PLANO DIRETOR DE AUTOMAÇÃO REFINARIA DE AÇÚCAR Guilherme Doracenzi Stoppa Pós-Graduação Automação e Instrumentação De Processos Industriais (UNAERP), Brasil Introdução Na grande maioria das empresas do setor industrial se resume basicamente em produzir em quantidades que atendam seu cliente final, com qualidade, com baixos custos de produção e com uma maior eficiência industrial. Podemos citar diversos fatores que podem contribuir para alcançar este objetivo, como por exemplo, a gestão, capacitação e reconhecimento de recursos humanos, eficiência nas praticas operacionais e o controle automático de processos. Desempenhando um papel fundamental no setor industrial o controle automático de processos pode trabalhar para aumentar a eficiência e produtividade da planta industrial, reduzir custos de produção, aumentar a segurança da operação, aumentar a vida útil dos equipamentos em geral, aumentar a estabilidade do processo e aumentar a qualidade do produto final para atender os clientes finais. De maneira geral, esses objetivos sempre aparecem nas estratégias de negócios das empresas do setor industrial. Como a maioria das ações do planejamento estratégico das empresas envolvem grandes investimentos é de suma importância que a implantação das soluções automáticas de controle de processos seja realizada e acompanhada por meio de projetos e cada vez mais observamos a necessidade de uma avaliação criteriosa da viabilidade do projeto e o seu retorno potencial para a empresa. O verdadeiro valor da implementação dos processos automáticos é reconhecido pelas empresas quando agrega um retorno financeiro mensurável. No entanto, os argumentos para defesa dos projetos de automação podem ser de baixa sustentação econômica. O controle inadequado do processo industrial pode trazer consequências como baixa eficiência, redução da produtividade e da qualidade e com isso pode afetar o desempenho financeiro da empresa. Os planos diretores de automação (PDA) são documentos que descrevem o estado atual da automação de uma determinada planta industrial e geram um planejamento para se atingir um novo patamar a fim de suportar as estratégias de negocio da empresa. Os principais objetivos do PDA são: identificar a necessidade de automação de um determinado processo industrial, prever investimentos na implantação da automação, padronizar soluções em torno de uma arquitetura mestre, impedir a fragmentação de esforços e obter um planejamento integrado. Com o PDA podemos traçar um caminho por onde se possa atingir a excelência operacional e assim proporcionar um ambiente colaborativo visando as metas da companhia. Metodologia O plano diretor de automação da refinaria de açúcar foi composto por várias etapas. Levantamento e estudo do processo, onde foram analisadas informações e condições do processo em execução para a elaboração de fluxogramas de cada fase do processo, tais como: onde começa uma tubulação de um determinado fluído, por onde ela passa até chegar ao ponto onde este fluido será tratado. Elaboração do fluxograma do processo, sendo uma das etapas mais importantes, pois nesta etapa foi elaborado o fluxograma do processo, com a definição dos pontos de medição e estratégias que vão formar as malhas de controle. Elaboração de arquitetura do sistema de controle, juntamente com a elaboração do fluxograma de processo é uma das fases mais importantes, onde a arquitetura e estratégias de controle foram definidas, buscando otimizar o número de equipamentos, os processos e instalações, aumentando a segurança e qualidade da planta. Estimativa de custo do projeto, nesta etapa foram levantados os gastos com serviços, materiais e instrumentos para a implantação do projeto. Estudo de viabilidade do projeto, a partir da estimativa do custo do projeto e de projeções para redução de custos operacionais, de manutenção e de insumos foi possível visualizar o real potencial de retorno do investimento. Benefícios do projeto, com as estimativas realizadas os principais benefícios podem ser mostrados com mais clareza sustentando assim a viabilidade do projeto. O açúcar refinado granulado é obtido por meio da diluição do açúcar cristal ou V.H.P, em seguido recebe um tratamento de purificação para eliminar as impurezas e adiciona-se produtos químicos para o tratamento da calda. Esse tipo de açúcar refinado é cristalizado em
cozedores a vácuo. As etapas abordadas neste PDA são separadas em dois setores, via líquida e cozimento. ESTUDO DO PROCESSO ESTUDO DOS EQUIPAMENTOS AUTOMAÇÃO EXISTENTE FLUXOGRAMA P&ID ESTRATÉGIAS DE CONTROLE ESTIMATIVA CUSTO PROJETO ELABORAÇÃO TEXTO FINAL E EXECUÇÃO Figura 1 Etapas PDA Refinaria de açúcar As melhores e mais viáveis estratégias de automação e controle para o processo foram traçadas e serão propostas a seguir, divididas em duas áreas da refinaria (via líquida e cozimento). Pode-se controlar o brix no coxo de diluição da seguinte maneira, a sonda transmissora de brix instalada no Tanque Diluída II envia o sinal ao CLP, onde se executa o PID e o compara ao set point, o resultado é enviado a um cartão com saída analógica que atua em uma válvula de controle instalada na tubulação de água no coxo de diluição. Se o brix aumenta significa que a carga de açúcar cristal para diluição aumentou e necessita aumentar a vazão de água para corrigir o brix, se o brix abaixa significa que a carga de açúcar cristal para diluição abaixou e necessita abaixar a vazão de água para corrigir o brix. O controle de nível no Tanque Diluída pode ser realizado utilizando-se um principio de Diluída II com vazão para o Tanque Equalizada. O controle de nível no Tanque Equalizada Equalizada com vazão para os Aquecedores. Para o controle de temperatura nos aquecedores pode-se utilizar um sensor de temperatura instalado na saída de calda dos aquecedores, onde o sinal é enviado ao CLP que encaminha a um bloco PID e o compara ao set point, o resultado é enviado um cartão com saída analógica que manipula uma válvula de controle e regula o fluxo de vapor para os aquecedores. Um sensor de temperatura pode ser instalado na entrada de calda para os aquecedores assim pode-se comparar a diferença de temperatura de entrada e saída para o Tanque Reação. O controle para dosagem de polímero no Tanque Micronizada também é importante, esse controle pode ser pelo transmissor de vazão instalado na saída do Tanque Diluída II, onde o sinal de vazão de calda é enviada ao CLP que executa um bloco para cálculo da proporção de polímero (ppm), o resultado é enviado a um cartão com saída analógica que atua no inversor de frequência da bomba de dosagem do polímero regulamento a sua vazão. Se a vazão de calda sobe a vazão de dosagem do polímero sobe em sua proporção, garantindo então a dosagem correta de polímero, evitando danos ao processo e economia do produto. O controle da dosagem de ácido fosfórico no Tanque Micronizada (dosagem de insumos) consiste em dosar o produto em função da vazão de calda e o bloco de controle calcula a relação em ppm e envia o sinal ao cartão com saída analógica que atua no inversor de frequência da bomba de dosagem do ácido fosfórico. O controle garante também a dosagem correta do produto, evitando danos ao processo e economia. O controle de nível no flotador de calda um cartão com saída analógica que manipula uma válvula de controle regulando a vazão de saída da calda. Nível baixo a borra flotada tende a concentrar, sendo o nível mínimo de operação determinado pela capacidade máxima de retirada de borra pelo raspador. Nível alto reduz-se a concentração de borra flotada, sendo que acima de um determinado nível ocorre o transbordamento de calda para a calha de borra e consequentemente perda de calda. O controle de nível no Tanque Pré-Capa
Pré- Capa com vazão para os Filtros Mausa. Pode-se controlar o brix no Tanque Pré-Capa da seguinte maneira, a sonda transmissora de brix instalada no Tanque Pré-Capa envia o sinal ao CLP, onde se executa o PID e o compara ao set point, o resultado é enviado a um cartão com saída analógica que atua em uma válvula de controle instalada na tubulação de água no Tanque Pré- Capa. Se o brix alterar a válvula de controle corrige a vazão de água. É importante monitorar a pressão de entrada de calda nos filtros Mausa para utilizar como parâmetro de parada para limpeza, esse monitoramente é possível instalando transmissores de pressão na tubulação de entrada da calda para os filtros Mausa. Se a pressão subir além do limite estabelecido é necessário parar o filtro para realizar a sua limpeza. O controle de nível no Tanque Calda Filtrada pode ser realizado utilizando-se um principio de medição indireta do nível, através de um transmissor de pressão diferencial flangeado que envia o sinal ao CLP, onde executa um bloco PID e o compara ao set point, o resultado é enviado a um cartão com saída analógica que atua no inversor de frequência da bomba do Tanque Calda Filtrada com vazão para as Colunas de Resina. Outro parâmetro importante para o processo da via liquida é conhecer a vazão de calda que passa pelas Colunas de Resina para descoloração. É possível conhecer esse parâmetro instalando um medidor e transmissor de vazão na tubulação de saída do Tanque Calda Filtrada. Para o controle nas Colunas de Resina pode-se utilizar um principio de medição indireta do nível, através de um transmissor de pressão diferencial flangeado que envia o sinal ao CLP, onde executa um bloco PID e o compara ao set point, o resultado é enviado a um cartão com saída analógica que manipula uma válvula de controle regulando a vazão de saída da calda pela coluna. Controlar o nível na coluna é importante para melhorar e eficiência na descoloração da calda com a resina. A cada 48 horas de operação é importante realizar a regeneração da resina através da passagem de solução de salmoura pela coluna, o controle do nível de salmoura também pode ser realizado pelo mesmo bloco de controle de nível da calda. Se a pressão da coluna cair não terá uma boa eficiência na descoloração da calda, por isso monitorar essa variável também é importante através de um transmissor de pressão instalado em cada coluna. O controle de nível no Tanque Calda Flotada pode ser realizado utilizando-se um principio de medição indireta do nível, através de um transmissor de pressão diferencial flangeado que envia o sinal ao CLP, onde executa um bloco PID e o compara ao set point, o resultado é enviado a um cartão com saída analógica que atua no inversor de frequência da bomba do Tanque Calda Flotada com vazão para o Filtro Prensa. O controle de nível no Tanque Descolorada Descolorada com vazão para a Caixa de Calda (Cozimento). O controle de um cozedor pode se tornar complexo, onde envolve varias variáveis de processo que modem ser controladas e medidas tornando a operação mais prática, eficiente e intuitiva. Podemos destacar os controles como nível do cozedor, temperatura da massa, concentração da massa (Brix), pressão da calandra e vácuo do cozedor. O controle de nível nos cozedores pode ser realizado utilizando-se um principio de medição indireta do nível, onde é realizada através de um um segundo bloco de controle que manipula e controla a alimentação de água, calda e mel para manter o nível desejado no cozimento. A alimentação de cada insumo pode ser realizado através de válvulas ON/OFF instaladas nas tubulações de entrada dos insumos (mel, calda, água) e o controle dos mesmos pode ser realizado através de uma válvula de controle instalada na tubulação de entrada principal. O operador poderá selecionar cada ingrediente de acordo com a etapa do processo. O controle de brix pode ser realizado medindo-se o brix da massa através de uma sonda transmissora de brix que envia sinal ao CLP, onde é executado um bloco PID e o compara ao set point, o resultado é enviado a um segundo bloco de controle que manipula e controle a alimentação de água, calda e mel para corrigir o brix da massa. Para o controle de pressão do vácuo pode ser realizado medindo-se a pressão no interior do cozedor através de um transmissor de pressão que envia o sinal ao CLP, onde é executado um bloco PID e o compara ao set point, o resultado é enviado um cartão com saída analógica que manipula uma válvula de controle e regula a vazão de água no multijato corrigindo a pressão do cozedor. A temperatura de massa no cozedor pode ser realizada colocando-se um transmissor de temperatura, onde o sinal referente a temperatura é enviado ao CLP e monitorado no supervisório
pelo operador de COI. O mesmo monitoramente acontece com a pressão da calandra, onde um transmissor de pressão pode ser instalado na calandro do cozedor. Todas as variáveis manipuladas informadas acima possibilitarão operar o cozimento de modo automático, permitindo executar todas as etapas (receitas) do processo. Os pontos ajustáveis na receita são: Pé: etapa inicial do processo onde o cozedor é alimentado calda até ponto para cristalizar. Cristalização: depois de feito o pé e a calda em ponto de fio é injetado a semente (solução de álcool + açúcar) para iniciar a etapa de cristalização da massa. Corte: depois da massa cristalizada é realizado o corte (divisão da massa cristalizada para outro cozedor). Cozimento para descarga: após o corte inicia o cozimento da massa até a concentração desejada para descarga, controlando a curva de supersaturação. Aperto da massa: esta etapa é feita para deixar a massa em ponto de descarga, apenas elevando a massa para a concentração desejada. Descarga: etapa final do cozimento, onde a massa é descarregada no cristalizador. Lavagem com vapor: etapa para retirar e limpar incrustações no interior do cozedor após o término do ciclo de cozimento, que podem levar o acréscimo de cor nas bateladas seguintes. As variáveis controladas das receitas acima poderão ser ajustadas separadamente com diversos fatores de ajuste, assim o processo se torna mais controlado e eficiente. Em cada receita podem ser ajustados os seguintes parâmetros: Pé: Nível de pé, brix de semeadura, vácuo para libera pé, tempo de injeção da semente. Cristalização: Nível inicial de cristalização, brix de cristalização, vácuo de cristalização, tempo de cristalização. Corte: Nível para inicio de corte, nível para fim de corte, vácuo de corte. Cozimento para descarga: Níviel para inicio de cozimento, nível para fim de cozimento, brix inicial para cozimento, brix final para cozimento, vácuo de cozimento, tempo de cozimento. Aperto da massa: Nível inicial para aperto, nível final para aperto, brix inicial para aperto, brix final para aperto, vácuo de aperto. Descarga: Nível final para descarga, brix final para descarga, vácuo para descarga. Lavagem com vapor: Nível de lavagem com vapor, tempo de lavagem com vapor. Figura 1 Esquema cozedor convencional Resultados São muitos os benefícios que podem ser obtidos com a implantação do projeto de automação na planta de refino do açúcar. Dentre eles podemos relacionar aos seguintes temas: Segurança; Qualidade; Produtividade; Operabilidade; Manutenção. Através da automação podemos proporcionar um ambiente seguro de trabalho para os nossos colaboradores. Um operador humano pode acidentalmente cometer erros e ficam expostos a ambientes que proporcionam riscos visíveis a sua integridade física. Reduzir a variabilidade de uma variável importante, que influência na qualidade do produto final é um dos benefícios que o projeto de automação pode trazer. A automação da planta possibilita o controle de todas as variáveis do processo, assim podemos aumentar a eficiência industrial, diminuir as perdas, aumentar a quantidade de informações sobre o processo e como consequência melhorar a qualidade do produto final. Discussão e Conclusões Este trabalho se propôs analisar e estudar a planta de refino do açúcar da unidade de Catanduva para a elaboração de um plano diretor de automação, descrevendo o estado atual da automação e identificando a necessidade da implantação do projeto. Com o PDA podemos traçar um caminho para que possamos atingir a excelência operacional e proporcionar um ambiente mais seguro para os nossos colaboradores, visando sempre as metas da companhia. O investimento mostrou-se viável, já que os números encontrados são positivos. Os
benefícios propostos são relacionados a segurança, qualidade, produtividade, operabilidade e manutenção. A automação pode proporcionar um ambiente seguro e confortável, elevando nosso padrão de qualidade a fim de atingir nossas metas. A implantação da automação na refinaria eliminará os procedimentos manuais, melhorando o nosso processo e aumentando a qualidade do açúcar refinado, porém não podemos deixar de mencionar que a fábrica de açúcar (açúcar cristal) impacta diretamente na qualidade do açúcar refinado. Referências 1. Artigos em Revistas e Anais e Capítulos de Livros ISA (Brasil) (Org.). Plano Diretor de Automação e Informação. Sertãozinho: Instrument Society Of América, 2008. 39 slides, color. PAULO ROBERTO RIBEIRO (Brasil). Smar. Curso sequencial de automação para indústria sucroalcooleira: Apostila de treinamento módulo II. Sertãozinho: Unaerp, 2003. 113 p. VENTURELLI, Márcio. Plano Diretor de Automação: Diretrizes para elaboração de estudos de implantação de sistemas de automação industrial. 2015. Disponível em: <http://www.automacaoindustrial.info/pda-planodiretor-de-automacao-diretrizes-para-elaboracaode-estudos-de-implantacao-de-sistemas-deautomacao-industrial/>. Acesso em: 20 mar. 2015. COGHI, Marco. PDAI - Plano Diretor de Automação Integrado. 2007. Disponível em: <http://pontogp.wordpress.com/2007/06/18/pdai- -plano-diretor-de-automacao-integrado/>. Acesso em: 10 dez. 2014. 1.1. Livros e Teses CARVALHO, Fábio Barros. Estimação de ganhos financeiros em projetos de automação e controle: Uma proposta metodológica e estudos de caso. 2010. 120 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Engenharia Elétrica, Ufmg, Belo Horizonte, 2010. JOAQUIM FERREIRA GUIMARÃES NETO (Paraná). Fg Controle & Otimização. Estimativa de Benefícios com a Otimização do Controle. Curitiba: Fg, 2008. 4 p. Contato Guilherme Doracenzi Stoppa, Engenheiro Eletricista Junior na Noble Agri Unidade de Catanduva. Celular: (16)99248-6377, (17)99702-6377 E-mail particular: guilhermedoracenzi@gmail.com E-mail empresa: guilhermestoppa@nobleagri.com