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67 _________________________________________________________________________________________________©Revista Ciência e Tecnologia, v.15, n.26, p.67-80, jan./jun. 2012- ISSN:1677-9649

PROJETO DE CONTROLE DE NÍVEL AUTOMATATIZADO ATRAVÉS DE REDES FIELDBUS

1Marcelo Augusto Costa Fernandes, 2Marcelo José da Silva, 2Alcionizio Moreira Melo, 2Vicente Idalberto Becerra Sablón

1Departamento de Engenharia de Computação e Automação – DCA, Centro de Tecnologia – CT, Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN. 2Curso de Engenharia de Automação e Controle, Centro Salesiano de São Paulo –

Unisal, Unidade Campinas – São José

[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Abstract - This article presents two projects to solve problems of level control in tanks refueling. The first project aims at only level monitoring in real time to a group of tanks (open-loop system). The second project aims to control and monitor the level of the tanks in a closed-loop system. Both projects are used in industrial networking protocol Foundation Fieldbus, H1 through local networks, connected to the supervisory system for Ethernet. Key-words: Industrial Networks, Fieldbus Foundation, Ethernet, Simulation, Matlab. Resumo - Neste artigo são apresentados dois projetos para solucionar problemas de atividades de controle de nível e de reabastecimento de tanques. O primeiro projeto visa realizar apenas o monitoramento de nível em tempo real para uma bacia de tanques (através de sistema de malha aberta). O segundo projeto tem como objetivo o controle e monitoramento do nível dos tanques (através de sistema de malha fechada). Ambos os projetos utilizam-se do protocolo de redes industriais Fieldbus Foundation, através de redes locais H1, conectadas a sistema supervisório por rede Ethernet. Palavras-chaves: Redes industriais, Fieldbus Foundation, Ethernet, Modelagem, Simulação, Matlab.

I. INTRODUÇÃO

Esse trabalho foi desenvolvido de modo a apresentar duas soluções possíveis em automação de processos industriais, através da implementação de redes industriais aliando-se as tecnologias de redes Ethernet e com o padrão industrial Fieldbus Foundation (CONCER, 2010), para uma bacia industrial composta por 85 tanques com capacidade nominal de armazenamento maior que 3.800.000 litros.

As indústrias químicas desenvolvem suas atividades basicamente através de processos mecânicos, térmicos e químicos de produtos diversos, aplicando a estes outros processos adicionais, de modo a obter o produto final desejado. As questões que envolvem o controle de insumos e matérias-primas utilizadas nos processos são de vital importância para o adequado desenvolvimento das atividades nessas empresas, assim como a redução de riscos para operação, operadores e meio ambiente. No caso desta empresa, os controles de nível e o procedimento de reabastecimento de seus 85 tanques

são realizados de forma manual, e os operadores realizam rotineiramente estes processos, estando expostos a substâncias químicas variadas e trabalhos repetitivos em altura. Há ainda o risco de falta de insumos e matérias-primas de forma inadvertida, paralisando as operações industriais e com riscos aos clientes e ao negócio e ,ainda, riscos ao meio ambiente, principalmente durante o processo de reabastecimento dos tanques, onde acidentes ocorrem por transbordamento gerando perdas e potenciais contaminações e paradas.

Nesse trabalho são abordadas duas possíveis soluções para eliminar estas situações de risco, se aplicando conceitos de redes de computadores e de redes industriais Fieldbus Foundation, associadas a equipamentos específicos e software supervisório, de maneira a se configurar como primeira opção de solução apenas para o monitoramento do nível dos tanques, através de sistema de malha aberta ou aumentando-se os equipamentos e dispositivos desta rede industrial, de forma a se projetar um sistema de controle e monitoramento em tempo real do nível dos tanques, onde o sistema de controle deverá atuar diretamente no sistema de bombeamento e nos tanques através do comando instalado em uma sala de controle.

Para embasamento técnico e desenvolvimento desse trabalho foi utilizada vasta gama de documentação técnica como referência para seu desenvolvimento e foram verificados, analisados e estudados diversos livros, teses, dissertações, monografia e softwares sobre redes industriais, sinais e sistemas, processos industriais, monitoramento de nível, atmosferas explosivas, Fieldbus Foundation, Ethernet, redes de computadores, engenharia de controle, instrumentação, normas técnicas, softwares de modelamento matemático e de programação de dispositivos Fieldbus etc. Todos estes documentos serviram como instrumentos que guiaram este trabalho desde seu início até sua conclusão, sendo norteado por seus objetivos principais (MACKAY, 2004) (TANENBAUM, 2003).

II. FUNCIONAMENTO DA PLANTA

A planta a ser dimensionada é composta por 85 tanques de armazenagem de produtos químicos que são utilizados em diversas aplicações em processos


industriais. Os tanques possuem capacidade de armazenamento variada, desde 3.500 até 210.000 litros, com diferentes dimensões. O volume total nominal armazenável na planta pela bacia de tanques é maior que 3.800.000 litros.

O objetivo principal da bacia de tanques é realizar o armazenamento dos produtos utilizados no processo, ou quando da realização dos processos realizados pela indústria e, ainda, armazenagem dos produtos acabados. Os tanques têm variada gama de capacidade de armazenamento e são empregados próximos de sua capacidade máxima, de acordo com os objetivos estratégicos da empresa. A Tabela 1 mostra a classificação de toda bacia, conforme os volumes nominais dos tanques e suas quantidades.

Tabela 1 - Classificação dos tanques e quantidades conforme volumes nominais.

Volume nominal máximo (em milhares de litros)

Quantidade de tanques

210 2 200 2 120 1 100 3 60 1 50 29 48 2 45 7 36 1 30 6 25 1 20 5 19 1 18 2 15 12 14 1 10 7 9 1

3.5 1

O controle de nível desses tanques é realizado,

atualmente, de forma manual e algumas vezes durante o dia, processo que além de impreciso, traz diversos riscos à gestão e controle da operação, como problemas ergonômicos aos operadores, potencial risco de transbordamento durante descarga de produtos para reabastecimento da planta e demais problemas que se relacionam com a segurança, por tratar-se de atmosfera explosiva.

Falhas nesses processos manuais podem gerar falta de produtos e paralisar partes da planta, comprometendo entregas no caso de equívocos nas medições e/ou nas transcrições dos valores ou ainda, nos relatórios enviados a área de suprimento ou tempo de processamento destes. Outro risco eminente, e um dos potencialmente mais problemáticos é o de transbordamento, pois todo processo de descarga de reabastecimento das matérias primas ou dos insumos empregados nos processos de transformação química, são realizados através do acompanhamento de operador designado para tal, que controla visualmente o nível do tanque (OGATA, 2008).

Este trabalho é composto por dois projetos inter-relacionados, sendo o primeiro para monitoramento de nível e o segundo para monitoramento e controle de nível dos 85 tanques que, para serem realizados, são considerados sensores capacitivos de nível conectados com rede de comunicação industrial Fieldbus para o primeiro caso, e para a segunda proposta, são considerados outros equipamentos industriais Fieldbus, que fecham o processo de controle de nível, gerenciados através de software supervisório dedicado.

Do ponto de vista da localização da bacia de tanques, atualmente a planta conta com divisão em três setores estratégicos, sendo a primeira área designada área de estocagem de matérias primas e as outras duas são denominadas fábricas um e dois. Nas fábricas estão os tanques dos materiais em processo e estocagem de produtos acabados principalmente, para posterior ênfase, conforme a solicitação dos clientes ou condição de venda/transporte dos produtos.

Visando solucionar os vários problemas estudados e relatados nesse trabalho, foram desenvolvidos dois projetos de automação industrial, baseado na tecnologia Fieldbus Foundation, visando o monitoramento em tempo real do nível dos tanques, que evitará a realização dos controles manuais diários dos níveis dos tanques através de um sistema de malha de controle aberta.

O segundo projeto, que parte da primeira solução proposta, busca além do monitoramento, o controle do nível dos tanques, através do desenvolvimento do segundo referenciado também na tecnologia Fieldbus Foundation. A segunda solução tem como objetivo eliminar totalmente os riscos aos operadores, ao meio ambiente e à produção através dos processos de controle automatizados e equipamentos de controle e atuação nestes processos, em tempo real, por meio da utilização de outros equipamentos e estudos técnicos, adicionalmente à primeira solução proposta.

Conforme citado anteriormente, a bacia de tanques está distribuída em três áreas estratégicas da empresa, sendo estas, armazenagem de matérias-primas, fábrica 1 e fábrica 2. Este projeto se baseará na condição da divisão de alocação física dos tanques, como uma das premissas de referência para os projetos. Assim, o sistema de monitoramento e controle de nível de todos os tanques será composto por três sistemas autônomos que trabalharão de forma independente, cada qual com seus respectivos tanques e sistemas Fieldbus.

Os dois sistemas propostos consideram gerenciamento através de uma sala de controle centralizada e as outras áreas clientes desse processo de utilidade, como produção e suprimentos utilizarão monitores que mostrarão os níveis dos tanques em tempo real como suporte ao desenvolvimento de suas atividades fins.

A. Referências Básicas do Projeto

As áreas de armazenamento de matérias-primas, fábrica 1 e fábrica 2, compõem a bacia de tanques com 85 equipamentos. Estes estão interligados entre si por um sistema de bombeamento que apresenta capacidade


máxima de deslocamento fluídico de 0,5m³ por minuto e, ainda, todos os tanques apresentam uma válvula de restrição em suas saídas. Estas válvulas apresentam diâmetro padronizado de duas polegadas (2” – 50,8mm) e tem volume de saída regulável estando também ligadas ao sistema de bombeamento e são operadas de forma manual, assim como ocorre no processo de reabastecimento. Como toda a bacia de tanque é interligada por um sistema de bombeamento, para efeito de cálculos e simulações, estão sendo empregados modelos de sistemas fluídicos turbulentos.

Para efeito de dimensionamento dos sistemas, foi aplicada regra de redução dos volumes úteis dos tanques, visando aumentar a segurança dos sistemas de modo a garantir que possíveis perturbações nesses sistemas não gerem instabilidades excessivas.

B. Monitoramento de Nível

A primeira solução é baseada na automatização do monitoramento do nível nos tanques, através de sensores capacitivos de nível e rede de comunicação industrial Fieldbus, que deverá abranger toda bacia de tanques, sendo subdivididos de acordo com a área de sua localização, ou seja, são três sub-redes (área de matéria-prima, fábrica 1 e fábrica 2). Estas estarão interligadas e serão supervisionadas por uma sala de controle, mas com algumas estações de usuários nas áreas de produção e de suprimentos, e ainda, com possibilidade de aumento das estações de monitoramento, conforme necessidade.

Esse sistema será uma solução que apenas realizará o monitoramento do nível dos tanques, sendo naturalmente um sistema de malha aberta, ou seja, seu objetivo será eliminar o trabalho rotineiro de verificação do nível dos tanques, realizado manualmente algumas vezes durante o dia; porém todo controle e riscos inerentes ao processo manual de reabastecimento ainda estarão presentes.

C. Controle de Nível

A segunda solução desenvolvida se baseia na primeira, ou seja, utiliza como base aquilo que é necessário para implementar um sistema de monitoramento de nível dos tanques. A esta solução se acrescentará todos os recursos necessários para automatização completa de toda bacia, estando também dividido por área, que haverá monitoramento em tempo real dos tanques e, ainda, o controle dos níveis através da utilização de bomba e sistema ON/OFF acoplada na parte superior dos tanques e interligada à rede Fieldbus. Esta rede Fieldbus atuará no sistema quando da necessidade de reabastecimentos ou transferência de materiais entre os tanques, sendo gerenciada através de uma sala de controle centralizada contando com software supervisório e toda rede de equipamentos Fieldbus, de forma a garantir o controle de todo o processo em tempo real, a segurança da operação e dos operadores envolvidos, a garantia dos volumes de materiais estocados, evitando os riscos de acidentes nos processos de descarregamento e potenciais perdas

econômicas provenientes de acidentes. Também a rede Fieldbus estará evitando prejuízos ao meio ambiente, tais como contaminações e poluição que podem ocorrer em situações de risco (OGATA, 2008) (SMAR, 2002).

Este sistema terá a capacidade de realizar controle de toda bacia, se auto- regulando através do sistema supervisório que atuará nos dispositivos Fieldbus desta rede industrial, reduzindo substancialmente a necessidade de intervenção humana durante a realização dos procedimentos, se configurando, desta forma, num sistema de malha fechada.

III. MODELAGEM DOS SISTEMAS

Utilizando o software Matlab foi realizada a modelagem matemática dos sistemas, de acordo com suas características, e realizadas simulação com o aplicativo Simulink, que integra o Matlab.

A. Modelagem do monitoramento de nível – malha aberta

A modelagem demonstrada a seguir está baseada em determinar o comportamento dos tanques para o sistema de monitoramento do nível dos tanques, ou seja, do sistema de malha aberta. Serão demonstrados os comportamentos dos tanques extremos da bacia, ou seja, o de menor capacidade (3.500 litros nominais) e o de maior capacidade (210.000 litros nominais).

Todos os tanques dispõem de válvula de restrição que controla o fluxo de saída dos produtos armazenados nos tanques e as simulações realizadas, levou-se em conta o comportamento do volume armazenado nos tanques, conforme a posição desta válvula, que foi designado o parâmetro alpha, para determinar o volume de saída, sendo avaliados como, 0%, 10%, 50% e 100% da vazão nominal máxima da válvula de restrição.

B. Modelagem Tanque 1 – malha aberta

O primeiro tanque que foi modelado foi o de 3.500 litros, que apresenta as seguintes dimensões diâmetro 1,20m e comprimento 3,20m, ficando este equipamento fixado verticalmente e apresenta área da secção transversal contínua, porém, como citado na seção anterior, seu volume utilizável foi reduzido para 87% do volume nominal; dessa forma, sua altura de coluna de armazenamento máxima será de 2,784m.

Como citado, foi utilizad0 o software Matlab para montagem dos modelos, de acordo com a equação de Bernoulli para sistemas fluídicos turbulentos, foram realizados os modelamentos matemáticos, sendo que os principais parâmetros utilizados foram, área do tanque, área da válvula de restrição, altura máxima da coluna de material a ser armazenado (integral de 0 até este valor máximo), vazão máxima do sistema de bombeamento 0,5m³/min, variação do parâmetro alpha, constante gravitacional e transformações para a obtenção dos resultados em segundos.

A Figura 1 mostra os parâmetros utilizados para modelagem realizada para o tanque 1, considerando alpha em 0, por exemplo (OGATA, 2008) (HAYKIN, 2001).


Figura 1 - Modelagem do tanque 1construído no Matlab, para sistema de malha aberta e considerando alpha em 0.

Após a modelagem foi executada simulação do

modelo através da ferramenta Simulink e a Figura 2 mostra o comportamento do tanque 1 quando a válvula de restrição está fechada (alpha em 0), e há o carregamento do tanque variando seu volume do limite inferior (0%) até o limite superior (100%) do volume máximo útil armazenável.

Verifica-se comportamento linear crescente da altura da coluna do líquido armazenado, até sua capacidade máxima, que representa a altura de 2,784m com tempo aproximado de 370s. Após atingir seu ponto máximo, o tanque passaria a trabalhar acima de seu volume utilizável útil, atingindo a margem de segurança e assim tenderia a haver transbordamento caso continuasse sendo aumentado seu volume.

Figura 2 - Gráfico de simulação de comportamento do tanque 1 para sistema de malha aberta, com vazão de entrada constante e

alpha em 0.

Quando apenas o parâmetro alpha é alterado para o

tanque 1, passando este para 10% (0,1), ou seja, considerando que há uma vazão de entrada seja 10% de seu valor máximo nominal de 0,5m³/min, na válvula de restrição (saída), configurando assim um sistema com fluxo de entrada e de saída ao mesmo tempo. A Figura 3 mostra o comportamento do tanque 1 segundo estas considerações. Nota-se o comportamento “praticamente” linear e crescente da curva de armazenamento, e o valor máximo da coluna de líquido armazenável é atingido em cerca de 430s; após este tempo o tanque passaria a operar em sua margem de segurança, com risco de transbordamento caso o sistema de alimentação de entrada fosse mantido carregando este tanque.


alpha em 0,1 – 10% da vazão de restrição.

Quando o valor de alpha é alterado para 50%, ou seja, considerando que há uma vazão de entrada de 0,5m³/min e de 50% da vazão máxima na válvula de restrição (saída), configurando assim novamente um sistema com fluxo de entrada e de saída ao mesmo tempo, verifica-se o aumento do volume interno armazenado no tanque, porém este volume fica estabilizado em aproximadamente de 1,9m, o que acontece somente depois de decorridos mais de 1600s. A altura de 1,9m representa o armazenamento contínuo de 68,25% do volume máximo utilizável e, ainda, verifica-se que após o tanque atingir o valor de altura combinado com o tempo passa a operar em regime, mantendo-se estável, considerando as vazões de entrada e de saída, permanecendo desta forma não ocorrer alteração de variáveis no decorrer do tempo. A Figura 4 mostra o comportamento deste sistema para tais condições.



Alterando-se novamente o valor de alpha, para

100%, onde teremos um sistema próximo da entrada vazão de 0,5m³/min e na saída com 100% da máxima vazão na válvula de restrição; nestas condições, verifica-se que o tanque tenderá a apresentar altura máxima de aproximadamente 0,95m e estabilizará em cerca de 830s, ou seja, o tanque deverá armazenar pouco mais de 34% de sua capacidade útil, que ocorrerá depois de decorridos 830s e, após isso, entrará em regime de operação, mantendo-se estável considerando as vazões de entrada e de saída, e permanecendo desta


forma se estas variáveis não forem alteradas no decorrer do tempo. A Figura 5 mostra o gráfico do tanque 1 para alpha em 100%.


alpha em 1 – 100% da vazão de restrição.

C. Modelagem Tanque 2 – malha aberta

O segundo tanque modelado foi o de 210.000 litros, que apresenta as seguintes dimensões nominais; diâmetro 5,25m e comprimento 9,70m, ficando este equipamento fixado verticalmente e apresenta área da secção transversal contínua, porém, como citado na seção anterior, seu volume utilizável foi reduzido para 98% do volume nominal; dessa forma, sua altura de coluna de armazenamento máxima será de 9,506m.

Como citado, foi utilizado o software Matlab para montagem dos modelos matemáticos, de acordo com a equação de Bernoulli para sistemas fluídicos turbulentos. Os principais parâmetros utilizados foram, área do tanque, área da válvula de restrição, altura máxima da coluna de material a ser armazenado (integral de 0 até altura útil máxima), vazão máxima do sistema de bombeamento 0,5m³/min, variação do parâmetro alpha, constante gravitacional e transformações para obtenção dos resultados em segundo (OGATA, 2008) (HAYKIN, 2001).

A Figura 6 mostra os parâmetros utilizados para modelagem realizada para o tanque 2, considerando alpha em 50%, ou seja 0,5 para efeitos de programação do simulador.

Figura 6 - Modelamento do tanque 2 construído no Matlab, para

sistema de malha aberta e considerando alpha em 0,5.

Após a modelagem, foi preparada simulação do

modelo através da ferramenta Simulink. A Figura 7 mostra o comportamento do tanque 2 quando a válvula de restrição está fechada (alpha em 0), e há o carregamento do tanque variando seu volume do limite inferior (0%) até o limite superior (100%) do volume máximo útil armazenável.

Verifica-se comportamento linear crescente da altura da coluna do líquido armazenado, até sua capacidade máxima, que representa a altura de 9,506m com tempo aproximado de 25.000s. Após atingir seu ponto máximo, o tanque passaria a trabalhar acima de seu volume utilizável útil, atingindo a margem de segurança e, assim, tenderia a haver transbordamento caso continuasse sendo aumentado seu volume.

Figura 7- Gráfico de simulação de comportamento do tanque 2

para sistema de malha aberta, com vazão de entrada constante e alpha em 0 – sem vazão de restrição.

Quando apenas o parâmetro alpha é alterado para o

tanque 2, passando este para 10%, ou seja, considerando que há uma vazão de entrada de 0,5m³/min e de 10% da vazão máxima na válvula de restrição (saída), configurando assim um sistema com fluxo de entrada e de saída ao mesmo tempo. A Figura 8 mostra o comportamento do tanque 2 segundo essas considerações, e nota-se comportamento crescente do volume armazenado, atingindo altura máxima de cerca de 9,20m, ou seja, aproximadamente 96,8% do volume máximo útil do tanque, atingido em cerca de 160.000s. Após este tempo o tanque passaria a operar em regime, mantendo-se estável considerando as vazões de entrada e de saída, permanecendo desta forma se estas variáveis não fossem alteradas no decorrer do tempo, porém próximo de sua capacidade máxima. Considerando a redução do volume de saída, tenderia a atingir seu volume máximo útil armazenável próximo ao transbordamento, caso o fluxo de entrada não fosse cessado.



Alterando-se o valor de alpha para 50%, ou seja, considerando que há uma vazão de entrada de 0,5m³/min e de 50% da vazão máxima na válvula de


restrição (saída), configurando assim novamente um sistema com fluxo de entrada e de saída ao mesmo tempo, verifica-se que o aumento do volume interno armazenado no tanque, porém, de forma mais lenta ainda e este volume fica estabilizado em aproximadamente de 1,85m, o que acontece somente depois de decorridos mais de 32.000s. A altura de 1,85m representa o armazenamento contínuo de 19,5% do volume máximo utilizável e, ainda, verifica-se que após o tanque atingir o valor de altura combinado com o tempo, esse passa a operar em regime, mantendo-se estável, considerando as vazões de entrada e de saída, permanecendo desta forma se estas variáveis não forem alteradas no decorrer do tempo. A Figura 9 demonstra este comportamento do tanque.



A condição verificada anteriormente, ou com alpha variando para valores acima de 50%, que representaria vazão de restrição elevada e de forma continuada, tende a não ser algo de ocorrência corriqueira na empresa, observando se teria um sistema com vazão de saída continua por 32.000s ou quase 9 horas; consequentemente, teríamos um volume bastante considerável para um determinado tanque, numa bacia que tem por objetivo armazenar matérias-primas, insumos de processo e produtos acabados. Conforme estratégias da empresa, os volumes armazenados, geralmente, seriam próximos de suas capacidades úteis nominais por determinado período, fato que não justificaria esse comportamento do sistema, porém válido como forma de avaliação do sistema. A avaliação visa analisar o comportamento do sistema com alteração de suas variáveis evitando, assim, que situações potencialmente desconhecidas possam gerar instabilidades.

Novamente alterando-se o valor de alpha, agora passando este para 100%, onde teremos um sistema tendo na entrada vazão de 0,5m³/min e de 100% na saída vazão máxima na válvula de restrição, verifica-se que o tanque tenderá a apresentar altura máxima de aproximadamente 0,93m e se estabilizará em cerca de 16.000s, ou seja, o tanque deverá armazenar apenas de 9,8% de sua capacidade útil. Após esse tempo entrará em regime de operação, mantendo-se estável, considerando as vazões de entrada, de saída e

permanecendo desta forma se estas variáveis não forem alteradas no decorrer do tempo, mostrando, assim que o tanque, nessas condições, estará tendo sua capacidade útil utilizada em apenas 10%. Porém o objetivo deste tanque, que tem alta capacidade de armazenamento, é trabalhar próximo de sua capacidade máxima. A Figura 10 mostra o gráfico do tanque 1 para alpha em 100%.



D. Modelagem do Controle de Nível – Malha Fechada

A modelagem demonstrada a seguir está baseada em determinar o comportamento dos tanques para o sistema para controle e monitoramento de seus, ou seja, do sistema de malha aberta, e serão demonstrados os comportamentos dos tanques extremos da bacia, ou seja, o de menor capacidade (3.500 litros nominais) e o de maior capacidade (210.000 litros nominais).

Toda bacia dispõe de válvulas de restrição em cada tanque, que controla o fluxo de saída dos produtos armazenados nos tanques e as simulações realizadas, assim levou-se em conta o comportamento do volume armazenado nos tanques, conforme a posição desta válvula, e foi designado o parâmetro alpha para determinar o volume de saída, sendo novamente avaliados como, 0%, 10%, 50% e 100% da vazão nominal máxima da válvula de restrição.

E. Modelagem Tanque 1 – malha fechada

Utilizando o modelo de malha fechada, o primeiro tanque que foi modelado foi o de 3.500 litros, que apresenta as seguintes dimensões diâmetro 1,20m e comprimento 3,20m, ficando este equipamento fixado verticalmente e apresenta área da secção transversal contínua, porém, seu volume utilizável foi reduzido para 87% do volume nominal. Dessa forma, sua altura de coluna de armazenamento máxima será de 2,784m.

Novamente se utilizado o software Matlab para montagem dos modelos, de acordo com a equação de Bernoulli para sistemas fluídicos turbulentos, foram realizados os modelamentos matemáticos, sendo que os principais parâmetros iniciais baseiam-se no modelo de malha aberta, área do tanque, área da válvula de restrição, altura máxima da coluna de material a ser armazenado (integral de 0 até este valor máximo), vazão máxima do sistema de bombeamento 0,5m³/min, variação do parâmetro alpha, constante gravitacional e


transformações para obtenção dos resultado em segundo. Além destes também foi adicionado o sistema de controle PID, controle de saturação (que determina a vazão máxima de entrada do sistema, ou seja 0,5m³/min).

O integrador tem como limite inferior o valor 0 e como limite superior o valor máximo da altura nominal do tanque, 3,20m, e o controle é realizado através da constante adicionada, que tem como referência o valor máximo da altura útil da coluna do líquido armazenável nesse tanque, 2,784m (OGATA, 2008) (HAYKIN, 2001).

A Figura 11 mostra os principais parâmetros utilizados para modelagem realizada para o tanque 1 para malha fechada, considerando alpha em 0, por exemplo.

Figura 11 - Modelamento do tanque 1 construído no Matlab, para

sistema de malha fechada e considerando alpha em 0.

Com o modelamento realizado, foi executada a

simulação do modelo através da ferramenta Simulink. A Figura 2 mostra o comportamento do tanque 1 quando a válvula de restrição está fechada (alpha em 0) e há o carregamento do tanque variando seu volume do limite inferior (0%) até o limite superior (100%) do volume máximo útil armazenável.

Verifica-se comportamento linear crescente da altura da coluna do líquido armazenado, até sua capacidade máxima, que representa a altura de 2,784m com tempo aproximado de 370s. Após atingir seu ponto máximo, o tanque passa a trabalhar em regime, não havendo alteração do nível máximo devido à atuação do controlador PID, que, de acordo com a Figura 12, mostra nível máximo estabilizado após cerca de 370s, sem perturbações e com bom controle.

Figura 12 - Gráfico de simulação de comportamento do tanque 1 para sistema de malha fechada, com vazão de entrada constante e

alpha em 0.

Alterando-se o parâmetro alpha do tanque 1, passando este para 10% (0,1), ou seja, considerando que há uma vazão de saída de 10% de seu valor máximo nominal, configurando assim um sistema com fluxo de entrada e de saída ao mesmo tempo. A Figura 13 mostra o comportamento do tanque 1 segundo estas considerações. Nota-se o comportamento “praticamente” linear e crescente da curva de armazenamento, e o valor máximo da coluna de líquido armazenável é atingido em cerca de 430s. Após este tempo o tanque passa a operar em regime e através do controle PID, o nível máximo é mantido sem alterações.


alpha em 0,1 – 10% de vazão de restrição.

Trocando o valor de alpha agora para 50%, ou seja,

considerando que há uma vazão máxima de entrada de 0,5m³/min e de 50% da máxima vazão na válvula de restrição (saída), configurando assim novamente um sistema com fluxo de entrada e de saída ao mesmo tempo, verifica-se o aumento do volume interno armazenado gradativamente, porém este volume fica estabilizado em aproximadamente de 1,85m, o que acontece somente depois de decorridos mais de 1600s. A altura de 1,85m representa o armazenamento contínuo de 66,5% do volume máximo utilizável e ainda, verifica-se que após o tanque atingir os valor de altura combinado com o tempo este passa a operar em regime, mantendo-se estável, e assim deverá se manter se as variáveis consideradas forem mantidas. Porém, caso a vazão de restrição cesse, o volume do tanque deverá atingir seu volume máximo utilizável e o controlador PID será responsável por atuar no sistema de modo a mantê-lo controlado. A Figura 14 mostra o comportamento do sistema para tais condições.


alpha em 0,5 – 50% de vazão de restrição


Quando se altera valor de alpha, agora passando este

para 100% da vazão de restrição, teremos na entrada vazão de 0,5m³/min e na saída com 100% da máxima vazão na válvula de restrição, verifica-se que o tanque tenderá a apresentar altura máxima de aproximadamente 0,95m e estabilizará em cerca de 830s, ou seja, o tanque deverá armazenar pouco mais de 34% de sua capacidade útil, o que ocorrerá depois de decorridos os 830s. Após isso, o sistema entrará em regime de operação, mantendo-se estável, considerando as vazões de entrada e de saída. Porém, caso a vazão de restrição cesse, o volume do tanque tenderá a seu volume máximo utilizável e o controlador PID será responsável por atuar no sistema de modo a mantê-lo controlado. A Figura 15 mostra o gráfico do tanque 1 para alpha em 100%.

F. Modelagem Tanque 2 – malha fechada

O segundo tanque modelado foi o de 210.000 litros, que apresenta as seguintes dimensões nominais, diâmetro 5,25m e comprimento 9,70m, ficando este equipamento fixado verticalmente e apresenta área da secção transversal contínua, porém, seu volume utilizável foi reduzido para 98% do volume nominal, dessa forma, sua altura de coluna de armazenamento máxima será de 9,506m.

Como citado, foi utilizado o software Matlab para montagem dos modelos matemáticos, de acordo com a equação de Bernoulli para sistemas fluídicos turbulentos. Os principais parâmetros utilizados foram, área do tanque, área da válvula de restrição, altura máxima da coluna de material a ser armazenado (integral de 0 até este valor máximo), vazão máxima do sistema de bombeamento 0,5m³/min, variação do parâmetro alpha, constante gravitacional e transformações para termos os resultados em segundo. Além destes foi adicionado o sistema de controle PID, controle de saturação (que determina a vazão máxima de entrada do sistema, ou seja 0,5m³/min).


alpha em 0,5 – 50% de vazão de restrição.

Os limites do integrador apresentam variação entre 0 e no limite superior o valor máximo da altura nominal do tanque, 9,70m, e o controle é realizado através da constante adicionada, que tem como referência o valor máximo da altura útil da coluna do líquido armazenável nesse tanque, 9,506m.

A Figura 16 mostra os principais parâmetros utilizados para modelagem realizada para o tanque 2 para malha fechada, considerando alpha em 0, por exemplo (OGATA, 2008) (HAYKIN, 2001). Figura 16 - Modelamento do tanque 2 construído no Matlab, para

sistema de malha fechada e considerando alpha em 0.

Através da modelagem, e utilizando os parâmetros

citados para o tanque 2, foi preparada simulação do modelo através da ferramenta Simulink. A Figura 17 mostra o comportamento deste tanque quando a válvula de restrição está fechada (alpha em 0) e há o carregamento do tanque variando seu volume do limite inferior (0%) até o limite superior (100%) do volume máximo útil armazenável.

Analisando-se o gráfico da Figura 17, verifica-se comportamento linear crescente da altura da coluna do líquido armazenado até sua capacidade máxima que representa a altura de 9,506m com tempo aproximado de 24.500s. Após atingir seu ponto máximo, o tanque passaria a trabalhar em regime, não havendo alteração do nível máximo devido à atuação do controlador PID. A simulação mostra, ainda, estabilidade e ausência de perturbações no sistema.

Quando se altera o parâmetro alpha do tanque 2, passando este para 10% (0,1), ou seja, considerando que há uma vazão de saída de 10% de seu valor máximo nominal, formando assim um sistema com fluxo de entrada e de saída ao mesmo tempo. A Figura 18 mostra o comportamento do tanque 2 segundo essas considerações, e nota-se comportamento crescente do volume armazenado, atingindo altura máxima de cerca de 9,20m, ou seja, aproximadamente 96,8% do volume


máximo útil do tanque, atingido em cerca de 160.000s. Após este tempo o tanque passaria a operar em regime, mantendo-se estável considerando as vazões de entrada e de saída, e permanecendo desta forma se estas variáveis consideradas não fossem alteradas no decorrer do tempo, porém próximo de sua capacidade máxima. Considerando redução do volume de saída tenderia a atingir seu volume máximo útil armazenável e deverá entrar em regime e assim ser mantida, devida atuação do controle PID.


alpha em 0.



Alterando-se o valor de alpha para 50%, ou seja,

considerando que há uma vazão máxima de entrada de 0,5m³/min e de 50% da vazão máxima na válvula de restrição (saída), configurando assim novamente um sistema com fluxo de entrada e de saída ao mesmo tempo, verifica-se o aumento do volume interno armazenado no tanque, porém de forma mais lenta ainda, e este volume fica estabilizado em aproximadamente de 1,85m, o que acontece somente depois de decorridos mais de 30.000s. A altura de 1,85m representa o armazenamento contínuo de 19,5% do volume máximo utilizável e, ainda, verifica-se que

após o tanque atingir este valor de altura combinado com o tempo, passa a operar em regime, mantendo-se estável, considerando as vazões de entrada, de saída e permanecendo desta forma se estas variáveis não forem alteradas no decorrer do tempo. Porém como o sistema conta com o controlador PID, o controle do nível está garantido. A Figura 19 demonstra este comportamento do tanque. Figura 19 - Gráfico de simulação de comportamento do tanque 2 para sistema de malha fechada, com vazão de entrada constante e


Na última simulação do modelamento para este tanque, alterou-se o valor de alpha, agora passando para 100%, e teremos um sistema tendo na entrada vazão de 0,5m³/min e de 100% na saída vazão máxima na válvula de restrição, verifica-se que o tanque tenderá a apresentar altura máxima de aproximadamente 0,93m e se estabilizará em cerca de 16.000s. Ou seja, o tanque deverá armazenar apenas de 9,8% de sua capacidade útil e, após este tempo, entrará em regime de operação, mantendo-se estável considerando as vazões de entrada, de saída e permanecendo desta forma se estas variáveis não forem alteradas no decorrer do tempo. Porém, como o sistema conta com o controlador PID, o controle do nível está assegurado. Estas condições simuladas mostram uma utilização deste tanque de apenas 10%, porém a objetivo deste tanque, que tem alta capacidade de armazenamento é trabalhar próximo de sua capacidade máxima, sendo utilizado de acordo com a estratégia de armazenamento da empresa. A Figura 20 mostra o gráfico do tanque 1 para alpha em 100%.



G. Análise das Modelagens

Após execução das modelagens e verificação dos resultados obtidos, foi realizado “teste sanidade” visando verificar se os valores conseguidos através das


simulações apresentavam coerência com estabelecimento, e correlação de algumas referências dos projetos versus os resultados das modelagens, inclusive como parâmetro para validação dos modelos.

Utilizando-se das referências básicas as quais os projetos de malha aberta e de malha fechada se baseiam,

tais como, utilização máxima nominal dos volumes dos tanques, da vazão máxima do sistema de bombeamento (0,5m³/min), e considerando alpha em 0, foi possível calcular os tempos nominais de enchimento dos tanques, como mostra a Tabela 2.

Tabela 2 - Valores de referência dos projetos e cálculo dos tempos de enchimentos dos tanques conforme suas capacidades.

Volume nominal (em milhares de litros)

Utilização nominal

máxima (%)

Volume máximo utilizável (em milhares

de litros)

Tempo para enchimento do tanque em segundo (considerando vazão

0,5m³/min)

Tempo para enchimento (em

minutos) 3,5 87 3.045 365,4 6,09 9,0 87 7.830 939,6 15,66 10,0 92 9.200 1104,0 18,40 14,0 92 12.880 1545,6 25,76 15,0 92 13.800 1656,0 27,60 18,0 92 16.560 1987,2 33,12 19,0 92 17.480 2097,6 34,96 20,0 92 18.400 2208,0 36,80 25,0 95 23.750 2850,0 47,50 30,0 95 28.500 3420,0 57,00 36,0 95 34.200 4104,0 68,40 45,0 95 42.750 5130,0 85,05 48,0 95 45.600 5472,0 91,20 50,0 95 47.500 5700,0 95,00 60,0 97 58.200 6984,0 116,40 100,0 97 97.000 11640,0 194,00 200,0 98 196.000 23520,0 392,00 210,0 98 205.800 24696,0 411,60

A partir da Tabela 2, pode-se verificar que o tempo

nominal para enchimento do tanque 1 (3.500 litros nominais) é de 365,4s , enquanto que o tempo verificado na simulação foi de aproximadamente 370 s, já para o tanque 2 (210.000 litros nominais), o valor calculado para enchimento é de 24.696s, enquanto que a simulação mostrou o tempo estimado de aproximadamente 25.000s. Dessa forma, é possível verificar a correlação entre os valores obtidos nas simulações com os valores calculados, bem como validar o modelo da simulação utilizada.

As simulações em malha aberta e malha fechada mostraram valores de simulações muito parecidos, porém com diferença capital. No caso do sistema de malha aberta, pode ocorrer ainda o problema verificado de transbordamento, pois este projeto visa apenas o monitoramento do sistema, não dispondo de meio para intervir nessas ocorrências. No caso do sistema de malha fechada, o controlador PID mostrou-se efetivo, garantindo que o nível máximo obtido nas simulações estava conforme os valores máximos utilizáveis pré-estabelecidos, não ultrapassando estes limites e ainda mostrando poucas variações nos sistemas.

IV. PROJETO FÍSICO

O projeto inicial contempla inicialmente uma rede de comunicação industrial Fieldbus, ou sistema de malha aberta que visa apenas o monitoramento do nível dos tanques. Utilizando-se dos preceitos empregados no primeiro sistema e adicionando outros recursos e equipamentos, se desenvolve o segundo sistema que, além de realizar o monitoramento do nível, tem por

objetivo controlar os tanques, realizando, assim, a automatização de todo o sistema, formando uma rede de malha fechada.

Para realizar o projeto físico das redes, alguns dados são muito relevantes para se ponderar sobre equipamentos e realizar cálculos adequados. Uma das informações mais relevantes é a distância entre as redes e forma de comunicação, além da forma de alimentação dos dispositivos. A seguir estão elencados os principais pontos que foram sendo considerados; • Os projetos contemplam, como referência,

equipamentos da empresa brasileira Smar Equipamentos Industriais Ltda.

• Cada barramento constará quatro equipamentos, com alimentação através do próprio barramento.

• As redes próximas às três áreas locais serão Fieldbus, com sub-redes H1, com taxa de transmissão de 31,25kbps. Da saída das sub-redes até a sala de controle e monitoramento, a transmissão será realizada através de rede Ethernet, com taxa de transmissão de 100 Mbps. Esta interconexão entre redes será realizada pelo equipamento marca Smar, modelo DFI302, conforme Figura 21.

• Os comprimentos internos das redes H1 até o dispositivo de controle local, não excederão 200 metros, assim utilizarão, conforme especificação, fiação tipo D – AWG 16 (múltiplo).

Tabela 3 - Distância entre as redes H1 e sala de controle e

monitoramento, além da quantidade de tanques por localização.

Área Distância em relação à sala

Quantidade de tanques por


de controle (metros)

localização

Armazenagem de matéria-prima 200 30 Fábrica 1 55 27 Fábrica 2 220 28

• As distâncias das salas de controle e monitoramento

para as sub-redes H1 estão descritas conforme Tabela 3.

Figura 21 - Rede de comunicação industrial Fieldbus (vermelho) com seus dispositivos em campo e suas interligações com outros equipamentos formando o sistema, que conta ainda com rede

Ethernet em parte do sistema.

H. Rede 1 – Monitoramento de Nível (Malha Aberta)

Esta rede será constituída com equipamentos para monitoramento do nível para os 85 tanques, utilizando-se tecnologia Fieldbus Foundation nas redes H1 locais e Ethernet entre as redes H1 e a sala de controle (SMAR, 2002) (BALBINOT, 2006).

Os pacotes de dados para monitoramento de nível têm em média 80bits e, assim, podemos calcular o tempo para cada instrumento enviar suas informações para o mestre da rede (DFI302), através da seguinte expressão (MACKAY, 2004) (TANENBAUM, 2003);

(1)

Tempo = 80 bits / 31,25kbps = 2,56 ms para cada instrumento enviar seu pacote de informação. Por barramento = 2,56 ms * 4,00 = 10,24ms, como tempo padrão de scan por barramento, ou seja, após um equipamento enviar seu pacote de informações, esse será requisitado novamente somente depois de 10,24ms, que equivale ao envio de 320bits (80 bits * 4 instrumentos).

Para que a informação esteja disponível e seja mostrada na sala de controle e monitoramento, além da entrega de informação nas estações clientes, o equipamento DFI302 envia as informações por rede

Ethernet até sala de controle, na qual esta informação é processada e enviada aos clientes do sistema. Como foi verificado, o tempo padrão de comunicação para cada instrumento de monitoramente de nível será de 10,24ms, assim teremos o Tempo = 320 bits (equivalente) / 100x106 = 3,2 microssegundo, como tempo padrão para atualização do nível de cada instrumento, em tempo real.

I. Cálculo das Fontes

Seguindo as especificações do sensor de nível marca Smar LD302L, a corrente nominal para este instrumento varia entre 15 e 20mA. Assim consideramos como parâmetro para o cálculo a corrente máxima de 20mA; assim teremos. Como cada barramento contará com sua fonte e este abrigará 4 instrumentos que por sua vez consomem no total 80mA, a fonte de corrente mais baixa da marca Smar é de 1A, dessa forma, todos os barramentos devem contar com este equipamento, assim são necessárias 23 fontes de alimentação de 1 A.

J. Rede 2 – Controle de Nível (Malha Fechada)

Para o projeto de malha fechada, são necessários equipamentos para controle e monitoramento do nível para os 85 tanques, utilizando-se tecnologia Fieldbus Foundation para redes H1 locais e a partir dos equipamentos DFI302 até a sala de controle; a rede será Ethernet (SMAR, 2002) (MONTEZ, 2005) (TANENBAUM , 2003).

Os pacotes de dados para controle de nível têm em média 80bits e, assim, podemos calcular o tempo para cada instrumento enviar suas informações para o mestre da rede (DFI302) e receber retorno com instruções do mestre da rede, como sendo Tempo = 80 bits / 31,25kbps = 2,56 ms para cada instrumento enviar seu pacote de informação, 1 ms para processamento pelo DFI302 e outros 2,56ms para retorno da instrução deste instrumento até o atuador, assim temos: 2,56 + 1,00+ 2,56 = 6,12ms.

Por barramento = 6,12 ms * 4 = 24,48ms, como tempo de acesso, processamento e retorno de instrução, ou seja, cada instrumento enviará e receberá instruções a cada 24,48ms.

No caso do sistema de malha fechada, para que a informação esteja disponível e seja mostrada na sala de controle e monitoramento, além entrega de informação nas estações clientes, o equipamento DFI302 envia as informações por rede Ethernet

Tabela 4 - Fontes necessárias por áreas e barramentos – malha aberta.

Área Quantidade de

tanques por

localização

Quantidade de

barramentos

Fonte necessária considerando corrente de trabalho como 20mA

4 equipamentos (total em

mA) Armazenagem de matéria-

prima 30 8 80 fábrica 1 27 7 80


fábrica 2 28 7 80

até a sala de controle, na qual esta informação é processada e enviada aos clientes do sistema Como foi verificado, o tempo padrão de comunicação para cada instrumento de monitoramente de nível será de 24,48ms, assim teremos: Tempo = 765 bits (equivalente) / 100x106 = 7,65 µ segundo, como tempo padrão para atualização do nível de cada instrumento, em tempo real.

K. Cálculo das Fontes

Da mesma forma, considerando as especificações do sensor de nível marca Smar, modelo LD302L, a corrente nominal para este instrumento varia entre 15 e 20mA; assim, consideramos como parâmetro para o cálculo a corrente máxima de 20mA.

Se forem comparados os sistemas de malha fechada e o sistema de malha aberta com relação ao número de barramentos, verificar-se-á que a necessidade de barramentos para o sistema de malha fechada será o dobro, pois neste caso haverá equipamentos de atuação no controle do nível dos tanques (válvula controladora), que também estará interligada na rede Fieldbus.

A Tabela 5 mostra a lista de fontes necessárias por área e por barramento, para sistema de malha fechada.

Como cada barramento contará com sua fonte e este abrigará 4 instrumentos que por sua vez consomem no total 80mA, a fonte de corrente mais baixa da marca Smar é de 1A, dessa forma, todos os barramentos devem contar com este equipamento, assim são necessárias 46 fontes de alimentação de 1 A.

Tabela 5 - Fontes necessárias por áreas e barramentos – malha fechada

V. ANÁLISE DOS RESULTADOS

Nessa parte do trabalho, são realizadas comparações entre as soluções propostas e os resultados obtidos nos cálculos, simulações e outros meios empregados no desenvolvimento dos sistemas de malha aberta e de malha fechada, como meio de se avaliar os métodos práticos e teóricos empregados.

Primeiramente, foram verificadas as questões relativas aos problemas que a planta apresenta e as possíveis soluções que poderiam ser consideradas, a partir de então se levantou considerações sobre as tecnologias existentes no mercado que podem ser empregadas como solução, e a tecnologia Fieldbus Foundation se mostrou como alternativa viável, devido a sua grande difusão em indústrias químicas, petroquímicas e petrolíferas. A partir desses aspectos o projeto foi iniciado.

Basicamente, os projetos foram desenvolvidos de forma bastante similar, porém sempre se levou em consideração as particularidades de cada solução proposta. O primeiro modelo que foi desenvolvido considerando o monitoramento em tempo real do nível dos tanques (malha aberta) como objetivo principal. Para o segundo projeto, que é referenciado totalmente nas considerações realizadas na primeira solução, foram consideradas outras variáveis, pois, como já citado, trata-se do controle e monitoramento do nível de todos os tanques da bacia industrial.

A. Resultados Malha Aberta

Para o sistema de malha aberta foram realizados cálculos dos ciclos de tempo de envio dos pacotes de

dados dos sensores capacitivos de nível das redes Fieldbus H1, o tempo considerado como referência para comunicação de todos os dispositivos nas redes H1. Ou seja, como foram considerados quatro dispositivos por rede H1 (sendo estes alimentados diretamente através do barramento), o tempo de ciclo de comunicação será o tempo unitário multiplicado por quatro dispositivos, que verificamos ser cerca de 10ms.

Quando foram realizadas as simulações dos

modelamentos matemáticos dos tanques, foram considerados os casos extremos da bacia de menores e maiores volumes, porém os outros tanques também foram analisados, com resultados proporcionais ao demonstrados nesse trabalho.

O tanque que apresenta maior criticidade com relação ao tempo de ciclo para enchimento é o de menor volume, pois seu tempo para realizar esta operação é menor que os demais, cerca de 360s. Quando se analisa o tempo de ciclo de comunicação dos sensores de nível versus o tempo para enchimento do menor tanque (menor tempo), verifica-se que o sensor/sistema apresenta grande capacidade de resposta, devido ao tempo de enchimento ser muitas vezes menor que este tempo. Todavia, ainda há um potencial problema que é o risco de transbordamento quando dos procedimentos de reabastecimento. O sistema apenas indica os níveis e não atua para controlá-lo. Foram demonstrados, ainda, os materiais necessários para implementar esta solução, cálculos das fontes necessárias, projeto lógico com utilização do software Syscon, com detalhamento da programação do sistema, das hierarquias das redes H1 e

Área Quantidade de

tanques por localização

Quantidade de barramentos

Fonte necessária considerando corrente de trabalho como 20mA 4

equipamentos (total em mA) Armazenagem de matéria-prima 30 16 80 fábrica 1 27 14 80 fábrica 2 28 14 80


das configurações de parâmetros dos instrumentos das redes. Assim, pode-se afirmar que esta rede é uma solução alternativa aos problemas verificados e com custo inferior ao segundo projeto, porém ainda apresenta o risco de transbordamento dos tanques.

B. Resultados Malha Fechada

Como já citado, o sistema de malha fechada toma como referência o sistema de malha aberta e suas considerações, adicionando os recursos necessários para realizar a função de controlar a rede, o que a primeira solução não foi projetada para realizar.

Para o sistema de malha fechada foram realizados os mesmos cálculos dos ciclos de tempo de envio dos pacotes de dados dos sensores capacitivos de nível das redes Fieldbus H1, o tempo considerado como referência para comunicação de todos os dispositivos nas redes H1. Ou seja, como foram considerados quatro dispositivos por rede H1 (sendo estes alimentados diretamente através do barramento), o tempo de ciclo de comunicação será o tempo unitário multiplicado por quatro dispositivos, que verificamos ser cerca de 25ms.

A maior criticidade do sistema é o tanque de menor capacidade, pois seu tempo para realizar a operação de enchimento é menor que os demais, cerca de 360s. Quando se analisa o tempo de ciclo de comunicação dos sensores de nível versus o tempo para enchimento do menor tanque (menor tempo), verifica-se que os sensor/sistema dessa solução ainda apresentam grande capacidade de resposta, devido ao tempo de enchimento ser muitas vezes menor que este tempo e nesse caso, não há o risco de transbordamento devido à ação constante do sistema, com auxilio do controlador PID (OGATA, 2008).

Também nesse caso, foram demonstrados os materiais necessários para implementar esta solução, cálculos das fontes necessárias, projeto lógico com utilização do software Syscon, com detalhamento da programação do sistema, das hierarquias das redes H1 e das configurações de parâmetros dos instrumentos das redes e do controlador PID. Assim, pode-se afirmar que esta rede é uma solução alternativa aos problemas verificados e com custo inferior ao segundo projeto, porém ainda apresenta o risco de transbordamento dos tanques. Com isso, se a empresa vier a implementar esta solução teria alguns ganhos advindos do processo de controle automatizado em tempo real da planta.

VI. CONCLUSÕES

Esse trabalho começou com o estudo detalhado dos problemas apresentados em uma empresa química que tem uma bacia de 85 tanques utilizados para armazenamento de matérias-primas, insumos e produtos químicos acabados, utilizados nos processos produtivo. Todo processo de controle do nível dos tanques é realizado manualmente e da mesma forma, o processo de reabastecimento, fatos que implicam em diversos riscos à empresa, seus funcionários, seus negócios, clientes e ao meio ambiente, tudo isso em atmosfera

classificada como explosiva, conforme norma ABNT NR-10 e IEC 60079-14.

Como referência para o desenvolvimento da solução para este problema, foi adotada a tecnologia Fieldbus Foundation, suas características de aplicação e funcionamento, além dos instrumentos. Verificou-se que poderiam ser aplicadas duas soluções para os problemas levantados, a primeira seria um projeto de rede industrial Fieldbus para realizar apenas o monitoramento do nível dos tanques através de sistema de malha aberta, porém, os riscos inerentes ao processo de reabastecimento ainda continuariam existindo. Para eliminar este risco, a solução seria outro projeto que visaria o controle e monitoramento do nível da bacia de tanques, baseado no primeiro projeto, porém com recursos adicionais para efetivo controle dos tanques e assim eliminando, assim os riscos elencados.

Esse trabalho não teve por objetivo esgotar esse tema, nem mesmo sugeriu que a tecnologia Fieldbus é a única solução possível para os problemas apresentados. A tecnologia Fieldbus está em desenvolvimento contínuo e poderá ser ainda melhorada através dos trabalhos de pesquisas de inúmeras empresas ao redor do mundo.

Para o desenvolvimento, foi utilizada vasta gama de documentação técnica sobre esta tecnologia e informações adicionais, de maneira a garantir que as soluções fossem projetadas adequadamente, conforme os requisitos e normas técnicas aplicáveis, além de enriquecer o trabalho.

Nesse trabalho, para ambos os projetos foram realizados os cálculos de diversos parâmetros das redes, realizadas simulações de funcionamento dos sistemas de acordo com modelos matemáticos realizados com a ferramenta Matlab e seu aplicativo Simulink. Foram, ainda, desenvolvidos os projetos físico e lógico das redes, com detalhamentos específicos, como cálculo das fontes de alimentação das redes H1, lista de materiais para implementação e a programação de redes e dispositivos Fieldbus através do software Syscon, além de outras considerações e análises.

Assim, verificou-se muitas vantagens da tecnologia Fieldbus com relação às sistemas de automações tradicionais conhecidos. Diante das análises realizadas foi possível verificar que as soluções apresentadas são compatíveis com os problemas evidenciados. Porém, para o primeiro projeto ainda persistem os riscos do processo de reabastecimento dos tanques, risco que é eliminado pelo segundo projeto, através do controle em malha fechada.

Podemos concluir que as propostas apresentadas, se implementadas, trarão melhorias consideráveis aos processos da empresa, com redução dos riscos aos operadores, ao negócio, aos clientes e ao meio ambiente. E ainda com redução dos custos devido de pessoal, paradas por falta de matérias-primas, material perdido em transbordamentos e a processos de descontaminação.

Essas melhorias se traduzem em vantagens competitivas para a empresa, que terá maior


confiabilidade nas informações cruciais ao desenvolvimento de suas atividades, melhoria na satisfação de seus clientes, harmonia entre os departamentos de produção e suprimentos devido à disponibilidade de informações confiáveis em tempo real, melhoria significativa no desenvolvimento dos trabalhos operacionais, com redução de riscos ergonômicos, e também amenização dos riscos ambientais. Todas estas melhorias através da implementação deste(s) projeto(s) com a tecnologia Fieldbus Foundation.

REFERÊNCIA BALBINOT, A., Instrumentação e Fundamentos de Medidas, Volume 2, Rio de Janeiro, Editora LTC, 2006. CONCER, G., Monografia: Identificação de Processos Industriais utilizando tecnologia Foundation Fieldbus, Universidade Federal de Santa Catarina, 2005, disponível em: http://www.dnc.gov.br/CapitalHumano/Arquivos/PRH34/Gustavo- Concer_PRH34_UFSC_DAS_G.pdf, acessado em 11/04/2010. DE SOUZA, J. NR-10 Comentada – Industrial - 1ª Ed – São Paulo, Editora LTR, 2005. DOS SANTOS, R., Dissertação de Mestrado: Controle e Monitoramento, em tempo real, de um processo de precipitação de Bromelina, utilizando comunicação digital Fieldbus – Universidade Estadual de Campinas, 2006. disponível em: http://libdigi.unicamp.br/document/?code=vtls000401013, acessado em 18/04/2010. HAYKIN, S., Sinais e Sistemas, 4ª ed., Porto Alegre: Bookman, 2001. IORIO, L., Dissertação de Mestrado: Redes de Comunicação em Automação Industrial – Universidade Estadual de Campinas, 2002. disponível em: http://libdigi.unicamp.br/document/?code=vtls000272478, acessado em 18/04/2010. JORDÃO, D., Manual de Instalações Elétricas em indústrias químicas, petroquímicas e de petróleo – Atmosferas explosivas - 3ª Ed – Rio de Janeiro, Editora Quality Mark, 2006. MACKAY, S., Practical Industrial Data Networks Design, Installation and Troubleshooting, 1st ed., Perth Australia: IOC Technologies, 2004. MONTEZ, C., Redes de Comunicação para Automação Industrial, 2005. MORAES, C,. Engenharia de Automação Industrial - 2ª Ed - Rio de Janeiro, Editora LTC, 2007

OGATA, K., Engenharia de Controle Moderno, 4ª ed., São Paulo: Pearson, 2008. SMAR, The Fieldbus Book, year 2002 edition, by Smar Equipamentos Industriais, Brasil, 2002. TANENBAUM, A., Redes de Computadores, 4ª ed., São Paulo: Editora Campus, 2003. TUFANO D., Guia Prático da Nova Ortografia – Versão atualizada de acordo com o VOLP - 1ª Ed – São Paulo, Editora Melhoramentos, 2008. VERHAPPEN, A., Foundation Fieldbus – Guia de bolso – ISA, 2002. ZIPP, J., Medição de pressão em tanques estéreis (artigo técnico wika).

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