Estudo do sistema de IHM para automação de sistema de renovação
de água dos chillers em processo de abate de aves.
TIAGO NELSON ESTECECHEN [email protected]
UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ - UNIOESTE
Resumo: A aplicação de ferramentas virtuais para controle e supervisão de processos tem se
difundido amplamente na indústria, suas vantagens em relação aos antigos painéis de
controle são muitas. Este trabalho, objetiva mostrar o funcionamento e as vantagens dos
programas de supervisão, controle e aquisição de dados SCADA (Supervisory Control And
Data Acquisition) e o planejamento e desenvolvimento de interfaces para estes programas.
Posteriormente, aplica o estudo no sistema renovação de água utilizado em frigorífico, as
variáveis relevantes do processo são analisadas, os dados de entrada e saída são definidos, é
feita uma abstração da planta real de acordo com conceitos ergonômicos e através do uso
dos softwares de supervisão Elipse E3 monta-se uma interface virtual de controle. Como
resultado é feita a comparação entre o controle manual atualmente usado no sistema de
refrigeração e o proposto pelas interfaces geradas.
Palavras-chave: Interface; Software Supervisório; Sistema de renovação de água.
1. Introdução
Os primeiros sistemas industriais projetados eram simples e facilmente controlados
manualmente com o auxilio painéis de controle a interruptores e relês, com o advento da
indústria moderna, a necessidade de automação, maior segurança e a maior complexidade dos
processos se fizeram necessários sistemas de controle e supervisão mais avançados. Para
suprir essa necessidade surgiram os primeiros sistemas de supervisão e controle SCADA
(Supervisory Control And Data Acquisition) e os primeiros CLP (Controlador Lógico
Programável) eles fazem a ligação entre o software de controle e o processo. O objetivo
desses sistemas é gerar uma interface de alto nível do operador com o processo, podendo o
mesmo supervisionar e atuar em tempo real na planta do processo.
A grande vantagem destes sistemas em relação aos tradicionais painéis de relês esta na
possibilidade de reprogramação sem necessidade de mudanças físicas no sistema, um dos
motivos pelo qual substituíram os tradicionais painéis de controle que necessitavam de
modificações na fiação e no arranjo dos componentes toda vez que se mudava o projeto. Os
CLP’s permitem transferir estas mudanças para o software, permanecendo a configuração
física do projeto muitas vezes inalterada.
2. Objetivos
2.1 Objetivo geral
Gerar uma interface virtual que represente o sistema de renovação de água dos chillers
de resfriamento e através de software supervisório controlar e supervisionar a vazão de água
que é reposta no processo de abate de aves.
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2.2 Objetivos específicos
1) Automatizar o sistema de renovação de água dos chillers de resfriamento de carne,
adequando o processo as novas exigências.
2) Compreender o funcionamento do sistema sob diversas condições de entrada e
saída.
3) Facilitar para o operador de manutenção identificar o local e as causas do problema,
propiciando economia de tempo.
3. Fundamentação teórica
3.1 Controle de processos
A vinda dos microprocessadores proporcionou uma maior eficiência e comodidade no
gerenciamento de processos, que eram antes controlados em uma sala de controle por painéis
centralizados, muitos destes extensos e contendo até centenas de instrumentos, tornando o
trabalho do operador estressante e sujeito a cometer erros. A substituição dos antigos painéis
de controle por softwares de supervisão e controle automatizados reduziu a dimensão dos
sistemas de controle, aliviou a carga sobre o operador, melhorou o processo industrial em
relação qualidade e quantidade dos produtos, e também possibilitou a existência de processos
complexos que antes eram impossíveis de existir apenas com controle manual.
Controlar um processo industrial é manter a variável controlada em uma das seguintes
condições (RIBEIRO, 2005):
 Sempre igual ao ponto de ajuste
 Próximo ao ponto de ajuste
 Oscilando constantemente em torno do ponto de ajuste.
Este controle é feito acompanhando e medindo o valor das variáveis envolvidas no
sistema através de instrumentos de medição, estes valores são usados como parâmetro para o
controle atuar no processo para fazer as devidas correções. Por isso a qualidade do controle
está diretamente ligada à qualidade da medição.
Segundo OGATA (1970), sendo as caracteristicas estática e dinâmica do elemento de
medida afetam a indicação do valor real da variável de saída, o elemento de medida é
importante importante na determinação do desempenho global do sistema de controle. A
função de transferência no ramo de alimentação é determinada pelo elemento final de
controle. Se as constantes de tempo do elemento de medida são pequenas o suficiente,
comparadas com outras constantes de tempo no sistema de controle, a função transferência do
elemento de medida torna-se constante.
3.2 Variáveis do processo
A malha de controle mais simples possível é constituída de um único
controlador, ligado diretamente a válvula de controle que atua no processo. Na prática, por
questão das grandes distâncias envolvidas, dos demorados tempos de resposta, da necessidade
do condicionamento de sinais mal comportados, da vantagem da linearização de sinais
quadráticos, da exigência de compatibilidade de sinais com naturezas distintas, a malha de
controle possui outros instrumentos para executar estas funções auxiliares e opcionais.
É importante identificar e conhecer todos os componentes da malha, pois este é o
ponto de partida para se ter um controle estável. Cada componente da malha apresenta um
atraso ou é um componente dinâmico da malha (RIBEIRO, 2005).
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Os principais instrumentos são:
 Elemento sensor: é o elemento básico da medição, pode ter origem mecânica ou
eletrônica, sente a variável do processo e gera uma saída mensurável por um visor ou
por um controlador.
 Transmissor: ele sente a variável e gera um sinal padrão na saída proporcional a
variável.
 Transdutor i/p: para que instrumentos eletrônicos e pneumáticos possam atuar na
mesma malha é necessário um transdutor que converta um sinal padrão eletrônico em
um sinal padrão pneumático.
 Controlador: ele recebe o sinal do transmissor, compara com o valor do ponto de
ajuste, e gera uma saída para o elemento final da controle de modo que aproxime o
valor da variável controlada e o ponto de ajuste. É o elemento fundamental do
controle, mais adiante será tratado em um capitulo aparte.
 Válvula de controle: é o elemento final de controle, recebe um sinal do controlador e
atua diretamente no processo.
3.3 Algoritmo PID
O controlador pode gerar saídas de vários modos, que podem ser ajustadas de maneira
a melhorar a velocidade e a estabilidade das respostas de malhas fechadas com realimentação
negativa. Entre os vários ajustes do modo de resposta do controlador estão o liga-desliga,
proporcional puro, integral e derivativo, a também o ajuste do sentido da resposta, direto ou
reverso. Definido o ajuste para a malha o controlador resolve por tentativa e erro uma saída
que balanceiem todas as influências na variável controlada, ele trabalha de forma interativa
com o processo. O tamanho, o formato e a taxa de variação das alterações na saída do
controlador são cruciais para o controlador ajustar a variável controlada igual ou oscilando em
torno do ponto de ajuste.
3.4 Sistema supervisório SCADA
Segundo Moraes e Castrucci (2001) geralmente, as máquinas apresentam uma
linguagem pouco amigável para usuários mais leigos. Da mesma forma que acontece nos
aplicativos para computador, é necessário trazer o universo das linguagens utilizadas na
automação para o operador. Sistemas de automação complexos utilizam interfaces amigáveis
para melhorar o trabalho da equipe de operação, facilitando assim o monitoramento em tempo
real. Após a implantação de sistemas de automação, todo o processo de avaliação sobre a
situação geral da planta fica seriamente comprometido verificando apenas o algoritmo do
CLP. Para resolver este problema, sistemas de monitoramento com interfaces amigáveis
foram desenvolvidas para que o operador entenda todo o funcionamento do processo e possa
tomar decisões caso ocorra algum tipo de falha do sistema.
O objetivo principal dos sistemas SCADA é propiciar uma interface de alto nível do
operador com o processo informando-o "em tempo real" de todos os eventos de importância
da planta. Eles possuem telas que representam o processo, onde estas podem ser animadas em
função das informações recebidas pelo CLP, controlador, etc. Por exemplo: no acionamento
de uma bomba, a representação na tela mudará de cor informando que está ligada, um
determinado nível varia no campo, a representação na tela mudará de altura informando a
alteração de nível.
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3.5 Planejamento do desenvolvimento da IHM
Antes de adotar um Sistema Supervisório é necessário efetuar um planejamento para
que a escolha do mesmo seja a melhor possível.
Segundo (MORAES, CASTRUCCI, 2001) as etapas que devem compor o
planejamento de um Sistema Supervisório são:
1.Entendimento do processo a ser automatizado;
2.Tomada de dados (variáveis);
3.Planejamento do banco de dados;
4.Planejamento dos alarmes;
5.Planejamento da hierarquia de navegação entre telas;
6.Desenho de telas;
7.Gráfico de tendências dentro das telas;
8.Planejamento de um sistema de segurança;
4. Apresentação do problema
No decorrer do ano de 2010, uma nova norma do Ministério da Agricultura exige uma
taxa mínima de renovação de água dos chillers em processos de abate de aves. Estes
processos utilizam sistema de chiller de água gelada para resfriar rapidamente as aves, este
choque térmico faz com que as mesmas absorvam água, de modo a ganharem peso. A nova
exigência requer um mínimo de 1,5 litros de água por quilo de produto que entra no processo.
A empresa possuia chillers com renovação de água por válvulas com acionamento
manual, o controle era feito pelo operador,e o gelo que entrava no processo não era
controlado. Com esta configuração não era possível o controle de renovação de água pois em
determinados momentos a produção variava muito, e o ajuste pelo operador se mostrou
imprecisso, em certos momentos a taxa de renovação não atendia o esperado (momento de
pico da produção) e em outros desperdiçava água (troca de turno dos funcionarios).
5. Desenvolvimento
A solução encontrada para o controle de vazão foi a substituição do controle manual
pelo controle automático, um CLP recebe os dados de entrada do processo e trasmite os sinais
de saída para os elementos atuadores, um programa supervisório tipo SCADA faz o controle
do processo.
O sistema de controle proposto é de malha fechada com realimentação negativa, o
elemento sensor é um medidor de vazão, um sensor de presença faz a contagem de frangos e o
elemento final é uma válvula com acionamento pneumático. O supervisório calcula a vazão
necessária de água pela contagem de frangos e através do valor fornecido pelo medidor de
vazão ajusta a abertura da válvula. O sinal de saída é ajustado pelo controlador por algoritmo
PID.
5.1 Definição das variáveis de entrada e saída
O CLP recebe sinais elétricos vindos dos elementos de sinal, tais como botões, fins de
curso, sensores óticos, magnéticos e indutivos que podem ser analógicos ou digitais. As
variáveis de entrada são medidas nestes dois tipos de sinal.
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A entrada do CLP recebe um sinal analógico vindo do sensor de vazão, que varia de
0V para sistema sem vazão a 20V para 15m³/h, seguindo uma razão proporcional. O sinal do
contador de frangos é do tipo digital na forma de pulsos.
Os sinais de saída são padronizados de 4 a 20mA, que vão para as válvulas com
acionamento pneumático, sendo que 4mA válvula totalmente fechada e 20mA válvula
totalmente aberta. Como a válvula tem acionamento pneumático este sinal passa antes por um
transdutor contido na própria válvula que transforma o sinal elétrico em pressão.
5.2 Montagem do sistema
O sistema automático foi montado na mesma tubulação onde era utilizado o controle
manual, foram requeridos para a instalação uma linha de ar comprimido de 8bar para as
válvulas e uma linha de cabos que levam o sinal dos sensores para os controladores e do CLP
para as válvulas. Para manutenção do sistema ou para caso de falha do mesmo uma tubulação
em by-pass foi adicionada. O esquema de montagem é mostrado a seguir;
FIGURA 2 - Esquema de montagem do sensor de vazão e da válvula atuadora.
FIGURA 3 - Na esquerda os medidores de vazão e à direita o painel com CLP, fonte, disjuntores e contactores.
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5.3 Desenvolvimento do programa supervisório
Para controle, supervisão e aquisição de dados foi utilizado o software Elipse E3,
através deste foi gerada uma interface que representa o sistema, esta interface dever de
simples compreensão e intuitiva para o operador. O layout da interface gerada é apresentado a
seguir:
FIGURA 4 - Interface utilizada no software supervisório que representa o processo de abate de aves.
Nesta representação da planta industrial de um frigorífico contem animações como,
engrenagens e eixo do chiller girando, bonecos trabalhando conforme acontece na planta real.
Visores colocados nesta interface mostram os valores medidos em tempo real.
Em outra tela do processo são mostrados os valores de contagem de frangos, onde são
levados em consideração o turno de trabalho e a velocidade da linha de produção. Como
mostrado a seguir;
FIGURA 5 - Tela que mostra a contagem de aves que entram no processo.
A resposta de saída do CLP é calculada utilizando o algoritmo PID, o ajuste dos
ganhos é realizada no próprio sistema supervisório.
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6. Resultado e conclusões
O sistema de renovação de água dos chillers de resfriamento de aves foi analisado
antes e depois do controle automático do software SCADA, o resultado é mostrado a seguir;
TABELA 1 – Resultados do controle de vazão manual.
Na tabela acima temos na primeira coluna o tempo de funcionamento dividido em
horas, na segunda coluna temos a meta de abate para aquele horário, na terceira temos a
quantidade de frangos abatidos naquele intervalo de tempo, na quarta coluna a quantidade de
água que entrou no processo e a ultima coluna mostra a quantidade de água que a norma exige
para a quantidade de aves abatida.
TABELA 2 - Resultados do controle de vazão pelo software SCADA.
Nota-se que o sistema de renovação de água com controle manual não atende as
exigências durante o momento de maior produção, e na parada do sistema que acontece às 6
horas o sistema desperdiça água. Já na tabela 2 onde está a amostragem de resultados do novo
sistema fica evidente o melhor desempenho, na maior parte do tempo o sistema atende as
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exigências da norma e nas parada do sistema o desperdício de água é minimizado a valores
toleráveis.
O controle do sinal de saída do CLP, como já dito antes é calculado com o auxilio de
algoritmo PID, o ajuste dos ganhos deste controle foi feito segundo sucessivas tentativas, até
encontrar-se uma configuração que estabiliza-se o sistema em um tempo razoável. A cada
degrau nos parâmetros de entrada o sistema se tornava estável em aproximadamente 20
segundos, os valores de ganho usados para este resultado foram de;
 Ganho Proporcional: 50;
 Ganho Integral: 900;
 Ganho Derivativo: 11000.
Sendo que o valor 1 representa 100% de ganho.
Referências
OGATA. K. Engenharia de Controle Moderno, Prentice/Hall do Brasil, 1970.
MORAES, C. C.; CASTRUCCI, P. L. Engenharia de Automação Industrial, LTC – Livros Técnicos e
Científicos Editora S.A. Rio de Janeiro, 2001.
RIBEIRO, M. A. Controle de Processos, 8 edição, Tek Treinamento & Consultoria, 2005.
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