ou Valor Admissível de Espalhamento, definindo como true a saída 4_60SPME (habilitar a monitoramento da câmara de combustão) caso Vmin-máx seja maior que o valor admissível. Na lógica que define as entradas inválidas há três variáveis de entrada consideradas, definidas pelo projetista da turbina, e que representam três limites inferiores para as temperaturas medidas nos sensores. Dessa forma, o limite inferior é definido por uma combinação de outras variáveis provenientes de blocos CFCs, estes dentro da lógica de seqüência de acionamento, representando o estado atual de todo o sistema de compressão. Esses três limites são nomeados de MIN_WERT1, MIN_WERT2 e MIN_WERT3, possuindo valores fixos de -35º C, 200º C e 350º C, respectivamente. As variáveis externas nomeadas no programa de FSR e 14HA representam, respectivamente, o valor atual da variável de controle da válvula direcionadora das câmaras de combustão 1 e 2, e o valor verdadeiro da comparação Velocidade da turbina de alta pressão (HD-Turbine) > Limite de velocidade no estágio de aceleração. Além disso, cria-se uma variável auxiliar (array) contendo os valores booleanos QBAD de cada um dos sensores, no ciclo atual e anterior, sendo usada também para desabilitar as entradas cujos sensores estavam danificados. A fim de uma melhor exemplificação do funcionamento da lógica de desabilitação das temperaturas inválidas, abaixo segue um quadro com parte do código: 29

40 //check the conditions for disabling failed inputs and monitoring the minimal temperature allowed. t := 0; IF NOT h_a THEN t := Min_w1; ELSE IF s_b > 50 THEN t := Min_w3; ELSE t := Min_w2; END_IF; END_IF; FOR i:=0 TO 31 BY 1 DO a_sto[i]:= 0; END_FOR; FOR j:= 0 TO Anzahl_S-1 BY 1 DO IF (Status[0,j] OR (Exaust_temp[0,j] < t)) THEN // Failure or temperature out of the valid range a_sto[j]:= 1; Status[0,j]:= 1; // For the fail sensors, the value is set to zero ELSE a_sto[j]:= 0; Status[0,j]:= 0; END_IF; END_FOR; Figura 3.7 Parte do Código da Lógica das Temperaturas Válidas. Um dado que deve ser disponibilizado à interface gráfica no WinCC é o número de sensores com problema, assim como a definição do tipo de falha relativo somente a quantidade de entradas inválidas. São atribuídos valores às saídas booleanas Fehler1, Fehler2 e Fehler3. A primeira apenas significa que o numero de falhas está dentro da faixa de 1 até (ANZ_UNGÜLT1 1); a segunda entre ANZ_UNGÜLT1 e ANZ_UNGÜLT2; a terceira maior que ANZ_UNGÜLT2. Essas duas variáveis acima representam patamares (integger), e podem ser setadas somente no CFC. No caso de Waidhaus esses valores são ANZ_UNGÜLT1 = 3 e ANZ_UNGÜLT2 = 7. Quando a saída Fehler2 está em nível alto ou verdadeiro, um alerta é disparado para o gerenciador de mensagens. Quando a variável Fehler3 = 1, um alarme é disparado e todo o sistema de compressão é desligado. 30

41 Outros avisos também são disparados pelo bloco do Sistema de Exaustão. Quando os valores de dispersão, tanto da média quanto da vizinhança, ultrapassam os limites definidos em projeto, alertas visuais são disparados na interface gráfica disponível nos terminais da planta e nas estações de engenharia. Esses limites são representados pelas entradas SPR_H_TEMP, SPR_HH_TEMP, BENACH_H_TEMP e BENACH_HH_TEMP. Uma tabela com todas informações sobre as entradas e saídas desse bloco pode ser encontrada ao final do documento no Apêndice B. Como já foi dito anteriormente, o valor da média das temperaturas deve ser disponibilizado tanto para outros blocos CFC quanto para a visualização. Esse é um dado muito importante, sendo realimentado ao sistema de controle da mistura da combustão (ar e gás combustível) e de controle dos estágios da queima. No momento que a turbina está em regime, a mistura é enriquecida na primeira câmara de combustão, sendo que a queima só ocorre na segunda. Um valor desejado da média das temperaturas dos gases da exaustão, calculado a partir da pressão atual do ar na turbina de alta pressão, é comparado ao valor atual. Essa diferença é utilizada modificar minimamente a posição da válvula de regulação da entrada de ar. Por ser tão importante para o controle de emissões, utilizou-se um filtro de primeira ordem [ 17 ] a fim de se remover ruídos de medição da média, e definido pela equação abaixo: 1 (1 a) z F ( z) 1, 1 az sendo que o pólo discreto a deve estar entre 0 e 1. Um valor adequado seria entre 0,5 e 0,8 dependendo da faixa de freqüências se quer filtrar. Como o período de amostragem é definido pelo OB (Ts = 0,1s) e a e Ts, a constante de tempo pode ser definida em função da freqüência de corte 1. 2 f Outro ponto a se ressaltar durante a construção do bloco foi a utilização de palavras de controle e status, contendo o maior número de informações possível visto que cada variável a ser disponibilizada do CFC ao WinCC tem um custo expressivo no valor final do projeto. Essas palavras são do tipo WORD (16 bits) ou DWORD (32 bits). Cada um dos bits das mesmas pode ser setado no ambientes 31

42 SCL, contendo dados booleanos sobre o estado do bloco ou sobre possível ações a serem tomadas. No caso do bloco Abgassystem, se utiliza uma palavra de 32 bits nomeada de Stoerungswort do alemão Palavra de Falhas contendo o estado de todos os sensores assim como a ocorrência de overshoot das dispersões da média e das vizinhanças, e dos níveis de falha atuais (Fehler1, Fehler2 ou Fehler3). A tabela abaixo apresenta uma descrição detalhada de cada um dos bits da variável Stoerungswort: Bit Meaning 0 Alerta do desvio da temperatura média 1 Alarme do desvio da temperatura média Alerta da diferença entre temperaturas 2 adjacentes Alerta da diferença entre temperaturas 3 adjacentes 4 Falha 1 (Fehler 1) 5 Falha 2 (Fehler 2) 6 Falha 3 (Fehler 3) 7 Habilitando o monitoramento da câmara de combustão (MIN_MAX_ABW > ZULAS_AB_SPR) 8 Falha na entrada 18 9 Falha na entrada ao 15 Não usado 16 ao 23 Falhas das entradas 9 a ao 31 Falhas das entradas 1 a 8 Tabela 3.1 Correspondência dos bits da variável Stoerungswort. Durante a programação do bloco, o código pode ser compilado e simulado com o uso da ferramenta PLCSim, que emula o funcionamento de um CLP. Depois de pronto, ele deve ser testado sob o maior número de condições possível, variando todos as variáveis de entrada para a depuração de falhas de lógica no código, ou mesmo condições não previstas que poderiam travar o CLP. Uma preocupação nesse sentido foi com cálculos algébricos que por uma combinação especial, pudessem gerar divisões por zero, a entrada em laços infinitos WHILE ou a atribuição de valores em posições inválidas pra uma matriz (posição negativa ou maior que o tamanho da matriz). 32

43 Tendo essas etapas concluídas, o bloco está pronto para ser inserido dentro de toda lógica seqüencial e de controle da estação de compressão. O passo seguinte seria iniciar a construção da interface homem-máquina que estaria disponível nas estações clientes e de engenharia, descrito no próximo tópico. A figura abaixo mostra um diagrama CFC onde o bloco de monitoramento do sistema de exaustão está inserido. Figura 3.8 Bloco Abgassystem no diagrama CFC de teste : A Interface Gráfica ao Operador Dando continuidade aos trabalhos de maneira a cumprir com o que foi proposto, iniciou-se o desenvolvimento da interface gráfica para o bloco Abgassystem. Seria criado algo inteiramente novo, com janelas auto-explicativas que proporcionariam ao usuário um grande numero de informações de forma visual. Desenvolvida totalmente com a ferramenta de editoração gráfica Grafics Designer, tem como função básica fazer o elo entre o PCS7, onde estão os diagramas de funções e os diagramas seqüenciais, e o sistema SCADA. 33

44 Concomitantemente ao desenvolvimento (programação) do bloco, foram sendo definidas as variáveis (tags) que seriam disponibilizadas ao WinCC onde o Grafics Designer está contido. Devem ser fornecidos todos os dados calculados nos passos apresentados no subcapitulo anterior, assim como as variáveis que representavam alertas ou alarmes e a palavra de status Stoegungswort. Nenhum dos parâmetros de configuração do bloco deve ser habilitado aos operadores para que os modifiquem. Os atributos dos sinais de entrada e saída do bloco podem ser disponibilizados também, como informações adicionais. Entende-se como atributos a unidade (unit) e uma breve identicação de 8 letras (shortcut). Existem inúmeros outros atributos, mas foram esses dois os mais utilizados. Lembrando novamente que essas palavras de controle e status são utilizadas no intuito de reduzir o numero de variáveis de um programa, pois em cada um de seus bits muitas informações diferentes podem ser armazenadas. Isso acarreta uma economia tanto em termos de processamento quanto em custo de hardware. O projeto de um sistema SCADA é sempre dividido em várias partes. E não seria diferente com a criação da interface homem-máquina. Podemos dividí-la então, em duas partes: o desenvolvimento do block icon ou ícone e o desenvolvimento dos faceplates ou janelas de visualização. O ícone do Sistema de Exaustão (Block Icon) Uma opção oferecida pelo WinCC juntamente com o Grafic Designer é a criação de ícones associados a um tipo de bloco do PCS7. Sua vantagem, caso vários blocos de um mesmo tipo estejam sendo utilizados nos diagramas CFC, é associar para cada um dos mesmos de uma imagem derivada do ícone original. Isso evita que o progrador tenha que fazer sempre uma figura nova para cada um dos blocos no Grafic Designer. Esses ícones, chamados também block icons ou de typicals 15, ficam armazenados dentro de são geralmente pequenos e 15 Expressão utilizada no software Simatic em alemão para designar a palavra ícone. 34

45 mostram apenas informações básicas de um bloco. Quando se clica sobre eles, são abertas outras janelas denominadas faceplates, permitindo que o operador possa mudar parâmetros ou ver outras informações em maior detalhe. Figura 3.9 Exemplo de Ícones (Typicals). A figura 2.10 acima mostra três ícones diferentes gerados automaticamente na compilação, representando seus blocos. No momento em que se clica sobre um ícone de um bloco, um script em ANSI-C é disparado. Informações contidas em algumas propriedades especiais como type, servername, format (número), trendcontrol (tags a serem expostas num gráfico) são utilizadas. A partir dessas propriedades que o WinCC consegue abrir corretamente os faceplates respectivos a cada bloco, mesmo que haja vários destes numa mesma picture. Para o projeto de Waidhaus, o ícone do sistema de exaustão deve conter apenas o path no titulo da janela, mostrando o nome e o caminho até o objeto, a média das temperaturas e o valor Vmin-máx representando a máxima discrepância entre duas temperaturas dentro da faixa de operação. 35

46 Figura 3.10 Ícone do bloco Abgassystem. Na figura 2.11 podem ser observadas as duas informações mais relevantes: a média e a máxima discrepância das temperaturas. Na parte inferior direita aparecem três quadrados de cores e letras diferentes representando, respectivamente, mensagens de alarme (Alarm), de alerta (Warnung) e de falha no sistema (Störung), geradas pelo bloco no CFC. Algo interessante é que, por definição, nenhum parâmetro pode ser ajustado ou inserido num ícone. Ele é apenas um objeto visual com informações básicas de uma função que conecta o usuário aos faceplates do mesmo. Lá sim podem ser ajustadas variáveis do sistema como o nível de um tanque ou o modo de operação de um motor (manual ou automático). Depois de pronto, os ícones devem ser copiados para dentro de alguma janela do sistema supervisório, a fim de identificar o sistema a que se propõe. No caso do ícone do Abgassystem, o mesmo pode ser visto dentro da tela principal do supervisório da estação de compressão ME4, no Apêndice C ao final do documento. Os Faceplates Os faceplates são arquivos especiais representados por janelas pop-up que são chamados em tempo de execução quando se clica sobre ícone de um bloco. Eles possuem todas as informações de forma detalhada, e funcionam também como entrada de dados, ao contrário do ícone que só tem saída de dados. Eles podem ser criados com a ajuda do software Faceplate Designer presente no WinCC ou mesmo manualmente. Com a ferramenta, são criados automaticamente um conjunto de arquivos do com todos os scripts já configurados. Nos faceplates para o sistema de exaustão da turbina ME4 de Waidhaus temos cinco arquivos ou janelas principais: 36

47 STANDARD ou janela principal; STANDARDS ou janela das dispersões da média global das temperaturas; STANDARD_D ou janela das dispersões das temperaturas davizinhança; ALARM ou janela de mensagens; TREND ou janela com o gráfico dos sinais desejados. Depois que esses arquivos são criados pelo Faceplate Designer eles podem ser editados no ambiente de edição gráfica Grafics Designer como um arquivo normal. Deve-se tomar o cuidado para não apagar ou modificar alguns objetos contidos nos que contém scripts que chamam funções do próprio PCS7. Se alguma dessas funções não for chamada adequadamente, provavelmente ocorrerão falhas no momento da execução. Para um maior detalhamento de cada uma das janelas criadas para a interface gráfica do bloco Abgassystem, segue abaixo a explicação individual de cada uma delas: a. STANDARD (Main Window) Standard é a janela padrão que abre ao se clicar sobre um ícone de uma função. A idéia dentro dessa janela principal é sempre mostrar o maior número de informações através de cores e sinais luminosos. Esse tipo de mensagem é captada rapidamente pelo operador que, em caso de necessidade, analisará números e dados na forma escrita. A janela principal (Standard) do bloco Abgassystem foi criada de forma a mostrar as temperaturas de uma forma rápida e intuitiva. Pensou-se num circulo repartido em fatias, sendo que cada um desses pequenos pedaços representam um sensor. Na verdade, a idéia que se deseja passar ao operador é a de um corte na seção transversal do escapamento da turbina, onde as temperaturas são medidas na sua periferia. Cada uma dessas fatias muda de cor de acordo com um 37

48 gradiente, indo do azul escuro (temperaturas baixas) até o vermelho (temperaturas elevadas). Elas também possuem um label (etiqueta) vinculado, indicando o nome do elemento sensor, a temperatura atual e a unidade utilizada. Importante notar que quando uma das entradas está inválida (falha no equipamento ou fora da faixa de operação), a cor se transforma em cinza e o label em amarelo com um X sobreposto. Essa descrição pode ser vista na figura 2.12 abaixo: Figura 3.11 Janela principal da interface do sistema de exaustão. Acima do círculo podemos observar uma caixa deslizante onde as diferentes janelas pop-up (faceplates) podem ser escolhidas pelo usuário. No canto superior esquerdo existem três quadrados que aparecem ou desaparecem de acordo com mensagens do sistema (alarme, alerta, falha). Logo abaixo da área dos alertas temos quatro variáveis (média atual, Vmin-máx atual, Vmin-máx desejado e a temperatura limitante inferior), ao lado das quais são apresentados seus valores. No canto inferior direito da janela principal são observados três objetos que ajudam o operador a identificar em qual o estado de operação o sistema se encontra. O primeiro e o segundo objeto, que estão em vermelho na figura 3.11, mostram se os desvios da temperatura média ou os valores entre temperaturas vizinhas não ultrapassaram os limites impostos pelo projetista. Em caso positivo, a mensagem e a cor mudam e eles começam a piscar até que o operador reconheça o aviso. A cor laranja representa um alerta e o vermelho um alarme. Quando não há quaisquer problemas, esses dois objetos ficam da cor parda. 38

49 O último objeto de alerta também apresenta informações sobre falhas no sistema, ou seja, quanto sensores estão danificados e em que nível de falha a turbina se encontra (nível 1, nível 2 ou nível 3). Ele se apresenta em três cores: amarelo (nível 1 ou Fehler1), laranja (nível 2 ou Fehler2) e vermelho (nível 3 ou Fehler3). Os níveis 2 e 3 de falhas geram mensagens de alerta e alarme ao sistema. Quando não existem falhas nenhuma imagem aparece. b. STANDARDS (Dispersão da média) O segundo faceplate, chamado no projeto de Mittelwertspreizung, representa a dispersão dos valores das temperaturas de entrada em relação à média das temperaturas válidas do bloco. Visualmente, o usuário técnico pode ter uma idéia do distribuição média na periferia do escape da turbina. Se em algum ponto a temperatura estiver muito fora da curva esperada, possivelmente há um problema com o equipamento (problema mecânico ou falha no processo de combustão). Figura 3.12 Barras representativas dos desvios da temperatura média. Pela figura 3.12 podemos observar que cada uma das barras representa uma entrada. Essas barras são objetos customizados desenvolvidos especialmente para essa interface, às quais foram adicionadas propriedades especiais de elementos básicos do Grafics Designer. Cada objeto customizado é um conglomerado de vários outros tipos simples, sendo criados para facilitar a programação. Esse objeto Barra mostra, na parte superior, a temperatura atual. O preenchimento da mesma vai de acordo o desvio da média de cada sensor. Quando esse desvio atinge o nível de alerta, sua cor muda de amarelo para laranja. Se o desvio atinge o nível de alarme, sua cor muda de laranja pra vermelho. 39

50 Ainda do lado esquerdo o operador pode verificar qual o valor dos limites definidos para esses desvios. c. STANDARD_D (Dispersão da vizinhança) Assim como no faceplate anterior, a janela Benachbarte Temperaturspreizung também apresenta uma relação entre valores de entrada do bloco Abgassystem. Ela mostra a diferença de temperatura de um sensor com a dos seus adjacentes. Essa é uma outra forma de perceber como está o gradiente das temperaturas dos gases da exaustão e, consequentemente, o funcionamento da turbina. Figura 3.13 Comparações das temperaturas vizinhas. Na figura 3.13 percebe-se a grande diferença entre duas temperaturas adjacentes resultando numa mensagem de alarme ao sistema. Ao canto esquerdo estão disponíveis os limites para as temperaturas vizinhas. É válido lembrar que na interface do sistema de exaustão de ME4, em nenhum dos faceplates algum parâmetro pode ser alterado pelo operador. d. ALARM (Mensagens) A janela de mensagens é uma janela padrão criada automaticamente pelo Faceplate Designer, que só é funcional se o bloco for habilitado para gerar mensagens ao sistema supervisório. No caso do bloco Abgassystem, está em seu código fonte SCL a função ALARM_8P que pode geral até 16 tipos de mensagens 40

51 diferentes. Aqui são somente utilizados três tipos: falha (Störung) em negro, alerta (Warnung) em amarelo e alarme (Alarm) em vermelho. Figura 3.14 Janela de Mensagens. Como se vê na figura acima, cada mensagem gerada possui várias informações aglutinadas como data e hora da ocorrência, sua classe e um comentário adicional, todos estes configurados dentro das propriedades do bloco CFC. e. TREND (Plotter) A última janela, chamada de TrendControl, mostra qual o comportamento de algumas variáveis com o passar do tempo. Essas variáveis são definidas dentro de propriedades especiais do ícone do bloco, assim como as cores de exibição. Caso o operador queira modificar parâmetros de exibição, ele o pode fazer usando botões de configuração ou mesmo acessar as propriedades da janela. No caso do Sistema de Exaustão, estão sendo apresentadas (desenhadas) a temperatura média, a temperatura máxima (Vmáx) e a temperatura mínima (Vmin) na seção transversal do escapamento da turbina ME4, podendo ser vistas na figura 3.15: 41

52 Figura 3.15 Gráfico da Média, Vmáx e Vmin do sistema de exaustão. Para dinamizar os objetos criados dentro do software Grafics Designer podem ser utilizados scripts em ANSI-C e Visual Basic, assim como associar diretamente uma variável (tag) com uma propriedade de um elemento gráfico. Para a interface do sistema de exaustão foram mais utilizados scripts em C e conexão direta de variáveis com as propriedades desejadas. Veja que essa última opção só é válida quando, tanto a tag como a propriedade é do mesmo tipo (booleano, inteiro, real, etc). A vantagem do script em C é que através de um evento que dispara a execução de um determinado código, propriedades não só do objeto hospedeiro mas de outros podem ser alteradas. Partindo desse principio, foram criados elementos observadores, invisíveis, que simplesmente executavam códigos que modificavam vários outros objetos. Isso proporciona uma economia de tempo de desenvolvimento, e posteriormente, de tempo de correção nos códigos (depuração de erros) : Testes no CLP Terminada a programação do bloco em SCL e a criação de sua interface no WinCC, inicia-se a etapa de simulações e testes. Até o presente momento as simulações somente haviam sido feitas num computador ES (estação de 42

53 engenharia), dentro de um projeto especial de testes, que não continha outros diagramas CFC ou mesmo as pictures completas (telas do supervisório) da estação de compressão. O projeto do sistema de exaustão ainda não estava inserido ao projeto global. O motivo dessa escolha por um projeto de testes era pela rapidez de compilação de somente um bloco CFC e o arquivo de imagem principal que só continha o ícone do Abgassystem. Outra necessidade, além de simular o programa diretamente no CLP que irá a campo em Waidhaus, é fazer uma estimação dos tempos de execução de um bloco do sistema de exaustão no computador da estação de engenharia (ES) e no CLP. Primeiramente deve ser feita a estimativa de tempo de execução na ES. Já sabíamos de antemão que o valor encontrado pouca relação teria com o tempo de execução no CLP, visto que num computador comum os programas competem por tempo de processamento, aumentando e muito o tempo de execução de uma determinada função. Para tal estimativa é preciso encontrar funções no PCS7 que possam medir esse tempo em milissegundos. Foram encontrados dois blocos na biblioteca PCS7 7.0 chamados TIME_BEGIN e TIME_END que deveriam ser colocados corretamente na lista de execução que o Simatic organiza, dentro do OB 35, na seguinte seqüência: TIME_BEGIN ABGM TIME_END (como figura abaixo). 43

54 Figura 3.16 Diagrama CFC para testes de run-time. Como a informação dada pelo bloco TIME_END tem a resolução de 1ms, ela certamente não nos fornece um dado muito preciso, pois certamente a execução de um bloco ocorre em menos de 1 (um) milissegundo. Mas se forem colocadas uma grande quantidade de blocos ABGM (Abgassystem), um conectado após o outro, teremos um valor tantas vezes maior quanto maior for o número de blocos intercalados. Essa foi uma maneira encontrada para aumentar a resolução do experimento. Foram adicionados então 100 blocos, organizados na tabela de execução da seguinte forma: TIME_BEGIN ABGM ABGM ABGM (...) ABGM TIME_END. Todo o diagrama foi compilado e simulado usando a ferramenta PLCSim, a qual emula um CLP no micro. Mas logo se detectou um problema: como o bloco TIME_END mostra a diferença dos tempos apenas a cada novo ciclo do OB35, ou 44

55 seja, a cada 100ms, certamente entre o inicio e o fim do ciclo de sistema pode ter ocorrido uma execução mais lenta que a apresentada. A fim de resolver esse problema, é programada em SCL uma pequena função chamada TIME_MAX que somente armazena o maior valor que chega a sua entrada. Adiciona-se, ainda, uma entrada de reset para zerar a memória do bloco quando definida como verdadeiro. Isso é útil em caso de novas simulações. Dessa forma, deixa-se a simulação executando por vários minutos para só no final verificar qual é o valor na saída da função TIME_MAX. Com o experimento pronto, fez-se o carregamento (download) do programa para o CLP (CPU 417-H) para executá-lo. Durante a depuração final do programa Abgassystem e de sua comunicação com o SCADA (WinCC) não apareceram graves problemas, tanto na ES como no CLP. Com relação ao experimento para medir o tempo de execução do bloco foram obtidos dois valores muito divergentes, mas completamente entendíveis: Teste na ES: pico de 2,11ms por bloco; Teste na CPU 417-H: pico de 0,84ms por bloco. Os tempos obtidos e apresentados acima mostram que realmente a execução do programa de automatização feita numa CPU dedicada é menor, pela disputa de memória e processador que existe num PC comum. Depois de todos os testes individuais realizados e da coleta dos dados de runtime para serem inseridos na documentação final exigida pela empresa, faz-se necessário unir a função do sistema de exaustão ao programa do sistema supervisório de Waidhaus, conectando-o devidamente aos outros blocos CFC. Essa inserção no programa geral foi feita pelo orientador do aluno na empresa, o engenheiro Matthias Frahm, o qual relatou problemas com a visualização do faceplate principal do bloco Abgassystem. A descrição do problema: na janela Standard onde está o circulo que representa a tubulação de escape da turbina ME4 existem etiquetas para cada um dos sensores, as quais contêm o nome do sensor, a temperatura atual medida e a unidade utilizada. Mas esses dados não apareciam no servidor, somente símbolos 45

56 que eram lixos presentes na memória RAM da CPU 417-H. A grande questão é, por que o script em C devolve o valor correto na estação de engenharia, a qual possuí o sistema operacional Windows XP, e simplesmente não funciona no servidor rodando Windows 2003 Server. O problema demandou certo tempo para sua correção. Com a ajuda do especialista em WinCC, o engenheiro Mark Kuchenbecker, descobre-se que há um bug na propriedade Text do tipo caixa de texto usado pra representar as etiquetas, e não na compilação das funções de manipulação dos tipos char e char* como sprintf e strcpy feitas pelo C-compiler do WinCC, como se pensou inicialmente. Para solucionar esse problema, é usada outra propriedade funcional do tipo caixa de texto, a qual faz a atribuição indireta da propriedade Text. Esse bug foi relatado aos desenvolvedores do software PCS7 da Siemens, para que o erro fosse corrigido nas versões seguintes : Documentação Online Como última etapa de todas as tarefas em software realizadas pelo aluno no contexto do projeto EON-Ruhrgas Waidhaus temos a documentação das funcionalidades do bloco Abgassystem e da interface HMI presente nas estações clientes e de engenharia. Essa documentação é fundamental para que outros colegas da empresa, que porventura tiverem contato com este trabalho, consigam entender sua lógica de funcionamento para até, usá-lo em projetos vindouros. O que se realizava normalmente na empresa Greylogix era a construção de um documento.doc ou.pdf, a partir de um template (modelo) da empresa, contendo explicações detalhadas das funcionalidades de um bloco programado e de todas as variáveis IN, OUT e IN_OUTPUT presentes no código SCL. Além disso, caso a função programada tenha uma interface gráfica no WinCC, esta deve ser descrita na documentação da mesma forma. Mas um grande anseio das equipes de desenvolvimento de software da empresa era tentar aproveitar uma funcionalidade presente no Simatic para os projetos da empresa. Chamado em inglês de Case Sensitive Help, essa funcionalidade utiliza arquivos de ajuda vinculados às bibliotecas e blocos 46

57 programados. Dentro do Simatic, a equipe de engenharia poderia ter o acesso automático à documentação dos blocos apenas apertando a tecla F1 do teclado, quando os mesmos estivessem selecionados. Também chamado de Online Help, funcionava aparentemente só com as bibliotecas padrões do PCS7. O desafio era, naquele momento, saber como funcionava o vínculo dos documentos com o Simatic, e se isso poderia ser realizado para um projeto de usuário, já que nenhuma informação estava disponibilizada sobre o assunto na documentação do Simatic Manager. Foram pesquisadas informações em páginas de suporte da Siemens, fóruns do Simatic Manager, até mesmo foram enviados s para as equipes de desenvolvimento do PCS7. A informação obtida dizia que o documento de ajuda deve ser feito com a utilização de uma ferramenta de Help Authoring 16, sendo recomendado o software Robohelp da Adobe. O problema dessa solução é que a licença do programa custa em torno de 1.300,00 Euros, e podendo haver o risco de não ser encontrada, em tempo hábil, uma maneira de utilizar essa funcionalidade para os projetos da empresa, até o fim do contrato com o aluno. Foi encontrada, então, uma solução sem custo algum, um software de help authoring livre chamado HelpMaker. Um documento de teste foi criado para o aprendizado da ferramenta HelpMaker. Um ponto relevante é que, após criar toda a hierarquia dos tópicos de ajuda, cada uma das páginas deve ter um número de identificação único denominado de Topic-ID. Este número será posteriormente utilizado para chamar o tópico de ajuda correto referente ao bloco CFC desejado. O primeiro passo para a solução do problema havia sido dado. Foi necessário encontrar algum documento ou fonte de dados na qual houvesse informações de como vincular o arquivo de ajuda a uma biblioteca do Simatic. Todas as informações foram organizadas em passos, para uma correta configuração. Esses passos são vistos a seguir: 16 Tipo de software usado para a criação de documentos de ajuda do Windows (.hlp) ou mesmo em html para serem usados em páginas de internet. 47

58 1. Copiar a biblioteca desejada para a pasta S7LIBS, no seguinte caminho PROGRAM\SIEMENS\STEP7\S7LIBS; 2. Executar o software S7ALIBXX.EXE existente na pasta S7BIN para publicar a biblioteca copiada dentro do Simatic Manager; 3. Copiar os arquivos gerados pelo programa de help authoring (HLP e CNT) para a subpasta da biblioteca S7LIBS\MY_LIB; 4. Executar o arquivo de Registro do Windows MY_LIB.reg, criado num editor de textos e devidamente configurado; 5. Reiniciar o sistema operacional. Esse arquivo de registro pode ser feito em qualquer editor de texto desde que seja possível salvá-lo na extensão.reg. O arquivo do projeto Waidhaus foi editado no Bloco de Notas do Windows, seguindo a estrutura mostrada no quadro abaixo: REGEDIT4 [HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\Siemens\STEP7\2.0\Applications\s7libs\Waidhaus_L ib\glx_rc] "VersionDate"="" "Version"="" "HelpFileGerman"="S7LIBS\\Waidhaus_Lib\\Waidhaus a.hlp" "HelpFileEnglish"="S7LIBS\\Waidhaus_Lib\\Waidhaus b.hlp" "HelpFileFrench"="S7LIBS\\Waidhaus_Lib\\Waidhaus c.hlp" "HelpFileSpanish"="S7LIBS\\Waidhaus_Lib\\Waidhaus b.hlp" "HelpFileItalian"="S7LIBS\\Waidhaus_Lib\\Waidhaus b.hlp" [HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\Siemens\STEP7\2.0\Applications\s7libs\Waidhaus_L ib\glx_rc\waidhaus] "ABGM"=dword: F Figura 3.17 Quadro com o código do arquivo de registro. Ao executar esse arquivo, todas essas informações contidas nesse código são salvas no registro do sistema operacional. Ao pressionar a tecla F1 no momento em que um bloco qualquer estiver selecionado nos diagramas CFC, o Simatic obtém seu nome, sua família e seu autor, e tenta encontrar informações sobre esse bloco no Registro do Windows. A partir dessas informações, o programa sabe qual dos 48

59 arquivos de ajuda deve ser aberto em função da linguagem do PCS7 (inglês, alemão ou francês). Isso quer dizer quer mais de um arquivo de ajuda pode ser vinculado a uma biblioteca, em função da linguagem configurada. Observando o quadro acima pode se perceber que os blocos de uma mesma biblioteca são organizados por famílias e autores. No caso da biblioteca de Waidhaus o bloco programado ABGM (Abgassystem), pertencente à família WAIDHAUS e construído pelo autor GLx_RC, está vinculado ao tópico 0x6F do arquivo de ajuda Waidhaus x.hlp. Todas essas configurações foram realizadas com cuidado para que nenhum passo fosse esquecido. O resultado foi o perfeito funcionamento do case sensitive help, abrindo corretamente o tópico relativo ao bloco Abgassystem ao ser pressionada a tecla F1. Essa janela pode ser vista na figura 3.18: Figura 3.18 A janela do help para a biblioteca de Waidhaus. Para que outras equipes de trabalho da empresa possam utilizar essa funcionalidade, foi construído um documento detalhado explicando o funcionamento do HelpMaker (ferramenta de help authoring), como fazer o arquivo.reg para inserir dados no registro do Windows e a descrição de todos os passos de configuração há pouco apresentados ao leitor. 49

60 3.5: Considerações Neste capitulo foram apresentadas as atividades do aluno englobadas no pacote de softwares para automação industrial da Siemens, no âmbito do projeto de re-automatização da estação de compressão de Waidhaus. Esses trabalhos percorreram todas as camadas do sistema SCADA, desde funções aplicadas nos equipamentos de chão de fábrica até a interface ao usuário final disponível nas estações de controle. Num primeiro momento das atividades era interessante adquirir o conhecimento de todos os processos envolvidos, e do funcionamento de toda a lógica da estação de compressão ME4. Mas logo surgiu um problema: os antigos diagramas de controle e seqüência. A falta de clareza de toda a lógica de funcionamento da estação de compressão certamente prejudicou o entendimento do conjunto como um todo, dificultando a sugestão de novas melhorias ao antigo sistema, diferentes das que já haviam sido requisitadas pelo cliente EON-Ruhrgas. Vários parâmetros presentes nos diagramas não puderam ser esclarecidos, nem mesmo sob pesquisa na documentação do projeto disponibilizada pela Greylogix, visto que grande parte do controle da turbina fora desenvolvido por uma empresa especializada, e que praticamente não sofreria modificações. Ainda com relação ao antigo sistema de automação, este fora programado somente em CFC com blocos lógicos (AND, OR, XOR, NOR, etc) e chaves condicionais binárias que o tornavam incrivelmente extenso e de difícil compreensão. Os estados e transições geravam variáveis que eram usadas em passos anteriores e posteriores. Com relação aos objetivos específicos definidos no inicio do capítulo, estes foram alcançados sem maiores problemas, com destaque ao desenvolvimento do Case sensitive help, algo inédito na empresa. Faz-se ressalvas à suíte Simatic Manager pelo bug encontrado no WinCC do servidor, o qual demandou muito tempo para sua depuração, e erros internos freqüentes do PCS7, provavelmente por algumas incompatibilidades de suas muitas funcionalidades. Todas funções desenvolvidas como estágio e descritas nesse capítulo já estão sendo utilizadas no projeto Waidhaus, apesar do software final de ME4 só ser levado a campo em julho de

61 Capítulo 4: Projeto em Hardware da Estação de Biogás de Nieheim 4.1: Introdução Neste capítulo serão apresentadas as atividades realizadas pelo aluno, sempre em grupo e supervisionado, no projeto de automação da nova planta de produção de Biogás da empresa KOMPOTEC Fermentierungsanlage GmbH, situada em Nieheim, Alemanha. Dentre elas: A montagem das cabines 13 e 14, de acordo com a especificação dos componentes e com as normas EN e DIN para a cor e diâmetro da fiação, cor e tipo de canaletas; cor e tipo de conectores; A instalação dos equipamentos, cartelas de I/O e fiação especiais para os sinais provenientes de áreas com risco de explosão (EEx(i), por exemplo), de acordo com a norma ATEX; O teste da alimentação trifásica dos inversores de freqüência, da alimentação 24V, da lógica de relés para o desligamento em caso de falha ou emergência, das entradas e saídas digitais dos CLPs (I/O cards) e calibração das I/Os analógicas; Configuração da rede e testes de comunicação. 4.2: Justificativas A montagem das cabines de comando é de total importância dentro de um projeto de automação, visto que dentro delas são instalados os CLPs com suas cartelas de I/Os, e ambos conectados a vários outros dispositivos eletro-eletrônicos. Além disso, é a partir delas que sai a rede que conecta os dispositivos de campo e os dispositivos no nível de gerência 51

62 Portanto, uma correta instalação dos dispositivos, obedecendo sempre as normas que envolvem ambientes fabris, garante um correto funcionamento do equipamento e uma maior segurança para os operadores no chão de fábrica Quanto aos testes, eles se justificam quando a empresa tem um compromisso com o cliente pela qualidade do serviço prestado, garantindo um produto final funcional, livre de falhas e que preza, acima de tudo, pela integridade das pessoas que o utilizarão. 4.3: Ambientação do projeto 4.3.1: O Biogás Naturalmente menos poluidor que outros tipos de energia como óleo diesel, carvão mineral e derivados de petróleo, os biocombustíveis são considerados hoje por muitos como as fontes energéticas do futuro. Como resultado natural do ciclo do carbono tem-se a formação do metano (CH 4 ) juntamente com outros gases a partir da fermentação anaeróbica de compostos orgânicos, como fezes de animais e restos orgânicos domésticos. Para uma maximização da produção do principal produto, o metano, a fermentação deve ocorrer dentro de certos patamares de temperatura, umidade e acidez, num ambiente totalmente anaeróbico, ou seja, sem a presença de ar []. O esquema abaixo esclarece um pouco o ciclo de produção do metano: 52

63 Figura 4.1 Formação do Biogás Outras vantagens do Biogás podem ser citadas além da baixa poluição que confere sua queima: alternativa energética para instalações rurais, pelo fato da disponibilidade da matéria prima e do não uso de madeira como combustível; solução eficiente para o tratamento dos excrementos animais (também poluidores) e dos aterros sanitários nas grandes cidades. No Brasil, ainda estamos despertando para as fontes renováveis de energia, como o Biodiesel e o Biogás, mas na Europa essa prática já está bem mais disseminada. Na Alemanha mesmo, existem centenas de biodigestores e estações de geração de energia elétrica a partir do metano, assim como de venda e distribuição dos resíduos fertilizantes sobrantes. Essas usinas geralmente funcionam como geradoras de energia, utilizando o metano como combustível para geradores e aquecedores de água. A massa resultante da fermentação é então armazenada em silos e vendida como fertilizantes para jardins e propriedades agrárias. 53

64 4.3.2: A empresa Kompotec A KOMPOTEC Fermentierungsanlage GmbH é uma empresa do setor com estações espalhadas por todo o território alemão. Seu grande diferencial é o grau de automatização que emprega nos seus processos e nas plantas, garantindo grande qualidade dos produtos que fornece (fertilizantes, energia elétrica e água aquecida). A sua nova planta, situada nos arredores da cidade de Nieheim, é uma das mais modernas da empresa juntamente com mais cinco unidades que estão sendo construídas. Está localizada estrategicamente ao lado da antiga planta de compostos orgânicos, a Kompotec Kompostiegungsanlage. É de lá que sairá a matéria-prima (húmus) para os biodigestores da nova planta. A energia e a água aquecida produzida na estação de biogás serão utilizadas para o consumo da própria empresa, sendo o excedente vendido para alguma empresa de energia elétrica. Figura 4.2 Visão aérea da planta da Kompotec Nieheim A figura 2 mostra a vista aérea da planta de Nieheim, juntamente com o mapa da Alemanha indicando sua localização geográfica. Infelizmente não pode ser vista a nova planta já que ela ainda não foi concluída. 54

65 4.3.3: Especificações de projeto e normas A fim de se construir um plano de automação dessa planta, a Kompotec forneceu à Greylogix Automation GmbH alguns documentos de grande importância, como os diagramas das tubulações e equipamentos, assim como toda a planta baixa da estação. Por ela identificamos o silo de armazenagem da matéria-prima (restos orgânicos produzidos por animais ou lixo doméstico), o fermentador, o tanque de pós-fermentação, o reservatório do gás cuja tubulação o conecta ao setor de geração (energia elétrica e aquecimento). Figura 4.3 Funcionamento de uma planta de biogás Pelo diagrama dos dispositivos identificamos as tubulações, as válvulas de acionamento automático e manual, os motores que movimentam as esteiras e os agitadores, os sensores de temperatura, umidade e acidez, localizados providencialmente dentro dos tanques, ou seja, todo o sistema de atuação e medição dos processos. Outros materiais fornecidos pelo cliente continham as especificações técnicas para a montagem das cabines de controle, da fiação e dos componentes elétricos (cor, tamanho, tipos de relés, tipos de conectores), tipo de comunicação entre periféricos, etc. 55

66 Buscando um completo entendimento do trabalho a ser realizado foi necessária uma minuciosa leitura dos documentos. A partir daí, montou-se as equipes e o trabalho seria iniciado nos departamentos de software e hardware. Outra exigência exigênica do cliente é que todo o trabalho a ser realizado deve estar calcado dentro dos seguintes padrões europeus e internacionais: EN - Normas e diretivas (European Norm) IEC Normas (International Electrotechnical Comission) DIN Norma alemã ATEX, especialmente a diretiva 94/9/EG para áreas potencialmente explosivas. 4.4: Soluções em Hardware 4.4.1: Montagem e Instalação dos Componentes nas Cabines Dentro das atividades realizadas nesse projeto como parte do projeto de fim de curso estão: Montagem das Cabines 13 e 14, ou seja, a construção das mesmas com os trilhos de contato e as canaletas da fiação, de acordo com os documentos fornecidos pela equipe de Design de Hardware; Instalação elétrica dos componentes nas cabines, assim como a alimentação trifásica e 24Volts das mesmas (de acordo com os diagramas elétricos); Instalação da rede de comunicação entre os equipamentos e os CLPs utilizando o protocolo Profibus-DP (protocolo de campo). A montagem ou construção das cabines é realizada totalmente na oficina da Greylogix. A princípio, tem-se o desenho da cabine fornecido pelo Design de Hardware. Esse diagrama mostra quais são as dimensões das canaletas de PVC onde passa a fiação, em qual orientação e cores são montadas. Seguindo o padrão europeu e alemão, utiliza-se as cores cinza ou marrom-claro para as canaletas da 56

67 fiação tradicional, e azul para as canaletas da fiação dos equipamentos situados em áreas potencialmente explosivas (EEx(i), por exemplo). Nessa fase também são parafusados os trilhos de encaixe dos terminais numerados (Klemmleiste), usados como passagem dos sinais e da alimentação, assim como para o encaixe dos relés e das fontes eletrônicas. Na fase seguinte temos a instalação dos componentes eletro-eletrônicos e de toda a fiação que os conecta entre si e com outros equipamentos em outras cabines. Para tal, foram seguidas as listas de materiais bem como os diagramas de ligação elétrica. Dentro dos materiais utilizados estão: as cartelas de entradas e saídas analógicas e digitais da Siemens, as fontes eletrônicas de 24V com quatro saídas galvanicamente separadas (MURR Elektronik), conversores de sinais de tensão (Volts) para corrente (ma) e vice-versa, transformadores, relés e chaves manuais 230V AC e 380 V AC trifásica. Figura 4.4 Montagem da cabine 14 (Schrank 14). 57

68 Quanto à fiação e aos terminais, estes possuem cores e tamanhos de acordo com os sinais conectados. Para as cores do cabeamento segue-se a norma européia EN de 2003: 1. Cores: Verde e amarelo: aterramento; Azul e branco: neutro; Branco: sinais analógicos; Azul escuro: sinais digitais e alimentação 24V DC; Vermelho: alimentação 230V AC; Vermelho e branco: neutro 230V AC. 2. Diâmetro dos condutores: seguiu-se uma tabela derivada da norma DIN VDE indicando o diâmetro do condutor encapado por PVC, de acordo com a corrente I z (corrente de carregamento). A diretriz 603 refere-se a circuitos alimentados com tensão de 0,6 a 1kV. Para maiores detalhes e fins de consulta, a tabela pode ser encontrada anexada no Apêndice D. 3. Os terminais de contato diferem-se uns dos outros pelas cores e pela bitola do fio que o mesmo fará contato. Quanto às cores, temos as seguintes combinações: verde-amarelo para aterramento, azul (EEx(i)) e marrom-claro (sinais, alimentação e neutro). Chegava enfim a etapa de montar a rede local, a comunicação. Faz-se necessário, então, ligar cabos especiais para Profibus-DP aos dispositivos CLPs, cartelas de I/O e equipamentos como inversores de freqüência, os quais possuem portas especiais de comunicação. Essa instalação obedece à topologia apresentada abaixo: 58

69 Figura 4.5 Topologia da Rede de Nieheim. Observando a figura acima, identificam-se as linhas na cor rosa como sendo pertencentes à comunicação de campo (Profibus ou MPI), ou seja, transferência de dados entre as unidades de processamento CLPs e os dispositivos de campo como motores, manipuladores, bombas e sensores. As linhas em verde conectam os CLPs ao barramento Ethernet (Industrial Ethernet) onde também estão pendurados os servidores, os clientes e a estação de engenharia ES (Engeneering Station). Ainda na figura 3 percebemos que no Feld11 (Cabine 11) está situado um CLP da família 400 (CPU 414) com uma cartela de expansão de I/Os ET 200M. As unidades da família 400 possuem grande capacidade de processamento e memória se comparados aos da família 300, estes usados para projetos pequenos por não suportarem o software PCS7. Algo a acrescentar: as cartelas ET 200M apresentadas na cor azul são especiais para áreas com risco de explosão, enviando seus dados numa potência segura (máx. 8V e 200mA) : Teste das Cabines Depois de toda a montagem realizada, tanto dos equipamentos como do cabeamento, fez-se necessário uma bateria completa de testes em todas as cabines. 59

70 Essa fase de testes é de vital importância pois garante, a priori, um perfeito funcionamento do sistema e da lógica envolvida. Problemas na lógica de segurança feita em hardware já são detectados e corrigidos. Caso haja problemas com o funcionamento de algum dispositivo eletro-eletrônico, este é substituído por outro. É por toda essa preocupação com a qualidade do trabalho realizado que a Greylogix possui a certificação ISO 9001 de Qualidade e Serviços. Aliás, a empresa recebeu novamente este ano o certificado ISO Para os clientes isso mostra uma total seriedade ao trabalho, e garantia de segurança e funcionamento do produto entregue. Como primeira etapa da fase de testes tem-se a avaliação da comunicação entre os dispositivos. Isso pode ser realizado com a ferramenta HW Config incluída no pacote Simatic da Siemens. Nela, estrutura-se toda a configuração do hardware, tanto da quantidade e tipo de CLPs, cartelas de I/O, servidores e clientes como da topologia usada (protocolos PROFIBUS-DP, Ethernet, MPI, etc). De acordo com a documentação do projeto é necessário fornecer um endereço pra cada dispositivo a fim de se testar a rede e evitar conflitos. O protocolo utilizado nesse caso foi o MPI Interface Multi-Ponto, padrão proprietário da Siemens e destinado à conexão entre PCs, dispositivos de campo e CLPs. Feito isso, entra-se na segunda etapa. Seguindo uma lista de testes fornecida pelo departamento de Qualidade, são testadas uma a uma as saídas digitais DO Digital Outputs dos CLPs, conferindo seus destinos nos respectivos terminais de contato. O CLP fornece 24 Volts como nível lógico alto e zero Volts como nível lógico baixo para suas DO. O mesmo se faz com as entradas digitais DI (Digital Inputs). Agora são os terminais que devem ser alimentados com 24 Volts para que um LED se acenda no endereço correspondente de uma cartela de I/O ou no CLP. Para as saídas analógicas AO (Analog Outputs), os valores são definidos no software HW Config sendo atualizados às saídas. Tanto em corrente, normalmente de 4 a 20mA, como em tensão, de -10 a 10 Volts, ambos podem ser medidos com um multímetro. Para as entradas analógicas AI (Analog Inputs) é utilizado um aparelho de calibração que podia fornecer tensão ou corrente nas mesmas faixas acima 60

71 descritas (4 a 20mA ou -10 a 10 Volts). Os valores podem vistos então no programa HW Config, e caso algum dado inconsistente aparecesse na tela, provavelmente havia sido realizado algum mau aterramento ou má configuração das propriedades dos equipamentos no software. É necessário também um relatório de testes, que mais tarde será entregue ao setor de qualidade. Do relatório para Nieheim, segue abaixo uma lista com alguns dos procedimentos utilizados: Teste visual, ou seja, se visualmente tudo parecia estar no seu devido lugar; existência de cabos ou coisas soltas, por exemplo; Checagem da corrente máxima para cada uma das chaves manuais (disjuntores) de alimentação; Checagem da alimentação 230 Volts AC, 24 V DC; Teste da alimentação trifásica para as bombas e motores com aparelhagem especial de forma a identificar a seqüência de fase da rede de alimentação (ABC ou BAC). Ressalta-se a importância desse teste pois, uma bomba ligada no sentido inverso, por exemplo, pode queimar em poucos segundos; Teste dos termoelementos sensores que acionam a lógica de proteção dos motores e bombas pelo sobreaquecimento dos mesmos. Com relação às lógicas envolvendo relés, para cada parte da planta possui uma lógica específica, descrita por uma folha de engenharia com diagramas de blocos. Nela são mostrados os grupos de relés, como são acionados e quais os dispositivos ligados a eles que porventura sejam desligados em caso de emergência (botão de emergência de uma das cabines pressionado, por exemplo). 61

72 Figura 4.6 Lógica de emergência na Haustechnik. 9Ao analisar a figura 4.6 se percebe que as condições ambientais (vazamento na tubulação, fumaça, aumento brusco da temperatura) no setor SIL2, que é uma área propensa à explosão, funcionam como condições para o sistema de emergência. Caso sejam satisfeitas, o relé de emergência desliga o aquecimento e a esteira de transporte, liga a ventilação e envia aviso de alarme para o CLP. Como nesse momento toda a segurança de uma planta estava envolvida, as lógicas de cada um dos setores foi testada nas cabines com grande cuidado e atenção para que nenhuma delas fosse levada à Nieheim com qualquer falha. Quanto ao teste de comunicação entre os equipamentos de campo, após a montagem e instalação dos cabos especiais para Profibus se utiliza o próprio programa HW Config para realizar todo o diagnóstico automático da rede. Em Nieheim foi usado o protocolo de testes MPI da Siemens para essa avaliação. Todos os testes foram realizados na oficina da Greylogix, em grupos de 3 ou 4 pessoas. Foram sempre exigidas vestes especiais e calçados com isolamento. Quando correções nas fiações foram necessárias, toda a alimentação 230 Volts era desligada antes que se fizesse o reparo. Isso garante a segurança e integridade física de todos trabalhadores dentro da oficina. 62

73 4.5: Considerações Logo após o término das atividades propostas para esse projeto, as cabines foram levadas à campo, em Nieheim, para que fossem instaladas nas salas de comando e conectadas aos equipamentos da nova planta. Os resultados obtidos foram realmente satisfatórios, primeiro pelo êxito no cumprimento das tarefas e do cronograma, segundo pelo aprendizado prático, complementando ainda mais a formação do Engenheiro de Controle e Automação. Algo que prejudicou o entendimento das tarefas no início dos trabalhos foi a questão dos termos técnicos, especificações e nomes dos equipamentos, todos em alemão, adicionado ao fato que poucas pessoas que trabalhavam na oficina falavam inglês para poder prestar algum esclarecimento. Mas em questão de poucos dias, com o aprendizado de novos termos, essa dificuldade foi sanada. Para finalizar, ressalta-se alguns pontos significantes constatados com as atividades em hardware na oficina (Werkstatt) da Greylogix: o valor do trabalho em equipe, já que tudo é feito em conjunto e uma tarefa depende da outra; a preocupação com as normas de segurança, reduzindo ao máximo o nível dos acidentes; e a sintonia e a sincronia que deve existir entre as equipes de SW e HW a fim do cumprimento das metas e cronogramas. 63

74 Capítulo 5: Discussões e Conclusões Finais Através desse relatório objetivou-se apresentar duas perspectivas distintas dentro de um projeto de Automação: a perspectiva de software e a de hardware. Apesar de fazerem parte de um mesmo objetivo ou meta, que é o projeto de automação, funcionam quase em paralelo, e a um olhar desatento nos parece que são independentes. Mas não são. Ao inicio de cada novo projeto dentro de uma empresa, as equipes trabalham muito de perto, e em contato freqüente com o cliente para que todos os requisitos e especificações requeridas sejam transformados num projeto de engenharia. A partir daí, a equipe de hardware define quais serão os CLPs utilizados, a topologia da rede de comunicação e todos os sinais envolvidos dentro da planta, e fornece esses dados a equipe de software para que construa, dentro do software Simatic Manager, as tabelas simbólicas, a configuração da rede e dos elementos do sistema SCADA como estações e CLPs. Nesse ponto cada uma das equipes segue um rumo. O Hardware com o design elétrico das cabines de controle, o projeto do acionamento de potência dos atuadores, a construção das lógicas com relés para proteção dos equipamentos em caso de falha ou emergência, para no final de tudo realizar a construção e montagem propriamente dita das cabines. O Software, por sua vez, é responsável pelo projeto da lógica seqüencial dos eventos da planta, em SFC (Grafcet) ou mesmo em CFC, pelo controle dos equipamentos, pela interface do sistema supervisório disponível nos terminais da planta, pela configuração das estações clientes, dos servidores e da estação de engenharia, assim como tudo que envolve os softwares Simatic e o WinCC. Apesar de seguirem paralelamente, sempre há um feedback entre as equipes para que estejam sincronizadas dentro de um cronograma, geralmente apertado, de trabalho. Logicamente, havendo mudanças nas requisições do cliente que interfiram no número de equipamentos, subsistirá novas interações entre hardware e software até que tudo esteja devidamente corrigido. Nesse período de estágio que envolveu atividades teóricas e práticas dentro da empresa de automação Greylogix foram percorridas várias áreas do 64

75 conhecimento, a fim de alcançar todos os objetivos inicialmente propostos. Muitas vezes, as informações distantes do alcance tiveram de ser pesquisadas, buscadas e lapidadas, visando sempre um melhor entendimento dos processos envolvidos nos projetos. Deve ser ressaltado que todo o conhecimento prático adquirido sobre plantas de gás natural e biogás, sistemas SCADA com a programação do bloco de monitoramento para o sistema de exaustão da turbina ME4 e sua integração com o sistema supervisório no WinCC, montagem e instalação dos componentes elétricos nas cabines, prova a grande interdisciplinaridade da Engenharia e que todos os objetivos ora almejados foram alcançados com sucesso. Todos os programas e métodos desenvolvidos em software estão implementados no projeto global de Waidhaus, que continua até o final de O cliente EON-Ruhrgas, satisfeito com os resultados parciais de toda a equipe, estendeu o contrato de automação para as outras unidades de compressão ME1, ME2 e ME3. Quanto ao projeto Nieheim, este está finalizado, com todas as cabines devidamente instaladas na nova planta. Há perspectivas de novos projetos com a empresa Kompotec GmbH para automatizar outras plantas de biogás na Alemanha. Com relação ao ambiente de trabalho proporcionado pela Greylogix, ressaltamos a união de equipe, muito vista na oficina de montagem onde todos os trabalhos são feitos em conjunto e a qualidade técnica dos profissionais envolvidos nos projetos, podendo sempre fornecer informações precisas sobre detalhes dos processos. Mesmo com todos esses pontos positivos, algo que realmente precisa ser melhorado é a organização das equipes no início dos projetos, com definições mais precisas do que cada colaborador deve fazer. As contribuições de um estágio dentro de uma carreira acadêmica são imensas. O amadurecimento profissional, a visão do todo e a coragem pra enfrentar desafios são realmente incentivadas. Um estágio deve também abrir portas, fazer crescer na pessoa um sentimento profissional e de responsabilidade. E essas características realmente foram absorvidas nesse período de estágio na Greylogix por todas as atividades aqui relatadas. 65

76 Bibliografia: [ 1 ] Disponível em:< Acesso em: 5 março [ 2 ] MINGO, Stefani. A Brief History of Automation: The Past, the Present and the Future of the Industry. INSURANCE JOURNAL, 15 Maio Disponivel em: < 33.htm>. Acesso em: 10 Março [ 3 ] REVISTA CADWARE Indústria. Manufacturing Execution Systems. Agosto, Disponível em: < Acesso em: 21 abril [ 4 ] DELGADO, Joaquim Duarte Barroca. Tecnologia CIM : Factores críticos na sua implementação. Automatização Industrial. Disponível em: < Acesso em: 20 abril [ 5 ] PINTO, Jim. A short history of Automation growth. April 24, Disponivel em: < Acesso: 25 abril [ 6 ] Disponível em: < Acesso: 16 Março [ 7 ] TANENBAUM, Andrew S. Redes de Computadores. Editora Campus Ltda., Rio de Janeiro, Brasil, 4th Edition, [ 8 ] Disponível em: < Acesso: 16 Março [ 9 ] FARIA, José Antonio. Modelação e Programação em Grafcet. Notas de Aula. Universidade do Porto, Portugal. Disponivel em: < by_jaf.pdf>. Acesso em: 20 abril [ 10 ] Disponível em: < pt.wikipedia.org/wiki/gás_natural >. Acesso: 20 Março

77 [ 11 ] Disponível em: < >. Acesso: 20 Março [ 12 ] Disponível em: < >. Acesso: 5 Março 2007 [ 13 ] LANE, Denise. Brayton Cycle: The Ideal Cycle for Gas-Turbine Engines in Relation to Power Plants. Disponível em: < Acesso em: 15 março [ 14 ] SOBRINHO, Pedro Magalhães. Oportunidades de Negócio através da obtenção de Créditos de Carbono e Cogeração. Materiais de aula. Programa de Eficiência Produtiva, UNESP Guaratinguetá, [ 15 ] LOFT, Arne;JOHNSON, Daniel. Two-Shaft Gas Turbine Control System [ 16 ] GRIFFIN,Joseph R.;FERGUSON,Todd. High driveability index fuel detection by exhaust gas temperature measurement [ 17 ] OGATA, Katsuhiko. Engenharia de Controle Moderno. Pearson Prentice Hall, São Paulo, Brasil, 4th Edition,

78 Apêndice A: História e Formação do Gás Natural De origem fóssil como o petróleo, o gás natural é constituído na sua maioria de metano (cerca de 90 a 95%) e outros gases como hélio, propano, butano, dióxido de carbono, nitrogênio e sulfeto de hidrogênio, estes em proporções mínimas. O gás natural assim como o petróleo, ambos são provenientes da decomposição da matéria orgânica de milhares de anos atrás que passou por um lento processo de sedimentação. Atualmente existem três teorias pra formação dos combustíveis fósseis: 1. Processo termogênico: A matéria orgânica animal e vegetal foi sendo coberta por outras camadas de material orgânico e rochas durante milhões de anos sob um longo processo de aumento gradativo da pressão e temperatura. Devido a esses e outros fatores, as cadeias carbônicas da matéria orgânica foram sendo quebradas em outras menores. Conforme isso foi acontecendo, o material em transformação ficou aprisionado entre camadas de solo, formando jazidas. Em profundidades menores encontra-se petróleo (cadeias carbônicas longas) juntamente com gás natural pelo fato da temperatura não ser tão elevada. Quanto mais profundo na crosta terrestre mais quente, resultando em reservas de praticamente puro metano. 2. Processo biogênico: Como o gás natural é praticamente 95% de metano podemos também citar esse processo que decorre da decomposição do material orgânico por microorganismos. Esses microorganismos estão presentes no intestino da maioria dos animais e em áreas pobres em oxigênio como os pântanos. Normalmente esse gás formado é perdido pra atmosfera, mas em circunstâncias especiais ele pode ficar preso no subsolo e formar reservas. 3. Processo abiogênico: Nas profundezas da crosta terrestre sob alta temperatura e pressão encontramos gases que são ricos em carbono e hidrogênio. Ao passar por camadas rochosas mais superficiais, reagem na ausência de oxigênio com os próprios minerais das rochas e 68

79 elementos como a água, dióxido de carbono, argônio e nitrogênio podendo formar reservas subterrâneas. Apesar de ter se tornado realmente comercializável só depois da Segunda Guerra Mundial, a história do gás natural não é nada recente. Relatos históricos relatam que ele já era conhecido na região do oriente médio e na Pérsia antes de 2000 a.c. Ao escapar à superfície, o gás podia sofrer uma ignição, provavelmente por uma descarga elétrica. Sem poder explicar de onde vinha aquela chama, os povos daquela época consideraram-na como uma divindade. Uma das mais famosas fontes da antiguidade se encontra na Grécia, no monte Parnassus e chamada de Oráculo de Delphi. Mas só por volta de 500 a.c. os chineses descobriram que esse fogo mágico podia ser utilizado como fonte de energia. Bambus foram então utilizados para canalizar o gás natural a fim de usá-lo como fonte térmica na secagem de sal. Na Europa, as atenções só se voltaram para o gás natural no final do século XIX com a invenção do queimador de Bunsen, já que anteriormente era usado o town gas proveniente da queima do carvão mineral na iluminação de ruas e casas. Um problema que ainda existia era a dificuldade de transportar o gás natural a longas distâncias e armazená-lo. Mas na década de 30, com o advento da engenharia de dutos, o gás começou ser transportado a longas distâncias em dutos. 69

80 Apêndice B: Entradas e Saídas do bloco do Sistema de Exaustão (Abgassystem) Input Type Comment Input to the first variable to be monitored (temperature, INPUT_1 REAL pressure) INPUT_2 INPUT_3 INPUT_4 INPUT_5 INPUT_6 INPUT_7 INPUT_8 INPUT_9 INPUT_10 INPUT_11 INPUT_12 INPUT_13 INPUT_14 INPUT_15 INPUT_16 INPUT_17 INPUT_18 REAL REAL REAL REAL REAL REAL REAL REAL REAL REAL REAL REAL REAL REAL REAL REAL REAL Input to the second variable to be monitored (temperature, pressure) Input to the third variable to be monitored (temperature, pressure) Input to the fourth variable to be monitored (temperature, pressure) Input to the fifth variable to be monitored (temperature, pressure) Input to the sixth variable to be monitored (temperature, pressure) Input to the seventh variable to be monitored (temperature, pressure) Input to the eighth variable to be monitored (temperature, pressure) Input to the ninth variable to be monitored (temperature, pressure) Input to the tenth variable to be monitored (temperature, pressure) Input to the eleventh variable to be monitored (temperature, pressure) Input to the twelfth variable to be monitored (temperature, pressure) Input to the thirteenth variable to be monitored (temperature, pressure) Input to the fourteenth variable to be monitored (temperature, pressure) Input to the fifteenth variable to be monitored (temperature, pressure) Input to the sixteenth variable to be monitored (temperature, pressure) Input to the seventeenth variable to be monitored (temperature, pressure) Input to the eighteenth variable to be monitored (temperature, pressure) INPUT_1_QBAD BOOL Status signal coming from the equipment 1. INPUT_2_QBAD BOOL Status signal coming from the equipment 2. INPUT_3_QBAD BOOL Status signal coming from the equipment 3. INPUT_4_QBAD BOOL Status signal coming from the equipment 4. INPUT_5_QBAD BOOL Status signal coming from the equipment 5. INPUT_6_QBAD BOOL Status signal coming from the equipment 6. 70

81 INPUT_7_QBAD BOOL Status signal coming from the equipment 7. INPUT_8_QBAD BOOL Status signal coming from the equipment 8. INPUT_9_QBAD BOOL Status signal coming from the equipment 9. INPUT_10_QBAD BOOL Status signal coming from the equipment 10. INPUT_11_QBAD BOOL Status signal coming from the equipment 11. INPUT_12_QBAD BOOL Status signal coming from the equipment 12. INPUT_13_QBAD BOOL Status signal coming from the equipment 13. INPUT_14_QBAD BOOL Status signal coming from the equipment 14. INPUT_15_QBAD BOOL Status signal coming from the equipment 15. INPUT_16_QBAD BOOL Status signal coming from the equipment 16. INPUT_17_QBAD BOOL Status signal coming from the equipment 17. INPUT_18_QBAD BOOL Status signal coming from the equipment 18. FSR REAL Set value for the burning control valve DREH_HD_BESCH True if the High Pressure Turbine rotation speed (rpm) is L BOOL higher than the threshold 14HA ZULAS_AB_SPR REAL Tolerable value for the MIN-MAX value DWOR MD_NR_8P D Alarm 8p parameters (not available for the user) Tabela B 1 Entradas do bloco do sistema de exaustão In/Output Type Comment ANZAHL_SENSOREN INT Number of Sensors SPR_H_TEMP SPR_HH_TEMP SPR_BENACH_H_TEMP SPR_BENACH_HH_TEM P REAL High limit for the deviation from the average for each input Very high limit for the deviation from the average for each REAL input REAL High limit for the difference between two neighbouring inputs REAL Very high limit for the difference between two neighbouring inputs ANZ_UNGULT_1 INT Threshold low for the number of failed sensors ANZ_UNGULT_2 INT Threshold high for the number of failed sensors MIN_WERT1 MIN_WERT2 MIN_WERT3 REAL Lowest threshold 1 for the inputs REAL Lowest threshold 2 for the inputs REAL Lowest threshold 3 for the inputs Tabela B 2 Variáveis IN/OUT do bloco do sistema de exaustão. 71

82 Output Type Comment MITTELWERT REAL Inputs Average SPR_HH BOOL True if the any input deviation is over the SPR_HH_TEMP SPR_H BOOL True if the any deviation is over the SPR_H_TEMP SPR_BENACH_HH BOOL True if the value of the difference between neighbouring inputs is over the SPR_BENACH_HH_TEMP SPR_BENACH_H BOOL True if the value of the difference between neighbouring inputs is over the SPR_BENACH_H_TEMP FEHLER_1 BOOL True if the number of failed inputs is equal or lower than the ANZ_UNGULT_1 FEHLER_2 BOOL True if the number of failed inputs is greater than the ANZ_UNGULT_1 and equal or less than the ANZ_UNGULT_2 FEHLER_3 BOOL True if the number of failed inputs is greater than the ANZ_UNGULT_2 STOERUNGWORT DWOR D Status word MIN_MAX_ABW REAL Relative deviation between the minimum and the maximum input values FR_BR_UBER BOOL True if the MIN_MAX_ABW is greater than the ZULAS_AB_SPR (enable the burning chamber monitoring) UN_GRENZ_TEM P REAL Current Lowest Threshold for the inputs. S_01 REAL deviation of the input 1 S_02 REAL deviation of the input 2 S_03 REAL deviation of the input 3 S_04 REAL deviation of the input 4 S_05 REAL deviation of the input 5 S_06 REAL deviation of the input 6 S_07 REAL deviation of the input 7 S_08 REAL deviation of the input 8 S_09 REAL deviation of the input 9 S_10 REAL deviation of the input 10 S_11 REAL deviation of the input 11 S_12 REAL deviation of the input 12 S_13 REAL deviation of the input 13 S_14 REAL deviation of the input 14 S_15 REAL deviation of the input 15 S_16 REAL deviation of the input 16 S_17 REAL deviation of the input 17 S_18 REAL deviation of the input 18 S_B_1_2 REAL Difference between the inputs 1 and 2 S_B_2_3 REAL Difference between the inputs 2 and 3 S_B_3_4 REAL Difference between the inputs 3 and 4 S_B_4_5 REAL Difference between the inputs 4 and 5 S_B_5_6 REAL Difference between the inputs 5 and 6 72

83 S_B_6_7 REAL Difference between the inputs 6 and 7 S_B_7_8 REAL Difference between the inputs 7 and 8 S_B_8_9 REAL Difference between the inputs 8 and 9 S_B_9_10 REAL Difference between the input 9 and 10 S_B_10_11 REAL Difference between the inputs 10 and 11 S_B_11_12 REAL Difference between the inputs 11 and 12 S_B_12_13 REAL Difference between the inputs 12 and 13 S_B_13_14 REAL Difference between the inputs 13 and 14 S_B_14_15 REAL Difference between the inputs 14 and 15 S_B_15_16 REAL Difference between the inputs 15 and 16 S_B_16_17 REAL Difference between the inputs 16 and 17 S_B_17_18 REAL Difference between the inputs 17 and 18 A_8P_MD_1 BOOL Notification generation A_8P_F_1 BOOL Alarm 8P failed A_8P_STAT_F_1 WORD Fail status word from the 16 channels A_8P_STAT_Q_1 WORD Acknowledgement status word from the 16 channels Tabela B 3 Saídas do bloco Abgassystem 73

84 Apêndice C: A vista geral do WinCC para a estação de compressão ME4 Figura C 1 Visão geral do sistema SCADA em Waidhaus. 74