SISTEMA SUPERVISÓRIO DE CONTROLE DE UMA CENTRÍFUGA DE PROCESSAMENTO DE AÇÚCAR UTILIZANDO A BANCADA WEG

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1 Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Automação e Sistemas Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas Projeto REUNI 2010 SISTEMA SUPERVISÓRIO DE CONTROLE DE UMA CENTRÍFUGA DE PROCESSAMENTO DE AÇÚCAR UTILIZANDO A BANCADA WEG Daniel C. Ramos Florianópolis, Fevereiro de 2011

2 ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO O PROBLEMA FERRAMENTAS IMPLEMENTAÇÃO CONFIGURAÇÃO E INICIALIZAÇÃO FUNCIONAMENTO CONCLUSÕES REFERÊNCIAS... 12

3 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 - Visão geral da centrífuga Figura 2 - Ciclo completo da centrífuga Figura 3 - Bancada da WEG Figura 4 - Exemplo de linha de código no ladder... 6 Figura 5 - Interface com usuário do sistema supervisório Figura 6 Tela de edição do VBS script Figura 7 - Tela inicial do supervisório... 9 Figura 8 - Tela das siglas Figura 9 - Telas dos sensores, atuadores e velocidades Figura 10 - Telas do temporizador e da aceleração... 10

4 1. INTRODUÇÃO Na indústria, o caldo de cana quando concentrado via cozimento, sua viscosidade aumenta, tornando-se massa. Quando alcança 78 C à 80 C, os cristais de açúcar começam a aparecer e a massa vai ficando cozida, alterando o seu estado liquido para um estado pastoso. Deixando esta massa em repouso nos cristalizadores, a sacarose começa a ser depositada sobre os cristais. Ao se esgotar a massa, basta separá-lo dos cristais para obter o açúcar comercial. Este procedimento é realizado em turbinas centrífugas de secagem, que são chamadas de centrífugas. A centrífuga é constituída de um motor, situado na parte superior, o qual aciona um eixo vertical que sustenta uma cesta cilíndrica, na qual se coloca a massa cozida a ser turbinada. Esta cesta é perfurada para deixar passa o mel e reforçada com anéis para resistir a foca centrifuga. É protegida com telas metálicas para reter o açúcar e, ao mesmo tempo, deixar passar o mel, o qual retorna para ser processado. Na parte superior, existe uma válvula que controla a abertura para entrada da massa e na parte inferior existe uma válvula para controlar a abertura do fundo para descarga do açúcar. Este trabalho constituiu-se da elaboração de um sistema supervisório didático para a aplicação industrial real, porém simplificada, desta centrifuga de açúcar, utilizando a bancada da WEG e os softwares disponibilizados pela mesma. 1

5 2. O PROBLEMA O sistema da centrifuga consiste no controle de um motor de indução principal e de válvulas para controle dos compostos. Há vários sensores para indicar o funcionamento correto e um botão de emergência. Neste trabalho os sensores e as válvulas são simulados apenas, tendo como foco o controle total do motor na bancada. Figura 1 - Visão geral da centrífuga. Os sensores indicados na Figura 1 são: Sensor de tubo de água em cima S01; Sensor de tubo de água embaixo S02; Sensor de descarregador em cima S03; Sensor de descarregador embaixo S04; Sensor de fundo fechado S05; Sensor de fundo aberto S06; Sensor de válvula do mel aberta S07; Sensor do apalpador S08; Os atuadores indicados na Figura 1 são: Botão de emergência B01; Válvula solenóide para liberação do freio SV01; Válvula solenóide para descida tubo de água SV02; Válvula solenóide de abertura da água SV03; Válvula solenóide de abertura do fundo SV04; 2

6 Válvula solenóide para descida do descarregador SV05; Válvula solenóide p ara abertura da carga SV06; Válvula solenóide para separação do mel SV07; A centrifugação do açúcar pode ser realizada através de 3 modos: automático, semi-automático ou manual. No modo automático e semi-automático a seqüência de funcionamento deve ser a mesma, porém, o modo semi-automático realiza apenas um ciclo por vez. O ciclo completo é descrito resumidamente na Figura 2. Figura 2 - Ciclo completo da centrífuga. Cada etapa da Figura 2 é descrita detalhadamente a seguir: 1 Inicialização: Como condição para habilitar o inversor, os sensores S01, S03 e S05 devem estar acionados. Pressionado start, a válvula do freio SV01 deve ser acionada, inversor habilitado e executar o comando gira. O inversor utiliza como referência a velocidade de carga; 2 Lavagem da Tela: Enquanto o sistema estiver em aceleração para velocidade de carga deve-se realizar a lavagem da tela que consiste em acionar válvula SV02 para descida do tubo, confirmado tubo de água embaixo S02, abrir válvula de água SV03 e iniciar contagem do tempo de lavagem da tela. Decorrido tempo programado, fechar válvula de água SV03 e subir tubo, fechando SV02; 3 Carregamento: Finalizada lavagem da tela e confirmado retorno do tubo de água S01, verificar se o sistema está na velocidade de carga (dentro dos limites máximo e mínimo) e iniciar o carregamento. Para realizar o carregamento, todos os cilindros devem estar recuados S01, S03 e S05. Abrir a válvula de carga SV06 e abrir (energizar) a de separação do mel SV07. Iniciar a contagem de um tempo máximo de carga. Para finalizar a carga verifica-se o evento que ocorrer primeiro: tempo de carga ou o acionamento do sensor do apalpador S08. Fechar válvula de carga SV06 para finalizar etapa; 3

7 4 Centrifugação: Após o carregamento, o sistema deve utilizar como referência a velocidade de centrifugação. Durante a aceleração, o sistema realiza a contagem de um tempo para atrasar a abertura da água para lavagem do açúcar. Decorrido esse tempo, desenergizar a válvula SV07 para fechar a saída de mel, acionar válvula SV02 para descida do tubo de água. 5 - Lavagem: Confirmado tubo de água embaixo S02, acionar a válvula para abertura da água SV03. Iniciar temporização de água aberta. Finalizado tempo programado, fechar a válvula de água SV03 e realizar a subida do tubo SV02. Ao finalizar a lavagem do açúcar, o sistema verifica se a velocidade do sistema já atingiu no mínimo 80% da velocidade de centrifugação. Sendo atingido este limite mínimo, iniciar contagem do tempo de centrifugação. 6 Descarregar: Finalizado tempo de centrifugação, o sistema deve habilitar a velocidade de descarga. Quando a velocidade do sistema alcançar a velocidade de descarga, é acionada a válvula SV04 para abertura do fundo. Confirmado fundo aberto S06 e velocidade da máquina dentro do alcance estabelecido em máxima e mínima de descarga, acionar a solenóide SV05 para descida do descarregador (ou raspador). Confirmado descida S04, iniciar o tempo de descarregador embaixo. Finalizado o tempo, subir o descarregador SV05. Quando este em cima S03, realizar o fechamento do fundo SV04. Ao finalizar o ciclo, estando em automático, uma nova batelada é iniciada. Se selecionado modo semi-automático, sistema finaliza ciclo e pára máquina. No modo manual o ciclo completo é realizado com intervenção do operador, ou seja, cada etapa ou operação deve ser encadeada / executada pelo operador da centrífuga. 4

8 3. FERRAMENTAS A centrífuga é representada pela bancada da WEG disponível no laboratório da UFSC, que consiste no inversor de freqüência CFW09 (Figura 3) para controle de um motor de indução trifásico. Este inversor de freqüência pode assumir papel de um CLP, recebendo comandos, analisando velocidade de rotação do motor através de um encoder já embutido. A comunicação é realizada através da porta RS-232, diretamente ligada ao computador. Este utiliza o software Indusoft Web Studio para supervisionar o funcionamento do motor. Ainda é utilizado o software WLP Weg Ladder Programmer para passar as instruções na linguagem Ladder para o inversor. Assim, neste trabalho foi feita a programação em Ladder básica, visando simplificar e diminuir ao máximo a programação no supervisório. Figura 3 - Bancada da WEG. 5

9 4. IMPLEMENTAÇÃO Como a listagem de todos os comandos e programações seria demasiadamente extensa, irão ser destacados nesta sessão os principais conceitos e programações que requerem um conhecimento um pouco mais complexo. Os códigos em ladder e no supervisório foram feitos com comentários antecedendo as linhas de código para facilitar o entendimento. No ladder, o início e final de cada etapa possui uma Tag própria para ser acionado e percebido pelo supervisório. Ainda antecedendo todas as linhas existe uma Tag para segurança, que se acionada, desabilita todos os comandos (MX3333). Ao final das páginas de código em ladder, há as linhas para transformação de variáveis de float para inteiro e vice versa e a linha de referencia de velocidade, onde sempre transfere a mesma posição de memória para o inversor. Para controlar a velocidade é transferido durante a programação a referência para esses espaços de memória, assim, evita conflitos e erros durante a programação. Figura 4 - Exemplo de linha de código no ladder. O módulo supervisório possui vários sub menus, para controle das funções e das tags do ladder. O mesmo ainda passa por constantes mudanças na interface, melhorando a cada versão (Figura 5). Mas basicamente, o mesmo possui uma interface onde é possível visualizar os estados dos sensores e atuadores (vermelho e verde), sendo o verde quando o mesmo está ativado. Neste trabalho foi considerado que os atuadores mudam de estado ao colocar o valor 1 e ao colocar o valor 0 voltam ao seu estado inicial. É considerado que o controle dos sensores no supervisório é mutuamente exclusivo, ou seja, caso o sensor 1 seja ativado automaticamente o sensor 2 é desabilitado e vice versa. 6

10 Figura 5 - Interface com usuário do sistema supervisório. Ainda há a seleção do modo (automático, semi e manual), a contagem de ciclos, a exibição da velocidade, exibição do significado das siglas, iniciação das variáveis já com valores padrões (facilitar a simulação no laboratório), entre outras funções. Figura 6 Tela de edição do VBS script. A programação do que fazer em cada módulo, em grande parte está no Ladder como mencionado anteriormente, mas para executá-los na seqüência certa, um mínimo de programação de alto nível é necessária. A mesma é encontrada no Script da tela inicial, no formato de VBS Script. É uma linguagem de fácil compreensão e foi totalmente comentada para futuras edições (Figura 6). 7

11 5. CONFIGURAÇÃO E INICIALIZAÇÃO Para inicializar o CFW09 corretamente para a utilização do supervisório deve-se seguir os seguintes passos: 1. Liberar a senha: Pressione [Prog] e utilize as setas para mudar de P002 até aparecer na tela de leds o código P000. Aperte novamente [Prog] e com as setas vá até o parâmetro 5, apertando novamente [Prog] para finalizar. Isto fará como que você libere o CFW09 para modificações de parâmetros. 2. Utilizando as setas novamente, mude até o código P204, apertando [Prog] em seguida. Modifique até o código 7 (Carr. Us. 1) e aperte [Prog]. Isto iniciará as configurações básicas na bancada. 3. Agora verifique se a bancada está conectada ao computador e inicialize o WLP. Abra o arquivo centrifuga.idd e vá no menu Comunicação e faça o download do ladder para o CFW09. Isto repassa as linhas de programação de baixo nível em ladder para a bancada. 4. Inicialize o software Indusoft e abra o projeto centrifuga e inicialize o supervisório. 8

12 6. FUNCIONAMENTO A tela inicial do supervisório é de fácil uso. Pode-se escolher o modo de operação, visualizar os ciclos e as velocidades de referência e real. Na figura do sistema inicial (Figura 7) é possível ver quais sensores e atuadores estão ativado através das cores. Verde sinaliza que está ativado e vermelho que está parado. Este menu foi feito pois não há o hardware dos sensores e atuadores, portanto é necessário ir ativando estes na seqüência correta, simulando o sistema. Figura 7 - Tela inicial do supervisório. Figura 8 - Tela das siglas. Para o aluno lembrar quais siglas os significados das siglas, há um botão que abrirá uma tela indicando o significado das mesmas (Figura 8). Na figura 9, é possível ver a ativação dos sensores e atuadores conforme for comandado. Ainda é possível ver o monitoramento e modificação de parâmetros do sistema como os sensores, atuadores e velocidades. 9

13 Figura 9 - Telas dos sensores, atuadores e velocidades. A Figura 10 mostra as telas restantes, do temporizador e aceleração. Figura 10 - Telas do temporizador e da aceleração No momento o modo automático executa indefinidos ciclos, continuamente. O modo semi-automático, irá prosseguir até ao final do ciclo e pedirá a confirmação. O modo manual possibilita controlar os parâmetros diretamente. Existe a possibilidade de transformar o modo automático em um modo onde não é necessário controlar a seqüência de ativação dos sensores e atuadores. Assim, o ciclo é executado de uma maneira completa para demonstração. O modo semi-automático irá conduzindo os procedimentos automaticamente na medida em que o aluno executa a ordem de ativação dos sensores e atuadores, e o manual permitiria o controle de cada parâmetro sem algum encadeamento. 10

14 7. CONCLUSÕES O supervisório e a programação em ladder funcionam adequadamente para executar o ciclo completo nos modos automático e semi, e no modo manual foi levemente adaptado, abrindo uma nova tela onde é possível executar os atuadores individualmente e controlar a velocidade de rotação do motor. Como limitação neste desenvolvimento foi a implementação virtual dos sensores e atuadores, que podem ser facilmente modificados quando houver o seu desenvolvimento por hardware. Ainda não foi implementado os alarmes e temporizadores de tempo por ciclo, isto devido a limitação no supervisório e no ladder, alguns comandos na programação do supervisório simplesmente não funcionam, principalmente os ligados ao desligamento automático da tela (para sair é necessário apertar Alt+f4) e o temporizador por segundos, no qual apenas funciona a contagem de segundos desde o ano de 1930, o que causa um grande processamento para fazer um simples cálculo. Como futuros trabalhos, sugerem-se o desenvolvimento dos sensores em hardware, a inserção dos alarmes e procedimentos de segurança, e se possível o desenvolvimento do supervisório em uma plataforma mais atual, que possibilite uma gama maior de comandos e de programação. 11

15 8. REFERÊNCIAS 12