tcc - biodigestor
DESCRIPTION
BiodigestorTRANSCRIPT
DEPARTAMENTO DE ÁREAS ACADÊMICAS IV COORDENAÇÃO DE MECÂNICA1
COORDENAÇÃO DE TELECOMUNICAÇÕES2
ANÁLISE DE BIODIGESTORES ATRAVÉS DE UM SISTEMA DE SUPERVISÃO INDUSTRIAL
ARTUR GUIMARÃES PEREIRA¹
FAUSTO ANTÔNIO DE OLIVEIRA AMORIM²
GOIÂNIA – GO 2009
DEPARTAMENTO DE ÁREAS ACADÊMICAS IV COORDENAÇÃO DE MECÂNICA1
COORDENAÇÃO DE TELECOMUNICAÇÕES2
ANÁLISE DE BIODIGESTORES ATRAVÉS DE UM
SISTEMA DE SUPERVISÃO INDUSTRIAL
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao CEFET-GO pré-requisitos para obtenção do grau de Tecnólogo em Manutenção Eletromecânica Industrial1 e Tecnólogo em Redes de Computadores2.
Área de Concentração: Fontes de energia alternativa, Instrumentação industrial e Sistemas de Supervisão
Industrial.
ARTUR GUIMARÃES PEREIRA¹ FAUSTO ANTÔNIO DE OLIVEIRA AMORIM²
ORIENTADOR PROF. Dr. PEDRO JOSÉ ABRÃO
GOIÂNIA – GO 2009
DEPARTAMENTO DE ÁREAS ACADÊMICAS IV
COORDENAÇÃO DE MECÂNICA1
COORDENAÇÃO DE TELECOMUNICAÇÕES2
ANÁLISE DE BIODIGESTORES ATRAVÉS DE UM SISTEMA DE
SUPERVISÃO INDUSTRIAL
ARTUR GUIMARÃES PEREIRA¹ FAUSTO ANTÔNIO DE OLIVEIRA AMORIM²
Trabalho de Conclusão de Curso submetido às Coordenações de Mecânica¹ e de Telecomunicações² do Instituto Federal de Educação, Ciências e Tecnologia de Goiás, como parte dos requisitos necessários para obtenção da graduação em Tecnologia em Manutenção Eletromecânica Industrial¹ e Tecnologia em Redes de Comunicação². Aprovada por:
__________________________________ Prof. Dr. Pedro José Abrão, IFG - Goiânia
(ORIENTADOR)
___________________________________________ Prof. Dr. Samuel César Mota de Paula, IFG – Goiânia
(EXAMINADOR INTERNO)
_________________________________________ Prof. Dr. Elder Geraldo Domingues, IFG - Goiânia
(EXAMINADOR INTERNO)
GOIÂNIA, outubro de 2009
AGRADECIMENTOS
Agradecemos inicialmente aos nossos pais, pela força de vontade em nos educar e
pela dedicação que nos permitiu a conclusão deste trabalho e da nossa graduação
tecnológica.
Ao Prof. Dr. Pedro José Abrão, pela contribuição dada ao trabalho.
Aos nossos professores e colegas de sala que indiretamente contribuíram para nossa
formação acadêmica e profissional.
Ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás, a Coordenação de
Mecânica e a Coordenação de Telecomunicações que possibilitou nossa educação pública e
de qualidade.
A todos nossos amigos e familiares que são a grande força de nossa vida.
Em memória de Augusto Guimarães Pereira, irmão de Artur, pelo grande homem
que foi durante toda sua vida.
Em homenagem ao filho de Fausto, Marcelo Ribeiro Amorim, que está por vir.
"Uma máquina pode fazer a tarefa de 50
homens comuns. Máquina nenhuma é
capaz de fazer o trabalho de um
homem extraordinário." (Elbert Hubbard)
RESUMO
Este trabalho tem por objetivo principal a análise do processo de produção de biogás
e biofertilizante a partir de um Biodigestor, usando como ferramenta, dispositivos
eletrônicos e eletromecânicos interligados a um Sistema de Supervisão e Aquisição de
Dados.
Como contribuição teórica, o trabalho inclui conteúdos de construção,
dimensionamento e operação de um biodigestor. Os fundamentos da instrumentação
industrial e o princípio de funcionamento de um Sistema de Supervisão e Aquisição de
Dados ou abreviadamente SCADA (proveniente do seu nome em inglês Supervisory
Control and Data Acquisition).
Para a parte prática, apresenta-se uma simulação do funcionamento de um
biodigestor supervisionado pelo software Elipse SCADA.
O resultado principal consiste na possibilidade de conhecer o desempenho da
produção de gás metano a partir do dimensionamento e da simulação do funcionamento de
um biodigestor, supervisionado por um supervisório, que fará a observação das variáveis
envolvidas no processo. Os dados obtidos servirão de base para uma futura implementação
do biodigestor físico.
Como resultados secundários, têm-se a difusão de ferramentas do tipo SCADA e o
incentivo à utilização de fontes alternativas de energia.
ABSTRACT
This work has as main objective the analysis of the production of biogas and
biofertilizer from a biodigester, using as a tool, electronic and electromechanical devices
connected to a Monitoring and Data Acquisition System.
As a theoretical contribution, this work includes construction, design and operational
aspects of a biodigester. The fundamentals of industrial instrumentation and the operating
principles of a Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) are also presented.
For the practical part it will be presented a simulation of the operation of a
biodigester supervised by Elipse SCADA software.
The main result consists is the possibility of knowing the performance of methane
gas production from design and simulation of a biodigester working, supervised by a
supervisory system, which will allow the observation of the variables that are involved in
the process. The data obtained provide a basis for the future implementation of the
biodigester.
As secondary results, it will be possible the encouraging of the use of alternative
sources of energy as well as the use of the SCADA tool.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Faixa ideal de temperatura para produção de biogás.........................................................................16
Figura 2 - Biodigestor Indiano............................................................................................................................18
Figura 3 - Biodigestor Chinês.............................................................................................................................19
Figura 4 - Biodigestor Fluxo Tubular................................................................................................................. 21
Figura 5 - Biodigestor Batelada...........................................................................................................................22
Figura 6 - Etapas metabólicas do processo de digestão anaeróbia em biodigestor.............................................32
Figura 7 - Conexão dos gasômetros com a central de biogás feita com mangueiras flexíveis........................... 34
Figura 8 - Utilização do biogás em fogões..........................................................................................................35
Figura 9 - Utilização do biogás em lampiões......................................................................................................35
Figura 10 - Utilização do biogás no aquecimento de água..................................................................................36
Figura 11 - Utilização de biogás no aquecimento de pintinhos nas granjas........................................................36
Figura 12 - Utilização de biogás no acionamento de geladeiras........................................................................ 37
Figura 13 - Utilização de biogás no acionamento de motores à combustão........................................................37
Figura 14 - Utilização de biogás no acionamento de geradores..........................................................................38
Figura 15 - Dimensões do biodigestor.................................................................................................................46
Figura 16 - Altura entre o fundo do biodigestor e a parte inferior da boca dos tubos de carga e descarga.........47
Figura 17 - Imagem de uma termoresistência do tipo PT-100............................................................................58 Figura 18 - Imagem de um manômetro...............................................................................................................58
Figura 19 - Placa de Orifício...............................................................................................................................59
Figura 20 - Imagem de um de um medidor de pH modelo pH meter (Digimed, DMPH-2)...............................59
Figura 21 - Imagem de um temporizador da marca COEL.................................................................................60
Figura 22 - Pirâmide da Organização Fabril.......................................................................................................62
Figura 23 - Organizer - Ferramenta para criação da Aplicação e dos Tags........................................................73
Figura 24 - Tela de Abertura da Aplicação “Biodigestor”..................................................................................74
Figura 25 - Tela Principal da Aplicação “Biodigestor”.......................................................................................76
Figura 26 - Tela de Tendências da Aplicação “Biodigestor”..............................................................................77
Figura 27 - Tela de Receitas da Aplicação “Biodigestor”...................................................................................78
Figura 28 - Tela de Impressão da Aplicação “Biodigestor”................................................................................79
Figura 29 - Relatório a ser impresso em formato texto.......................................................................................79
Figura 30 - Tela de Reposição de dejetos da Aplicação “Biodigestor”...............................................................80
Figura 31 - Estrutura Física de um Sistema Supervisório...................................................................................82
Figura 32 – Encapsulamento Ethernet TCP/IP Modbus.....................................................................................95
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Tempo de retenção dos biodigestores de acordo com a finalidade do mesmo................................. 26
Tabela 2 - Tempo de remoção dos dejetos em cada atividade........................................................................... 28
Tabela 3 - Quantidade de água a ser utilizada na diluição de alguns dejetos..................................................... 28
Tabela 4 - Produção média de dejetos (fezes e urina) obtidos diariamente por cada animal............................. 30
Tabela 5 - Constituição do Biogás......................................................................................................................31
Tabela 6 - Relação de equivalência energética entre 1m³ de biogás e outros combustíveis...............................41
Tabela 7 - Consumo médio de biogás em cada equipamento.............................................................................42
Tabela 8 - Quantidades de dejetos necessária para produzir 1m³ de biogás....................................................... 42
Tabela 9 - Dimensões do Biodigestor..................................................................................................................43
SUMÁRIO
Capitulo 1 – Introdução ao estudo dos Biodigestores...................................................................13
1.1 Introdução................................................................................................................................................13
1.2 Motivação e Objetivos............................................................................................................................14
1.3 Estrutura do Trabalho............................................................................................................................14
1.4 Tipos de biodigestores............................................................................................................................15
1.5 Biodigestor Indiano ...............................................................................................................................17
1.6 Biodigestor Chinês..................................................................................................................................19
1.7 Biodigestor de Fluxo Tubular...............................................................................................................20
1.8 Biodigestor tipo Batelada......................................................................................................................21
1.9 Conclusão e Justificativa sobre o biodigestor escolhido..................................................................23
Capítulo 2 – Funcionamento dos Biodigestores Indianos...........................................................24
2.1 Fatores que influenciam na produção do Biogás..............................................................................24
2.2 Tempo de Retenção (TRH) de um biodigestor....................................................................................25
2.3 Princípio de funcionamento dos biodigestores modelo indiano......................................................26
2.4 Obtenção e manejo dos dejetos............................................................................................................27
2.5 Justificativa da atividade escolhida.....................................................................................................28
2.6 Coleta dos dejetos nas instalações dos Suínos...................................................................................29
2.7 Biogás e Biofertilizante..........................................................................................................................30
2.7.1 Constituintes do biogás.........................................................................................................................30
2.7.2 Etapas do processo de digestão anaeróbia em biodigestor...................................................................31
2.7.3 Purificação do Biogás...........................................................................................................................33
2.7.4 Formas de utilização do biogás.............................................................................................................34
2.7.5 Crédito de Carbono e Biodigestores.....................................................................................................38
2.7.6 Uso de Biofertilizante...........................................................................................................................39
2.8 Conclusão.................................................................................................................................................40
Capítulo 3 – Dimensionamento dos Biodigestores.........................................................................41
3.1 Dimensionamento dos Biodigestores..................................................................................................41
3.2 Dimensionamento do modelo de Biodigestor Indiano.....................................................................41
3.2.1 Estimativa do volume útil do biodigestor.............................................................................................42
3.2.2 Estimativa das seguintes dimensões do biodigestor.............................................................................43
3.2.3 Dimensões da parede divisória da câmara de fermentação..................................................................43
3.2.4 Dimensões das caixas de carga e descarga...........................................................................................44
3.3 Biodigestor utilizado na simulação......................................................................................................44
3.3.1 O Consumo e a propriedade rural dimensionada para a simulação......................................................44
3.3.2 Estimativa das dimensões do biodigestor.............................................................................................45
3.4 Conclusão.................................................................................................................................................49
Capítulo 4 – Monitoramento do Biodigestor....................................................................................50
4.1 Análise do Biodigestor...........................................................................................................................50
4.2 Instrumentação do biodigestor.............................................................................................................50
4.3 O Processo...............................................................................................................................................51
4.3.1 Variáveis do processo...........................................................................................................................51
4.3.2 Malha de controle.................................................................................................................................52
4.3.3 Elementos de controle...........................................................................................................................52
4.4 Variáveis de processo – Temperatura.................................................................................................54
4.4.1 Medidores de temperatura ...................................................................................................................54
4.5 Variáveis de processo – Pressão..........................................................................................................55
4.5.1 Medidores de Pressão...........................................................................................................................55
4.6 Variáveis de processo – Vazão.............................................................................................................55
4.6.1 Métodos para medição de vazão...........................................................................................................56
4.7 Variáveis de processo – pH...................................................................................................................56
4.7.1 Medidores de pH..................................................................................................................................57
4.8 Sistema utilizado no biodigestor...........................................................................................................57
4.9 Conclusão..................................................................................................................................................60
Capítulo 5 – Aplicativo de Supervisão “Biodigestor”...................................................................61
5.1 Introdução a Software Supervisório....................................................................................................61
5.1.1 Redes Industriais...................................................................................................................................61
5.1.2 A Organização Fabril............................................................................................................................61
5.1.3 Fábrica Digital......................................................................................................................................63
5.2 Apresentação do Elipse SCADA...........................................................................................................63
5.2.1 Importância no Mercado Mundial........................................................................................................63
5.2.2 Pacotes do Elipse SCADA....................................................................................................................65
5.2.3 Módulos de Operação do Elipse SCADA............................................................................................65
5.3 Conceitos básicos relativos ao Elipse SCADA...................................................................................66
5.3.1 Tags.......................................................................................................................................................66
5.3.2 Telas......................................................................................................................................................67
5.3.3 Objetos de Tela.....................................................................................................................................68
5.3.4 Scripts...................................................................................................................................................68
5.3.5 Receitas.................................................................................................................................................70
5.3.6 Históricos..............................................................................................................................................70
5.3.7 Relatórios..............................................................................................................................................71
5.3.8 Usuários e Senhas.................................................................................................................................71
5.4 Apresentação da Aplicação “Biodigestor”........................................................................................72
5.4.1 Criação da Aplicação e dos Tags..........................................................................................................72
5.4.2 Criação da Tela de Abertura.................................................................................................................74
5.4.3 Criação da Tela Principal......................................................................................................................75
5.4.4 Criação da Tela de Tendências.............................................................................................................76
5.4.5 Criação da Tela de Receitas..................................................................................................................77
5.4.6 Criação da Tela de Impressão...............................................................................................................78
5.4.7 Criação da Tela Reposição de Dejetos.................................................................................................80
5.4.8 Concluindo a Aplicação........................................................................................................................80
5.5 Estrutura Funcional de Redes de Comunicação Industrial.............................................................81
5.5.1 Comunicação entre o Biodigestor e o Supervisório.............................................................................82
5.6 Conclusão.................................................................................................................................................84
Capítulo 6 – Conclusão..............................................................................................................................85
Referências Bibliográficas........................................................................................................................87
Anexo................................................................................................................................................................90
131
CAPÍTULO 01
INTRODUÇÃO AO ESTUDO DOS BIODIGESTORES
1.1 Introdução
Atualmente, o aumento da população mundial e a crescente demanda por consumo
de alimentos requer do setor agropecuário uma maior produtividade. Porém,
inevitavelmente, o aumento da produção de alimentos, seja de origem vegetal ou animal,
resulta também numa maior produção de resíduos, que se tornam um problema para o
produtor se não receberem um tratamento seguro. Assim, esse aumento na produção de
alimentos deve ser obtido com base numa consciência ecológica, visando à preservação do
meio ambiente. E, para isso, torna-se necessário a modernização dos sistemas de produção
bem como a utilização de fontes alternativas de energia. No caso particular da produção de alimentos de origem animal, quando se lançam os
dejetos diretamente no ambiente, sem receber um prévio e adequado tratamento, estes
podem causar contaminações do solo, do ar e dos mananciais de água, ocasionando vários
tipos de doenças ao homem e aos próprios animais, além de prejudicar e poluir rios e outros
afluentes que servem para o consumo e irrigação de lavouras.
Os sistemas modernos de produção não devem ser fundamentados apenas no
objetivo de produzir alimentos de forma eficiente, isto é, visar apenas à quantidade e
qualidade, mas devem também buscar condições adequadas para dar um destino seguro aos
dejetos gerados na produção, para que os riscos de contaminações sejam minimizados e,
ainda, agregue valor à atividade realizada na propriedade.
Um manejo integrado dos dejetos de animais pode ser obtido fazendo-se a
reciclagem dos mesmos por meio da utilização dos biodigestores, que são sistemas de fácil
construção e operação. Após serem diluídos em água, os dejetos colocados no interior dos
biodigestores sofrem o processo de biodigestão anaeróbia (fermentação), promovida por
bactérias que agem na ausência de oxigênio [LUCAS JÚNIOR; SOUZA; LOPES, 2003].
Durante esse processo, ocorre, no interior do biodigestor, a transformação dos dejetos em
141
biofertilizante com a liberação de um gás combustível (biogás), composto principalmente
por metano(CH4).
O biogás produzido pode ser utilizado em diversos equipamentos, como os de
queima direta (acionamento de motores, fogões, aquecedores para animais e outros
equipamentos, utilizados para acionar geradores de energia elétrica). Já o biofertilizante,
pode ser utilizado na agricultura para adubação das culturas, uma vez que apresenta uma
considerável redução de carga orgânica poluente e de organismos transmissores de doenças.
Portanto, além de não contribuir com a contaminação do meio ambiente, o produtor que
realizar a reciclagem dos dejetos gerados pelos animais, através do uso de biodigestores,
também reduz os custos com a energia utilizada no processo de produção e com a compra
de fertilizantes para as lavouras. Adicionalmente, pode-se obter uma fonte de receita extra
com a venda dos créditos de carbono oriundos de tais empreendimentos.
1.2 Motivação e Objetivos
Este trabalho de conclusão de curso apresenta a simulação do funcionamento de um
biodigestor, a instrumentação empregada no mesmo e o sistema supervisório que o
monitora, sendo estes a grande motivação de seu desenvolvimento. O objetivo do trabalho é criar um aplicativo de supervisão que possa analisar o
processo de produção de biogás e geração de matéria orgânica para fins agrícolas e
industriais a partir de um biodigestor simulado.
A pesquisa é delineada na apresentação de seu objetivo central, acima citado. Entre os
objetivos secundários, encontram-se a propagação de meios ecologicamente corretos de
geração de energia e a difusão de ferramentas que realizam a supervisão e controle de
processos industriais via software. Em seguida, justifica-se a relevância e a importância do
trabalho para o progresso dos temas relacionados. Por fim, apresenta-se uma visão geral da
estruturação do trabalho e os seus resultados.
1.3 Estrutura do Trabalho
Este trabalho de conclusão de curso está estruturado da seguinte maneira:
151
• Capítulo 1 – Introdução ao estudo dos biodigestores – É uma apresentação dos
biodigestores inseridos no contexto sócio-ambiental. A construção e operação
dos biodigestores com seus tipos também são mostrados neste capítulo;
• Capítulo 2 – Funcionamento dos biodigestores Indianos – Explicação sobre os
fatores que influenciam na produção do biogás, fazendo a utilização do
Biodigestor Indiano. As etapas presentes na transformação da biomassa em
metano e biofertilizante, as maneiras de como se purificar o biogás, também são
matérias tratadas neste capítulo;
• Capítulo 3 – Dimensionamento dos biodigestores – Estimativa das dimensões
construtivas de um biodigestor indiano, aplicadas a uma propriedade rural com
criação de suínos;
• Capítulo 4 – Monitoramento do Biodigestor – Mostra a Instrumentação proposta
para a coleta de dados relativos ao funcionamento de um biodigestor, com os
dispositivos de monitoramento e os respectivos parâmetros analisados.
• Capítulo 5 – Aplicativo de supervisão “Biodigestor” – Exposição de software
supervisório aplicado em ambiente fabril com a apresentação do aplicativo de
simulação criado para o trabalho;
• Capítulo 6 – Conclusão – Finalização do trabalho com a constatação dos
benefícios que os biodigestores trazem à sociedade.
1.4 Tipos de biodigestores
Existem vários modelos de biodigestores, sendo que cada um é adequado aos
diferentes tipos de resíduos obtidos no meio rural, podendo ser operados com cargas
contínuas ou batelada. Dentre os vários tipos, os mais utilizados são [LUCAS JÚNIOR;
SOUZA; LOPES, 2003]:
- Os biodigestores indianos;
- Os biodigestores chineses;
- Os biodigestores de fluxo tubular; e
- Os biodigestores tipo batelada.
Sendo que, no Brasil, o mais utilizado é o Biodigestor de Fluxo Tubular.
161
Os dejetos utilizados para preencher qualquer um desses modelos de biodigestores
devem ser, primeiramente, diluídos em certa quantidade de água, que depende do tipo de
dejeto que será colocado no interior do biodigestor.
Após o depósito no interior do biodigestor, os dejetos sofrem ação das bactérias
anaeróbias, fazendo com que seja produzido o biogás. Além do biogás, existe uma parte
sólida e/ou líquida restante do material, que deve ser retirada para aproveitamento como
biofertilizante na adubação de culturas agrícolas.
Em qualquer modelo de biodigestor utilizado, a fermentação ocorre mais
intensamente quando a temperatura do material estiver entre 30 e 35° C [LUCAS JÚNIOR;
SOUZA; LOPES, 2003].
Nessas condições, a produção de biogás por quilograma de material utilizado é
maior e ocorre em menor tempo. Por essa razão, a maioria dos biodigestores são construídos
enterrados, pois abaixo da superfície as temperaturas são mais elevadas e suas variações são
menores. Além disso, o manejo dos biodigestores enterrados é mais fácil de ser executado.
A Figura 1, localizada abaixo, mostra uma curva que representa a faixa ideal de
temperatura para funcionamento dos biodigestores:
Figura 1 - Faixa ideal de temperatura para produção de biogás. (Fonte: Livro “Construção e operação de
biodigestores”).
171
1.5 Biodigestor Indiano
Os principais componentes de um biodigestor modelo indiano são os seguintes:
a) Caixa de carga: Feita em alvenaria, refere-se ao local onde os dejetos diluídos em
água são colocados para serem introduzidos no sistema;
b) Tubo de carga: serve para conduzir o material, por gravidade, desde a caixa de
carga até o interior do biodigestor. Normalmente, utiliza-se um tubo de PVC com
150 mm de diâmetro;
c) Câmara de biodigestão cilíndrica: refere-se ao local onde ocorre a fermentação do
material e a conseqüente liberação do biogás. Ela também deve ser construída em
alvenaria;
d) Gasômetro: refere-se ao elemento responsável pelo armazenamento do biogás
produzido, permitindo o seu fornecimento com pressão constante. Isto é possível
porque ele se movimenta para cima ou para baixo, de acordo com o volume de
biogás acumulado ou retirado. Geralmente, o gasômetro é feito de chapa de aço
número 14, que deve ser soldada em uma estrutura metálica, que dependendo das
dimensões do biodigestor, pode ser feita com cantoneiras de ¾”, 1”, 1¼” ou 1½”.
Ele deve ter formato cilíndrico, sendo a cobertura superior abaulada (em forma de
cone), para evitar a deposição de impurezas e água na parte interna do mesmo;
e) Tubo-guia: tem a função de guiar o gasômetro, quando este se movimenta para
cima ou para baixo. Esse elemento deve ser obtido a partir de um tubo galvanizado
com duas e meia polegadas de diâmetro;
f) Tubo de descarga: serve para fazer a retirada do material fermentado (sólidos e
líquidos) de dentro do biodigestor. Para isso, deve-se utilizar um tubo de PVC com
150 mm de diâmetros;
g) Caixa ou canaleta de descarga: Refere-se ao local para onde é encaminhado o
material retirado de dentro do biodigestor até ser conduzido para outro local. Deve
ser construída em alvenaria;
h) Saída de biogás: refere-se a um dispositivo que deve existir na parte superior do
gasômetro, sendo conduzido até os pontos de consumo do combustível. Recomenda-
se que esse dispositivo seja de mangueira flexível, para acompanhar os movimentos
do gasômetro.
181
Todos os componentes descritos neste item são ilustrados abaixo, conforme mostra a
Figura 2:
Figura 2 – Biodigestor Indiano.
Onde:
H - é a altura do nível do substrato; Di - é o diâmetro interno do biodigestor; Dg - é o diâmetro do gasômetro; Ds - é o diâmetro interno da parede superior; h1 - é a altura ociosa (reservatório do biogás); h2 - é a altura útil do gasômetro. a - é a altura da caixa de entrada. e - é a altura de entrada do cano com o afluente.
191
1.6 Biodigestor Chinês
Biodigestor modelo Chinês é bem parecido com o modelo Indiano, sendo a principal
diferença entre eles está no gasômetro, que, neste caso, é construído em alvenaria ou
concreto armado, além de ser fixo. Por isso, no biodigestor modelo Chinês, a pressão de
armazenamento é variável e dependerá da quantidade de biogás armazenado. Assim, quanto
mais gás existir no interior do gasômetro, maior será a pressão. Além disso, este sistema é
mais difícil de ser projetado e construído, quando comparado com o modelo indiano.
Os principais componentes de um biodigestor modelo Chinês são os seguintes: caixa
de carga, tubo de carga, câmara de biodigestão cilíndrica com fundo esférico, gasômetro em
formato esférico, galeria de descarga e caixa de descarga.
Todos os componentes descritos no parágrafo anterior estão dispostos abaixo,
conforme a Figura 3:
Figura 3 – Biodigestor Chinês.
202
1.7 Biodigestor de Fluxo Tubular
Trata-se de um biodigestor de construção simplificada, do tipo horizontal com
câmara de biodigestão escavado no solo e com gasômetro do tipo inflável de material
plástico.
Sua construção é feita abrindo-se duas valas no solo, uma ao lado da outra. O fundo
dessas valas deve ser revestido por uma manta plástica, deixando-se, de cada lado, uma
abertura que serve de caixa de carga e de descarga. O gasômetro é obtido, colocando-se
outra manta plástica, na parte superior do biodigestor tubular. As laterais dessa manta
devem ser presas ao solo em canaletas preenchidas com água, com ripas de madeira, ou
tripas de plástico cheias de areia. A Figura 4 apresenta a seção transversal deste tipo de
biodigestor.
Assim o abastecimento desse sistema realiza-se, colocando o material diluído em
uma abertura da manta plástica, que corresponde à caixa de carga. Após a fermentação, o
material, deve ser retirado pela caixa de descarga, ou seja, por outra abertura existente no
lado oposto da manta. O biogás produzido, por sua vez, fica acumulado na parte superior
embaixo da cobertura de plástico.
Este modelo de biodigestor, embora apresente a vantagem de ser fácil construção,
por outro lado, possui menor durabilidade e é mais susceptível à ocorrência de escapamento
do gás, caso a lona de plástico seja perfurada.
212
A Figura 4, abaixo, representa o esquema de um Biodigestor de Fluxo Tubular:
Figura 4 – Biodigestor Fluxo Tubular.
Estes três modelos de biodigestores (indiano, chinês e tubular) devem ser
abastecidos diariamente com material a ser fermentado e, por isso, são chamados de
biodigestores contínuos. Portanto, a sua utilização está associada aos sistemas de criação
que permitem a obtenção diária de dejetos, como exemplo, as criações de suínos, bovinos,
destinados à produção de leite e aves de postura, onde geralmente se faz a coleta dos dejetos
diariamente, ou no máximo a cada três dias [LUCAS JÚNIOR; SOUZA; LOPES, 2003].
1.8 Biodigestor tipo Batelada
Existem situações em que a remoção dos dejetos não é feita diariamente. Um
exemplo ocorre na avicultura de corte, onde os dejetos são retirados das granjas ao final de
cada período de produção, o que dura em média 60 dias. Nesses casos, para fazer o
abastecimento diário dos biodigestores contínuos, o produtor precisará armazenar o
material, o que não seria tão vantajoso, pois implicaria em gastos com estrutura e mão-de-
obra, sem falar na perda de potencial de produção de biogás pelos dejetos. Assim, em casos
como esse, a solução seria a utilização de biodigestores tipo batelada.
222
Este sistema é composto apenas por câmara de biodigestão cilíndrica, que é feita de
alvenaria, e pelo gasômetro móvel, com forma cilíndrico e cobertura abaulada de material
metálico, conforme mostra a Figura 5. Trata-se de um tipo de biodigestor mais simples de
ser construído, pois dispensa as caixas de carga e de descarga e, por isso, não necessita dos
tubos de carga e de descarga. Os dejetos diluídos em água são colocados de uma só vez
dentro da câmara de biodigestão, onde permanecem por um período de tempo maior e,
quando a fermentação for completada, são retirados.
Na avicultura de corte, por exemplo, os dejetos são removidos das granjas,
geralmente a cada 60 dias, período em que o biodigestor tipo batelada com operação
sequencial deverá permanecer cheio. Após esse período, deve-se fazer a remoção de 80% do
material fermentado. Os 20% restantes deverão permanecer na câmara de biodigestão, tendo
a função de fornecer a quantidade de bactérias necessárias para promover a fermentação do
novo material, ou seja, servirá de inóculo para a próxima batelada. Assim, o custo da
avicultura poderá ser reduzido, por meio da utilização direta do gás metano (CH4),
produzido a partir dos dejetos gerados nas granjas, no aquecimento dos pintinhos. A Figura
5 mostra todos detalhes a respeito de um Biodigestor tipo Batelada:
Figura 5 – Biodigestor Batelada.
232
Onde:
Di é o diâmetro interno do biodigestor; Ds é o diâmetro interno da parede superior; Dg é o diâmetro do gasômetro; H é a altura do nível do substrato; h1 é a altura ociosa do gasômetro; h2 é a altura útil do gasômetro; h3 é a altura útil para deslocamento do gasômetro; b é a altura da parede do biodigestor acima do nível do substrato; c é a altura do gasômetro acima da parede do biodigestor.
1.9 Conclusão e Justificativa sobre o biodigestor escolhido
Após a exposição dos modelos dos biodigestores mais comuns, com seus respectivos
componentes, forma de construção e aplicação, é possível estabelecer qual deles se aplica
melhor ao que é proposto através desse trabalho.
É interessante que a opção escolhida seja de fácil implementação e operação, afinal,
pelo fato do biodigestor ser uma solução alternativa para geração de energia, deve possuir
características que o torne atrativo aos olhos dos produtores rurais, sendo claramente
perceptivas as vantagens e benefícios de possuí-lo.
O biodigestor escolhido para simulação foi do tipo Indiano por ser mais durável,
simples de ser construído e operado. É um biodigestor do tipo contínuo, que não exige o
armazenamento prévio dos dejetos dos animais, já que podem ser inseridos no biodigestor
diariamente, além disso, o biogás produzido é mantido sempre com pressão constante.
Vale lembrar que o biodigestor escolhido é do tipo Indiano, apesar do mais utilizado
nas propriedades rurais ser do tipo Tubular.
242
CAPÍTULO 02
FUNCIONAMENTO DOS BIODIGESTORES INDIANOS 2.1 Fatores que influenciam na produção do Biogás
A biodigestão anaeróbia é o processo de decomposição de matéria orgânica por
organismos vivos (bactérias) em meio ausente de oxigênio. É um processo usado para a
geração de biogás através dos biodigestores, inclusive do Biodigestor Indiano, sendo uma
opção de combustível, principalmente para residências em meio rural.
Entretanto, a biodigestão anaeróbia é bastante exigente e necessita de controle de
alguns fatores para que haja um melhor aproveitamento do sistema, tanto para o
funcionamento de Biodigestores tipo Indiano como qualquer outro [INFOESCOLA, 2009].
Os principais fatores a serem monitorados, são:
• Temperatura: a temperatura dentro dos biodigestores indianos deve ser controlada
para que se atinja a produção desejada. As bactérias responsáveis pela biodigestão
são bastante sensíveis à variações bruscas de temperatura (variações de 3ºC já são
suficientes para provocar a morte da maioria das bactérias digestoras), por isso, em
locais onde a amplitude térmica seja elevada deve-se dispor de sistemas de
aquecimento ou resfriamento auxiliares;
• Tipo de resíduos: o tipo de matéria orgânica utilizada também é fundamental, uma
vez que é necessário manter uma relação carbono/nitrogênio favorável e a
quantidade de sólidos voláteis deve ser grande o suficiente para garantir uma boa
produtividade (estes fatores dependem do tipo de matéria orgânica utilizada);
• Tempo de retenção: o tempo de retenção também influi no rendimento do
biodigestor. Isso, porque a retirada precoce do substrato do biodigestor resulta em
ineficiência pela não utilização de todo o potencial da matéria orgânica, enquanto
que a retirada tardia, significa ineficiência por perda de tempo desnecessária;
• Presença de substâncias tóxicas: a presença de substâncias tóxicas na mistura
água/esterco é extremamente nociva ao processo uma vez que pode eliminar as
bactérias decompositoras comprometendo o processo de produção do biogás;
252
• pH: o pH também deve ser controlado. Os microorganismos são seres vivos que
necessitam de um meio propício ao seu desenvolvimento. O pH do processo deve
ser mantido entre 6 e 8, podendo ser considerado ótimo de 7 a 7,2. Se o pH estiver
muito ácido as bactérias metanogênicas (que transformam os ácidos orgânicos em
biogás) são eliminadas;
• Relação carbono / nitrogênio: a relação entre a quantidade de carbono e nitrogênio
do substrato é fundamental para haja a formação dos ácidos orgânicos que serão
transformados pelas bactérias metanogênicas em biogás. A proporção ideal está em
torno de 1:30 ou 1:20. Muito mais ou menos do que isso, ocasiona perdas
significativas ao processo de biodigestão.
• Quantidade de água: o biodigestor funciona por carga hidráulica e, portanto,
necessita de certa quantidade de água para funcionar. Por isso, matérias orgânicas
com baixa umidade necessitam de um acréscimo de água (de acordo com o tipo de
matéria) para que se atinja uma relação propícia.
Neste trabalho, optou-se por fazer um detalhamento dos seguintes fatores: tempo de
retenção hidráulica da mistura no biodigestor; tipo de resíduo (esterco suíno); temperatura e
quantidade de água que compõe o substrato.
Outros fatores, não citados acima, também auxiliam na eficiência do processo, como
a obtenção e manejo dos dejetos e o modo de coleta dos mesmos nas instalações dos suínos.
2.2 Tempo de Retenção Hidráulica (TRH) de um biodigestor
Cada tipo de dejeto necessita de um determinado tempo para sua completa
fermentação dentro da câmara de biodigestão. Este período é chamado de tempo de
retenção, e corresponde ao tempo necessário para que toda a carga existente no interior do
biodigestor seja substituída. Assim, conhecendo-se a capacidade e estabelecido o tempo de
retenção do biodigestor, é fácil determinar a quantidade de dejetos diluídos que deve ser
colocada no sistema diariamente. Para isso, basta dividir a capacidade do biodigestor pelo
seu tempo de retenção.
A Equação 1 mostra esse cálculo:
262
CD= CcbTrb (1)
Sendo: CD = Carga diária em litros(L)
Ccb = Capacidade da câmara de biodigestão em m³
Trb = Tempo de retenção do biodigestor em dias
A Tabela 1 mostra a finalidade desejada através do biodigestor com o tempo de
retenção dos dejetos, em dias:
Tabela 1 - Tempo de retenção dos biodigestores de acordo com a finalidade do mesmo.
2.3 Princípio de funcionamento dos biodigestores modelo indiano
Para facilitar o entendimento de como este equipamento funciona, considera-se o
biodigestor com os seguintes dados, ou seja:
− Capacidade da câmara de biodigestão: 10000 litros (10m³);
− Tempo de retenção: 10 dias; e
− Carga diária: 1000 litros (1m³), constituída por dejetos e água.
Após a construção do biodigestor, no 5º dia, este é inicialmente completado (cheio),
no dia seguinte, é colocada no sistema a primeira carga de 1000 litros (ciclo inicial para
produção de biogás), utilizando-se para isso a caixa de carga [LUCAS JÚNIOR; SOUZA;
LOPES, 2003]. Como existe uma diferença de nível entre o fundo dessa caixa e a saída do
tubo de carga, dentro do biodigestor, o material desce rapidamente através deste tubo e se
deposita no interior da câmara de biodigestão. A entrada desse material no biodigestor, faz
com que a mesma quantidade de material, já fermentado, seja deslocada para fora do
mesmo, passando pelo tubo de descarga até alcançar a caixa de descarga, onde permanece
até ser retirado do sistema.
Finalidade Tempo de retenção em diasProdução de biogás 10 a 20
50 e 60
30
Produção de biofertilizante
Produção de biogás e biofertilizante
272
No segundo dia, coloca-se uma nova carga de 1000 litros no interior do biodigestor.
Este novo material resulta na eliminação simultânea de mais 1000 litros de material já
fermentado. Portanto, no segundo dia de operação do sistema, já terá sido renovado uma
carga de 2000 litros dos 10000 litros que havia inicialmente no biodigestor. Além disso,
entre a colocação da primeira carga e da segunda, ocorre uma produção de biogás no
interior da câmara de biodigestão, que se acumula na parte superior, elevando ligeiramente
o gasômetro.
No terceiro dia de operação do sistema, é colocada a terceira carga de 1000 litros
dentro do biodigestor. A entrada desse material provoca a movimentação de uma mesma
quantidade de material já fermentado para fora do mesmo, que permanece na caixa de
descarga até ser retirado do sistema. Após esse momento, daquela carga total (10000 litros)
que havia no biodigestor, restam apenas 7000 litros, ou seja, já foram eliminados do sistema
3000 litros de material fermentado, que são responsáveis pela produção de certa quantidade
de biogás que, por sua vez, desloca ligeiramente o gasômetro.
Este processo se repete até o décimo dia, quando é colocada a última carga de 1000
litros de dejetos diluídos em água, que é responsável pela eliminação dos últimos mil litros
de material fermentado da carga inicial. Portanto, no décimo dia, todo o material que está
inicialmente dentro do biodigestor é substituído. Entre o nono e décimo reabastecimento
ocorre, naturalmente, mais produção de biogás, resultando na elevação do gasômetro. Este
tempo, em dias, gasto para que toda a carga inicial existente no interior do biodigestor seja
substituída, corresponde ao tempo de retenção.
2.4 Obtenção e manejo dos dejetos
O intervalo de tempo entre duas remoções sucessivas dos dejetos depende do tipo de
dejeto, das características das instalações e manejo adotado em cada situação.
A Tabela 2 mostra o tipo de atividade relacionada ao número de dias entre duas
remoções de dejetos:
282
Tabela 2 - Tempo de remoção dos dejetos em cada atividade. (Fonte: Livro “Construção e operação de
biodigestores”).
Quando o biodigestor é do tipo contínuo e a coleta dos dejetos é feita diariamente,
imediatamente após a remoção, eles podem ser utilizados no abastecimento do sistema.
Porém, se a coleta é feita em intervalos de mais de um dia, os dejetos devem ser
armazenados em um depósito apropriado, para serem utilizados diariamente no biodigestor
até a próxima coleta. Entretanto, quando o intervalo entre duas coletas é longo, como no
caso da avicultura de corte, o armazenamento dos dejetos não é necessário e, por isso, deve-
se optar por um biodigestor tipo batelada.
Independentemente de como os dejetos são coletados, eles devem ser diluídos em
água, sendo que a quantidade de água utilizada na diluição é determinada de acordo com o
tipo de dejeto que abastece o biodigestor, conforme apresentada na tabela 3.
A Tabela 3 representa a quantidade de água a ser utilizada de acordo com a origem
do dejeto:
Tabela 3 - Quantidade de água a ser utilizada na diluição de alguns dejetos. (Fonte: Livro “Construção e
operação de biodigestores”).
2.5 Justificativa da atividade escolhida
A atividade escolhida foi a suinocultura, por estes animais produzirem grande quantidade de dejetos diariamente. Como o biodigestor indiano é do tipo contínuo, é
Tipo de atividade
Suinocultura
Avicultura de corte
Número de dias entre duas remoções de dejetos
Diariamente; de dois em dois dias ou a cada três
Bovinocultura (currais com gado de corte ou de leite)
Diariamente; de dois em dois dias ou a cada três, ou a cada sete dias
A cada 60 dias, que coincide com a época em que os galpões são preparados para receber nova remessa de pintinhos
Tipo de dejeto Diluição
Suínos
Bovinos
Aves
Uma parte de dejetos e duas de água
Quatro partes de dejetos e cinco de água
Uma parte de dejetos e três de água
292
necessária uma produção diária de dejetos para que seja gerada quantidade suficiente de biogás.
É bom observar que no caso dos suínos o tempo de retenção dos dejetos varia entre 22 e 30 dias.
2.6 Coleta dos dejetos nas instalações dos Suínos
Cada tipo de instalação de suínos requer um manejo diferenciado, visando eficiência
e menor tempo de remoção. São elas:
a) Coleta dos dejetos em instalações de suínos: no que se refere à coleta e ao manejo
dos dejetos mais utilizados no abastecimento de biodigestores, os de suínos
representam o sistema mais complexo. Uma suinocultura bem planejada e de
funcionamento eficiente deve possuir cinco unidades de produção, que são as
seguintes:
b) Galpão de reprodução: formado por várias baias, destinadas a manter porcas e
cachaços acasalados para haver cobertura;
c) Galpão de gestação: Reservado às porcas prenhas, que ficam abrigadas em gaiolas
individuais, assim que são retiradas das baias de reprodução;
d) Galpão de maternidade: Formado por várias baias, destinadas a receber as porcas
quando saem do galpão de gestação juntamente com os leitões, até que os mesmos
atinjam cinco quilos cada;
e) Galpão de creche: Formado por várias baias, que são destinadas a receber os leitões
assim que saem do galpão de maternidades, ou seja, após a desmama, que se dá
quando estes animais atingem, em média, 5 kg cada. Estes leitões devem permanecer
na creche até alcançarem um peso de aproximadamente 25 kg cada;
f) Galpão de terminação: Formado por baias, que recebem os suínos com
aproximadamente 25 kg cada, os quais permanecem até o momento do abate, ou
seja, quando cada animal alcançar 100 kg, em média.
Nos galpões de reprodução, de gestação, da maternidade e da creche, existem em
cada um deles dois fossos abaixo do nível do solo, sendo um de cada lado. Cada fosso deve
ser coberto por grades de madeira ou vigas de concreto, servindo na coleta de dejetos.
Nesse sistema, é preciso saber o volume de água, que deve ser igual à quantidade de
água recomendada para fazer a diluição correta dos dejetos, sendo que no caso de suínos,
303
deve-se utilizar duas partes de água para cada parte de dejeto que é diluída. Portanto, para se
determinar esse volume de água, torna-se necessário conhecer, primeiramente, a quantidade
de dejetos produzida em cada galpão da instalação.
A Tabela 4 apresenta as quantidades médias de dejetos, considerando-se as fezes e a
urina produzidas diariamente por cada animal, em cada galpão de uma suinocultura:
Tabela 4 - Produção média de dejetos (fezes e urina) obtidos diariamente por cada animal, em cada galpão de suinocultura. (Fonte: Livro “Construção e operação de biodigestores”).
Assim, para determinar a quantidade de dejetos que é produzida diariamente em
cada galpão, basta multiplicar o número de animais que existe em cada um deles pelo
correspondente valor da Tabela 4.
2.7 Biogás e Biofertilizante
Depois de colocado no interior dos biodigestores, os dejetos diluídos em água
sofrem o processo de biodigestão, produzindo o biogás e o biofertilizante.
O biogás é um produto que pode ser utilizado no funcionamento de diversos
equipamentos das propriedades rurais que não possuem energia elétrica ou mesmo como
fonte de energia alternativa. O biofertilizante, por sua vez, pode ser aproveitado como
fertilizante natural para realizar adubações das lavouras, pois se trata de um produto de
excelente qualidade que, quando utilizado corretamente, praticamente não polui o ambiente,
além de possuir características minerais adequadas para ao desenvolvimento das plantas.
2.7.1 Constituintes do biogás
Durante o processo de biodigestão que ocorre no interior do gasômetro, são
produzidos, em diferentes proporções, vários gases que constituem o biogás.
Unidade de produção
Galpão de reprodução
Galpão de gestação 11kg de dejetos/porcaGalpão de maternidade 18kg de dejetos/porca com oito leitões cadaGalpão de creche 0,95 kg de dejeto/leitão
Galpão de terminação 4,9 kg de dejetos/animal
Quantidade média de dejetos produzida diariamente por animal
10,9kg de dejetos, sendo 4,9kg/porca e 6,0 kg/cachaço
313
A Tabela 5 mostra a porcentagem respectiva de cada elemento constituinte do
biogás:
Tabela 5 - Constituição do Biogás. (Fonte: livro “ Construção e Operação de Biodigestores”).
Dos componentes que representam a maior porção do biogás, apenas o metanol
combustível, é incolor e sem cheiro. Assim, em termos energéticos, quanto maior é o
percentual do metano, melhor é a qualidade do mesmo que, quando queimado, produz fogo
azul-lilás, não deixa fuligem e causa o mínimo de poluição.
2.7.2 Etapas do processo de digestão anaeróbia em biodigestor
A partir do material orgânico, tem-se a produção do biogás. Mas isso não ocorre de
forma tão simples. É necessário que sejam cumpridas etapas químicas para se chegar no
metano, que será utilizado para vários fins.
O processo, chamado biometanação, envolve a conversão anaeróbica de biomassa
em metano [Biodiesel, 2009].
A decomposição biológica da matéria orgânica compreende quatro fases: hidrólise,
acidogênese, acetogênese e metanogênese [SEIXAS, 1980]. Cada uma delas é detalhada
abaixo:
• Hidrólise: ocorre a liberação, pelas bactérias, no meio anaeróbico, de enzimas
extracelulares, que causam a hidrólise das partículas orgânicas, transformando as
moléculas em moléculas menores e solúveis ao meio.
• Acidogênese: como o próprio nome indica, nesta fase as bactérias produtoras de
ácidos degradam moléculas de proteínas, gorduras e carboidratos em ácidos
orgânicos (como ácido láctico e butílico), álcool, como o etanol, e gases, como
amônia, hidrogênio e dióxido de carbono, entre outros.
Constituintes do biogás Quantidade em %
Metano 55 a 65Gás Carbônico 35 a 45
Nitrogênio, HidrogênioRestante
Oxigênio e Gás Sulfídrico
323
• Acetogênese: Nesta etapa, as bactérias acetogênicas são responsáveis pela
decomposição dos produtos da acidogênese. Os principais produtos deste processo
são o acetato, o hidrogênio e o dióxido de carbono.
• Metanogênese: As bactérias metanogênicas concretizam a fase final do processo,
convertendo o ácido acético, o hidrogênio e o dióxido de carbono em metano. Estas
bactérias podem ainda usar como substrato o metanol e outros compostos.
A conversão do complexo orgânico requer uma mistura de espécies bacterianas, as
quais podem depender de cada uma para seu crescimento e ocorrer, pela seqüência das
quatro reações explicitadas acima. Um esquema simplificado representando as etapas
metabólicas é mostrado na figura 6.
Dependendo da temperatura que o processo acontece, o tratamento de resíduos
orgânicos é basicamente de três tipos. A biometanação com temperatura entre 45 – 60°C é
considerada termofílica. A que ocorre entre as temperaturas de 20 – 45°C é a mesofílica. A
digestão anaeróbia de matéria orgânica em baixas temperaturas (>20°C) é referida como
digestão psicrofílica.
A conversão anaeróbica produz quantidade relativamente pequena de energia para os
microorganismos, por isso, as suas velocidades de crescimento são pequenas e apenas uma
pequena porção do resíduo é convertida em nova biomassa celular.
Figura 6 - Etapas metabólicas do processo de digestão anaeróbia em biodigestor.
333
O tratamento de dejetos por digestão anaeróbia possui várias vantagens, tais como:
destruição de organismos patogênicos e parasitas; o metano pode ser usado como uma fonte
de energia; produção de baixa biomassa determinando menor volume de dejetos e menor
custo; capacidade de estabilizar grande volumes de dejetos orgânicos diluídos a baixo custo.
2.7.3 Purificação do Biogás
O objetivo da purificação do biogás é eliminar as substâncias não combustíveis
presente no mesmo, aumentar o poder calorífico, remover substâncias que causam corrosão
nos motores e componentes metálicos, e evitar a contaminação da atmosfera.
Existem diferentes alternativas de purificação aplicáveis ao biogás, devendo ser
definida a mais adequada para a aplicação energética que se pretende.
A umidade, o gás carbônico (CO2) e o gás sulfídrico (H2S) são elementos que
devem ser retirados do biogás. Como o gás carbônico tem caráter ácido pode ser absorvido
em solução alcalinas de hidróxido de cálcio ou hidróxido de sódio. Está reação forma
carbonatos e bicarbonatos, evita a emissão de CO2 para atmosfera [NOGUEIRA, 1986].
O gás sulfídrico (H2S) tem um odor desagradável e causa danos ao meio ambiente.
A queima do biogás como combustível sem remoção de H2S leva à formação de dióxido de
enxofre (SO2), poluente tóxico que em altas concentrações na atmosfera provoca chuva
ácida.
Abaixo, são sugeridas formas para purificação do biogás, com a remoção de H2S e
CO2.
Retirada de H2S por meio químico: consiste basicamente em aplicar o fluxo do gás a
ser purificado em um leito de palha de aço oxidada (ou limalha de ferro), constituída de
óxido de ferro (Fe2O3), finamente dividida [HORIKAWA, 2004].
Retirada de CO2 por dissolução em água: consiste basicamente em por a água e o
gás a ser purificado em contra corrente em um sistema composto de uma coluna recheada
que promova um intimo contato entre as fases. Nesse sistema ocorre a dissolução do CO2
em água e a formação de acido carbônico.
Portanto, não basta utilizar o biodigestor simplesmente gerando o biogás, deve-se
preocupar também com a purificação do mesmo, preservando o meio ambiente.
343
2.7.4 Formas de utilização do biogás
O biogás produzido pode ser utilizado de diversas maneiras. Porém, ele precisa ser
conduzido de forma adequada até os pontos de consumo.
a) Rede de distribuição do biogás: a distribuição do biogás se dá em duas etapas
distintas: do gasômetro ao centro de distribuição; e deste até os pontos de uso do
biogás.
No caso de Biodigestores indianos que possuem gasômetro móvel, a conexão entre a
tomada de saída de biogás até o centro de distribuição de gás deve ser feito com mangueiras
flexíveis de plástico que permitem acompanhar o deslocamento do gasômetro.
A Figura 7 mostra como é feita a conexão dos gasômetros com a central de biogás:
Figura 7 - Conexão dos gasômetros com a central de biogás feita com mangueiras flexíveis.
Do centro de distribuição até os pontos de consumo, o biogás pode ser conduzido em
tubulações de cobre, de ferro galvanizado ou PVC rígido de 3/4”, que podem ser enterradas
ou embutidas nas paredes das edificações. Próximo de cada ponto de consumo, devem ser
instalados registros de controle que, quando abertos, permitem a passagem do biogás e,
quando fechados, interrompem a entrada do mesmo até o ponto de consumo.
b) Formas de uso do biogás: As formas mais comuns de utilização do biogás são as
seguintes:
353
• Em fogões a gás, substituindo o GLP, ou a lenha, sendo necessário apenas adaptar os
injetores de gás que, nesse caso, devem ser mais compridos e possuírem diâmetros
maiores. Exemplificado conforme a Figura 8:
Figura 8 - Utilização do biogás em fogões.
• Em lampiões, utilizados na iluminação de ambientes. Exemplificado conforme a Figura 9:
Figura 9 - Utilização do biogás em lampiões.
363
• No aquecimento de água, utilizada para banhos. Exemplificado conforme a Figura 10:
Figura 10 - Utilização do biogás no aquecimento de água.
• Em campânulas, utilizadas no aquecimento de pintinhos nas granjas. Exemplificado conforme a Figura 11:
Figura 11 - Utilização de biogás no aquecimento de pintinhos nas granjas.
373
• No acionamento de geladeiras, adaptando os equipamentos para funcionamento a gás. Exemplificado conforme a Figura 12:
Figura 12 - Utilização de biogás no acionamento de geladeiras.
• No acionamento de motores, a gasolina, álcool ou diesel, desde que devidamente
adaptado para biogás. Exemplificado conforme a Figura 13:
Figura 13- Utilização de biogás no acionamento de motores a combustão.
383
• No acionamento de geradores, a gasolina, álcool ou diesel, que podem ser utilizados
no fornecimento de cargas elétricas, que são utilizadas no acionamento de
equipamentos elétricos, em corrente alternada, a 110 ou 220 volts. Exemplificado
conforme a Figura 14:
Figura 14 - Utilização de biogás no acionamento de geradores. Outra forma de utilização do biogás se dá através da geração de Créditos de
Carbono, que merece destaque, sendo tratada de forma específica no tópico seguinte.
2.7.5 Crédito de Carbono e Biodigestores
Entre as principais atividades de projetos de Mecanismos de Desenvolvimento
Limpo (MDL) realizadas no Brasil estão: co-geração de energia com biomassa; tratamento
de Resíduos Sólidos Urbanos e aproveitamento de biogás em aterros sanitários; substituição
de combustíveis e/ou aumento da eficiência energética em processos industriais; instalação
de biodigestores para captação de metano em granjas de confinamento (particularmente
suinocultura); implantação de pequenas centrais hidrelétricas (PCHs); e os projetos de
reflorestamento. (CENAMO, 2004).
O setor agrícola que tem se destacado no contexto do MDL é o tratamento de dejetos
suínos em biodigestores e a captação do biogás produzido para geração de energia. No
processo usual das granjas suínas, os dejetos são descartados diretamente no meio ambiente
ou em lagoas de captação, não havendo qualquer controle das emissões de gases resultantes
do processo de decomposição. Entretanto, o metano emitido (CH4) tem um forte “potencial
393
de aquecimento global”, 21 vezes maior que o dióxido de carbono (CO2). Com a instalação
dos biodigestores, capta-se o biogás rico em metano e, através da queima na geração de
energia, passa a se emitir apenas dióxido de carbono, resultando em benefícios ao meio
ambiente e energia a custo zero para o produtor, redução das emissões de Gases do Efeito
Estufa (GEEs) para a atmosfera e em receita com venda de créditos de carbono para os
potenciais investidores.
Através do estudo da propensão da obtenção de créditos de carbono e geração de
energia com uso de biodigestores no tratamento de dejetos suínos concluiu que, apesar de as
etapas de validação de um projeto de Mecanismo de Desenvolvimento Limpo ser um
processo complexo e oneroso, toda a tecnologia e conhecimento que se faça necessário para
elaboração e conclusão de um projeto estão disponíveis no Brasil.
No entanto, é interessante observar que os biodigestores não resolvem totalmente a
questão ambiental que envolve os dejetos animais. O biodigestor também gera um resíduo,
após a produção do gás, que não pode ser lançado diretamente num rio, por exemplo.
Vale dizer também que, antes da construção do biodigestor, é necessário que se
defina claramente como o gás será utilizado na propriedade. Para tanto, o acompanhamento
técnico é indispensável.
Em Anexo, tem-se um exemplo da aplicação de Biodigestores utilizados na geração
de créditos de carbono.
2.7.6 Uso de Biofertilizante
A parte do material que se encontra no interior da câmara de biodigestão e que já foi
biodigerida, é deslocada para a caixa de descarga no momento que o sistema é reabastecido
com nova carga e, posteriormente, é retirada para fora do biodigestor. Esse material é
chamado biofertilizante [LUCAS JÚNIOR; SOUZA; LOPES, 2003].Se trata de um produto
rico em matéria orgânica, bioestabilizado, que possui todos os nutrientes que os dejetos têm
antes da biodigestão, uma vez que as perdas que ocorrem durante o processo são mínimas.
Além disso, o biofertilizante apresenta as seguintes vantagens:
• Não compete com as plantas;
• Os nutrientes são mais disponíveis, portanto, são absorvidos mais facilmente pelas
plantas;
• Não é tão poluente como os demais;
404
• Não possui o cheiro desagradável e característico que os dejetos possuem antes da
biodigestão.
Portanto, trata-se de um material natural com características bem adequadas para ser
aplicado nas lavouras (cafezais, canaviais, cultivos de feijão, entre outros), em substituição
aos químicos que poluem o ambiente e deixam resíduos tóxicos nos alimentos, podendo
causar danos à saúde do homem. Além disso, tem característica de não atrair moscas às
plantas e de ser livre de microrganismos patogênicos causadores de doenças nas mesmas.
2.8 Conclusão
É possível notar que a construção e a operação do Biodigestor tipo Indiano é
razoavelmente simples. Seus componentes não requerem sofisticadas manutenções.
O tempo de retenção dos dejetos dentro da câmara de fermentação é relativamente
curto.
O ciclo de reposição dos mesmos ocorre de maneira gradual.
A obtenção e o manejo deles não acarretam em trabalho dispendioso para o
produtor.
A quantidade de gás metano gerada é suficiente para suprir o consumo da
propriedade rural.
O biofertilizante gerado auxilia no crescimento das lavouras e na diminuição da
utilização de agrotóxicos.
Todos esses fatores tornam o Biodigestor Indiano um modelo bastante eficaz a ser
utilizado pelo produtor rural, assim como na simulação proposta por este trabalho.
414
CAPÍTULO 03
DIMENSIONAMENTO DOS BIODIGESTORES
3.1 Dimensionamento dos Biodigestores
O volume de biogás produzido por um biodigestor depende de seu tamanho, ou seja,
das dimensões da câmara de biodigestão. Assim, para obter-se a quantidade de biogás
suficiente para atender às principais fontes de consumo, é importante dimensioná-lo. O
poder calorífico do biogás pode ser mais facilmente compreendido quando comparado com
outras fontes de energia.
A Tabela 6 detalha a relação de equivalência entre o biogás e outros combustíveis:
Tabela 6 - Relação de equivalência energética entre 1 m³ de biogás e outros combustíveis. (Fonte: livro
“Construção e Operação de Biodigestores”).
3.2 Dimensionamento do modelo de Biodigestor Indiano
O primeiro passo é conhecer a quantidade média de biogás necessária para atender
às fontes de consumo de interesse.
A Tabela 7 mostra o consumo de biogás por equipamentos distintos:
Volume de biogás Equivale a
1 m³ de biogás
1,8 kg de lenha seca910 mL de álcool610 mL de gasolina570 mL de querosene550 mL de óleo diesel450 de gás GLP
424
Tabela 7 - Consumo médio de biogás em cada equipamento. (Fonte: livro “ Construção e Operação de
Biodigestores”).
A partir dessas informações, pode-se determinar a quantidade média de biogás
necessária para atender às fontes de consumo. Porém, é preciso saber o quanto de dejeto
deve ser utilizado para produzir a quantidade de biogás necessária. Para isso, basta saber
quanto é necessário de cada dejeto para produzir 1m³ de biogás, conforme mostrado na
Tabela 8:
Tabela 8 - Quantidades de dejetos necessária para produzir 1 m³ de biogás. (Fonte: Livro “Construção e
operação de biodigestores”).
Assim, conhecendo-se quantos m³ de biogás são necessários diariamente e o seu
potencial de produção, determina-se quantos quilogramas de dejetos são utilizados
diariamente no biodigestor.
3.2.1 Estimativa do volume útil do biodigestor
Estimar o volume útil de um biodigestor significa determinar o volume interno da
câmara de biodigestão sem considerar o volume da parede divisória. Para isso, deve-se levar
em conta a demanda diária de biogás, o potencial dos dejetos utilizados e a carga diária
necessária, considerando-se uma diluição em água para se atingir 8% de sólidos totais. O
Fontes de consumo Consumo médio de biogásFogões 0,42 m³ de biogás/dia/pessoa
Acionamento de geladeira 2,1 m³ de biogás/diaIluminação 0,08 m³ de biogás/lampião/hora de funcionamento
Aquecimento de água para banho 0,20 m³/banhoAquecimento de pintinhos 0,22 m³ de biogás/campânula/ por hora de funcionamentoAcionamento de motores 0,45 m³ de biogás/ HP de potência/hora de funcionamento
Tipo de dejeto
Suínos 11,30 kg
Bovinos de corte 28,60 kg
Aves de postura 8,350 kg
Quantidades média de dejetos/m³ de biogás
434
volume bruto da biodigestão, considerando-se o volume da parede divisória, deve ser
determinado aumentando-se em 10% o volume útil estimado.
3.2.2 Estimativa das seguintes dimensões do biodigestor
Existem medidas que devem ser dimensionadas para que o sistema funcione da
melhor maneira possível, são elas:
a) Altura total, desde a superfície do solo até o fundo da câmara de biodigestão;
b) Diâmetro interno da parte inferior da câmara de biodigestão;
c) Diâmetro do gasômetro;
d) Altura útil do gasômetro;
A Tabela 9 mostra as dimensões da câmara de biodigestão e do gasômetro,
conhecendo-se o volume bruto do biodigestor:
Tabela 9 - Dimensões do Biodigestor. (Fonte: livro “ Construção e Operação de Biodigestores”).
3.2.3 Dimensões da parede divisória da câmara de fermentação
Essa parede, que existe no centro do biodigestor, deve possuir espessura em torno de
20 cm.
Volume bruto(m³)
Câmara de biodigestão Gasômetro
Altura (m) Diâmetro(m)
3,5 2 1,5 0,87 1,67 2,8 1,8 1,23 1,9
10,5 3,1 2,1 1,38 2,214 3,4 2,3 1,55 2,417,5 3,6 2,5 1,65 2,621 4 2,6 1,83 2,724,5 4,3 2,7 1,99 2,828 4,3 2,9 1,98 331,5 4,5 3 2,09 3,135 4,7 3,1 2,18 3,238,5 4,8 3,2 2,25 3,342 5 3,3 2,31 3,4
altura total(m)
Diâmetro interno inferior
(m)
444
3.2.4 Dimensões das caixas de carga e descarga
Cada uma dessas caixas deve ter uma capacidade 15% maior que a carga diária do
biodigestor. Portanto, seus volumes são obtidos dividindo-se o volume do biodigestor pelo
seu tempo de retenção. Conforme mostra a Equação 2:
Vc= VbbTr
× 1,15(2)
Sendo:
Vc – Volume das caixas em m³/dia;
Vbb – Volume bruto do biodigestor em m³;
Tr – Tempo de retenção em dia;
As dimensões dos lados das caixas de carga e descarga são obtidas em função de
seus volumes e de suas alturas, assim como mostra a Equação 3:
caixas das caixas das Volume
caixas das laterais das Altura
Medidas = (3)
3.3 Biodigestor utilizado na simulação
Utilizando-se todos os parâmetros mencionados anteriormente, simula-se a construção
do biodigestor tipo indiano, biodigestor de produção contínua e baseada na atividade de
suinocultura em propriedades de pequeno porte.
Para suinoculturas de grande porte, é mais comum encontrar o biodigestor tipo
tubular.
3.3.1 O Consumo e a propriedade rural dimensionada para a simulação
Supõe-se uma propriedade rural que tem uma criação composta por 60 suínos, 30
porcas e 30 cachaços em galpão de reprodução. São produzidos, em média, 330 kg de
dejetos diariamente, seguindo a tabela 4.
10,9 kg de dejetos, sendo 4,9 kg/porca e 6,0 kg/cachaço
454
10,9 kg * 30 (uma porca e um cachaço) ≈ 330 kg de dejetos diários
Para produção de 1 m³ de biogás são necessários 11,30 kg de dejetos (conforme a
tabela 8), com 330 kg de dejetos obtemos aproximadamente 29,2 m³ de biogás.
11,30 kg de dejetos → 1 m³ de biogás
330 kg de dejetos → X
X = 330/11,30 = 29,2 m³ de biogás
Esta mesma propriedade possui 6 moradores, com os seguintes equipamentos:
• 1 fogão que consome 0,42 m³ de biogás/dia/pessoa (conforme a tabela 7), no total
2,52 m³ de biogás consumidos/dia (0,42 m³ * 6 pessoas = 2,52 m³);
• 2 geladeiras que consomem 4,2 m³ de biogás/dia (conforme a tabela 7)( 2,1 m³ * 2
geladeiras = 4,20 m³);
• 20 lampiões que consomem 1,60 m³ de biogás/dia (conforme a tabela 7)( 0,08 m³ *
20 lampiões = 1,60 m³);
• 6 banhos que consomem em torno de 1,2 m³ de biogás/dia (conforme a tabela 7)
(0,20 m³ * 6 banhos = 1,20 m³);
• 2 motobombas de 4 hp funcionando 4 h/dia, consumindo 7,2 m³ de biogás/dia
(conforme a tabela 7) (2 motobombas *4 hp* 4h/dia* 0,45 m³ = 14,40 m³);
Consumo estimado diariamente de biogás, será de:
2,52 m³ + 4,20 m³ + 1,60 m³ + 1,2 m³ + 14,40 m³ = 23,92 m³ de biogás consumidos
diariamente.
Esta propriedade produz 29,2 m³ diários de biogás, sendo seu consumo em torno de
23,92 m³, sobram ainda 5,28 m³ para outros fins.
3.3.2 Estimativa das dimensões do biodigestor
a) Volume útil do biodigestor, representado pela Equação 4:
1 kg de dejeto de suínos → 2 litros de água
330 kg de dejetos de suínos → Y
⇒=kg
litroskgY
12*330
Y = 660 litros de água (4)
464
Portanto, a carga diária de abastecimento do biodigestor deve ser de 990 kg de
diluição (330 kg de dejetos + 660 litros de água = 990 kg de diluição).
O volume útil do biodigestor é determinado pelo desenvolvimento da Equação 5:
⇒×= 1000rbiodigesto do retenção de Tempo
rbiodigesto do útil Volume diária argaC (5)
⇒×
=1000
rbiodigesto do retenção de Tempo diária Carga r biodigesto do útil Volume
⇒×
=1000
dias 30 diluição de kg 990 r biodigesto do útil Volume
Volume útil do biodigestor = 29,7 m³
O volume bruto do biodigestor, considerando o volume da parede divisória, é
determinado aumentando-se em 10% o volume útil estimado, sendo:
Volume bruto = 29,7 m³ x 1,10 → Volume bruto = 32,97 m³ ≈ 33 m³
Existem outras medidas que devem ser dinensionadas, são elas:
b) Estimativa das seguintes dimensões do biodigestor:
• Altura total, desde a superfície do solo até o fundo da câmara de biodigestão;
• Diâmetro interno da parte inferior da câmara de biodigestão;
• Diâmetro do gasômetro;
• Altura útil do gasômetro;
A Figura 15 mostra as dimensões estimadas para o biodigestor:
Figura 15 - Dimensões do biodigestor
474
Conhecendo-se o volume bruto do biodigestor, essas dimensões podem ser definidas
a partir da tabela 9.
Portanto, para produzir 33m³ de biogás, o biodigestor deve ter um volume bruto de
35,0 m³, sendo construído com as seguintes dimensões:
§ Altura da câmara de biodigestão = 4,7 m
§ Diâmetro interno da câmara de biodigestão = 3,1 m
§ Altura do Gasômetro = 2,18 m
§ Diâmetro do Gasômetro = 3,2 m
As extremidades inferiores dos tubos de carga e descarga devem ser acopladas à
câmara de biodigestão, a uma altura de 30 cm acima do fundo do biodigestor.
A Figura 16 mostra a diferença de altura existente entre o fundo do biodigestor e a
parte inferior da boca dos tubos de carga e descarga:
Figura 16 - Altura entre o fundo do biodigestor e a parte inferior da boca dos tubos de carga e descarga.
Com os tubos instalados a esta altura do fundo, as impurezas mais pesadas presentes
nos dejetos (areia, pedras, etc.) ficam retidas no fundo do biodigestor, sem afetar seu
funcionamento.
c) Dimensões da coluna que serve de apoio ao gasômetro:
Essa coluna serve de apoio ao gasômetro e, para isso, deve ter 25 cm de lados e
altura igual aquela a partir da qual o diâmetro da câmara de fermentação aumenta. No centro
desta coluna, deve ser fixado um tubo de ferro galvanizado, com 2,5 polegadas de diâmetro
e comprimento igual à altura do gasômetro mais 10%, tendo-se o cuidado de mantê-lo
aprumado.
484
Sendo a altura do gasômetro de 2,18 m, o tubo de fero é fixado no centro da coluna
de concreto, sendo de 2,40 m (2,18 * 1,10 = 2,40 m).
d) Dimensões da parede divisória da câmara de fermentação:
Essa parede que existe no centro do biodigestor deve possuir espessura em torno de 20
cm.
e) Dimensões das caixas de carga e descarga:
Cada uma dessas caixas deve ter uma capacidade 15% maior que a carga diária do
biodigestor. Portanto, seus volumes são obtidos dividindo-se o volume do biodigestor pelo
seu tempo de retenção, o resultado deve ser multiplicado por 1,15.
A Equação 6 mostra o desenvolvimento do cálculo feito para se chegar ao volume
das caixas de carga e descarga:
34,1caixas das Volume1,151,17 caixas das Volume
15,1dias 30m³ 35
caixas das Volume
15,1retenção de Tempo
rbiodigesto do bruto Volume caixas das Volume
=⇒×=
⇒×=
⇒×=
(6)
A parte interna do fundo da caixa de carga deve ser construída a 60 cm acima do
solo e, como é recomendável que a sua altura total seja de 1,20 m, a altura interna também é
de 60 cm.
Quanto à caixa de descarga, deve ser construída com a parte interna do fundo no
mesmo nível do solo e a altura interna desta caixa também deve ser de 60 cm.
As dimensões dos lados das caixas de carga e descarga são obtidas em função de
seus volumes e de suas alturas. A Equação 7 mostra tais cálculos:
m 1,50 caixas das laterais das Medidas
2,233 caixas das laterais das Medidas
0,6mm³ 1,34
caixas das laterais das Medidas
:serão caixas das laterais medidas as Assimcaixas das Alturacaixas das Volume
caixas das laterais das Medidas
=
=
=
=
(7)
494
3.4 Conclusão
Todas definições e cálculos utilizados no dimensionamento do biodigestor, servem
de base para a implementação do processo físico, avaliando parâmetros como o volume da
caixa de carga, a altura da câmara de fermentação e o diâmetro do gasômetro. Medidas
essas que se relacionam com os animais utilizados na propriedade e com a geração da
quantidade de biogás a ser consumida na mesma.
Os dados obtidos sugerem o desempenho da produção do gás metano de acordo com
as dimensões que foram estipuladas.
Uma futura construção do biodigestor pode chegar a resultados não exatamente
iguais aos encontrados neste trabalho, devido ao surgimento de imprevistos e situações que
somente se apresentam durante a realização prática de um projeto. Mas, com certeza, tais
resultados se aproximarão bastante do que foi estudado e simulado.
505
CAPÍTULO 04
MONITORAMENTO DO BIODIGESTOR
4.1 Análise do Biodigestor
Para se efetuar um monitoramento, qualquer que seja, necessita-se realizar medições,
comparações sob os diversos elementos que constituem a máquina ou processo em questão,
para que ele seja capaz de trabalhar sem prejuízos ao seu processo.
Para o monitoramento do biodigestor, é necessário primeiro analisar o que é
importante no seu processo de funcionamento, as variáveis em questão: tempo, temperatura,
pressão e vazão; como é feita essa supervisão; quais sistemas existentes podem auxiliar esse
processo e que resultados surgem com a finalização do projeto.
4.2 Instrumentação do biodigestor
Instrumentação é a ciência que aplica e desenvolve técnicas de medição, indicação,
registro e controle de processos de fabricação. O uso de instrumentos em processos visa,
além da otimização na eficiência destes processos, a obtenção de um produto de melhor
qualidade com menor custo, menor tempo e com quantidade reduzida de mão de obra.
A utilização de instrumentos permite:
• Incrementar e controlar a qualidade do produto;
• Aumentar a produção e o rendimento;
• Obter e fornecer dados seguros da matéria-prima e da quantidade produzida, além de
ter em mãos dados relativos à economia dos processos.
515
4.3 O Processo
Na ciência do controle automático, um processo denota uma operação ou uma série
de operações sobre materiais sólidos ou fluidos, de modo a conseguir que estes materiais
sejam colocados em um estado de utilização mais conveniente. Os estados físicos e
químicos desses materiais não são alterados.
Normalmente existem várias condições internas e externas que afetam o
desempenho de um processo. Estas condições são denominadas de variáveis de processo,
tais como: temperatura, pressão, nível, vazão, volume, ph etc. O processo pode ser
controlado medindo-se a variável que representa o estado desejado e ajustado
automaticamente as outras variáveis, de maneira que se consiga um valor desejado para a
variável controlada. As condições ambientes devem sempre ser incluídas na relação de
variáveis do processo.
4.3.1 Variáveis do processo
n Variável controlada: A variável controlada de um processo, denominado variável
de processo (PV), é aquela que mais diretamente indica a forma ou o estado
desejado do produto. Considera-se, por exemplo, um sistema de aquecimento de
água. A finalidade do sistema é fornecer uma determinada vazão de água aquecida.
A variável mais indicativa desse objetivo é a temperatura da água de saída do
aquecedor, que deve ser então a variável controlada.
n Meio controlado: É a energia ou material no qual a variável é controlada. No
sistema de aquecimento de água, o meio controlado é a água na saída do processo,
onde a variável controlada, temperatura, representa uma característica da água.
n Variável manipulada: A variável manipulada do processo é aquela sobre a qual o
controlador automático atua, no sentido de se manter a variável no valor desejado. A
variável manipulada pode ser qualquer variável do processo que causa uma variação
rápida na variável controlada e que seja fácil de manipular.
525
4.3.2 Malha de controle
Quando se fala em regulação (ou controle), deve-se necessariamente subentender
uma medição (de uma variável qualquer do processo), isto é, a informação que o regulador
recebe. Recebida essa informação, o sistema regulador compara com um valor pré-
estabelecido (chamado SET POINT), verifica-se a diferença entre ambos e age de maneira a
diminuir ao máximo essa diferença. Esta sequência de operações: medir a variável –
comparar com valor pré-determinado – atuar no sistema de modo a minimizar a diferença
entre a medida e o set point, é denominada malha de controle. Uma malha de controle pode
ser aberta ou fechada.
n Malha aberta: Na malha aberta, a informação sobre a variável controlada não é
usada para ajustar qualquer entrada do sistema para compensar variações nas variáveis do
processo.
n Malha fechada: Na malha fechada, a informação sobre a variável controlada com a
respectiva comparação com o valor desejado, é usada para manipular uma ou mais variáveis
do processo.
4.3.3 Elementos de controle
De um modo geral, os elementos de controle são divididos em dois grupos: [SMAR,
2009]
n De campo:
a) Elementos primários: São dispositivos que detectam alterações na variável de
processo.
b) Transmissor: Instrumento que mede uma determinada variável e a envia a distância
para um instrumento receptor, normalmente localizado no painel. O elemento
primário pode ser ou não parte integrante do transmissor.
c) Elemento final de controle (E.F.C.): Dispositivo que atua e modifica diretamente o
valor da variável manipulada de uma malha de controle.
n De painel:
535
a) Indicador: Instrumento que nos fornece uma indicação visual da situação das
variáveis no processo. Um indicador pode-se apresentar na forma analógica ou
digital.
b) Registrador: Registrador é o mecanismo, circuito ou dispositivo que efetua o
registro de um dado ou um evento, através do traço contínuo, pontos de um gráfico,
entre outros.
c) Conversor: Instrumento que recebe uma informação na forma de um sinal, altera a
informação e o emite com um sinal de saída. O conversor é também conhecido como
transdutor. Todavia o transdutor é um termo genérico cujo emprego específico para
a conversão de sinal não é recomendada.
d) Controlador: Instrumento que tem um sinal de saída que pode ser variado para
manter a variável de processo (pressão, temperatura, vazão, nível, entre outros.)
dentro do SET POINT estabelecido ou para alterá-la de um valor previamente
determinado. Pode ser dividido em:
l Analógicos: Possuem construção de tecnologia analógica, pneumática ou eletrônica.
l Digitais: Possuem construção de tecnologia digital, podendo ser do tipo single-loop
ou multi-loop;
• Single-loop: Entende-se por single-loop um controlador, controlando apenas
uma malha de determinada variável (pressão, temperatura, nível, vazão, etc.).
• Multi-loop: Entende-se como um controlador, controlando várias variáveis. Isto
significa que, com apenas um controlador podemos controlar, simultaneamente,
uma malha de pressão, uma malha de temperatura, uma malha de pH, etc.
e) SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído): É um conjunto integrado de
dispositivos que se complementam no cumprimento das suas funções, utilizando
técnicas de processamento digital (discreto), visando manter o comportamento de
um dado processo dentro do pré-estabelecido. Possui descentralização dos dados, do
processamento e das decisões (estações remotas). Além de oferecer um IHM
(interface homem máquina) de grande resolução, permite o interfaceamento com
CLP (controlador lógico programável), equipamentos inteligentes (Comunicação
Digital – HART) e sistemas em rede.
545
4.4 Variáveis de processo – Temperatura
O objetivo de medir e controlar as diversas variáveis físicas de um processo
industrial é obter produtos de alta qualidade, com melhores condições de rendimento e
segurança, a custos compatíveis com as necessidades do mercado consumidor.
Nos diversos segmentos de mercado, sejam eles químico, petroquímico, siderúrgico,
cerâmico, farmacêutico, vidreiro, alimentício, papel e celulose, hidrelétrico, nuclear entre
outros, a monitoração da variável temperatura é fundamental para obtenção do produto final
especificado.
Termometria significa medição de temperatura [SMAR, 2009]. Eventualmente, o
termo Pirometria é também aplicado com o mesmo significado, porém, baseando-se na
etimologia das palavras, pode-se definir:
• Pirometria: Medição de altas temperaturas, na faixa onde os efeitos de radiação
térmica passam a se manifestar;
• Criometria: Medição de baixas temperaturas, ou seja, aquelas próximas ao zero
absoluto de temperatura;
• Termometria: Termo mais abrangente que inclui tanto a pirometria como a
Criometria, que são casos particulares de medição.
4.4.1 Medidores de temperatura
Os instrumentos de medição de temperatura dividem-se em duas classes :
a) Instrumentos nos quais o elemento de medição está em contato com o corpo cuja
temperatura se quer medir (transferência de calor por condução).
• Termômetro à dilatação de líquido;
• Termômetro à dilatação de gás;
• Termômetro à dilatação de sólido
• Termômetro à resistência elétrica;
• Termômetro à par termoelétrico.
b) Instrumento em que o elemento sensível não está em contato com o corpo cuja
temperatura se quer medir (transferência de calor por radiação).
555
• Pirômetros de radiação;
• Pirômetros óticos.
O uso desses medidores depende de vários fatores como: faixa de medição, tempo de
resposta, precisão, etc.
4.5 Variáveis de processo – Pressão
A pressão é uma variável importante de um processo industrial e sua medição pode
determinar outras, como vazão, nível e densidade [SMAR, 2009].
Devido à natureza de fluidos como gases, vapores, fluidos limpos, viscosos, pastosos
e corrosivos, emprega-se várias técnicas em sua medição, assim com vários conceitos de
física e hidrostática.
4.5.1 Medidores de Pressão
Vários fatores determinam à seleção de um medidor de pressão, entre eles o valor da
pressão, tipo de fluido, instalação, custo e precisão. São conhecidos como manômetros e
classificam-se em:
• Medidores por coluna líquida;
• Medidores por elementos elásticos;
• Medidores especiais de pressão.
4.6 Variáveis de processo – Vazão
A medição de vazão inclui no seu sentido mais amplo, a determinação da quantidade
de líquidos, gases e sólidos que passa por um determinado local na unidade de tempo:
podem também ser incluídos os instrumentos que indicam a quantidade total movimentada
num intervalo de tempo.
A quantidade total movimentada pode ser medida em unidade de volume (litros,
mm³, cm, m³, galões, pés cúbicos) ou em unidades de massa (g, kg, toneladas, libras). A
vazão instantânea é dada a uma das unidades acima, dividida por uma unidade de tempo
565
(litros/min, m³/h, galões/min). No caso de gases e vapores, a vazão instantânea pode ser
expressa, em kg/h ou em m³/h. Quando se mede a vazão em unidades de volume, devem ser
especificadas as “condições base” consideradas. Assim no caso de líquidos, é importante
indicar que a vazão se considera nas condições de operação, ou a 0°C, 20°C, ou em outra
temperatura qualquer. Na medição de gases, é comum indicar a vazão em Nm³/h ou em
SFCM (pés cúbicos standard por minuto – temperatura de 60 ºF e 14,696 PSI a de pressão
atmosférica).
4.6.1 Métodos para medição de vazão
• Medição por pressão diferencial;
• Medição por área variável (Rotâmetro);
• Medição através da velocidade (Turbina);
• Medição através da força (placa de impacto);
• Medição por tensão induzida;
• Medição por canais abertos (Calha Parshall);
• Medição através de vórtices (Vortex);
• Medição por efeito Coriolis;
• Medição por ultra-som (efeito Doppler);
• Medição por transferência de calor (termal);
• Medição por deslocamento positivo (Disco nutante, pistão Oscilante e
medidor rotativo).
4.7 Variáveis de processo – pH
O pH refere-se a uma medida que indica se uma solução líquida é ácida (pH < 7),
neutra (pH = 7), ou básica/alcalina (pH > 7). Uma solução neutra só tem o valor de pH = 7 a
25 °C, o que implica variações do valor medido conforme a temperatura.
575
4.7.1 Medidores de pH
O pH pode ser determinado usando um medidor de pH (também conhecido como
pHmetro) que consiste em um eletrodo acoplado a um potenciômetro. O medidor de pH é
um milivoltímetro com uma escala que converte o valor de potencial do eletrodo em
unidades de pH. Este tipo de elétrodo é conhecido como eletrodo de vidro, que na verdade,
é um eletrodo do tipo "íon seletivo".
O pH pode ser determinado indiretamente pela adição de um indicador de pH na
solução em análise. A cor do indicador varia conforme o pH da solução. Indicadores
comuns são a fenolftaleína, o alaranjado de metila e o azul de bromofenol.
Outro indicador de pH muito usado em laboratórios é o chamado papel de tornassol
(papel de filtro impregnado com tornassol). Este indicador apresenta uma ampla faixa de
viragem, servindo para indicar se uma solução é nitidamente ácida (quando ele fica
vermelho) ou nitidamente básica (quando ele fica azul).
4.8 Sistema utilizado no biodigestor
Para a instrumentação do biodigestor foram levadas em conta as variáveis que
interferem diretamente na melhor utilização, como:
• Temperatura: Para que as bactérias anaeróbias tenham um ambiente propício para a
geração do biogás, é necessário que dentro da câmara de biodigestão tenha-se uma
temperatura de 30º C à 35ºC. Para a monitoração desta temperatura, é necessário
utilizar uma termoresistência do tipo PT-100(termo-resistência de platina), que fica
inserida dentro câmara de biodigestão em contato direto com o meio e a matéria
orgânica em decomposição. A Figura 17 ilustra a termoresistência:
585
Figura 17 - Imagem de uma termoresistência do tipo PT-100.
• Pressão: Para que o biogás produzido no interior do biodigestor possa ser fornecido,
é necessário que no seu interior exista uma pressão recomendada para o
fornecimento de gás em queimadores, que é de 10 a 20 cm de coluna de água (0,01
kg/cm² a 0,02 kg/cm²). Para que seja feita medição de pressão dentro da câmara de
biodigestão é necessário criar um sistema de selagem para que o manômetro não
entre em contato com o líquido e o gás contidos no interior da câmara de
biodigestão. Dentro do biodigestor existe um dispositivo de processo tipo selo
volumétrico, em que um diafragma sensível à variação de pressão transmite a
variação volumétrica ao dispositivo de medição. A Figura 18 ilustra o manômetro:
Figura 18 - Imagem de um manômetro.
• Vazão: Para mensurar a quantidade de matéria orgânica que entra e sai do
biodigestor, é acrescentado ao sistema, medidores de vazão. O dispositivo escolhido
é do tipo placa de orifício com o orifício segmentado, devido à sua fácil instalação e
baixo custo. É destinado para uso em fluidos laminados e com alta porcentagem de
sólidos em suspensão. Este instrumento controla a quantidade de matéria orgânica
595
que entra no processo pela quantidade de produto que passa pela sua parte
segmentada. A Figura 19 ilustra o medido de vazão:
Figura 19 - Placa de Orifício.
• pH: Para que as bactérias anaeróbias tenham um ambiente propício à fermentação da
matéria orgânica e a conseqüente produção de biogás, é necessário que o pH da
solução de água mais matéria orgânica tenha um pH entre 6 e 8, podendo ser
considerado ótimo de 7 a 7,2. O medidor de pH escolhido foi o modelo pH meter
(Digimed, DMPH-2). É necessário retirar uma amostra da solução e fazer a análise
do pH através do equipamento mostrado. A figura 20 ilustra o medidor de pH
mencionado:
Figura 20 - Imagem de um de um medidor de pH modelo pH meter (Digimed, DMPH-2).
• Tempo: O tempo aliado à vazão, possibilita o controle de matéria orgânica que está
inserida no biodigestor. É criado um temporizador que controla a entrada de matéria
orgânica e o tempo presente dentro da câmara de biodigestão, para a otimização do
processo de fermentação de matéria orgânica e geração de biogás. A Figura 21
ilustra o temporizador:
606
Figura 21 - Imagem de um temporizador da marca COEL.
4.9 Conclusão
O conhecimento das variáveis presentes no processo: temperatura, pressão, vazão e
tempo, são importantes para o monitoramento do biodigestor simulado, pois possibilita
acompanhar a produção de biogás e determinar qual peso cada variável tem na melhoria do
processo, tanto de geração de gás metano como na produção de biofertilizante.
A análise das variações ocorridas, possibilita encontrar pontos de falha do processo e
identificar situações de melhoria, à medida que os valores encontrados nos medidores são
constantemente comparados aos valores padrões.
As informações obtidas através do monitoramento do processo podem compor um
rico banco de dados, cujo conteúdo reflete o desempenho do funcionamento do biodigestor
e o comportamento da produção ao longo do tempo.
616
CAPÍTULO 05
APLICATIVO DE SUPERVISÃO “BIODIGESTOR”
5.1 Introdução a Software Supervisório
5.1.1 Redes Industriais
A maioria das redes de comunicação existentes é elaborada para automação
comercial, e são essas que despertam maior interesse de estudo em alunos de tecnologia da
informação.
No entanto, existe outro campo de atuação para profissionais desta área, sendo esse
ainda pouco explorado. Trata-se das redes industriais, que possibilitam a troca de
informações entre dispositivos, processos, operadores, softwares supervisórios e gestores,
aplicados em ambiente fabril.
Uma indústria oferece diversos fatores que tornam as redes para automação
comercial inadequados a tal ambiente, tais como: espaço hostil para operação de
equipamentos (perturbações eletromagnéticas, elevadas temperaturas, sujeira, áreas de
segurança intrínseca, etc.); os dados são trocados ora entre máquinas, ora entre máquina e
operador; o tempo de resposta e a segurança das informações são críticas; centenas de
dispositivos podem estar interconectadas pela mesma rede; as mensagens transmitidas são
menores, no entanto, a taxa de ocupação do barramento de comunicação é alta;
incompatibilidade entre equipamentos de fabricantes diferentes, dentre outros itens.
5.1.2 A Organização Fabril
A automação industrial é baseada na arquitetura de uma pirâmide que assume níveis
hierárquicos de organização, onde cada nível compreende determinado tipo de equipamento,
profissional e desempenha uma função específica para a realização dos objetivos da fábrica
[FILHO, 1998].
626
Porém, para que o sucesso seja obtido, é necessário que esses níveis exerçam as
atividades a que são destinados e que troquem informações entre si, promovendo um clima
colaborativo entre os diferentes setores do complexo industrial [PADILHA, 2004].
É justamente essa questão que as grandes indústrias vêm trabalhando. Atualmente, a
maior dificuldade é realizar a integração entre o chão-de-fábrica e o ambiente de negócios,
de modo que os profissionais da tecnologia da automação (TA) e da tecnologia da
informação (TI) se comuniquem visando atender às áreas de produção e corporativa da
empresa.
Ao observar tal quadro, nota-se uma lacuna entre a base e o topo da pirâmide, que
pode claramente ser preenchida pelo profissional de Redes de Comunicação, que ao
conhecer detalhes a respeito do chão-de-fábrica, terá capacidade suficiente para estabelecer
um sistema de controle e monitoração de dispositivos e ao mesmo tempo fornecer aos
gestores da indústria os dados relativos à produção, de forma simplificada, para que esses
utilizem tais informações na otimização dos processos, na redução de custos e tomada de
decisões.
A Figura 22 ilustra a organização de uma indústria:
Figura 22 – Pirâmide da Organização Fabril.
Legenda:
SENSORES – instrumentos de medição e atuação;
PLC – Controlador Lógico Programável (CLP);
SCADA – Software de Supervisão e Aquisição de Dados;
MES – Sistema de Execução da Indústria;
ERP – Planejamento dos Recursos Empresariais.
636
5.1.3 Fábrica Digital
A constante evolução da tecnologia da informação propicia alternativas e melhorias
aos mais diversos setores da sociedade, e com a indústria não é diferente.
Com o investimento maciço em software e hardware, empresas desenvolveram
programas simuladores que transportam a realidade física contida no chão-de-fábrica para a
tela dos computadores, o que chamamos de Fábrica Digital.
Através desses softwares é possível que o profissional, estando dentro de seu
escritório, visualize tudo que se passa em sua planta industrial, podendo enviar sinais aos
CLP’s, obter dados de sensores, atuar sobre válvulas, em fim, uma série de tarefas que antes
só podiam ser realizadas por operadores que estivessem em contato direto com os
dispositivos em questão. Outra vantagem é a possibilidade de transformar esses dados em
informações, transmitindo essas para o setor corporativo da empresa, que trabalhará tais
conhecimentos da maneira que lhes convir.
São softwares que possibilitam a visualização das informações através de quadros
sinóticos animados com indicações instantâneas das variáveis de processo.
A Fábrica Digital pode ainda ser feita antes que a fábrica real esteja construída,
assim, existe a possibilidade de identificação de eventuais problemas, redução de custos no
desenvolvimento de projetos e eliminação de retrabalho.
Ao simular a operação da indústria, pode-se combinar componentes mecânicos com
o sistema de automação em ambiente 3D, contendo dados dos produtos, dos fluxos, das
linhas de produção e até mesmo logística.
Esse software simulador nada mais é que o supervisório.
5.2 Apresentação do Elipse SCADA
5.2.1 Importância no Mercado Mundial
O Elipse SCADA é produzido pela empresa Elipse Software, sendo que esta fica
sediada em Porto Alegre e tem filiais em São Paulo, Curitiba e Estados Unidos. Possui
participação no mercado externo, em países como Alemanha, Taiwan, Argentina e outros. É
um programa utilizado nos mais diversos ramos de atividades e entre seus principais
646
clientes estão: Brasil Telecom, Mercedes Benz, Fiat, Ford, Petrobras, Cia. Vale do Rio Doce
e mais empresas de grande porte no mundo.
O Elipse é um software utilizado para criação de aplicativos de supervisão e controle
em diversas áreas. É uma ferramenta para a automação, que elimina a necessidade de
soluções demoradas e caras, garantindo eficiência e qualidade ao processo.
É um programa que está disponível nas plataformas Microsoft Windows 95, 98, Me,
NT e 2000.
Tal software permite a criação e execução de aplicativos HMI (Interface homem –
máquina) e SCADA (Supervisão, Controle e Aquisição de Dados do Sistema) para
processos de qualquer natureza. Através da coleta de informações de qualquer tipo de
equipamento, os operadores podem monitorar e controlar todos os processos do chão-de-
fábrica, bem como máquinas e recursos, gerenciando toda a produção.
Dados em tempo real são apresentados de forma gráfica, permitindo o tratamento
das informações de várias maneiras, como o armazenamento histórico, a geração de
relatórios e a conexão remota, entre outros.
O Elipse SCADA possui uma facilidade chamada Organizer, que nada mais é que a
Árvore do Aplicativo, possibilitando a criação, organização e a documentação dos
aplicativos de maneira simples. O usuário acessa todos os elementos do sistema e suas
propriedades navegando em uma árvore hierárquica que fornece uma visão geral do
aplicativo, “organizando” naturalmente o trabalho de configuração e documentação.
Ainda é possível modificar qualquer parâmetro da aplicação em tempo de execução,
já que todos os atributos de objeto (botão, bitmap, animação, setpoint ...) são abertos ao
usuário, desde um limite de alarme ou nome de arquivo até a cor e posição de um objeto na
tela. O Elipse também permite a edição através da ferramenta de configuração on-line, onde
o usuário altera seu aplicativo sem a necessidade de interromper a execução do mesmo.
Outro ponto positivo desse programa é a sua interface gráfica clara, lógica e
intuitiva. Vários recursos estão disponíveis, como: animações; displays; botões; gráficos de
tendência (linhas, área, barras, XY, etc); textos; alarmes ; vídeos e outros, sendo que todos
são ligados diretamente com as variáveis dos processos (Tags). Também podem ser
utilizados desenhos de qualquer editor gráfico, desde que sejam transportados para a
extensão *.jpg ou *.bmp. Além disso, o Elipse SCADA conta com uma extensa biblioteca
gráfica de desenhos, de modo a facilitar a criação de telas.
Talvez a característica do Elipse que mais atraia seus usuários seja o fato dele se
comunicar com qualquer tipo de equipamento de aquisição de dados, como PLC’s
656
(Controladores Lógico Programáveis), DAC’s (Cartões de Aquisição de Dados) e RTU’s
(Unidades Remotas), independente do fabricante do equipamento. Este detalhe possibilita
que uma indústria, por exemplo, migre sua plataforma de supervisão para o Elipse sem
maiores problemas, já que junto com o software de supervisão, são fornecidos ao usuário os
drivers de comunicação dos equipamentos utilizados.
5.2.2 Pacotes do Elipse SCADA
O Elipse SCADA está disponível em pacotes diferentes, atendendo a demanda das
indústrias. À medida que o pacote se sofistica, o preço de sua licença aumenta. Os quatro
pacotes vendidos são: Elipse View, Elipse MMI, Elipse Pro e Elipse SCADA CE.
Elipse View – É indicado para aplicações simples, como por exemplo uma interface
com o operador para monitoração e acionamentos. Permite a visualização de variáveis,
inclusive com a utilização de animações, programação de setpoints, controle de acesso e
funções especiais para touchscreen.
Elipse MMI (Man Machine Interface – Interface Homem – Máquina) – É um
software de supervisão completo. Possui banco de dados proprietário, relatórios formatados,
históricos, receitas, alarmes e Controle Estatístico de Processos. Pode ainda, ser um servidor
de dados para outras estações Elipse.
Elipse Pro – É a mais avançada ferramenta do Elipse SCADA. Permite trocar dados
em tempo real com outras estações, transferir/atualizar bancos de dados, realizar comandos
e programar setpoints através de rede local ou linha discada.
Elipse SCADA CE – É um pacote que possibilita a execução de aplicações Elipse
SCADA em dispositivos baseados no sistema operacional Windows CE, como IHMs,
dispositivos sem disco em geral e outros dispositivos móveis.
5.2.3 Módulos de Operação do Elipse SCADA
O Elipse SCADA possui três módulos para sua operação: Configurador, Runtime e
Master. O módulo ativo é definido a partir de um dispositivo de proteção (hardkey) que é
acoplado ao computador, ou seja, é uma licença física. Enquanto os módulos Configurador e
Master foram especialmente desenvolvidos para a criação e o desenvolvimento de
666
aplicativos, o módulo Runtime permite apenas a execução destes. Neste módulo não é
possível qualquer alteração no aplicativo por parte do usuário.
O módulo configurador é a cópia de engenharia e permite o desenvolvimento de
aplicativos. Para a realização de testes, o Configurador permite executar aplicações por até
duas horas.
O módulo Runtime permite a execução por tempo ilimitado de um aplicativo de
supervisão desenvolvido com o uso do Configurador. O Runtime não permite qualquer
alteração no aplicativo, a menos que existam telas ou métodos predefinidos para alterações
no aplicativo em tempo de execução.
Já o módulo Master inclui o Configurador e o Runtime na mesma ferramenta,
permitindo execução e configuração com o mesmo hardkey.
Na ausência do hardkey, o software pode ainda ser executado em modo
Demonstração. Como não necessita do hardkey, o modo Demonstração pode ser utilizado
para a avaliação do software. Ele possui todos os recursos existentes no módulo
Configurador, com exceção de que trabalha com um máximo de 20 tags (variáveis de
processo) e permite a comunicação com equipamentos de aquisição de dados por até 10
minutos. Neste modo, o software pode ser livremente reproduzido e distribuído. Inclusive é
encontrado na Internet. Essa é a versão escolhida para utilização em nosso trabalho.
5.3 Conceitos básicos relativos ao Elipse SCADA
Para que possamos explicar como o Elipse foi utilizado na criação do sistema
supervisório de um Biodigestor, é necessário a definição de alguns conceitos, que estarão
sempre presentes no decorrer do trabalho, são eles: Tags, Telas, Objetos de Tela, Scripts,
Receitas, Históricos, Relatórios e Usuários e Senhas.
5.3.1 Tags
A supervisão de um processo com o Elipse SCADA ocorre através da leitura de
variáveis de processos de campo. Os valores dessas variáveis são associados a objetos do
sistema chamados Tags.
676
Para cada objeto inserido na tela, devemos associar pelo menos um tag ou atributo.
Os tags são todas as variáveis (numéricas ou alfanuméricas) envolvidas num aplicativo. Os
atributos são dados fornecidos pelo Elipse sobre parâmetros de sistema e componentes da
aplicação. Como exemplo, podemos considerar um tag a temperatura de um forno. Um dos
seus atributos poderia ser o nível de alarme a partir do qual deva ser acionada uma sirene.
Tags podem ser do tipo: Crono, Bloco PLC, DDE, Demo, Expressão, Matriz, PLC e
RAM.
O tag mais utilizado neste trabalho é o Demo, usado para simulação de valores a
partir de curvas pré-definidas ou aleatoriamente. Ele é útil no teste da aplicação criada, mas
pode também ser usado, por exemplo, em um objeto de tela Animação para mostrar os
quadros da animação de acordo com a variação do tag.
Outro tag bastante utilizado em aplicações de um modo geral é o PLC, quando se
deseja ler e escrever dados em um PLC (CLP), separadamente. Ele pode representar
qualquer tipo de variável, como entrada ou saída digital/analógica, a depender da
configuração e endereçamento requerido pelo driver de comunicação. Antes de gerar um tag
desse tipo é necessário que se crie um objeto Driver, ao qual o tag será associado. Os
Drivers de Comunicação são bibliotecas (arquivos .DLL) responsáveis pela interligação do
Elipse SCADA com algum equipamento externo.
5.3.2 Telas
Uma tela pode ser definida como uma janela para monitoramento de um processo,
onde serão inseridos os objetos que farão a interface do operador com o sistema. Cada
aplicação pode ter um número ilimitado de telas.
As telas são o ponto de partida para a construção da interface de uma aplicação. Um
bom desenho de tela garante uma compreensão melhor do processo supervisionado e
utilização mais fácil dos recursos acrescentados à aplicação.
Para cada nova tela, pode-se acrescentar vários objetos de tela, como botões,
displays e setpoints.
Visando uma melhor qualidade gráfica da aplicação, pode-se inserir uma imagem
como fundo de tela. O Elipse SCADA permite arquivos gráficos com formato BMP, JPEG
ou GIF que pode ser gerado em diversos aplicativos de desenho ou manipulação de imagens
como Microsoft Paint, Corel Draw!, Adobe Photoshop, AutoCAD e outros.
686
5.3.3 Objetos de Tela
As telas de aplicação podem conter bitmaps de fundo e objetos. Os objetos que são
inseridos sobre o bitmap constituem um plano secundário na tela, de modo que podem ser
deletados, copiados, movidos, redimensionados e agrupados, sem prejudicar o desenho de
fundo.
Os Objetos de Tela são elementos gráficos que estão relacionados com os tags de
modo a realizar uma interface amigável com as variáveis. Os objetos mais utilizados são:
• Tendência: visualização de gráfico de tendências com até 16 tags, podendo executar
a coleta de dados em tempo real;
• Botão: usado para acionamentos ou execuções de tarefas especificadas pelo usuário
através do mouse ou teclado;
• Display: mostrador numérico/alfanumérico em tempo real;
• Animação: criadas através de bitmaps definidos pelo usuário;
• Setpoint: é uma caixa de edição, para digitação e envio de valores para uma variável;
• Alarmes: o usuário pode visualizar os alarmes ativos ou os alarmes logados no
arquivo de alarmes;
• Bitmap: inserção de imagens de qualquer tamanho sobre a tela.
5.3.4 Scripts
Os Scripts são pequenos procedimentos escritos em linguagem de programação
própria – Elipse Basic – que permitem uma maior flexibilidade na aplicação. Os scripts são
sempre associados a eventos, isto é, eles são iniciados no momento da ocorrência dos
eventos.
Em qualquer linguagem de programação é necessária a criação de métodos, de modo
a especificar e ordenar a execução das instruções desejadas. Já no Elipse, a própria estrutura
dos scripts organiza de certa maneira esta seqüência.
Os eventos são ocorrências relacionadas a um objeto, que podem ser tratadas de
modo a se realizar uma ação especifica. Eles podem ser físicos, como alguma ação no
696
teclado ou mouse. Em cada caso, temos diversas informações relevantes como a tecla
pressionada ou a posição do cursor e o status dos botões. Os eventos podem ser internos,
como a mudança de um valor de uma variável. Estes eventos podem também ter associações
físicas, como a mudança de uma temperatura de uma câmara de 10 para 11 graus quando
temos um tag que recebe os valores dessa temperatura. O Elipse SCADA possui diversos
eventos pré-definidos disponíveis para a ligação ou associação de scripts, por exemplo:
• OnKeyPress – Quando uma tecla é pressionada;
• WhileRunning – Enquanto uma aplicação está executando;
• OnAlarm – Ocorrência de qualquer tipo de alarme.
O Elipse Basic é bastante similar às linguagens de programação, mas com recursos
visuais como os encontrados no Visual Basic. Possui características particulares, como o
fato de não ser necessário a declaração de variáveis ou funções no início do script, já que as
variáveis devem ser tags, objetos ou atributos previamente criadas ou importadas de outras
aplicações. O tipo de dado que se atribui a um tag é livre, ou seja, pode ser desde um inteiro
de 8 bits até um tipo real de 64 bits ou ainda um string (texto). Em comunicação de dados
com equipamentos externos, a conversão é feita automaticamente de acordo com os tipos
suportados por cada equipamento.
As variáveis e constantes são objetos básicos manipulados num script. Os
operadores especificam o que será realizado com os mesmos. As expressões combinam
variáveis e constantes para produzir novos valores.
Para facilitar a edição de scripts ou de tags expressão, podem ser usadas as
ferramentas AppBrowser e Referência Cruzada (X-Reference).
O AppBrowser permite navegar pela aplicação. Quando você seleciona um objeto na
árvore ao lado esquerdo da janela, seus atributos e funções correspondentes são listados à
direita.
A ferramenta Referência Cruzada possui a mesma estrutura do AppBrowser com a
diferença que quando você seleciona um objeto na árvore ao lado esquerdo da janela, suas
respectivas referências é que são listadas à direita.
707
5.3.5 Receitas
Uma receita é um conjunto de valores pré-definidos que podem ser carregados para
um grupo de tags a fim de configurar um processo específico. A esta lista de tags é dado o
nome de Modelo de Receita.
Veja-se o exemplo deste trabalho. Para a produção do biogás as variáveis no
processo são sempre as mesmas, mas seus valores provavelmente irão mudar dependendo
das condições em que se deseja produzir o mesmo. Supondo que se tenha diferentes
configurações de máquina para cada modelo de produção, estes valores podem ser gravados
em uma receita e posteriormente carregados em tags de controle, facilitando a tarefa do
operador e evitando erros. Assim, pode-se criar um modelo de receita “Biogás” com
diversas receitas “Biogás – esterco bovino”; “Biogás – esterco suíno”; “Biogás – 50%
esterco bovino e 50%esterco suíno”.
Para que sejam recuperados quando necessário, os modelos e os dados de uma
receita são armazenados em disco, em um “arquivo de receitas” com a extensão .RCP.
5.3.6 Históricos
Os Históricos são objetos responsáveis pelo armazenamento de valores de tags. O
armazenamento pode ser feito por tempo ou por evento, que deve ser especificado para a
gravação dos dados.
Eles podem ser gerados de duas maneiras diferentes: Contínua, que armazena os
dados continuamente durante a execução da aplicação (exemplo: gravação das temperaturas
da câmara de fermentação do biodigestor a cada quinze minutos) ou em Batelada, no caso
de processos em lote (exemplo: gravação das temperaturas da câmara de fermentação do
biodigestor separadas por código de lote de produção e nome do operador).
Na batelada, os dados são armazenados acompanhados de uma ou mais referências,
associadas a um Cabeçalho do histórico pela qual uma Batelada pode ser localizada.
717
5.3.7 Relatórios
Através dos relatórios é possível realizar a impressão dos dados históricos,
cabeçalhos e alarmes, e ainda dados instantâneos.
Existem quatro tipos de relatórios:
• Relatório Texto – Realiza a impressão dos dados no formato de linhas e colunas,
inclusive de arquivos de alarmes. Permite também a impressão para arquivo em
disco;
• Relatório Gráfico – Realiza a impressão gráfica de dados históricos, com a criação
de legenda;
• Relatório Formatado – Impressão de um formulário com textos quaisquer, valores
instantâneos de variáveis e bitmaps;
• Análise Histórica – Relatório de tela, para visualização/impressão de dados do disco.
Usado quando se deseja possuir várias análises diferentes para cada arquivo, ou
mesmo para análise de dados remotos, gerados por outras aplicações.
Em todos os relatórios deve-se especificar o intervalo de busca dos dados e escolher
o arquivo de dados e bateladas correspondentes.
5.3.8 Usuários e Senhas
Através das Senhas, pode-se controlar o acesso à telas de uma aplicação. É possível
guardar uma lista de usuários, sendo que para cada um é atribuído um nome, um login
(identificação no sistema), uma senha e um nível de segurança.
Se nas propriedades gerais de uma tela, no campo Nível de Acesso for especificado
um número diferente de “0” (o nível zero libera o acesso a todos os usuários) será
necessário que um usuário esteja logado e que seu nível de segurança permita o acesso a tela
em questão.
Conforme o nível de acesso delegado, cada usuário tem disponível algumas funções.
O usuário com nível 1 é considerado Super-Usuário, pode criar, modificar e remover os
atributos de todos os usuários.
As senhas e níveis são gravadas em um arquivo criptografado e independente dos
demais no diretório da aplicação.
727
5.4 Apresentação da Aplicação “Biodigestor”
A aplicação criada neste trabalho foi elaborada com o intuito de monitorar a
produção de biogás, avaliando alguns parâmetros, como: a quantidade de esterco entrante no
biodigestor; a quantidade de adubo sainte do biodigestor; a temperatura e a pressão da
câmara de fermentação; o tempo envolvido em todo o processo.
Esse monitoramento também envolve a geração de alarmes quando algo no processo
ocorre fora dos padrões previamente definidos, além da armazenagem em disco do histórico
desses alarmes e da opção de impressão de relatórios com dados da produção do biogás.
Através do aplicativo, o operador pode criar receitas diferentes em tempo real para a
produção do gás, fazendo a mistura: água + esterco suíno da maneira que lhe convir.
Para que uma pessoa acesse esse sistema, ela deve estar cadastrada e logada no
mesmo. De acordo com o nível de acesso, ela pode ver apenas algumas telas do software,
sem poder de alteração do aplicativo.
A aplicação em questão não contempla o controle do processo. Ela realiza, apenas, a
observação do mesmo, avaliando o desempenho do biodigestor. É sugerido que estudantes
dêem seguimento a este trabalho, com a implementação de funções de controle via
supervisório.
Na apresentação do software não é detalhado como foram feitas as telas e as demais
configurações, visto que isso é uma tarefa demasiadamente longa e foge do contexto do
trabalho. É explicada, em linhas gerais, cada uma das telas, com informações de quais
ações o usuário pode tomar durante a execução da aplicação.
Através da Internet, o leitor pode fazer downloads de tutoriais e do próprio Elipse,
de modo a aprender o funcionamento do programa, com a possibilidade de criar e executar
sua próprias aplicações.
5.4.1 Criação da Aplicação e dos Tags
O primeiro passo na elaboração do projeto é criar a aplicação, dar nome a ela, e
salvar em diretório escolhido. Desde já, é dito que a aplicação deve ser salva na mesma
pasta em que estão os bitmaps usados no programa, para evitar conflitos do sistema. À
aplicação criada foi dada o nome de “Biodigestor”.
737
Com a aplicação criada, passa-se para a geração dos tags. Como o Elipse SCADA
está sendo executado na versão Demonstração, o limite máximo de tags que podem ser
usados é vinte.
Cria-se, então, tags para medição de nível na caixa de entrada, na caixa de saída e na
câmara de fermentação. Também relacionada à câmara, o tag para a medição da temperatura
e outro para a pressão. Gera-se um tag interno, para medição do tempo global do processo.
Por último, tags para utilização na receita (água, esterco bovino, esterco suíno, código e
número da receita). A maioria dos tags são do tipo Demo, utilizados para simulação de
valores, com geração de curvas pré-definidas ou valores aleatórios.
A Figura 23 é um Print Screen do Organizer, que é a árvore do aplicativo:
Figura 23 – Organizer – Ferramenta para criação da Aplicação e dos Tags.
747
5.4.2 Criação da Tela de Abertura
A Tela de Abertura é a tela de apresentação do sistema.
Ela possui um botão para que o usuário entre com seu login e sua senha. Quando ele
está logado, é apresentado na tela o seu nome e o seu nível de acesso. Lembrando que, de
acordo com o nível, o usuário pode ter ações limitadas no sistema, sem permissão para
visualizar todas as telas da aplicação ou fazer alterações na mesma.
Se o usuário possui o nível de segurança 1, é constatado que ele é o administrador da
rede, tendo total autonomia para realizar modificações no software supervisório. Assim,
outro ícone habilita-se para ele, o de manutenção de senhas, onde ele pode definir um novo
usuário da rede, ou mesmo alterar parâmetros de usuários já existentes.
No canto inferior direito da tela possui o ícone para que o operador entre no sistema,
propriamente dito.
A Figura 24 é um Print Screen da tela de abertura da aplicação:
Figura 24 – Tela de Abertura da Aplicação “Biodigestor”.
757
5.4.3 Criação da Tela Principal
A Tela Principal da aplicação, como o próprio nome diz, é a de maior importância. É
através dela que o operador verifica o andamento de todo o processo, analisa displays de
temperatura, vazão, pressão e o tempo real. Displays esses que ficam ligados aos medidores
dos respectivos parâmetros.
Quanto mais essa tela se parece com a realidade do processo, mais clara é a visão
que o usuário tem sobre o Biodigestor. Para isso, é essencial que os bitmaps sejam
elaborados com atenção. Neste trabalho, os desenhos foram feitos no software AutoCAD e
transportados para o Elipse.
Na tela são apresentados:
• Caixa de carga – onde é depositado a mistura: água + esterco;
• Caixa de descarga – onde é depositado o material originado após a fermentação da
mistura, que servirá de adubo;
• Tubos de entrada/saída – através deles a mistura é levada/retirada da câmara de
fermentação;
• Câmara de fermentação – local onde a mistura sofre o processo de fermentação, para
a produção do biogás;
• Gasômetro – local onde o biogás fica armazenado;
No canto inferior esquerdo se localizam os botões para que o operador acesse as
outras telas da aplicação. Ele também pode fazer isso através de teclas de atalho.
Outro detalhe importante são as caixas de texto que estão próximas aos objetos da
tela, que justamente os referenciam.
Para que o processo na tela se assemelhe do real, as animações são de grande valia.
Além de mostrarem como a mistura está sendo processada, elas mostram a variação de nível
nas caixas de carga e descarga e na câmara de fermentação. Como os tags são
predominantemente do tipo Demo, essas variações ocorrerão de forma aleatória, não
refletindo exatamente o processo real, mas servirão de forma didática para apresentação do
trabalho em questão.
Através da tela abaixo, pode-se ver o uso de script e alarme. A temperatura interna
do biodigestor deve variar entre 30ºC e 35ºC. Quando ela está dentro dessa faixa, o display
correspondente fica com o fundo azul. Mas quando ela fica acima ou abaixo desses valores,
o fundo passa a ficar vermelho. Resultado de um script feito utilizando o tag temperatura.
A Figura 25 é um Print Screen da tela principal da aplicação:
767
Figura 25 – Tela Principal da Aplicação “Biodigestor”.
5.4.4 Criação da Tela de Tendências
Através da Tela de Tendências, o operador visualiza gráficos representativos do
processo. É uma outra forma de analisar o que se passa com o Biodigestor.
Neste trabalho foram construídos o Gráfico 1 e o Gráfico 2.
O Gráfico 1 representa a variação da temperatura interna da câmara de fermentação
no tempo. O gráfico possui duas linhas tracejadas fixas, que mostram quais são os limites
inferior e superior desejados para a temperatura. Utilizando-se as barras laterais, pode-se
alterar esses limites em tempo real.
O Gráfico 2 representa as variações da vazão de entrada da mistura = esterco + água,
pela caixa de entrada e da vazão de saída da mistura pela caixa de saída, com relação ao
tempo. Abaixo do gráfico, existem duas caixas onde o operador escolhe entre a vazão de
entrada e a de saída para monitorar, caso não queira visualizar as duas simultaneamente.
A Figura 26 é um Print Screen da tela de tendências da aplicação:
777
Figura 26 – Tela de Tendências da Aplicação “Biodigestor”.
5.4.5 Criação da Tela de Receitas
A Tela de Receitas é por onde o operador decide qual mistura deseja realizar, ou
seja, determina quanto de água e de esterco suíno determinada mistura tem, gerando-se o
biogás em mais ou menos tempo.
O operador pode selecionar uma receita pré-existente e apenas carregá-la, pode criar,
deletar, editar e salvar novas receitas.
Através dos setpoints, ele coloca os valores dos ingredientes da mistura, em tempo
real.
A Figura 27 é um Print Screen da tela de receita da aplicação:
787
Figura 27 – Tela de Receitas da Aplicação “Biodigestor”.
5.4.6 Criação da Tela de Impressão
Através da Tela de Impressão, o operador pode imprimir ou salvar em disco os
dados armazenados pelo relatório.
Basta a definição do dia, mês, ano, hora, minuto e segundo de início e fim de coleta
de dados, tudo isso através dos setpoints que estão na tela.
Esta é uma ferramenta muito importante, já que o operador sempre será cobrado por
seu superior, que deverá estar ciente de como a produção do biogás está ocorrendo, quais
são os pontos de falha e as oportunidades de melhoria. Tudo isso através de uma análise
simplificada dos dados.
Quando pede-se para que um relatório seja impresso, automaticamente é criado um
arquivo texto contendo as informações que se quer exibir. Esse documento pode ser
transportado para editores de texto como o Microsoft Word e o BrOffice.
A Figura 28 é um Print Screen da tela de impressão da aplicação:
797
Figura 28 – Tela de Impressão da Aplicação “Biodigestor”.
A Figura 29 é um Print Screen de um relatório a ser impresso, mostrando o volume
da caixa de carga em intervalos de tempo distintos:
Figura 29 – Relatório a ser impresso em formato texto.
808
5.4.7 Criação da Tela Reposição de Dejetos
O Biodigestor proposto trabalha com fluxo continuo, ou seja, os dejetos são
colocados na caixa de carga de forma constante.
No entanto, pode ser que o operador resolva mudar a forma de produção, passando
esta para Batelada, isto é, os dejetos serão colocados de forma periódica, a cada 30 dias.
Para isso foi criada esta tela, que nada mais é que um alarme disparado depois de 30
dias do início do processo, que avisa ao operador da necessidade de reposição da mistura na
caixa de carga.
A Figura 30 é um Print Screen da tela de reposição de dejetos da aplicação:
Figura 30 – Tela de Reposição de Dejetos da Aplicação “Biodigestor”.
5.4.8 Concluindo a Aplicação
Terminada a criação da aplicação, é sempre bom revisar todo o processo e as telas,
para evitar erros.
818
Oportunidades de melhoria sempre existirão, visto que o Elipse oferece vários
recursos, possibilitando que o administrador do sistema em questão altere a estética da
aplicação e demais parâmetros.
O aplicativo criado é bastante útil ao monitoramento do biodigestor, mas é bom
lembrar que aspectos relativos à segurança do processo não devem depender dele, já que o
programa é executado em um computador, que é bastante suscetível à falhas de
comunicação, como uma queda de energia, um vírus ou mesmo um simples travamento.
Assim, deve-se isolar a malha de segurança do processo em relação à malha de
monitoramento, pois se uma falha na supervisão ocorre, o processo não é atingido.
Outro detalhe a se observar, é o fato dos valores das variáveis monitoradas se
alterarem de forma brusca. Isso só ocorre porque os tags utilizados são do tipo Demo, que
simula valores dentro de uma faixa especifica. Em um Biodigestor real, essas variações
devem ser mínimas para que a produção do biogás ocorra de forma correta.
5.5 Estrutura Funcional de Redes de Comunicação Industrial
Um sistema de supervisão em um ambiente industrial é essencialmente
composto por quatro elementos:
• Processo Físico: é o elemento principal do sistema e representa o objeto da
supervisão;
• Hardware de Controle: é utilizado na interface física com o processo;
• Software de Supervisão: é responsável pela aquisição, tratamento e distribuição dos
dados;
• Rede de Comunicação: é responsável pelo tráfego das informações, constituindo-se,
geralmente, de duas sub-redes denominadas rede de campo e rede local de
supervisão.
A rede de campo é responsável pela aquisição dos dados do processo. Afim de
conseguir uma comunicação determinística, as redes de campo, em sua maioria, utilizam
uma arquitetura mestre/escravo. Neste tipo de rede, os controladores que desempenham
a função das estações escravas jamais iniciam a comunicação, respondendo somente às
solicitações feitas pelo controlador mestre. Algumas das implementações mais comuns
de redes que utilizam esta arquitetura são as redes Modbus e Profibus.
828
A rede local de supervisão é responsável por tornar disponíveis e compartilhar
os dados do processo em uma LAN (Rede de Área Local). Neste caso, os sistemas de
supervisão, geralmente, utilizam arquiteturas do tipo cliente/servidor para acessar as
informações do processo disponíveis na rede de campo.
Informações mais detalhadas a respeito do funcionamento do Protocolo Modbus e da
Arquitetura de um Sistema de Supervisão, estão disponíveis conforme Anexo.
A disposição física dos elementos de um sistema supervisório pode ser observada na
Figura 31:
Figura 31 - Estrutura Física de um Sistema Supervisório.
5.5.1 Comunicação entre o Biodigestor e o Supervisório
Para uma futura implementação do Biodigestor físico, explica-se alguns detalhes.
838
O funcionamento do sistema de comunicação com o Biodigestor proposto através
desse projeto é simples, tanto na parte de rede de campo como na parte de rede de
supervisão local.
Por se tratar da análise e requisição de dados de apenas um processo, ou seja, do
próprio Biodigestor, basta um CLP interagir com os sensores de temperatura, pressão e
volume, solicitando desses, suas respectivas medidas e armazenando tais dados
[MEIRELES, 2000]. Essa troca de informações pode ocorrer através do protocolo Modbus.
Caso necessário monitorar mais de um biodigestor, cada um deles deve ser
controlado por um CLP escravo, que envia as informações ao CLP mestre de acordo com a
solicitação deste.
Quanto à rede de supervisão local, basta um CLP com porta Ethernet, onde é
conectado um cabo UTP (par trançado), conectado na outra ponta com a máquina onde está
a aplicação supervisória. No entanto, caso essa máquina apresente algum problema, perde-
se o monitoramento do processo. Dessa maneira, é interessante um servidor que armazene
todos os dados do processo, funcionando apenas para essa utilidade, o que diminui o risco
de pane na estação. O software supervisório deve ser implementado em uma estação cliente,
que requisita os dados que estão armazenados no servidor e promova a análise dos mesmos.
O próprio software de supervisão é responsável pela comunicação dele com o PLC,
à medida que envia ao Controlador Lógico entradas e saídas digitais ou analógicas. Para
isso, é necessário a instalação, no programa, dos drivers de comunicação correspondentes
com o equipamento que se deseja trocar dados, determinando-se parâmetros e
endereçamentos.
O PLC é responsável pela intermediação das informações processadas entre o
software supervisório e o biodigestor.
O que foi explicado acima representa uma forma de implementação real do projeto
Biodigestor. Através do trabalho em questão, gerou-se uma aplicação simuladora. Portanto,
para colocar em prática tal operação, seriam necessárias modificações no programa,
obtenção de um CLP e seus respectivos drivers de comunicação, e o mais importante,
adquirir o produto Elipse SCADA em sua versão Profissional (utilizamos a versão
Demonstração – gratuita), que possibilita a comunicação, de fato, com qualquer
equipamento.
848
5.6 Conclusão
Os benefícios proporcionados pelo desenvolvimento de software e hardware,
aplicados a sistemas supervisórios, são visíveis nesse trabalho.
A supervisão do biodigestor simulado é feita de maneira simples, através da
visualização de imagens e animações que representam o processo físico.
Displays mostram os valores que assumem as variáveis de campo monitoradas pelo
aplicativo. SetPoints permitem que o operador defina o modelo de receita a ser carregado.
Não se esquecendo que, no processo real, esse monitoramento só é possível através
das redes industriais, utilizando-se protocolos de comunicação e um meio físico adequado,
de modo a realizar a transmissão de dados de um computador a um dispositivo de campo.
É a Tecnologia da Informação se unindo a Tecnologia da Automação, propiciando
avanços que atingem a todos.
858
CAPÍTULO 06
CONCLUSÃO
Da finalização deste trabalho obtém-se resultados bem mais amplos que a elaboração
de um biodigestor monitorado por um sistema supervisório. Têm-se conseqüências
positivas, como a difusão de novas formas de geração de energia sustentável e a utilização
de tecnologia em seu desenvolvimento.
Os biodigestores atuam como instrumento de desenvolvimento sustentável, à medida
que geram energia alternativa a partir de resíduos. Quem se vale desse instrumento contribui
ambientalmente, além de economizar com consumo de energia, gerando resultados mais
lucrativos e ecológicos em sua atividade.
Com o decorrer do trabalho, a análise dos biodigestores através de um software de
supervisão, se apresenta como uma forma de coleta de dados referentes ao processo de
maneira simplificada, auxiliando o detentor de tal tecnologia no manuseio do equipamento e
na estabilização de parâmetros (temperatura, pressão, vazão, pH entre outros) essenciais ao
funcionamento ideal do mesmo.
A elaboração do aplicativo não é uma tarefa tão complicada, visto que o Elipse
SCADA facilita bastante a vida do projetista, oferecendo inúmeros recursos e meios para
que o programa reflita exatamente o processo real. É necessário que o programador tenha
conhecimento tanto da área de tecnologia da informação como da automação, possibilitando
uma futura implementação prática do trabalho.
Foi observado que trabalhar com um software supervisório é conseguir prever
futuros problemas e pontos de melhoria antes que o biodigestor seja realmente implantado,
promovendo a redução de custos no desenvolvimento do projeto e eliminação de retrabalho.
Ao término do trabalho, é possível perceber vários pontos positivos que o mesmo
trouxe ao meio acadêmico, além do projeto incentivar a utilização de energia alternativa,
algo que vem sendo recorrente em debates, fóruns e na mídia.
Este TCC propõem aos estudantes de Redes de Comunicação e Manutenção
Industrial, uma nova abertura de atuação, que se trata da elaboração de Software
Supervisório.
868
É possível realizar projetos nesta área que envolvam o controle do processo e não só
o monitoramento, como foi feito.
Obtendo recursos financeiros, pode-se implementar a construção física do
biodigestor, tornando realidade a simulação que foi feita.
878
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
HORIKAWA, M.S.; Rossi, F.; Gimenes, M.L.; Costa, C.M.M.; da Silva, M.G.C. Chemical
absorption of H2S for biogas purification. Brazilian Journal of Chemical Engineering. Vol.
21, No. 03, pp. 415 - 422, July - September 2004.
LUCAS JÚNIOR, Jorge de; SOUZA, Cecília de Fátima; LOPES, José Dermeval Saraiva.
“Construção de Operação de Biodigestores”. Viçosa-MG, CPT, 2003.176p.
MEIRELES, G.S.C.: Desenvolvimento de Sistema de Sistema de Aquisição de Dados em
Operações de Usinagem visando o Monitoramento de Linhas ou Células de Produção. São
Carlos, Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Escola de Engenharia de São
Carlos da Universidade de São Paulo, 97p., 2000.
NOGUEIRA, Luiz Augusto Horta. Biodigestão – A alternativa Energética. Nobel: São
Paulo, 1986.
PADILHA, Thais Cássia Cabral; Antônio Fernando Branco Costa; José Luiz Contador;
Fernando Augusto Silva Marins. Tempo de implantação de sistemas ERP: análise da
influência de fatores e aplicação de técnicas de gerenciamento de projetos. Faculdade de
Engenharia, Campus de Guaratinguetá, UNESP. 2004
SEIXAS, J. Construção e Funcionamento de Biodigestores, Brasília, EMBRAPA - DID,
1980.60p. (EMBRAPA - CPAC. Circular técnica, 4).
Biodiesel [homepage na internet]. São Paulo: Correio do Estado, c2005-09 [atualizada em
2009 Out 01; acesso em 2009 Ago 09]. Disponível em
http://www.biodieselbr.com/noticias/energia/produtores-esperam-dinheiro-credito-carbono-
21-11-06.htm
888
BiodieselBR [homepage na internet]. São Paulo: Correio do Estado, c2005-09 [atualizada
em 2009 Out 01; acesso em 2009 Ago 09]. Disponível em
http://www.biodieselbr.com/energia/biogas/biodigestor.htm
CENAMO [homepage na internet]. Mudanças Climáticas, O protocolo de Quioto e
Mercado de Carbono, CEPEA,Fevereiro de 2004. [atualizada em 200 Nov 26; acesso em
2009 Mar 16]. Disponível em http://cepea.esalq.usp.br/economiaambiental/?id_page=511
Elipse [homepage na internet]. Porto Alegre: Elipse Software; c2004-08 [atualizada em
2009 Jun 10; acesso em 2008 Dec 18]. Disponível em
http://www.elipse.com.br/inicial.aspx?idioma=1
Embrapa [homepage na internet]. Brasília: Ministério da Agricultura, Pecuária e
Abastecimento; c2003-2009 [atualizada em 2009 Out 03; acesso em 2009 Set 02].
Disponível em http://www.embrapa.br/imprensa/noticias/2005/folder.2005-06-
30.8880213159/foldernoticia.2005-06-30.9185161360/noticia.2005-07-07.6858175366/
Infoescola [homepage na internet]. São Paulo: InfoEscola, c2006-09 [atualizada em 2009
Jul 07; acesso em 2009 Jul 26]. Disponível em http://www.infoescola.com/energia/fatores-
que-influenciam-na-biodigestao-anaerobia-para-producao-de-biogas/
Protexto [homepage na internet]. Curitiba: Editora Zamoner, c2007-09 [atualizada em 2009
Out 05; acesso em 2009 Set 19]. Disponível em
http://www.protexto.com.br/texto.php?cod_texto=369
Smar [homepage na internet]. Sertãozinho: SMAR Equipamentos Industriais; c2001-09
[atualizada em 2009 Jun 02; acesso em 2009 Feb 23]. Disponível em
http://www.smar.com/brasil2/treinamento/
898
Wikipedia [homepage na internet]. Londres: Wikimedia Foundation, Inc.; c2001 [atualizada
em 2009 Jun 06; acesso em 2009 Mar 14]. Disponível em
http://pt.wikipedia.org/wiki/Biodigestor_anaer%C3%B3bico
Apostila do Curso Elipse SCADA, oferecido pela empresa TOP Automação [2009 Nov 11].
FILHO, Constantino Seixas. A Automação nos anos 2000 – Uma análise das novas
fronteiras da automação. ATAN Sistemas. 1998.
Redes de Comunicação Industrial. Documento técnico nº2. Lisboa: Schneider Eletric.
Edição de Setembro de 2007.
ANEXO
909
1 Exemplo de Biodigestores e Créditos de Carbono
Em 2005, a Cooperativa Agrícola de São Gabriel do Oeste (Cooasgo), município
localizado a 130 quilômetros de Campo Grande, estado do Mato Grosso do Sul, firmou um
dos primeiros contratos do País para a instalação de biodigestores nas propriedades de todos
os suinocultores da região, que prometiam, com o sistema, reduzir a poluição causada pelos
dejetos da suinocultura.
A Fazenda Monte Azul, a 30km de São Gabriel do Oeste, inaugurou quatro células
de biodigestores na propriedade, em julho de 2005, e desde então passou a contabilizar
direito sobre a comercialização dos créditos de carbono.
Hoje, pouco mais de 16 meses depois da implantação dos primeiros biodigestores, os
suinocultores comemoram os resultados com a instalação dos sistemas. O médico
veterinário da Cooasgo, João Antônio Rodrigues de Almeida, conta que sem essa alternativa
os produtores dos municípios teriam que fechar as granjas que estavam ambientalmente
inviabilizadas. "Os biodigestores trouxeram a solução para o problema ambiental, além de
produzir o biogás que gera energia nas propriedades e da produção de biofertilizante a partir
da correta decomposição dos dejetos", explica João Almeida.
Segundo ele, para os produtores, os créditos de carbono são quase como
coadjuvantes desse processo de instalação de biodigestores, que vem beneficiando muito a
suinocultura da região.
Os créditos de carbono – criados para recompensar projetos de Mecanismos de
Desenvolvimento Limpo (MDL), que reduzam as emissões de gás de efeito estufa – devem
ser repassados anualmente aos suinocultores.
2 Arquitetura do Sistema de Supervisão
919
Os elementos que compõem um sistema de supervisão são o processo físico, o
hardware de controle, o software de supervisão e a rede de comunicação. A arquitetura de
sistema de supervisão proposta deve garantir que os dados do processo possam ser
acessados pelos usuários do sistema, de forma independente e transparente em relação ao
hardware de controle. Assim, a arquitetura não deve impor restrições quanto ao
equipamento utilizado para este fim ou quanto ao processo sendo supervisionado. A forma
de comunicação utilizada para acessar os dados da supervisão através da rede de
comunicação tem influência direta no problema de software de supervisão dependente do
hardware de controle. Assim, para eliminar essa relação de dependência é necessário
estabelecer uma forma de comunicação que permita o acesso aos dados de forma
transparente em relação ao hardware de controle e garantir que o software de supervisão
seja capaz de se comunicar na rede utilizando o formato estabelecido para a comunicação.
A rede de comunicação dos sistemas de supervisão industriais subdividem-se em
rede de campo e rede local de supervisão. As redes de campo utilizam, em sua maioria, o
padrão de comunicação mestre/escravo para obter os dados do processo armazenados
nos controladores (CLPs ou RTUs). Neste padrão somente a estação mestre pode iniciar
qualquer procedimento de comunicação, ficando as estações escravas condicionadas a
responder às solicitações do mestre. As redes locais de supervisão, geralmente, permitem
que suas estações se comuniquem utilizando o padrão cliente/servidor. Neste caso, toda
comunicação se dá entre cada cliente e o servidor, não podendo ocorrer diretamente entre
clientes. Os clientes enviam requisições que solicitam ou remetem informações ao servidor,
que deve atendê-las em tempo útil.
2.1 Rede de Campo
O padrão de comunicação mais utilizado nas redes de campo industriais é o mestre/
escravo. Com isso, e baseando-se no fato de que o padrão de comunicação utilizado
na rede de campo não atinge o nível de aplicação do software de supervisão, portanto
não afeta o problema de dependência, a arquitetura proposta para o sistema de supervisão
adota o padrão mestre/escravo para a rede de campo.
929
Um dos protocolos de comunicação mais conhecidos da indústria que utilizam o
padrão mestre/escravo é o Modbus. No funcionamento dos protocolos mestre/escravo, a
solicitação de informações deve partir do mestre. Essa solicitação deve ser
enviada para todos os escravos através do canal único de comunicação, o que caracteriza
uma comunicação em broadcast. Entretanto, somente o escravo para o qual destina-se a
mensagem deve responder à solicitação. O tempo de transmissão de dados em redes que
utilizam este padrão é determinístico, pois, apesar de o canal de comunicação ser único, o
início de um procedimento de comunicação é de competência exclusiva da estação mestre,
implicando a inexistência de colisões no tráfego deste tipo de rede.
2.2 Rede de Supervisão Local
As maioria das redes de supervisão local utilizam o padrão de comunicação cliente/
servidor na troca de informações. Nesta rede, o servidor deve atender às requisições
de serviço dos clientes. O servidor em uma rede de supervisão local tem como objetivo
principal interconectar esta rede à rede de campo, permitindo que qualquer cliente seja
capaz de acessar, de forma indireta, os dados do processo físico adquiridos na rede de
campo. Em alguns casos, por simplicidade, servidor e mestre podem residir
logicamente na mesma aplicação e fisicamente na mesma máquina. A forma de comunica
ção entre as redes de campo e supervisão tem influência direta no problema de software
de supervisão dependente, tendo em vista que esse software utiliza a rede de comunica-
ção para acessar os dados do processo físico.
2.3 Funcionamento básico do Protocolo Modbus
O padrão Modbus é um protocolo proprietário, que foi desenvolvido em 1978 pela
empresa Modicon, com a finalidade de interconectar seus produtos. Este protocolo acabou
se tornando um padrão de fato no mundo dos PLCs, devido a sua intensa utilização pelas
indústrias.
Ele utiliza o conceito de Mestre/Escravo e padrão físico RS-232 e/ou RS-485 para
transferência de dados entre sistemas de supervisão e equipamentos PLCs. Trata-se de um
939
protocolo que permite endereçar até 247escravos. Suas velocidades padrões são de 9,6kbps
e 19,2kbps, porém com algumas variações, pode ser implementado em até 115 kbps.
A oferta de produtos com disponibilidade do Modbus é muito ampla:
instrumentação, equipamentos especiais (analisadores), drives, I/O distribuído, PLCs,
RTUs, SDCDs, SCADA, Gateways, Modems, IHMs, Displays. Esta ampla variedade se
deve a fácil implementação do protocolo.
Recentemente, melhorias foram incorporadas ao protocolo, originando o
Modbus/TCP. Este foi criado, encapsulando as mesmas mensagens do Modbus tradicional,
na área de dados do comando TCP. Isto tem facilitado a interconexão e troca de dados entre
sistemas de vários fabricantes, que também suportam Modbus, porém agora utilizando
LAN.
2.3.1 Protocolo Modbus/TCP
Para que o Protocolo Modbus/TCP possa ser melhor compreendido, é necessário que
se conheça à respeito do padrão de rede Ethernet e do Protocolo TCP/IP.
Ethernet
A International Standard Organization (ISO) propõe um modelo para a estrutura de
comunicação de dados com sete funções especiais (sete camadas: Aplicação, Apresentação,
Sessão, Transporte, Rede, Enlace e Física) . Esta estrutura, denominada OSI (Open Systems
Interconnect) permite interconectar sistemas abertos e oferece ao usuário a possibilidade de
garantir a interoperabilidade dos produtos. Desta forma, a conectividade direta é garantida
se os sistemas atenderem todas as sete funções.
Dessa forma, temos a palavra Ethernet referindo-se apenas ao meio físico do sistema
(camada Física). O meio físico apenas determina padrões elétricos, de cabeamento e
conexões.
Contudo o mercado cada vez mais está adotando a solução Ethernet como meio
físico pela consolidação desta tecnologia no ambiente industrial (existem mais nós
instalados e especialistas em layout de rede Ethernet do que qualquer outra tecnologia de
rede). Diferentemente de uma tecnologia proprietária, a Ethernet é amplamente dominada
(não exigindo conhecimento específico) e a oferta de acessórios e recursos é ilimitada e em
franco desenvolvimento (hubs, switches, roteadores, bridges, wireless, rádios e hardware
949
para segurança). A própria evolução e revolução da informática é vetor de desenvolvimento
da tecnologia Ethernet (não sendo dependente de um fabricante ou um pequeno grupo de
fabricantes). Além do mais, todas as normas e regras de layout de rede Ethernet são válidas
para os equipamentos de automação.
Protocolo TCP/IP
O TCP/IP é um conjunto de protocolos de comunicação entre computadores em rede
(também chamado de pilha de protocolos TCP/IP). Seu nome vem de dois protocolos: o
TCP (Transmission Control Protocol - Protocolo de Controle de Transmissão) e o IP
(Internet Protocol - Protocolo de Interconexão). O conjunto de protocolos pode ser visto
como um modelo de camadas (Aplicação, Transporte, Rede, Enlace e Física), onde cada
camada é responsável por um grupo de tarefas, fornecendo um conjunto de serviços bem
definidos para o protocolo da camada superior.
Aliando as potencialidades do meio físico Ethernet, procurou-se agregar aos
produtos de automação, serviços TCP/IP (de informática e internet). Recursos disponíveis
no set de funções TCP/IP são agregados aos produtos. Desta forma, como exemplo, seguem
os principais serviços disponíveis: Servidores WEB (Protocolo http); Serviço de e-mail (e-
mail server); Interface com banco de dados; SNMP (Service Network Management
Protocol); BOOTP (Bootstrap Protocol); DHCP (em automação associado à um recurso
importante chamado FDR).
Ethernet TCP/IP Modbus (protocolo)
Para existir comunicação, conforme indicado, as 7 camadas devem ser consideradas.
Somente o Ethernet TCP/IP não é suficiente para a comunicação dos sistemas. Um
protocolo de comunicação deve estar presente.
Desta forma, é proposto o sistema o Ethernet TCP/IP com protocolo Modbus (ver
Ilustração 21). O Protocolo Modbus, é um protocolo efetivamente aberto e de fácil
desenvolvimento. Assim associa-se a simplicidade e abertura do Modbus à potencialidade
do Ethernet TCP/IP.
Além do mais, a conectividade entre sistemas distintos torna-se extremamente
simples. Equipamentos Modbus seriais de inúmeros fabricantes poderão ser conectados
facilmente a esta rede. Desta forma, é possível incluirmos equipamentos importantes que
ainda não possuem incorporadas portas Ethernet (Inversores de Freqüência, relés de
proteção, entre outros).
959
Em resumo, a solução baseia-se em Ethernet (com a flexibilidade, facilidade de
suporte e disponibilidade de acessórios), TCP/IP (recursos de informática e internet) e
Modbus.
O Modbus é o único protocolo de mensagens já reconhecido pelo mundo da internet
(porta 502).
Atualmente, recentes pesquisas de mercado, indicam o Ethernet TCP/IP baseado em
Modbus na liderança global em dispositivos Ethernet industriais instalados (e variedade de
dispositivos).
A Figura 32 mostra como é feito o Encapsulamento Ethernet TCP/IP Modbus:
Figura 32 – Encapsulamento Ethernet TCP/IP Modbus