AUTOMAÇÃO E CONTROLE DE ELEVADOR DE CANECAS VIA RELÉ ELETRÔNICO

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1 Anais do XIX Congresso Brasileiro de Automática, CBA AUTOMAÇÃO E CONTROLE DE ELEVADOR DE CANECAS VIA RELÉ ELETRÔNICO ANDRÉ C. BEMFICA¹, EVERTON R. S. ARAÚJO 1, PAULO RAFAEL DA S. ARAÚJO1, ROGER R. DA SILVA1 Engenharia de Controle e Automação, Instituto de Estudos Superiores da Amazônia¹ Avenida Governador José Malcher, 1148, Nazaré, Belém/PA, CEP s: Abstract This paper presents a project to automate the transport of material, alumina and crust, from one level to another by means of a bucket elevator in an aluminum production company, whose the main objective are reduce the waste material, maintenance time due to a failure (breakage of any component of the process) and unnecessary wear of the equipment involved. Wherefore, to avoid these problems and make the necessary automation and process control, it s necessary a monitoring current of the motor of the bucket elevator using a smart electronic relay, and act up on rotary valves and screw conveyors, which are responsible for the dumping of material in the elevator, thereby obtaining a control of the amount of material transported by these equipments. A PLC (programmable logic controller) is responsible for overall supervision of the process and all devices are properly connected by PROFIBUS DP network, open standard industrial communication for high-speed field level. Keywords Bucket Elevator, Control, Smart relay. Resumo Este artigo apresenta um projeto de automação de transporte de materiais, alumina e crosta, de um nível para outro por meio de um elevador de canecas em uma empresa de produção de alumínio. Tendo como objetivo principal reduzir o desperdício de material, o tempo de manutenção devido a falhas (quebra de algum componente do processo) e ao desgaste desnecessário dos equipamentos envolvidos. Diante disso, para evitar os problemas mencionados foram necessários a automação e controle do processo, para isso, realiza-se o monitoramento da corrente do motor do elevador de canecas através de um relé eletrônico inteligente. Assim, atua-se sobre válvulas rotativas e transportadores helicoidais, que são os responsáveis pelo despejo de material no elevador, obtendo assim, um controle da quantidade de material transportado por estes equipamentos. Um CLP (controlador lógico programável) será o responsável pela supervisão geral do processo e todos os equipamentos estarão devidamente interligados via rede PROFIBUS DP, padrão aberto de rede de comunicação industrial de alta velocidade para nível de campo. Palavras-chave Elevador de canecas, Controle, Relé inteligente. 1 Introdução O transporte pode ser feito com a utilização de correias transportadoras, elevadores, transportadores helicoidais e outros equipamentos, sendo que em todos é primordial que falhas sejam evitadas, com o intuito de procurar soluções otimizadas ou que tenham bons resultados. Independente da forma, boa parte dessas soluções se utilizam da automação e do controle de sistemas. Castrucci e Moraes (2007) afirmam que A automação envolve a implantação de sistemas interligados e assistidos por redes de comunicação, compreendendo sistemas supervisórios e interfaces homem-máquina que possam auxiliar os operadores no exercício da supervisão e da análise dos problemas que porventura venham a ocorrer. Souza, et al. (2009) afirmam que Com o advento da tecnologia de campo destinado à monitoração e controle de equipamentos, houve a necessidade no aperfeiçoamento e maior confiabilidade nos sistemas de partida e supervisão de motores, uma vez que há a pretensão de diminuir os erros e aumentar a produtividade nos processos de produção. Um dos meios mais eficazes para se ter uma aplicação com o mínimo de perdas é a integração de componentes inteligentes à rede industrial para efetuar o monitoramento e proteção de máquinas, uma vez que a ausência deste tipo de proteção pode vir a desencadear problemas para a produção e desgastes indevidos dos equipamentos, desperdiçando tempo com manutenção imprevista e consequentemente perdendo produtividade. Nos dias atuais a automação é uma importante ferramenta para as indústrias manterem-se competitivas no mercado, por meio dela geram-se processos mais limpos, seguros e eficientes, principalmente na área de gestão de manutenção de equipamentos industriais, pois viabiliza a resolução de problemas como o alto consumo de energia, a difícil manutenção e modificação de comandos e fiações elétricas, o monitoramento de variáveis de processo, tomadas de decisões, apoio na manutenção preventiva, corretiva e na operação das indústrias. É o que defende de maneira semelhante os autores (Castrucci e Moraes, 2007; Abraman, 2003; Natale,2007; Souza e Oliveira, 2003). Almejar a perfeição, requisitando processos mais rápidos, limpos, seguros e eficientes, se torna um objetivo básico para as empresas atuais do ramo industrial. Este trabalho descreve uma solução para automatizar um processo de transporte de alumina e crosta que utiliza um elevador de canecas com a finalidade de reduzir custos, tempo e perdas. Para implementar a automação, optou-se pelo uso de um relé eletrônico responsável pelo monitoramento da corrente do motor do elevador, a atuação de válvulas rotativas e transportadores helicoidais com inversores de frequência, 192

2 flowmeters para medir o fluxo de material e um CLP (Controlador lógico programável) responsável pela supervisão e controle geral da planta. O trabalho visa assim apresentar um projeto de automação e controle do processo de transporte de minérios. 2 O Elevador de Canecas O elevador de canecas é um equipamento destinado ao transporte vertical ou horizontal de materiais sólidos a granel como cereais, cimento, cal, minérios em geral e materiais químicos. Estes elevadores podem ser do tipo centrífugo ou contínuo podendo ter suas canecas fixas em correntes ou correias. Segundo Pereira, et al. (2002) Os elevadores contínuos não possuem espaçamento entre as canecas e utilizam a força da gravidade (velocidade baixa) no descarregamento do material. Já os elevadores centrífugos, possuem um espaçamento entre uma caneca e outra (passo da caneca) e utilizam a força centrífuga (velocidade alta) para efetuar a descarga do material contido nas mesmas. O elevador de canecas em questão possui um motoredutor, dois eixos (Movido e Mortiz) e uma correia vertical com pequenas caçambas que elevam o material de um ponto ao outro conforme Figura 1. Este embuchamento (excesso de material no poço do elevador) é bastante normal em aplicações que envolvem transporte de materiais através de equipamentos mecânicos como este. Para recolocá-lo em funcionamento, é necessária a remoção desses grãos, tal ação realizada de forma manual em um espaço confinado no fundo do poço do elevador. O elevador de canecas pode ainda apresentar diversos problemas como a quebra de canecas, desalinhamento do eixo (movido ou motriz) e quebra ou desgaste da correia do elevador. A Figura 2 demonstra um desses problemas, a quebra de correia. Figura 2. Quebra da correia Estes problemas geram perturbações na planta como subvelocidade, subcorrente e sobrecorrente (sobrecarga). As paradas bruscas para manutenção do equipamento impactam diretamente na produtividade da empresa. O sistema de proteção por subvelocidade é utilizado no campo industrial da referida empresa. Esse sistema é feito através de um sensor de proximidade (indutivo) conectado a um CLP, que por meio de uma programação com temporizador, monitora a velocidade do sistema. Porém essa proteção não possui alta confiabilidade devido a vários problemas que ocorrem; como a quebra do sensor, quebra da base do mesmo, além da alta vibração do equipamento fazendo com que o sensor saia do raio de atuação, a Figura 3 demonstra esse sensor na base do elevador de canecas. Figura 1. Desenho técnico elevador de canecas Os elevadores de canecas constituem um meio econômico de transporte vertical de material a granel, podendo ser inclinados de até 70, havendo casos especiais de equipamentos horizontais. FAÇO (2000). Suas principais aplicações são em indústrias de mineração, alimentícias, químicas, madeira, cerâmicas, cervejarias, etc. Por ter essa vasta gama de aplicações, seus problemas são bastante comuns e abrangentes. Bortoloaia, et al. (2008) dizem que A parada brusca de um Elevador de canecas causa o seu embuchamento pelo acúmulo de grãos no pé do elevador, situado a vários metros de profundidade. Figura 3. Sensor indutivo na base do elevador de canecas. Para evitar esses tipos de problemas é essencial que haja um sistema que faça o monitoramento e atue no processo de forma automatizada. Neste trabalho, a solução adotada é a utilização de um relé eletrônico para o monitoramento da corrente do elevador, pois permite diagnósticos precisos, redução de fiação, dados estatísticos e alta 193

3 performance de comunicação entre o nível de automação e o motor. Souza, et al. (2009) afirmam que os relés inteligentes estão a cada dia tendo uma maior repercussão no sistema de proteção e gerenciamento de motores, uma vez que é implementado ao seu escopo funções de medição de grandezas e gerenciamento comunicando-se em rede com outros equipamentos, como por exemplo, a um CLP. desalinhamento de correias, entre outros, por isso é feito o monitoramento constante da corrente do motor do elevador, através do relé eletrônico. Assim, o elevador leva o material misturado para um nível mais alto, onde passa por mais um transportador helicoidal que o conduz até o silo cobertura. O processo todo é acionado através do painel de comando local onde temos o modo automático, modo manual, botão de liga e o botão de emergência, conforme Figura 5. 3 Processo de Transporte de Alumina e Crosta O processo consiste no abastecimento do silo de Cobertura, este silo é abastecido com a blendagem (mistura) de material de outros dois silos, um de Alumina e outro de Crosta. As concentrações são pré-estabelecidas por um engenheiro de processo. Para que seja feita a blendagem e o produto final chegue ao seu destino serão utilizados os transportadores helicoidais (TH s), válvulas rotativas (VR s), elevador de canecas (EC) e flowmeter (medidor de fluxo / vazão. A Figura 4 ilustra o processo. Figura 5. Painel de Comando antigo 4 Metodologia 4.1 Equipamentos Os silos de abastecimentos mencionados no fluxograma são reservatórios para armazenamento de materiais, conforme Figura 6. Figura 4. Etapas do Processo Os silos de alumina e crosta possuem cada um, em sua saída, uma válvula rotativa (VR) e um flowmeter. As válvulas rotativas, que são acionadas por inversores de frequência, aumentam, diminuem ou param o fluxo de material, sendo esse fluxo medido pelo flowmeter, posicionado logo após as válvulas. Esse controle de fluxo é necessário para que se tenha a quantidade exata de cada material para a blendagem. Após o flowmeter, os materiais são despejados no transportador helicoidal, acionado também por um inversor de frequência, esse transportador é responsável pela mistura e pelo transporte para o elevador de canecas. No elevador, como foi dito anteriormente, podem ocorrer vários problemas como quebra de canecas, Figura 6. Silos de Crosta e Alumina No devido projeto são usados inversores de frequência que atuam no acionamento das válvulas rotativas e transportadores helicoidais. As válvulas rotativas (VR) são utilizadas no descarregamento e dosagem de materiais particulados, ao mesmo tempo em que permite manter um diferencial de pressão entre sua entrada e saída, na Figura 7 pode-se ver o aspecto desta válvula. 194

4 Figura 7. Válvula Rotativa. Fonte: (Manual Ventec, 2008) Para medir a taxa de fluxo linear, não-linear, de massa ou a taxa volumétrica dos materiais despejados por cada válvula rotativa é utilizado um flowmeter. Este instrumento tem controle direto em cima das VRs, diminuindo ou aumentando a velocidade das mesmas, caso seja necessário, trabalhando através da seguinte fórmula: Valor absoluto do Erro = Setpoint real (1) Caso esse valor seja negativo ou positivo o flowmeter atua de uma maneira diferente. Se o valor for negativo a quantidade de material desejado que passará para a próxima etapa é reduzida, caso contrário (positivo) essa quantidade de material aumenta. A Figura 8 ilustra sua localização no processo real na fábrica. Figura 9. Transportador Helicoidal. Fonte: (Apostila - Transportadores Contínuos para Granéis Sólidos, 2011) Como mencionado na seção 2, o elevador de canecas é responsável pelo transporte do material até o silo de cobertura. Este elevador é acionado por um motoredutor trifásico. As canecas (caçambas) são fabricadas em chapas soldadas ou em plástico reforçado e são projetadas de acordo com a operação do EC. Este equipamento pode ser fabricado de Aço de carbono, aço inoxidável ou ligas de alumínio e conforme necessidade pode chegar à altura de até 20m. FAÇO (2000). Uma Figura do elevador de canecas é representada na Figura 10. Figura 8. Flowmeter no campo de fábrica Após essa etapa de fluxo, o produto chega ao transportador helicoidal. Este equipamento mecânico serve como misturador de materiais, misturando a alumina e a crosta e transportando-os até o próximo destino, o elevador de canecas. A Figura 9 mostra o aspecto físico desse elemento e seus componentes Relé Eletrônico Figura 10. Elevador de canecas Real O relé eletrônico que irá monitorar o motor do elevador é o SIMOCODE 3UF5 da Siemens (Figura 11). É um equipamento para sistemas de gerenciamento de motores flexíveis e modulares, destinado a aplicações de baixas tensões e motores com velocidades constantes. Catálogo Siemens- SIMOCODE (1999). Figura 11. Simocode, SIEMENS. Fonte: (Catálogo SIEMENS, 1999) 195

5 Ele possui um software que implementa todas as funções de controle e proteção de motores, disponibilizando dados de operação, diagnósticos e dados estatísticos. Desse modo, o relé inteligente otimiza todas as conexões entre o sistema de automação desejado e suas combinações de partida, sem contar a redução de cabos e fiações anteriormente utilizadas na CCM antiga; a Figura 12 ilustra a nova CCM com o relé eletrônico e a rede industrial. Figura 14. Configuração dos parâmetros Figura 12. Esquema de Fiação com PROFIBUS-DP e Relé Inteligente (Fonte Original: Manual SIEMENS Simocode 3UF5, 1999). Dentre estas características citadas, destaca-se a integração com os sistemas de gerenciamento de energia da planta, um ponto de fundamental importância e faz com que ele seja o escolhido para esta aplicação. Principais Vantagens: Aumento na capacidade de operação e qualidade do processo; Diminuição nos custos de planejamento, montagem e manutenção; Proteção eletrônica multifuncional de motores; Dados detalhados de operação, serviço e diagnóstico; Comunicação em PROFIBUS DP; O PROFIBUS-DP realiza a comunicação entre o SIMOCODE-DP e o nível de automação. Dessa forma, são transmitidos os comandos, dados operacionais, estatísticos e parâmetros. O sistema de gerenciamento do motor e sua proteção é realizado pelo software Win Simocode DP onde é executada toda a parametrização dos equipamentos, aquisição de diagnósticos e documentação. As Figuras 13, 14 e 15 ilustram respectivamente esse software. Figura 13. Software Win Simocode-DP 4.3. Monitoramento e Controle O controle total do processo é realizado através de um CLP mestre da fabricante Rockwell RS Logix 5/500, onde toda a programação necessária foi desenvolvida para controle. Na lógica de programação do CLP, caso a corrente do elevador de canecas aumente chegando a 18A, o sistema de controle do elevador é ativado fazendo com que as válvulas rotativas diminuam a sua rotação, com isso, a planta roda sem carga ou com carga reduzida diminuindo a corrente do elevador. O sistema de proteção é acionado caso o sistema de controle não obtenha bons resultados e chegue num nível de corrente tolerado de 20A parando consequentemente toda planta. O sistema de proteção por subvelocidade é feito através da atuação de um sensor indutivo localizado no rolo movido no pé do elevador de canecas. O tempo de atuação do sensor é feito na lógica de programação em CLP. A lógica funcionará da seguinte forma, caso o elevador de canecas trabalhe com uma rotação abaixo da nominal de trabalho, contará um tempo préestabelecido, ultrapassando o tempo préestabelecido o sistema de mistura irá parar e indicará falha de subvelocidade na lógica, no painel de comando local e no supervisório. A lógica do novo sistema de controle do elevador de canecas trabalha em série-paralelo com a lógica do sistema de controle de processo, ou seja, por mais que o processo esteja mandando as válvulas rotativas aumentarem as suas velocidades o sistema de controle do elevador de canecas predominará fazendo com que as válvulas diminuam as suas respectivas velocidades caso haja alguma anormalidade ocorrendo no elevador. Porém não podemos esquecer que existe um sistema de controle de processo, e nessas condições o sistema de controle do elevador de canecas, de certa forma camuflará esse sistema de blendagem, ou seja, a planta trabalhará erroneamente pelo sistema de controle do elevador e não pelo sistema de controle de processo, impactando diretamente no produto final da planta. Por isso, foi realizada outra programação de segurança, caso o sistema 196

6 acuse algum tipo de problema cinco vezes seguidas num período de trinta minutos um sistema de proteção é acionado e o processo de blendagem é desligado para verificação e inspeção no equipamento. Para que possamos fazer tal controle é necessário ter um sinal de saída em tempo real. Para isso, utilizou-se o flowmeter (medidor de fluxo/vazão) que enviará o sinal em tempo real para o cartão de entrada analógica no campo, que por sua vez mandará para o CLP da estação de controle. Através desse valor absoluto do erro podemos incrementar (aumentar a velocidade) ou decrementar (diminuir a velocidade) da matéria prima (Alumina / Crosta) como visto na fórmula (1). Esse controle é feito durante todo o processo, ou seja, enquanto as VRs estiverem ligadas Rede Industrial Para a interconexão de vários dos equipamentos é necessário uma rede industrial. O protocolo utilizado é o PROFIBUS-DP. Uma estrutura mais detalhada é mostrada na Figura 15. supervisão do sistema em tempo real, bem como a aquisição de dados é utilizado a plataforma de sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), pois permite pronta identificação de falhas, este seria o software e por último interligando os componentes a rede PROFIBUS- DP. Segundo Oliveira e Correa (2008) O supervisório do tipo SCADA é um sistema configurável destinado à supervisão, ao controle e aquisição de dados da planta, interage com o operador através de uma interface gráfica, que roda em microcomputador comum, este sistema possibilita a configuração de alarmes, relatórios de eventos e gráficos de tendência. Todos esses elementos resultam num meio do operador ter facilidade para identificação de problemas sobre o sistema. A Figura 16 ilustra o supervisório da empresa Iconics (Genesis), de todo o processo. Figura 16. Vista do processo pelo supervisório. Figura 15. Estrutura da rede Fonte: (Catálogo SIMOCODE-DP, 2009) A rede PROFIBUS-DP (Periferia descentralizada) é um protocolo de comunicação otimizado para alta velocidade e conexão de baixo custo, projetada especialmente para a comunicação entre sistemas de controle de automação e seus respectivos dispositivos. (Associação PROFIBUS, 2000). A rede PROFIBUS interliga os componentes de Automação como o CLP com o relé inteligente e o relé inteligente com os equipamentos de campo (Motores e inversores). 4.5 Supervisório Daneels e Salter (1999) afirmam que Um sistema supervisório em um ambiente industrial automatizado, é essencialmente composto por 4 elementos: processo físico, hardware de controle, software de supervisão e rede de comunicação. O processo físico no presente trabalho é todo o transporte de material até sua chegada no silo de cobertura; Os hardware seriam os sensores, atuadores e controladores (VR s, TH s, Relés inteligentes, flowmeters, CLP s etc.). Para a 5. Resultados obtidos Antes da implementação do relé inteligente o sistema de proteção de qualquer motor era feito somente através de componentes físicos, como o relé térmico, disjuntores e outros. Os ajustes eram realizados fisicamente e pelo sistema funcional de proteção. Mesmo com a implementação do relé inteligente ainda utiliza-se relés convencionais, contatores e disjuntores, porém o sistema de parametrização não é mais feito fisicamente e sim através do software especifico do relé. Tal Software apresenta para o usuário, todas as informações em cima do motoredutor do elevador de canecas, possibilitando a pronta identificação de falhas em cima deste componente, conforme mostrado na Figura

7 6 Conclusão Figura 17. Janela de controle do SIMOCODE-DP A Figura 18, apresenta a lógica de programação de controle desse elevador, demonstrando quando um determinado evento ocorre e alertando o supervisor responsável sobre possíveis falhas. O controle do elevador de canecas teve impactos positivos na empresa onde o trabalho foi desenvolvido. A pronta identificação de falhas culminou em ganhos para empresa, o intuito de identificação rápida e eficiente de possíveis falhas pelo operador, faz com que os eletricistas e mecânicos do turno possam atuar diretamente no problema, diminuindo o tempo de parada para solucionar o mesmo e aumentando o tempo de produção. Com os resultados obtidos, notou-se que a automatização desse processo de transporte trouxe várias vantagens como: monitoramento automático do elevador de canecas, rapidez na detecção de falhas do sistema, redução da quebra de peças e equipamentos envolvidos no processo, diminuição do tempo para manutenção e decrescimento do desperdício de material. O que gerou maior produção em menor tempo característica essa que é fundamental em processos industriais. 7 Agradecimentos Figura 18. Falha de subcorrente e sobrecorrente. No desenvolvimento deste artigo foi projetado e confeccionado também um painel de comando local para sinalização de falhas da corrente do elevador de canecas. Este painel substituiu o antigo, onde não havia essa sinalização. A Figura 19 demonstra o novo painel com a devida sinalização da falha. Figura 19. Painel de Comando novo No que compete a agradecimentos ressaltamos a empresa onde foi direcionada o projeto de nome ALBRAS - Alumínio Brasileiro S/A, aos Gerentes e responsáveis pelas respectivas áreas da empresa que possibilitaram as visitas, mudanças do sistema de controle do processo e a confecção dos novos painéis de comando local dos elevadores de canecas. Referências Bibliográficas Abraman Associação brasileira de manutenção. (2003). Curso Planejamento e controle da manutenção apostila. Brasil Apostila - Transportadores Contínuos para Granéis Sólidos (2011). Cap. 9: Transportador Helicoidal, Cap. 6: Elevador de Canecas. UFPA. Brasil Associação PROFIBUS.(2000). Descrição Técnica PROFIBUS. 41. Brasil, Out. Bortoloaia, L. A; Andrighetto, P. L. e Benatti, M. (2008). Gestão de Avaliação técnica de um transportador pneumático de grãos por aspiração. Ciência Rural, v.38, n.2, mar-abr. Castrucci, L. P. de. e Moraes, C. C. de. (2007). Engenharia de Automação Industrial. 2ª ed. Rio de Janeiro, LTC. Catálogo SIEMENS. (1999). Sistema SIMOCODE- DP 3UF: Aparelho para proteção e comando de motores. Daneels, A. e Salter, W. (1999). What is SCADA?. Conferência Internacional (ICALEPCS) - International Conference on Accelerator on Large Experimental Physics Control Systems. Trieste, Italy. 198

8 FAÇO Fábrica de Aço Paulista. (2000). Manual de transportadores de correia. 3ª ed. Brasil Manual Ventec. (2008). Válvula Rotativa Instalação, Operação e Manutenção. São Paulo. Brasil Natale, F. (2007). Automação Industrial. 9ª Ed. São Paulo, Erica. Oliveira, F. A. de. e Correa M. S. G. (2008) Automação de um silo de abastecimento de Alumina. Tese de MCC, IESAM. Pereira, F. de M. F.; D Albuquerque, M. R.; Hughes, R. de O. ; Sacramento, R. (2002). Construção de um Protótipo de Elevador de Canecas. UFBA. Brasil Souza, A; Nascimento, G. C. H. S. Rogério, D. (2009). Montagem de um Sistema de supervisão de motores à relés inteligentes utilizando o protocolo Profibus-DP. Tese de MCC, IESAM. Souza, J. A. de. e Oliveira, C. L. de. (2003). Automação Industrial. LECA - DCA-UFRN. 199

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