UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
ESCOLA DE MINAS - EM
COLEGIADO DE ENGENHARIA DE CONTROLE
E AUTOMAÇÃO - CECAU
Rafael Castro Silva
Projeto para o Sensoriamento e Automação do Canal de
Adução de uma Pequena Central Hidrelétrica
MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE
CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Ouro Preto, 2010
RAFAEL CASTRO SILVA
PROJETO PARA O SENSORIAMENTO E AUTOMAÇÃO DO CANAL DE
ADUÇÃO DE UMA PEQUENA CENTRAL HIDRELÉTRICA
Monografia apresentada ao Curso de
Engenharia de Controle e Automação da
Universidade Federal de Ouro Preto como
parte dos requisitos para a obtenção do
Grau de Engenheiro de Controle e
Automação.
Orientador: Dra. Karla B. Pimenta Palmieri
Ouro Preto
Escola de Minas - UFOP
Dezembro/2010
C111p
Silva, Rafael Castro.
Projeto para o sensoriamento e automação de um canal [manuscrito] /
Rafael Castro Silva 2010.
64 f. : il. color., grafs., tabs.
Orientadora: Profa. Dra. Karla Pimenta Boaventura Palmieri.
Monografia (Graduação) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola
de Minas. Colegiado do Curso de Engenharia de Controle e Automação.
1. Automação. 2. Sensoriamento remoto. 3. Barragens. I. Universidade
Federal de Ouro Preto. II. Título.
CDU: 007.5:627.82
Catalogação: [email protected]
Tenha em mente que tudo que você
aprende na escola é trabalho de
muitas
gerações.
Receba
essa
herança, honre-a, acrescente a ela, e
um dia, fielmente, deposite-a nas
mãos de seus filhos.
Albert Einstein
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Novelis pela oportunidade, principalmente ao setor de Gestão de Energia,
Manutenção e Operação de Usinas. Aos senhores Ademar Alcântara, Andréia Pimenta,
Cátia Gonçalves, Cleide Marquez, Daniel Daibert, Eli Murilo, Jeorge Henrique Silva,
José Antônio Alcântara, Júlio Maria, Rafael Fagundes. Em especial Luiz Gustavo Souza
e Sandro Horta.
A minha orientadora, Professora Doutora Karla Boaventura Pimenta Palmieri, que
sempre me orientou com muita atenção e dedicação.
RESUMO
A Usina de Prazeres é uma Pequena Central Hidrelétrica pertencente a companhia
Novelis, um dos maiores grupos produtores de alumínio primário do Brasil. Assim, com
o objetivo de aumentar a segurança na operação e garantir o processo de geração nessa
usina, é proposto uma solução de automação da comporta da barragem que desvia água
para o canal de adução. Por meio de estudos realizados sobre o processo de operação na
comporta, a nova solução prevê o gerenciamento automático do controle de abertura e
fechamento da mesma com a utilização de sensores conectados a circuitos
programáveis, eliminando a necessidade de fazer com que os operadores sejam
deslocados para essa função. Dessa forma, nesse trabalho será apresentado um enlace de
comunicação e as tecnologias relacionadas a proposta de controle, gerando um
descritivo sobre o funcionamento do projeto, principalmente no que diz respeito ao
monitoramento contínuo da variável relevante, reduzindo, dessa forma, a possibilidade
de quebras no canal.
Palavras chaves: Comporta de barragem, canal de adução, CLP, PCH e fibra óptica.
ABSTRACT
The Prazeres Plant is a small hydroelectric company owned by Novelis, one of the
largest primary aluminum producers in Brazil. thus, with the goal of increasing safety in
the operation, and ensure the process of generating this power for the plant a solution
involving the automation of the dam witch diverts water to the adductor canal is
propose. through studies on the process involves operation in the new solution provides
automatic management control of the opening and closing the same with the use of
sensors connected to programmable circuits, eliminating the need of operators to do this
job. Thus, this work will present a communication link, and the technologies related to
the work suggested; generating a description of the operation of the project, especially
as regards continuous monitoring of the relevant variable, thus reducing the possibility
of damages at the channel.
Keywords: Gate dam, canal, PLC, PCH and fiber optic.
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1.1 - Vista da montante da barragem da PCH Brecha .................................... 14
FIGURA 1.2 - Vista da jusante da barragem da PCH Brecha. ....................................... 15
FIGURA 2.1 - Topologia de rede: barramento............................................................... 21
FIGURA 2.2 - Topologia de rede: estrela. ..................................................................... 22
FIGURA 2.3 - Modos de transmissão. ........................................................................... 22
FIGURA 2.4 – Sistema de conversão Eletro-Óptico. ..................................................... 24
FIGURA 2.5 – Esquema de uma fibra ótica. .................................................................. 24
FIGURA 2.6 – Lei de reflexão de Snell. ........................................................................ 28
FIGURA 2.7 – Abertura numérica. ................................................................................ 29
FIGURA 2.8 – Modos de propagação. ........................................................................... 30
FIGURA 2.9 – Relação Tipo de Fibra x Perfil de Índice x Propagação no Núcleo. ...... 31
FIGURA 2.10 – Representação em blocos de um CLP. ................................................ 33
FIGURA 2.11 – Exemplo de instrução em LD .............................................................. 35
FIGURA 2.12 – Sentido da corrente fictícia. ................................................................. 38
FIGURA 2.13 – Utilização de instrução BIT. ................................................................ 39
FIGURA 2.14 – Utilização de temporizadores. ............................................................. 40
FIGURA 2.15 – Utilização de contatores simples ......................................................... 41
FIGURA 2.16 – Utilização de blocos de movimento. .................................................... 41
FIGURA 2.17 – Utilização de comparadores. ................................................................ 42
FIGURA 2.18 – Sensores hidrostáticos.......................................................................... 43
FIGURA 2.19 – Aplicação para sensores hidrostáticos ................................................. 44
FIGURA 2.20 – Sensores ultra-sônicos. ........................................................................ 45
FIGURA 2.21 – Aplicação para sensores ultra-sônicos. ................................................ 45
FIGURA 2.22 – Sensores indutivos de deslocamento (a) e de proximidade (b)............ 47
FIGURA 3.1 – Vista superior da barragem Prazeres e canal de adução. ....................... 49
FIGURA 3.2 – Vista lateral da tomada d’água .............................................................. 50
FIGURA 3.3 – Seção A do canal de adução. ................................................................. 50
FIGURA 3.4 – Seção B do canal de adução................................................................... 51
FIGURA 3.5 – Seção C do canal de adução................................................................... 51
FIGURA 3.6 – Localização da PCH Prazeres. ............................................................... 52
FIGURA 4.1 – Arquitetura do projeto............................................................................ 58
LISTA DE GRÁFICOS
GRÁFICO 1.1 - Custo por MW/h de energia produzida. ............................................... 12
GRÁFICO 1.2 - Consumo por fonte produtora. ............................................................. 12
GRÁFICO 1.3 - Consumo por setor. .............................................................................. 13
LISTA DE TABELAS
TABELA 2.1 – Tabela comparativa entre cabos metálicos e fibras ópticas. ................. 26
TABELA 2.2 – Tabela comparativa entre o sistema rádio e fibras ópticas. .................. 26
TABELA 2.3 – Tabela de índices de refração................................................................ 27
TABELA 2.4 – Instruções básicas para LD ................................................................... 36
TABELA 2.5 – Relação entre expressão Booleana, Tabela Verdade, Circuito
equivalente e diagrama de contato mais usados. ....................................................... 37
TABELA 4.1 – Comparativo entre os sensores. ............................................................ 56
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 101
1.1 Energia x Produção de alumínio ............................................................................... 13
1.2 Pequena Central Hidrelétrica .................................................................................... 14
1.2.1 Benefícios e Vantages ........................................................................................... 15
1.3 Objetivo .................................................................................................................... 17
1.4 Metodologia .............................................................................................................. 17
1.5 Estrutura do trabalho ................................................................................................ 18
2. TECNOLOGIA USADA NO LINK E NA COMUNICAÇÃO DE DADOS ....... 19
2.1 Ethernet..................................................................................................................... 19
2.1.1 A evolução da Ethernet.......................................................................................... 19
2.1.2 Redes Ethernet ....................................................................................................... 20
2.1.2.1 Transmissão e Cabos .......................................................................................... 22
2.2 Enlace de Fibra Óptica ............................................................................................. 23
2.2.1 Fibras Ópticas ........................................................................................................ 24
2.2.2 Razões para o uso de Fibras Ópticas ..................................................................... 25
2.2.3 Lei de Snell ............................................................................................................ 27
2.2.4 Propriedade das fibras ópticas ............................................................................... 29
2.2.5 Tipos de fibras ópticas ........................................................................................... 30
2.3 Controlador Lógico Programável – CLP .................................................................. 32
2.3.1 Princípio de Funcionamento .................................................................................. 32
2.3.2 Arquitetura básica de um CLP............................................................................... 34
2.3.3 Programação de um CLP ....................................................................................... 35
2.3.3.1 Linguagem Ladder - LD ..................................................................................... 35
2.4 Sensor ....................................................................................................................... 42
2.4.1 Sensor hidrostático ................................................................................................ 42
2.4.2 Medidores de nível Ultra-sônicos .......................................................................... 44
2.4.3 Sensores Indutivos ................................................................................................. 46
3. DESENVOLVIMENTO ........................................................................................... 48
3.1 Caracterização da PCH Prazeres .............................................................................. 48
3.2 Descritivo da operação na comporta ........................................................................ 52
3.3. Ganhos na operação ................................................................................................. 53
4. ARQUITETURA DO PROJETO ........................................................................... 55
4.1 Motorização do sistema de acionamento .................................................................. 55
4.2 Automação do sistema de acionamento.................................................................... 55
4.3 Descrição do projeto de automação .......................................................................... 56
4.3.1 Arquitetura do projeto de automação .................................................................... 58
4.4 Premissas da lógica de Controle ............................................................................... 59
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................... 61
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................... 62
1. INTRODUÇÃO
No âmbito das discussões sobre a questão energética, aprofundada pelo cenário
internacional de escassez do petróleo e pelas mudanças no clima, ocasionadas pela
queima de combustíveis fósseis, surgem pesquisas e estudos técnicos, econômicos e de
impactos socioeconômicos e ambientais de empreendimentos de energias alternativas
ou renováveis voltados para o desenvolvimento de alternativas na produção de energia,
a partir de matéria orgânica de origem animal e vegetal, a biomassa; a partir da força
dos ventos, a chamada energia eólica; através da captação da luz do sol, a energia solar,
e a partir de pequenas centrais hidroelétricas, as quais atendem a demandas em áreas
periféricas ao sistema de transmissão (PACHECO, 2006).
Atualmente, a nova ordem mundial é a busca pela auto-suficiência em geração de
energia, aliada a uma diversificação da matriz energética, ou seja, a procura por
diferentes fontes de energias alternativas que supram a demanda interna dos países, no
caso de uma escassez de combustíveis fósseis (IGNATIOS, 2006).
Essa diversificação trará para os países mais segurança à oferta de energia sem sucumbir às pressões de preços de insumos ou adversidades climáticas. É necessário
também que haja mais investimentos direcionados para área de produção de
combustíveis e geração de energia, o que se configura como um problema, uma vez que
o governo não teria recursos suficientes para a diversificação e ampliação da matriz
energética (PACHECO, 2006).
Segundo a Empresa de Pesquisa Energética - EPE, estatal vinculada ao Ministério de
Minas e Energia, caso a demanda por energia venha a crescer anualmente na ordem de
4,8%, o país precisará investir em torno de R$ 125 bilhões para a ampliação de geração
e transmissão de energia a fim de que haja fornecimento regular sem riscos de apagão.
Em vista da atual conjuntura econômica e, analisando os gráficos abaixo, focando o
consumo no Estado de Minas Gerais, nota-se como o investimento em energias
renováveis, principalmente em hidroeletricidade é viável para a manutenção do
crescimento brasileiro.
12
Os gráficos 1.1, 1.2 e 1.3 representam, respectivamente, o custo em reais por megawatt
hora de energia produzida pelas diferentes fontes, o consumo de energia no estado de
Minas Gerais discriminado pelas fontes e pelo setor da indústria.
GRÁFICO 1.1 - Custo por MW/h de energia produzida.
Fonte: MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2010.
GRÁFICO 1.2 - Consumo por fonte produtora.
Fonte: MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2010.
13
GRÁFICO 1.3 - Consumo por setor.
Fonte: MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2010.
1.1 Energia x Produção de alumínio
A energia, na produção de alumínio, é considerada um insumo básico, a medida que a
mesma representa, variando do nível tecnológico e automação embarcado nas unidades
fabris, aproximadamente 40% do custo da produção do metal. Dessa forma, visando a
redução dos custos e a garantia da produção, a indústria brasileira do alumínio tem, cada
vez mais, procurado suprir suas necessidades participando da construção de
hidrelétricas.
Segundo James M. G. Weiss (WEISS, 2005), pesquisador da Divisão de Economia e
Engenharia do Departameto de Planejamento e Análise Econômica Aplicada à
Administração da Fundação Getúlio Vargas, o setor em questão consumiu 6% de toda a
energia elétrica gerada no País, ou seja, cerca de 23.973 GWh para produção de
alumínio primário e 2.010 GWh para produção de alumina. Dos grandes produtores
mundiais, o Brasil e o Canadá, por terem relativa abundância em recursos hídricos,
empregam exclusivamente a energia hidrelétrica, contudo, dos 27% dos produtores de
alumínio que se abastecem com energia autogerada, 55% utilizam recursos hídricos,
30% carvão e 15% gás.
14
Atrelado a isso e, considerando o cenário proposto pelo pesquisador, o consumo
mundial do metal deve crescer a uma taxa média de 3,7% ao ano até 2015, sendo que no
Brasil esse movimento se mostra mais intenso, de 4,1% ao ano. Tal expansão exige um
acréscimo no consumo de energia entre 9.800 GWh e 15.200 GWh para 2015.
Dessa forma, é claro e notório a necessidade de investimentos viáveis em energia, com
isso, aqueles que mais se destacam e se mostram interessantes são os aplicados na
construção de Pequenas Centrais Hidrelétricas - PCHs, frente a resistências ambientais,
encargos e demais dificuldades do setor.
1.2 Pequena Central Hidrelétrica
Os critérios para identificação de PCHs estão definidos na Resolução da Agência
Nacional de Energia Elétrica - ANEEL - nº 394, de 4 de dezembro de 1998, e devem ser
observados pelos agentes do setor elétrico e pela sociedade em geral, considerando
também a sistemática de fiscalização da potência instalada definida na Resolução da
ANEEL nº 407, de 19 de outubro de 2000.
Assim, considera-se como uma PCH, os empreendimentos hidrelétricos com potência
superior a 1.000 kW e igual ou inferior a 30.000 kW e com área total de reservatório
igual ou inferior a 3,0 km². A área do reservatório é delimitada pela cota d’água
associada à vazão de cheia com tempo de recorrência de 100 anos.
As figuras 1.1 e 1.2 mostram as visões a montante e a jusante da barragem de uma PCH.
FIGURA 1.1 - Vista da montante da barragem da PCH Brecha.
15
FIGURA 1.2 - Vista da jusante da barragem da PCH Brecha.
O empreendimento que não atender a condição de área máxima inundada poderá,
consideradas as especificidades regionais, ser também enquadrado na condição de PCH,
desde que deliberado pela Diretoria da ANEEL, com base em parecer técnico, que
contemple, entre outros, aspectos econômicos e socioambientais.
Para as usinas com potência instalada de até 1.000 kW, a ANEEL definiu-as como
Centrais Geradoras Hidrelétricas - CGH, já as que superam a casa dos 30.000 kW são
demonimandas de Usinas Hidrelétricas - UHE.
1.2.1 Benefícios e Vantages
As PCHs representam, na atual conjuntura do mercado, uma eficiente forma de se
produzir energia, dessa forma, pode-se citar como principais vantagens os seguintes
pontos:
autorização não-onerosa para explorar o potencial hidráulico, lei nº 9.074, de 7 de
julho de 1995, e Lei nº 9.427, de 26 de dezembro de 1996 (ANEEL, 2009);
descontos não inferiores a 50% nos encargos de uso dos sistemas de transmissão e
distribuição, lei nº 10.438, de 26 de abril de 2002; Resolução ANEEL nº 281, de 10
de outubro de 1999; e Resolução ANEEL nº 219, de 23 de abril de 2003 (ANEEL,
2009);
16
livre comercialização de energia com consumidores ou conjunto de consumidores
reunidos por comunhão de interesses de fato ou de direito, cuja carga seja igual ou
superior a 500 kW, lei nº 9.648, de 27 de maio de 1998, e Lei nº 10.438, de 26 de
abril de 2002 (ANEEL, 2009);
livre comercialização de energia com consumidores ou conjunto de consumidores
reunidos por comunhão de interesses de fato ou de direito, situados em sistema
elétrico isolado, cuja car-ga seja igual ou superior a 50 kW, lei nº 10.438, de 26 de
abril de 2002 (ANEEL, 2009);
isenção relativa à compensação financeira pela utilização de recursos hídricos, lei nº
7.990, de 28 de dezembro de 1989, e lei nº 9.427, de 26 de dezembro de 1996
(ANEEL, 2009);
participação no rateio da Conta de Consumo de Combustível - CCC -, quando
substituir geração térmica a óleo diesel, nos sistemas isolados, lei nº 10.438, de 26
de abril de 2002 (ANEEL, 2009);
isenção de aplicação, anualmente, de no mínimo um por cento da receita operacional
líquida em pesquisa e desenvolvimento do setor elétrico, lei nº 9.991, de 24 de julho
de 2000 (ANEEL, 2009);
comercialização das energias geradas pelas Pequenas Centrais Hidrelétricas com
concessionárias de serviço público tendo como teto tarifário o valor normativo
estabelecido conforme a Resolução da ANEEL nº 248, de 06 de maio de 2002
(ANEEL, 2009);
MRE - Mecanismo de Relocação de Energia para centrais hidrelétricas conectadas
ao sistema interligado e não despachadas centralizadamente pelo Operador Nacional
do Sistema Elétrico - ONS, decreto nº 2.655, de 2 de janeiro de 1998, com a redação
dada pelo Decreto nº 3.653, de 7 de novembro de 2000, e Resolução da ANEEL nº
169, de 3 de maio de 2001(ANEEL, 2009);
17
PROINFA – Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica
instituído com objetivo de aumentar a participação da energia elétrica produzida por
empreendimentos de produtores independentes autônomos, concebidos com base em
PCH, e fontes eólica e biomassa, mediante procedimentos estabelecidos nas leis
10.438, de 26 de abril de 2002, lei 10.762, de 11 de novembro de 2003, e decreto
4.541, de 23 de dezembro de 2002 (ANEEL, 2009).
Em um momento inicial da indústria, não havia disponibilidade energética para atender
a demanda, assim, as próprias empresas buscaram construir suas usinas. Posteriormente,
com a criação de diversas estatais no ramo, a oferta de energia aumentou e inviabilizou
que o setor privado continuasse investindo pesado no processo de autogeração.
Entretando, com o passar dos anos e, consequentemente, aumento do custo da energia
fornecida, justificado, entre outros, por uma elevação significativa do consumo
doméstico, criou-se novamente a necessidade de novos empreendimentos privados e
automatização daqueles já existentes, buscando assim maior produtividade. Neste
contexto tem-se o trabalho proposto na PCH Prazeres.
1.3 Objetivo
O objetivo deste trabalho é aprofundar e aplicar os conceitos vistos durante a graduação,
apresentando, assim, um estudo amplo no que se refere ao controle automático de
abertura e fechamento da comporta do canal de adução da PCH Prazeres, propondo uma
solução moderna por meio do monitoramento do nível de água ao longo de todo o canal.
1.4 Metodologia
Para o desenvolvimento desse trabalho, foram necessárias as seguintes etapas:
a) Visitas ao campo e definição da proposta de trabalho;
b) Revisão sobre enlace de comunicação, CLP e sensores;
18
c) Estudo das variáveis envolvidas no processo e seleção dos equipamentos a serem
utilizados;
d) Análise da comunicação e arquitetura do projeto.
1.5 Estrutura do trabalho
O trabalho foi dividido em cinco capítulos.
No capítulo 1 apresenta-se uma visão geral do sistema energético brasileiro, a
importância da energia no processo de produção de alumínio e uma exposição sobre as
Pequenas Centrais Hidrelétricas e seus benefícios e vantagens.
No capítulo 2 apresenta-se uma revisão bibliográfica sobre Ethernet, Fibra Óptica,
Controladores Lógico Programáveis e Sensores.
No capítulo 3 caracteriza-se a PCH onde o trabalho em questão será implantado, uma
descrição da operação na comporta e os ganhos e melhorias com a implantação do
projeto.
No capítulo 4 é exposta a arquitetura do projeto e, conseqüentemente, a automação do
sistema de acionamento da comporta e as premissas da lógica de controle.
No capítulo 5 apresenta-se a conclusão do trabalho e sugestões para trabalhos futuros.
2. TECNOLOGIA USADA NO LINK E NA COMUNICAÇÃO DE DADOS
Neste tópico serão descritas as tecnologias utilizadas para execução do projeto proposto.
São descritos conceitos sobre comunicação, enlace de fibra óptica, controladores lógico
programáveis, os sensores de posicionamento e de nível.
2.1 Ethernet
Baseada no princípio de envio de informações por meio de pacotes, a tecnologia de
LAN - Local Area Networks - mais utilizada no mundo, define os sinais elétricos para a
camada física, formato de pacotes e protocolos para a camada de controle e o
cabeamento adequado para os distintos enlaces - união disjunta de vários nós de
comunicação - e projetos.
2.1.1 A evolução da Ethernet
Em meados da década de 70, Bob Metcalfe, com a idéia inicial de conectar estações
locais de trabalho entre si e estações de trabalho em impressoras, e o auxílio dos estudos
propostos por Norman Abramson e David Boggs, criou, no centro de pesquisa da
Xerox, a Ethernet (GULO, 2010).
A revolução proporcionada por essa invenção foi permitir a comunicação em alta
velocidade, a um custo relativamente baixo. Por outro lado, o atributo de alta velocidade
da tecnologia impôs uma restrição de alcance: só seria possível conectar equipamentos
que estivessem distantes um do outro de, no máximo, algumas centenas de metros,
nascia assim, a Rede Local (SPURGEON, 2000).
Com o passar dos anos, a tecnologia Ethernet sofreu algumas modificações, e essas
foram motivadas pelas seguintes necessidades: maior velocidade, melhor facilidade de
uso e padronização.
20
Em 1973, a velocidade de comunicação da Ethernet era da ordem de 1 Mbps, valor
considerado alto para a época. Contudo, com o advento de novas tecnologias e o
crescimento do uso das redes, velocidades cada vez maiores passaram a ser uma
necessidade. Como exemplo, pode-se citar que a trinta anos, o gargalo de acesso a um
disco remoto era a própria velocidade do disco, hoje, um disco remoto pode saturar uma
rede de 10 Mbps (GULO, 2010).
Em relação a facilidade de uso, inicialmente era utilizado um cabo coaxial grosso, o que
implicava em dificuldade na instalação. Além disso, o cabo corria de equipamento em
equipamento, ou seja, qualquer interrupção no cabo implicava na parada total da rede.
Visando extinguir esses efeitos, outras mídias físicas foram desenvolvidas e utilizadas.
Dessa forma, primeiramente passou-se a adotar um cabo coaxial fino, ou seja,
resolvendo a questão das instalações, já que o mesmo era facilmente dobrável.
Posteriormente, criaram-se os repetidores, aos quais todos os equipamentos se
conectariam através de um par trançado, minimizando assim, em caso de interrupção de
sinal, a queda de toda a rede (GULO, 2010).
No que diz respeito a padronização, focando diretamente a massificação do seu uso, a
XEROX se aliou a outras empresas, entre elas a Intel, para formar o padrão Ethernet de
10 Mbps. Num esforço paralelo, o IEEE, na mesma época, estava padronizando
tecnologias de redes locais sob o número 802, com isso, a tecnologia Ethernet acabou
recebendo o número padrão 802.3.
2.1.2 Redes Ethernet
A tecnologia Ethernet, basicamente, consiste de três elementos: o meio físico, as regras
de controle de acesso ao meio e o quadro ethernet. O endereçamento é feito através de
uma numeração única para cada host com 6 bytes sendo os primeiros 3 bytes para a
identificação do fabricante e os 3 bytes seguintes para o número seqüencial da placa.
Essa numeração também é conhecida como endereço MAC.
21
O protocolo Ethernet especifica um conjunto de regras para a construção de quadros. Há
mínimos e máximos para o comprimento destes e um conjunto de peças necessárias de
informações que devem constar no quadro, dessa forma, cada um deve incluir, por
exemplo, um endereço de destino e um endereço de origem que identificam,
necessariamente, o destinatário e o remetente da mensagem, ou seja, o endereço
identifica um nó, assim como um nome identifica uma pessoa em particular.
As principais topologias suportadas pelas redes Ethernet são: Barramento - cabo coaxial
fino ou grosso, Estrela - par trançado sem blindagem - e Árvore, que é a combinação
das duas topologias anteriores. As figuras 2.1 e 2.2 mostram as topologias de
Barramento e Estrela.
FIGURA 2.1 - Topologia de rede: barramento.
Fonte: MATA, 2010.
22
FIGURA 2.2 - Topologia de rede: estrela.
Fonte: MATA, 2010.
2.1.2.1 Transmissão e Cabos
A Ethernet pode ser usada em 3 modos de transmissão: Simplex, Half-duplex e Fullduplex. A figura 2.3 apresenta um modelo esquemático dos modos de transmissão.
FIGURA 2.3 - Modos de transmissão.
Distinguem-se também diferentes alternativas de tecnologias Ethernet segundo o tipo e
o diâmetro dos cabos utilizados, abaixo segue uma lista dos principais:
23
10Base2: cabo utilizado é um cabo coaxial fino de fraco diâmetro, chamado thin
Ethernet;
10Base5: cabo utilizado é um cabo coaxial de grande diâmetro, chamado thick
Ethernet;
10Base-T: cabo utilizado é um par entrançado - o T significa twisted pair , o débito
atingido é de cerca de 10 Mbps;
100Base-FX: permite obter um débito de 100 Mbps utilizando uma fibra óptica
multimode - F significa Fiber;
100Base-TX: como 10Base-T mas com um débito 10 vezes maior;
1000Base-T: utiliza um duplo par entrançado de categoria 5.0 e permite um débito
Gigabit por segundo;
1000Base-SX: baseado numa fibra óptica multimode que utiliza um sinal de fraco
comprimento de onda - o S significa short - de 850 nanômetros - 770 à 860 nm;
1000Base-LX: Baseado numa fibra óptica multimode que utiliza um sinal de
comprimento de onda elevado - L significa long - de 1350 nm - 1270 à 1355 nm.
2.2 Enlace de Fibra Óptica
Sistemas ópticos de comunicação são sistemas em que as mensagens são convertidas
em sinais luminosos e são transmitidas em fibras ópticas. A figura 2.4 representa um
esquema de conversão eletro-óptico.
24
FIGURA 2.4 – Sistema de conversão Eletro-Óptico.
Fonte: THEODORO, 2008.
2.2.1 Fibras Ópticas
As fibras são fabricadas com materiais dielétricos - não condutores de corrente elétrica , normalmente de sílica. A função o núcleo é guiar a onda de luz e a da casca é fornecer
condições para que este propague a energia luminosa. Segue, na figura 2.5, um esquema
ilustrativo das fibras ópticas.
FIGURA 2.5 – Esquema de uma fibra ótica.
Fonte: LAERCIO, 2010.
A fibra, que serve para guiar o sinal óptico da origem ao destino, é mais fina que um fio
de cabelo, e consiste de dois cilindros concêntricos, denominados por núcleo e casca,
que têm propriedades ópticas diferentes. As firas são revestidas por uma dupla camada
25
de acrilato chamada buffer, que não tem função na propagação das ondas, mas sim de
proteção do conjunto núcleo-casca.
O processo de transmissão da luz ao longo da fibra baseia na condição de reflexão
interna total. Ao chegar à interface entre o núcleo e a casca, a luz é refletida de volta e
propagando-se ao longo da fibra.
No entanto, as fibras ópticas não conseguem transmitir qualquer tipo de luz. As fibras
plásticas podem operar na faixa de 650 nm, região de luz infravermelha. Para outras
fibras a luz deverá ter freqüências maiores que a luz visível, começando a partir de 850
nm. Por essa razão, dependendo da fibra há freqüências em que a transmissão dos sinais
é mais efetiva.
2.2.2 Razões para o uso de Fibras Ópticas
As razões para o uso de fibras ópticas estão ancoradas na sua capacidade de transmissão
da informação, ou seja, normalmente as fibras oferecem mais banda passando do que
necessários para as aplicações atuais. Com as fibras monomodo de alto desempenho
utilizadas em sistemas de telefonia de longa distância, a largura de banda é
essencialmente infinita, isto é, a capacidade de transmissão de informação dessas fibras
é muito maior do que a eletrônica atual pode explorar.
Baixas perdas: fibras ópticas oferecem baixa perda de potência, o que significa que
possibilitam maiores distâncias de transmissão;
Imunidade eletromagnética: as fibras são construídas com material dielétrico - não
condutor de eletricidade - e são, portanto, imunes a interferência eletromagnética;
Menor peso e tamanho: as fibras são mais leves e possuem seções transversais 15%
menores que os cabos elétricos convencionais;
26
Segurança: como já dito a fibra é um meio dielétrico, dessa forma ela não conduz
eletricidade e não é suscetível a problemas que podem gerar centelhas;
Segurança na transmissão das informações: não há meio de “grampear” fibras
ópticas e, como não há emissão de energia eletromagnética, não é possível
interceptar os sinais;
Baixo custo - valor agregado: ao contrário dos cabos de cobre, onde seu valor
comercial é alto, os cabos de fibra óptica não são alvos de furtos.
Nas tabelas 2.1 e 2.2 se comparam algumas características entras as fibras ópticas, cabos
metálicos e sistema rádio.
TABELA 2.1 – Tabela comparativa entre cabos metálicos e fibras ópticas.
Características
Cabos
Fibra
Metálicos
Multimodo Monomodo
Largura de banda
100 MHz
1 GHz
> 100 GHz
Distância de transmissão
< 5000 m
2000 m
80000 m
Imunidade eletromagnética
Não
Sim
Sim
Peso
Mais pesado
Mais leve
Mais leve
Tamanho
Maior
Menor
Menor
Valor agregado
Sim
Não
Não
TABELA 2.2 – Tabela comparativa entre o sistema rádio e fibras ópticas.
Características
Sistema
Fibra
Rádio
Multimodo Monomodo
Largura de banda
< 300 MHz
1 GHz
> 100 GHz
Taxa de transmissão
< 622 Mbps
< 140 Mbps
> 40 Gbps
Distância de transmissão
< 50000 m
2000 m
80000 m
Imunidade eletromagnética
Não
Sim
Sim
Confiabilidade
Média
Alta
Alta
27
2.2.3 Lei de Snell
O processo de propagação da luz numa fibra é explicado pela física através da Lei de
Snell. É possível demonstrar que quando um feixe de luz emerge de um meio mais
denso para um meio menos denso, o feixe luminoso pode ser totalmente refletido para o
meio mais denso dependendo do ângulo de incidência na interface desses meios.
Por essa razão, o núcleo da fibra tem sempre um índice de refração maior que o da
casca. Essa diferença de índices é conseguida utilizando-se materiais dielétricos
distintos.
O índice de refração, variável admensional, para determinado meio, pode ser obtido a
partir da seguinte equação (2.1).
Onde C é a velocidade da luz no vácuo e Cmeio a velocidade da luz no meio a ser
calculado.
A tabela 2.3 apresenta alguns valores dos índices de refração para os determinados
materiais.
TABELA 2.3 – Tabela de índices de refração.
FONTE: HALLIDAY, 1996.
Meio
Vácuo
Ar (CNTP)
Água (20°C)
Acetona
Álcool etílico
Quartzo fundido
Solução de açucar (80%)
Vidro acromático
Cloreto de sódio
Diamante
Índice
Exatamente 1
1,00029
1,33
1,36
1,36
1,46
1,49
1,52
1,54
2,42
28
Relacionando diretamente com óptica geométrica, observa-se na figura 2.6, que o feixe
de luz emitido pela fonte luminosa incide na casca da fibra com um ângulo θ1, contudo,
para que haja reflexão total dentro da fibra, o ângulo de incidência deve ser menor que o
ângulo crítico, e este, por sua vez, ocorre quando o raio incidente provoca um raio
refratado que tange a divisória do núcleo e a casca.
FIGURA 2.6 – Lei de reflexão de Snell.
Fonte: THEODORO, 2008.
Pela figura 2.6, tem-se também o ângulo de incidência e o ângulo de refração, θ1 e θ2,
respectivamente.
A equação (2.2) apresenta a relação entre os diferentes materiais.
As variáveis N1 e N2 representam os índices de refração dos materiais e, para que haja
máxima propagação do sinal no núcleo da fibra, N1 deve ser maior que N2, portanto,
pela equação (2.3), tem-se:
Observando a figura 2.6, também se podem definir as seguintes situações:
29
Refração: se o ângulo de incidência for menor que o ângulo crítico - θcrítico - e, pela
figura 2.6, o ângulo crítico ocorre quando θ2 = 90°. A equação (2.4) a relação para
obtenção do θcrítico.
Reflexão total: quando o ângulo de incidência for maior que o ângulo crítico, a luz
será refletida totalmente. Enquanto o ângulo de incidência não for maior nem igual
ao ângulo crítico, a luz é conduzida dentro do núcleo por reflexão total.
2.2.4 Propriedade das fibras ópticas
As principais propriedades a serem observadas nas fibras, modos de propagação e
abertura numérica, estão diretamente relacionadas aos tipos de fibras ópticas.
A abertura numérica define o quanto de luz do emissor será propagado pela fibra óptica.
A abertura numérica é, portanto, uma característica da fibra que define sua habilidade
de captar luz. Quanto maior a abertura numérica, maior a capacidade de captação de luz
de uma fibra. Em compensação, uma grande abertura numérica permitirá a existência de
mais modos de propagação, dessa forma, provocará uma maior dispersão modal e,
assim, reduzindo a largura de banda da fibra. A figura 2.7 representa a abertura
numérica das fibras ópticas. Pode-se notar na figura abaixo, partindo para um plano
tridimensional, que o ângulo crítico gera o cone de aceitação.
FIGURA 2.7 – Abertura numérica.
Fonte: THEODORO, 2008.
30
A equação (2.5) e (2.6) apresentam a relação para calculo da abertura numérica, onde θ a
é o ângulo de aceitação e N1 e N2 os índices de refração do meio.
Já em relação ao modo de propagação, as fibras admitem um número discreto de
caminhos diferentes, ou seja, dependendo das características da fibra, ela pode suportar
desde apenas um até milhares de modos de propagação. A figura 2.8 representa os
caminhos específicos percorrido pelo feixe de luz dentro de uma fibra óptica.
FIGURA 2.8 – Modos de propagação.
Fonte: THEODORO, 2008.
2.2.5 Tipos de fibras ópticas
As primeiras fibras eram compostas por dois dielétricos de índices de refração
diferentes, porém uniformes. Com o objetivo de aumentar a banda passante, foram
desenvolvidas fibras com índices de refração variáveis no núcleo de forma a possibilitar
uma variação gradual entre os índices do núcleo e da casca.
31
Dentre os fatores de classificação da fibra óptica, dá se destaque ao perfil de índice de
refração e ao modo de propagação. E partir desse último critério, pode-se dividir as
fibras em dois tipos:
Multimodo: são aquelas que possuem grande abertura numérica; nelas a luz se
propaga em milhares de modos distintos e têm, portanto, banda passante
relativamente baixa;
Monomodo: são aquelas que a propagação da luz se dá apenas em um modo, o de
menor ordem, aquele em que a luz é propagada quase em linha reta, pois o diâmetro
da fibra é poucas vezes maior que o comprimento de onda.
A figura 2.9 correlaciona o tipo de fibra, o perfil de índice e a propagação no núcleo.
FIGURA 2.9 – Relação Tipo de Fibra x Perfil de Índice x Propagação no Núcleo.
Fonte: THEODORO, 2008.
A partir da figura anterior tem-se, entre outras, as seguintes fibras:
Fibras Multimodo Índice Degrau: o núcleo e a casca possuem índices de refração
constantes e distintos; são fibras que têm a menor banda passante; utilizadas com
fontes luminosas mais simples e de baixo custo, tipicamente os LEDs - Light
32
Emmiting Diode, tecnologia construtiva bem simples; alta atenuação - 3 dB/km,
indicadas para curtas distâncias;
Fibras Multimodo Índice Gradual: apresentam uma atenuação melhor que a índice
gradual - 1 dB/km; índice de refração variável no núcleo da fibra;
Fibras Monomodo: a luz se propaga praticamente em linha reta; baixos níveis de
atenuação - 0,25 ~0,35 dB/km; utilizadas em sistemas que precisam de grande
largura de banda.
2.3 Controlador Lógico Programável – CLP
CLP, Controlador Lógico Programável, ou PLC, do inglês Programmable Logic
Controller, um equipamento definido pela ABNT - Associação Brasileira de Normas
Técnicas - como: "Equipamento eletrônico digital com hardware e software
compatíveis com aplicações industriais."
Já de acordo com a NEMA - National Electrical Manufactures Association, é definido
como: "Aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para
armazenar internamente instruções e para implementar funções específicas, tais como
lógica, seqüenciamento, temporização, contagem e aritmética, controlando, por meio de
módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas ou processos."
2.3.1 Princípio de Funcionamento
Para o melhor entendimento do princípio de funcionamento, alguns conceitos são de
fundamental importância. São eles:
• Variáveis de entrada: são sinais externos recebidos pelo CLP, que podem ser oriundos
de fontes pertencentes ao processo controlado - chaves de acionamentos, sensores, etc. ou de comandos gerados pelo operador (PINTO, 2004);
33
• Variáveis de saída: são dispositivos - contatores, válvulas, lâmpadas, etc.- controlados
por cada ponto de saída do CLP. Tais pontos podem servir para intervenção direta no
processo controlado por acionamento próprio, ou também para sinalização de estados
(PINTO, 2004);
• Programa: seqüência especifica de instruções que irão efetuar as ações de controle
desejadas, ativando ou não as memórias internas e pontos de saídas do CLP a partir da
monitoração do estado das mesmas memórias internas e/ou dos pontos de entrada do
CLP (SILVEIRA et al., 2002).
O princípio fundamental de funcionamento de um CLP se da pela execução na CPU,
unidade central de processamento, de um programa executivo, programado e
armazenado pelo usuário na memória do CLP, realizando, assim, ciclicamente o
monitoramento de seus estados.
Assim, o CLP monitora o estado das entradas e saídas, em resposta às instruções
programadas na memória pelo usuário, ou seja, energiza ou desenergiza as saídas
dependendo do resultado lógico conseguido através das instruções de programa.
Portanto sua tarefa é ler de forma cíclica as instruções armazenadas em sua memória,
interpretá-las e processar as operações correspondentes. Na figura 2.10 é apresentado
um diagrama de blocos de um CLP.
FIGURA 2.10 – Representação em blocos de um CLP.
Fonte: PIMENTA, 2009.
34
O tempo de varredura - tempo total da execução dessas tarefas - depende da velocidade
e características do processador utilizado, do tamanho do programa de controle do
usuário, além da quantidade e tipo dos pontos de entrada e saída. Em algumas situações
críticas - que envolve segurança, por exemplo - é feita uma interrupção do ciclo de
varredura e a rotina é executada imediatamente, não tendo que aguardar o término do
mesmo (BARCELLOS, 2005).
2.3.2 Arquitetura básica de um CLP
A grande maioria dos CLPs industriais encontrados no mercado são constituídos dos
seguintes elementos:
• Unidade Central de Processamento - CPU: Tem como principais componentes o
processador e a memória. O primeiro é responsável pelo gerenciamento total do sistema,
controla a comunicação com dispositivos externos, faz a aquisição das entradas e
geração de saídas controlando os barramentos de endereços, de dados e de controle. A
memória tem como principal função armazenar e recuperar as instruções do programa,
estados das entradas e saídas, estados internos e dados (GEORGINI, 2000);
• Módulos de Entrada e Saída: Os módulos de entrada e saída fazem a conexão física
entre a CPU e o mundo externo por meio de circuitos de interfaceamento, além de
garantir isolação e proteção à CPU. Os módulos de entrada recebem os sinais,
analógicos ou digitais, e os convertem em níveis adequados para serem processados
pela CPU. Os módulos de saídas enviam os sinais, resultantes da lógica de controle ou
intervenção do operador, aos dispositivos (PINTO, 2004);
• Fonte de Alimentação: Fornece vários níveis de tensão exigidos pelos módulos de
entrada e saída e pela CPU. Em algumas aplicações os módulos de entradas e saídas
necessitam de uma alimentação externa, seja por necessitar de uma maior potência ou
por alimentar circuitos externos (MORAES et al., 2001).
35
2.3.3 Programação de um CLP
Para facilitar a programação dos CLPs, foram desenvolvidas diversas linguagens de
programação. Essas linguagens de programação constituem-se em um conjunto de
símbolos, comandos, blocos, figuras, etc., com regras de sintaxe e semântica.
Entre elas, a linguagem Ladder foi a primeira que surgiu na programação dos CLPs,
pois sua funcionalidade procurava imitar os antigos diagramas elétricos, utilizados pelos
técnicos e engenheiros da época. O objetivo era o de evitar uma quebra de paradigmas
muito grande, permitindo assim a melhor aceitação do produto no mercado (SILVA,
2003).
2.3.3.1 Linguagem Ladder - LD
O nome Ladder deve-se à representação da linguagem se parecer com uma escada ladder -, na qual duas barras paralelas são interligadas pela lógica de controle - rung -,
formando os degraus da escada (GEORGINI, 2000). A figura 2.11 apresenta um
exemplo simples de programação em Linguagem Ladder.
FIGURA 2.11 – Exemplo de instrução em LD.
Fonte: BATISTA, 2007.
O diagrama elétrico parte de duas linhas verticais, observar figura 2.11, também
chamadas de linhas de alimentação. A programação se dá inserindo elementos
controlados - bobina de relé - e um conjunto de condições para o controle desse
elemento - lógica de contatos - nas linhas horizontais. Cada contato pode assumir dois
36
estados - energizado ou desenergizado - representando assim uma variável booleana, ou
seja, uma variável que assume os valores de verdadeiro ou falso (SOPRANI, 2006).
Abaixo serão apresentados os conceitos básicos da programação ladder. Independente
da complexidade do programa e aplicação há certos fundamentos da linguagem que são
imprescindíveis para o desenvolvimento adequado e que são válidos genericamente a
todos os CLPs, independentemente dos fabricantes e dos recursos da CPU utilizada.
i) Instruções para LD
A tabela 2.4 apresenta alguns dos principais itens de representação da LD.
TABELA 2.4 – Instruções básicas para LD
Instruções
Contado normalmente aberto
Contato normalmente fechado
Bobina
Bobina inversa (acionada desenergizada)
Bobina set
Bobina reset
Bobina de memorização (mantém o estado)
Representação
-| |-|\|-( ) -(|)-(S)-( R)-(M)-
Basicamente, como dito anteriormente, os elementos de entrada combinam-se para
produzir resultados - booleanos, os quais, então, são atribuídos a uma saída. A tabela 2.5
representam as principais relações entre tabela verdade, circuito equivalente, diagrama
de contato e a porta lógica.
37
TABELA 2.5 – Relação entre expressão Booleana, Tabela Verdade, Circuito equivalente e
diagrama de contato mais usados.
Expressão
Tabela
Booleana
Verdade
Y=A
Y=A.B
Y = A+B
Y=A
Y = (A + B)
A
Y
0
0
1
1
A
B
Y
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
A
B
Y
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
A
Y
0
1
1
0
A
B
Y
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
Circuito Equivalente
Diagrama de Contato
38
Y = (A .B)
A
B
Y
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
ii) Corrente Lógica Fictícia
Para que uma bobina ou outro elemento de saída, como, por exemplo, temporizador,
contador ou bloco de função, seja acionada - instrução executada , faz-se necessário
“energizá-la logicamente”. Assim, utiliza-se o conceito de Corrente Lógica Fictícia, ou
seja, supondo que entre as barras verticais que 'sustentam' toda a lógica de controle haja
uma diferença de potencial - a barra da esquerda com potencial positivo e a barra da
direita com potencial negativo, por exemplo, haverá a circulação de corrente da
esquerda para a direita se a lógica de controle der condições para tal. A este conceito dáse o nome de Corrente Lógica Fictícia (GEORGINI, 2000). A figura 2.12 representa
claramente o conceito desse tipo de lógica.
FIGURA 2.12 – Sentido da corrente fictícia.
Fonte: GEORGINI, 2000.
39
iii) Instruções de BIT
A linha de instrução formada pelos contatores e pelas bobinas recebe o nome de
instruções de BIT. Como apresentado na tabela 2.4, existem dois tipos de contatores, os
normalmente abertos - NA - e os normalmente fechados – NF.
Nos contatos normalmente abertos, o estado lógico da variável, quando associado a 1
haverá continuidade lógica, já nos normalmente fechados, a continuidade lógica acorre
quando o estado da variável associada é 0.
Em relação às bobinas, os estados lógicos dependem da continuidade lógica da linha, ou
seja, se houver continuidade o estado lógico da bobina será 1 - bobina energizada, caso
contrário será zero - bobina desenergizada.
A figura 2.13 representa um esquema básico da explicação dada acima.
FIGURA 2.13 – Utilização de instrução BIT.
Fonte: BATISTA, 2007.
iv) Temporizadores
São utilizados, normalmente, para temporizar condições e/ou eventos controlados pelo
Programa de Aplicação. Na lógica de controle implementada na figura 2.14 RSLogix5000, ao ser atuada a entrada, será energizada o bit Temporizador.EN e iniciará
a temporização de “Temporizador”, o qual terá o valor de Preset fixo de acordo com a
aplicação - no software RSLogix5000 esse valor é dado em milissegundos. Quando esse
valor de preset for atingido o bit “Temporizador.EN” se desenergizará e o bit
“Temporizador.DN” permanece ativado até que o temporizador seja desativado
40
(ENTRADA=0). Neste momento reseta o temporizador apagando o valor acumulado
(ROCKWELL, 2010). A figura 2.14 representa um esquema básico desse tipo de
aplicação.
FIGURA 2.14 – Utilização de temporizadores.
Fonte: BATISTA, 2007.
v) Contadores Simples
Normalmente são utilizados para contagem de condições e/ou eventos controlados pelo
Programa de aplicação. Toda vez que a linha passa a verdadeiro, o valor acumulado é
incrementado de uma unidade. Ao ser atingido o valor de Preset é acionado o bit de
saída que permanecerá ativado até que o contador seja resetado por meio de mais uma
atuação da entrada. O valor acumulado pode ser resetado também através da instrução
RES (Reset) (BATISTA, 2007). A figura 2.15 representa um esquema básico desse tipo
de aplicação.
41
FIGURA 2.15 – Utilização de contatores simples.
Fonte: BATISTA, 2007.
vi) Instruções de Movimento
Quando o bit “ENTRADA” for acionado será transferido o conteúdo do endereço A
para o endereço B. Na figura 2.16 será transferido de 32700 para “VARIÁVEL”.
FIGURA 2.16 – Utilização de blocos de movimento.
Fonte: BATISTA, 2007.
vii) Instruções de Comparação
Quando disponíveis, normalmente são ao menos três instruções de comparação:
Igualdade, inferioridade e superioridade. O contato de comparação de igualdade (EQU)
será habilitado se o valor contido em A for igual ao contido em B. O contato de
comparação de Inferioridade (LES) será habilitado se o valor contido em A for menor
que o contido em B. E, por fim, o contato de comparação superior (GRT) será
habilitado se o valor contido em A for maior que o contido em B.
42
Na figura 2.17 tem-se uma ilustração das instruções citadas acima utilizando
RSLogix5000, onde VARIÁVEL representa A e o valor 30 representa B.
FIGURA 2.17 – Utilização de comparadores.
Fonte: BATISTA, 2007.
2.4 Sensor
Por definição, é um elemento de tomada de impulso que tem a função de capturar uma
dada variável física do processo e convertê-la em um sinal (DOEBELIN, 1990). Dessa
forma, para auxiliar no controle do sistema, será imprescindível a utilização desse tipo
de elemento.
O mercado e o nível de desenvolvimentos desses tipos de componentes abrangem um
leque gigantesco de opções, entretanto, partindo dos comumente usados nesse
seguimento industrial, opta-se por focar os estudos nos sensores hidrostáticos, ultrasônicos e indutivos.
O principio de funcionamento de cada sensor analisado é demonstrado nos subitens
seguintes.
2.4.1 Sensor hidrostático
O transmissor de nível tipo hidrostático é um instrumento extremamente versátil que é
utilizado na medição de nível, comumente, em poços ou reservatórios. Possui como
principais atributos sua grande simplicidade de operação, manuseio e baixo custo de
43
instalação. Pode ser utilizado em uma vasta gama de aplicações, efetuando a medição
precisa do nível independe de determinadas características do processo, como presença
de espuma.
Sua construção permite a instalação em condições de difícil acesso, como, por exemplo,
reservatórios elevados, tanques, poços artesianos e subterrâneos. A principal aplicação é
a medição do nível de água em reservatórios ou poços profundos para monitoramento
contínuo.
O principio de funcionamento baseia-se na medição da diferença de pressão entre a
coluna de líquido sobre o sensor e a pressão atmosférica. Esta diferença é convertida em
um sinal de 4-20 mA proporcional ao nível por meio de um transdutor piezo-resistivo
cuja membrana – diafragma - de aço inox é pressionada pelo fluido.
Esse tipo de sensor, em sua maioria, é suspenso por um cabo que possui em seu interior
um tubo de pequeno diâmetro - tubo de respiro, permitindo ao sensor compensar a
pressão do ambiente. Em sua outra extremidade o cabo possui os fios para a conexão
elétrica do sinal analógico, que pode ser conectado a diversos componentes, como:
indicadores, remotas ou diretamente no CLP.
A figura 2.18 apresenta alguns sensores disponíveis no mercado e a figura 2.19
apresenta um exemplo de aplicação.
FIGURA 2.18 – Sensores hidrostáticos.
Fonte: SENSORES DE NIVEL DEL AGUA HIDROSTÁTICOS, 2010.
44
FIGURA 2.19 – Aplicação para sensores hidrostáticos.
Fonte: NIVETEC, 2010.
2.4.2 Medidores de nível Ultra-sônicos
A medição pela tecnologia do ultra-som baseia-se no tempo de trânsito, transit time, que
uma onda sonora leva para se deslocar em um meio. Um sensor ultra-sônico transmissor/receptor - emite uma onda na freqüência do ultra-som, que se desloca pelo
ambiente até atingir a superfície do material que se deseja medir. Ao atingir a superfície
do material, o sinal é refletido de volta ao sensor. Pelo tempo decorrido desde a emissão
do sinal até o seu retorno pode-se obter a distância percorrida pelo mesmo. Assim, o
sinal ultra-sônico refletido será enviado a um módulo eletrônico para ser processado, e
através de um algoritmo será convertido em nível, vazão, distância ou outra variável
associada.
O módulo eletrônico é responsável não somente pelo cálculo, mas também pelas outras
funções inerentes ao equipamento, como linearização de sinal, saída 4 a 20mA,
indicação da variável do processo em unidade de engenharia, totalização de vazão,
alarme, comunicação digital e etc. Os módulos eletrônicos podem ter a configuração
integral ou remota, sendo que em ambos os casos o usuário poderá realizar a
parametrização de forma extremamente simples.
45
A figura 2.20 apresenta alguns sensores disponíveis no mercado e a figura 2.21 mostra
um exemplo de aplicação.
FIGURA 2.20 – Sensores ultra-sônicos.
Fonte: NIVETEC, 2010.
FIGURA 2.21 – Aplicação para sensores ultra-sônicos.
Fonte: TRANSMISSOR DE NÍVEL ULTRASSÔNICO ITS 100, 2010.
46
2.4.3 Sensores Indutivos
Os sensores ou transdutores indutivos associam a variação de uma grandeza não elétrica
a uma alteração da indutância ou coeficiente de auto-indução de uma bobina. Apesar da
indutância de uma bobina ser uma função da permeabilidade magnética do núcleo e da
forma e dimensões físicas, é a primeira destas variáveis que geralmente se utiliza para
detectar as variações nas grandezas a medir.
A variação da indutância é uma conseqüência da variação do fluxo magnético total
gerado pela corrente elétrica na bobina, seja devido à variação da posição do núcleo no
interior, seja devido à variação da distância entre aquela e um objeto externo constituído
por um material de elevada permeabilidade magnética.
Atualmente há uma relativa variedade de sensores indutivos, principalmente de
deslocamento, de proximidade e de pressão. Na figura 2.22 consideram-se os exemplos
de dois transdutores indutivos de deslocamento e de proximidade.
O sensor em (a) é constituído por uma bobina cujo núcleo magnético é móvel e se
encontra fisicamente ligado ao objeto cujo movimento ou posição se pretende medir. O
deslocamento do núcleo altera o fluxo magnético total desenvolvido, neste caso por
variação da relação entre o número de espiras enroladas sobre o núcleo magnético e
sobre o ar.
Outro exemplo de sensor indutivo é o detector de proximidade ilustrado na figura 2.22
(b). Neste caso, a indutância da bobina é alterada por efeito da aproximação ou
afastamento do objeto cuja proximidade se pretende detectar. O objeto geralmente é
constituído por um material de elevada permeabilidade magnética. A maior ou menor
proximidade do objeto tem conseqüências sobre o fluxo magnético total desenvolvido
pela corrente na bobina, que equivale ao coeficiente de auto-indução.
47
FIGURA 2.22 – Sensores indutivos de deslocamento (a) e de proximidade (b).
Fonte: CARREIRA, 1996.
3. DESENVOLVIMENTO
Neste tópico será abordada uma visão geral da usina e local do projeto. Além disso, a
sistemática de operação atual da comporta do canal de adução e os possíveis ganhos
com a implantação.
3.1 Caracterização da PCH Prazeres
A usina de Prazeres situa-se próximo ao povoado de Lavras Novas, município de Ouro
Preto-MG, no córrego dos Prazeres, com sua Casa de Força localizada próxima à foz
deste córrego, no rio Mainart. A figura 3.6 aponta o local de instalação da PCH em
questão.
O aproveitamento de Prazeres foi concebido estrategicamente através das características
topograficas do local. O arranjo contempla um reservatório denominado Custódio,
formado por uma barragem de alvenaria de pedra argamassada de cerca de 20 m de
altura, posicionado à cabeceira do córrego dos Prazeres, para o qual sua capacidade é de
3,30x106 m³.
Sua área de drenagem é de 13,25 km 2, acrescida das áreas de dois córregos que descem
paralelos ao córrego Prazeres, cujas águas chegam no reservatório por um sistema de
duas barragens, um canal e um túnel.
Dois decarregadores de fundo, controlados por válvulas, possibilitam a extravasão de
até 2,0 m3/s para um canal de pequena extensão, controlado por um vertedouro
triangular de medição. Nesse ponto, as águas são restituídas ao leito natural do córrego
dos Prazeres, que segue por 2,0 km até uma barragem menor, denominada dos Prazeres.
Nesse trecho o córrego dos Prazeres recebe a vazão remanescente do córrego Brenha,
com 6,50 km2 de área de drenagem, além da vazão relativa à área incremental do trecho,
de 2,94 km2.
Na barragem dos Prazeres faz-se a captação para a adução até a usina, por meio de uma
tomada por descarregador de fundo, controlado por comporta plana acionada
49
manualmente. A tomada interliga-se ao Canal de Adução, que é dividido em três seções
distintas - dois trechos de alvenaria de pedra revestida com argamassa de cimento e um
trecho de “tubulão” de aço - e possui comprimento total de 3.420, até o desarenador
localizado 47,0 m a montante do castelo de água - câmara de carga. A declividade
média do piso do canal é de 0,063%.
O desarenador é equipado com grades e máquina limpa-grade, de grande importância
devido à quantidade de folhagens transportada pelo canal.
A câmara de carga é de aço revestido com concreto, com 6,0 m de altura e 3,0 m de
diâmetro, de cuja base sai do conduto forçado de aço de 0,5 m de diâmetro interno, cujo
comprimento desenvolvido é de 1.051 m até a válvula a montante do injetor da turbina,
onde o conduto é reduzido para 0,40 m de diâmetro, com transição de 1,50 m de
extensão.
Nas figuras 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 e 3.5 são apresentados os desenhos da barragem e canal de
adução da usina em questão.
FIGURA 3.1 – Vista superior da barragem Prazeres e canal de adução.
Fonte: ALCAN, 2000.
50
FIGURA 3.2 – Vista lateral da tomada d’água.
Fonte: ALCAN, 2000.
FIGURA 3.3 – Seção A do canal de adução.
Fonte: ALCAN, 2000.
51
FIGURA 3.4 – Seção B do canal de adução.
Fonte: ALCAN, 2000.
FIGURA 3.5 – Seção C do canal de adução.
Fonte: ALCAN, 2000.
52
FIGURA 3.6 – Localização da PCH Prazeres.
Fonte: ALCAN, 2000.
3.2 Descritivo da operação na comporta
Como mostrado nas figuras 3.3, 3.4 e 3.5, em dois grandes trechos o canal é aberto na
sua parte superior, ou seja, sofre interferência direta de fatores externos, como, por
exemplo, chuvas e aditivos de água que descem pelo maciço. Esses fatores, atrelado a
uma abertura de 100% da comporta do canal, podem proporcionar um volume de água
tão grande que, em alguns casos, podem motivar quebras no canal.
Essas quebras acontecem devido, basicamente, ao transbordo de água pela parede do
canal, ou seja, ao longo do tempo, lavando a encosta, a mesma é descalçada provocando
erosão e, conseqüentemente, deslizamentos.
Atualmente, para evitar essas possíveis quebras, opera-se manualmente a abertura da
comporta. Essa comporta, medindo, aproximadamente, 1,0 m de largura por 1,5 m de
altura, é acionada por um volante acoplado a um parafuso sem fim. Nessa operação,
além do grande desprendimento físico, já que o operador leva cerca de 2 horas de
caminhada da casa de força até a comporta, também são necessários cerca de 30
53
minutos para fechá-la por completo, quando necessário. Dessa forma, o tempo de reação
a partir da identificação de uma quebra é aproximadamente 3 horas. Entretanto, muitas
vezes o caminho que leva até a comporta é seriamente comprometido, com isso, não só
o tempo de reação para operar a comporta é maior como também o efeito da quebra e a
gravidade da mesma, além do impacto ambiental.
Para tanto, como descrito anteriormente, o operador deve percorrer da casa de força até
a barragem cerca de 5,0 km, o que, neste momento, o coloca em risco de contato com
animais silvestres e peçonhentos, acidentes de percurso, exposição a descargas
atmosféricas, chuvas e etc. Dessa forma, visando não apenas a segurança do canal e,
indiretamente, a garantia da geração de energia, paralelamente o bem estar e segurança
dos operadores também será um fator importante de melhoria.
3.3. Ganhos na operação
A partir do descritivo de operação na comporta e do proposto no item 1.3, pode-se
dividir os ganhos a partir da implantação do controle automático da comporta da
comporta em dois estágios, os diretos e indiretos.
Ganhos diretos:
Melhoramento do controle do nível de água no canal para evitar quebras por
transbordamento;
Redução do tempo de fechamento da comporta para quebras no canal, visando,
dessa forma, redução da gravidade e impactos da mesma;
Fim da necessidade do operador ir até a comporta para o controle de nível do canal.
54
Ganhos indiretos:
Redução do tempo de exposição do operador aos riscos de segurança inerentes a
operação da comporta;
Liberação do operador para se dedicar a outras atividades;
Redução do tempo de parada de usina por quebra de canal.
4. ARQUITETURA DO PROJETO
Para implementar o projeto e galgar os ganhos do item 3.3, serão necessárias uma série
de melhorias no acionamento da comporta. Os subitens a seguir listam as alterações
necessárias.
4.1 Motorização do sistema de acionamento
Construção de abrigo no local da comporta para alojamento de painéis elétricos;
Instalação de energia elétrica no local - hoje inexistente;
Instalação de moto-redutor na comporta;
Adequações civis em geral, como, por exemplo, construção de algumas passarelas e
plataformas.
4.2 Automação do sistema de acionamento
Instalação de sensores de nível - no canal - e posição - na comporta;
Construção de infraestrutura de comunicação;
Instalação de CLP;
Elaboração da lógica de controle;
Interligação com o sistema de acionamento.
56
Nesse trabalho será tratada apenas a parte referente ao projeto de automação do sistema
de acionamento, no tocante a definição dos sensores adequados ao local, do sistema de
comunicação e da lógica de operação.
4.3 Descrição do projeto de automação
Para a definição dos equipamentos utilizados, foram analisados quatro critérios, os quais
são: adequação tecnológica, arranjo físico da instalação, fatores de manutenção
(custo/freqüência) e custo de instalação.
Sensores:
Serão instalados e utilizados sensores indutivos que ficaram dispostos na lateral da
comporta com a finalidade de indicar as faixas de posicionamento correto da mesma.
Para os sensores de nível, a opção foi feita a partir da análise da tabela 4.1, onde se
relacionou em cada sensor a presença ou não de características fundamentais para o
projeto com níveis binários, no caso, adotou-se o algarismo 1 para ausência e 2 para
presença. Posteriormente, criaram-se valores para a importância - peso - de cada
característica, onde 3, 4 e 5 representam, respectivamente, baixa, média e alta
importância.
TABELA 4.1 – Comparativo entre os sensores.
Sensores
Hidrostático
Ultra-sônicos
Instalação
Submersa
1 Superficial
Precisão na medição
> 0.1 cm
1 > 0.1 cm
Intervenção no canal para instalação Sim
1 Não
Sinal de saída
4-20 mA
1 4-20 mA
Alimentação
12 Vcc
1 12 Vcc
Preço
Baixo
2 Médio
Custo manutenção
Baixo
2 Médio
Freqüência de manutenção
Médio
1 Baixo
Qualificação de manutenção
Técnico
1 Técnico
Calibração do sensor
Fábrica
1 Fábrica
Total
50
55
Características
Peso
2
1
2
1
1
1
1
2
1
1
4
4
5
3
3
4
5
5
5
3
57
Pela tabela, a partir de uma análise ponderada, nota-se uma grande semelhança entre os
dois dispositivos, já que se diferenciam apenas em alguns quesitos relacionados à
manutenção e instalação, além do preço. Entretanto, a necessidade de intervenção física
no canal acaba por decidir o uso pelos ultra-sônicos, visto que para os hidrostáticos seria
necessário retirar a água do canal para a instalação, conseqüentemente, parar a operação
de geração na usina.
Dessa forma, serão utilizados sensores ultra-sônicos alocados em locais estratégicos ao
longo do canal, ou seja, a partir de rastreamento e visitas técnicas, definiram-se os
pontos em que a tomada desse tipo de medição é fundamental para o controle correto da
comporta.
Comunicação:
Conforme apresentado nas tabelas 2.1 e 2.2 será utilizado fibra óptica, visto que uma
análise mais refinada da comunicação não foi necessária - como apresentado na tabela
4.1, já que a indução eletromagnética é um fator limitante no projeto, dadas grandes
distâncias de comunicação em região com alta incidência de descargas atmosféricas e
baixa qualidade de fontes de alimentação.
A possibilidade de comunicação via rádio também se torna inviável, pois demandará um
alto consumo de energia, a instalação de diversos repetidores, além de antenas, e este
sistema é altamente sensível a descargas atmosféricas.
58
4.3.1 Arquitetura do projeto de automação
A figura 4.1 representa a arquitetura básica do projeto.
DIO
Fibra
Fibra
ETH / FO
CLP
Ethernet - STP
FO / ETH
Fibra
FO / ETH
Unidade
remota
Unidade
remota
Switch
Ethernet - STP
Ethernet - STP
Moto-Redutor
4-20mA
4-20mA
LIT-01
PC
LIT-02
S1
S2
S3
S4
FIGURA 4.1 – Arquitetura do projeto.
Serão instalados 2 sensores de nível ultra-sônicos - LIT-01 e LIT-02 - que converterão
os sinais de nível em analógicos de 4-20 mA. Estes sinais serão enviados para um cartão
analógico nas unidades remotas. A partir dessas unidades remotas, que também
possuem cartões ethernet, têm-se os sinais transmitidos em cabos STP - par trançado
blindado - para os conversores de ethernet para fibra óptica - FO / ETH.
Conforme observado na figura 4.1, será necessário também a utilização de um
Distribuidor Óptico - DIO - para minimizar a metragem de fibra ótica aplicada no
enlace de comunicação do projeto, consequentemente minimizando o custo do mesmo.
59
A partir do DIO, tem-se novamente um conversor, agora de fibra óptica para Ethernet ETH / FO - e, novamente em cabos STP, o sinal dos sensores é recebido em um cartão
Ethernet pelo CLP.
Também será necessário que o CLP possua um cartão de entrada digital, para receber os
sinais vindos dos sensores indutivos - S1, S2, S3 e S4 - e um cartão de saída digital,
para enviar as instruções, depois dos cálculos feitos pelo CLP, que levarão em conta,
além do nível do canal, o tempo de resposta para que o atuador haja e o tempo
necessário para que o os sensores de nível enviem outro sinal, para o moto-redutor que
acionará a comporta.
Apesar da existência de um computador na figura, ele não representa nenhum sistema
supervisório, mas sim, um ambiente programador, já que possíveis alterações na lógica
de controle e a inclusão de novos sensores são possíveis. Visto isso, optou-se também
pela instalação de um switch.
4.4 Premissas da lógica de Controle
Inicialmente, para a lógica de controle, será estabelecido que aquele sensor - LIT-01 ou
LIT-02 - que indicar o nível mais alto, terá prioridade no controle.
A partir disso, o controle, por exemplo, do LIT-01, buscará manter o nível n1, o qual
representa a máxima vazão no canal. Entretanto, quando n1 estiver fora da faixa - mais
ou menos n -, o sistema mandará abrir ou fechar a comporta em estágio de t segundos.
Após o fechamento ou abertura da comporta, o sistema aguardará por t 1 segundos até
que o efeito dessa ação seja sentido pelo sensor que enviou o sinal, no caso, o próprio
LIT-01. Com isso, se o nível ainda estiver fora da faixa, o sistema enviará novo
comando de abertura e/ou fechamento e, assim, sucessivamente até que o nível desejado
seja alcançado.
60
Dessa forma, a mesma lógica é válida para o LIT-02, que terá seu nível n2 e seu tempo
t2. Contudo, qualquer sensor que registrar nível abaixo de h, indicará como quebra e a
comporta será totalmente fechada.
A diferença entre os níveis e tempos de referência para os sensores e as respostas, se
dão pela distância dos mesmos a comporta.
A declividade do canal, conforme apresentado no item 3.1, será desprezada, assim, o
aumento do volume no sensor localizado ao final do canal, não será justificado pela
inclinação do mesmo, já que em alguns momentos o operador da usina reduz a abertura
do regulador de velocidade e a turbina “engole” menos água, ou seja, naturalmente já há
uma tendência do sensor localizado nessa região indicar níveis mais altos que o
localizado nas proximidades da barragem, com isso, tem-se que o nível n1 admitido será
maior que o nível n2 admitido.
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Entende-se que o meio industrial, assim como um todo, exige cuidados e atenções
especiais que, na sua maioria, são desprezados em plantas laboratoriais. Por exemplo, o
tempo de trabalho de um sensor para a realização de uma manutenção preventiva, custo
de manutenção, meio físico de instalação, entre outros. Além disso, estudo dos
processos manuais e entrevistas com os operadores para conhecer e entender realmente
quais suas dificuldades operacionais e suas sugestões de melhoria são de fundamental
importância, pois suas experiências com o processo revelam detalhes que podem passar
despercebidos aos olhos da engenharia.
Dessa forma, no que tange ao trabalho desenvolvido, foram mapeadas todas as
dificuldades e empecilhos da operação manual, conseqüentemente seus impactos
negativos e possíveis ganhos com a modernização, assim, é previsto uma grande
economia de mão-de-obra na operação e uma redução significativa de horas extras
destinadas a manutenções corretivas. Contudo, o principal ganho está relacionado ao
aumento tanto da segurança dos operadores como a do processo, já que o
acompanhamento permanente da operação na comporta proporciona um grande fator de
segurança e reduz, consideravelmente, o tempo de reação para o fechamento da
comporta a partir da identificação de uma quebra.
O projeto em questão ainda oferece outras oportunidades para trabalhos futuros, como,
por exemplo, o desenvolvimento do moto-redutor e a alimentação dos dispositivos de
sensoriamento. Ademais, a inclusão de mais sensores no enlace e o desenvolvimento de
um sistema supervisório também se encaixam como oportunidades de melhoramento.
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