14

1. INTRODUÇÃO

Embora as concessões dos serviços de saneamento e abastecimento de

água à população no Brasil pertençam aos municípios, na maior parte do país

elas são operadas pelas empresas estaduais de saneamento, que exercem um

monopólio sobre todas as fases de produção, tratamento e distribuição deste

bem.

As empresas estaduais ou até mesmo privadas, devido ao esgotamento

de sua capacidade financeira de endividamento, enfrentam sérias dificuldades

para investir em expansão e melhorias para atendimento da população que não

possui acesso ao serviço, nessa situação convive-se com as perdas (água não

contabilizada, ou seja, incluem-se as perdas comerciais e perdas físicas), essas

perdas ocorrem durante os vários processos que compõem a produção,

reservação, distribuição e a comercialização da água.

Reverter essa situação, obtendo controle automático dos níveis dos

reservatórios de água, minimizando o desperdício, através de um controle

operacional mais eficiente de perdas, é uma questão estratégica de viabilização

financeira, econômica e operacional para as empresas brasileiras de

saneamento.

Com isso é necessário realizar-se investimento é tecnologia. Hoje a

automação é um processo que visa a mecanização, desburocratização e a

busca pela excelência na execução de um serviço ou no processo produtivo de

uma mercadoria, não podendo ser entendida apenas como uma instalação, mas

como um processo complexo que está totalmente ligada à tecnologia.

Quando citamos o termo tecnologia, nos referimos da elevação do capital

social comum – o conhecimento - bem como a captação de recursos e

conseqüentemente um maior volume de investimentos.

Ao trabalhar modelos de automação não podemos entendê-los como

sinônimo de redução do quadro de funcionários, e, sim como benefício que um

trabalho menos repetitivo pode ser substituído ao se optar pelos benefícios da

tecnologia. Uma vez que os objetivos do uso de automação por CLP é a maior

produtividade, controle, qualidade nos serviços e aumento de lucros.

15

Desta maneira, existe a situação: se não há controle de forma adequada,

o processo não existe, com isso não existe gerenciamento eficiente.

1.1 Objetivo geral

Obter o controle automático dos níveis do reservatório de água do

sistema de abastecimento da cidade de Manaus

1.2 Objetivos específicos

• Evitar o desperdício de água tratada no reservatório do bairro Jorge

Teixeira II;

• Eliminar constantes manutenções nos equipamentos em decorrência da

operação inadequada;

• Diminuir o custo de mão-de-obra para, posteriormente serem alocadas em

outras áreas.

1.3 Problema

O município de Manaus, por meio da empresa que tem a autorização de

distribuição, apresenta, atualmente, grande dificuldade em controlar o seu

produto, a água. Diversas perdas com vazamento nas redes, transbordamento

de reservatórios tem causado grandes constrangimentos, até falta d’água, já

que após o extravazamento as bombas dos reservatórios são desligadas

entrando ar no sistema.

Do volume total produzido hoje, 70% é perdido gerando prejuízo para a

empresa de distribuição de água que é repassado para o consumidor final e

este tem que pagar inclusive pelo ar que entrou na tubulação decorrente do

desligamento das bombas, além de não ter fornecimento de água tratada

constantemente para satisfazer suas necessidades primárias.

16

1.4 Justificativa

Comentar o surgimento de novas tecnologias que permitem o

aprimoramento do sistema de controle e acompanhamento do nível de água

existente, buscando o funcionamento eficiente e efetivo na operação de

fornecimento de água, automaticamente.

A necessidade de proprocionar economia em todo o sistema de

abastecimento de água para a empresa de distribuição viabilizando controle

automático dos níveis dos reservatórios de rede e eliminando perdas de água

por extravasamento. Este se reflete na comunidade de forma geral que passará

a pagar valor mais justo, além de ter o líquido precioso em suas torneiras

initerruptamente, pois atualmente o município de Manaus tem encontrado

dificuldades em controlar seu produto, a água tratada. Perdas do produto são

frequentes, o que ocasina prejuísos para a empresa que é refletida na conta de

água mensal do consumidor que, injustamente, tem que dividir com a

organização a conta que não lhe pertence, além de ter de pagar pelo ar que

passa pelo seu hidrômetro, pois o reservatório que secou assume ar no seu

sistema.

17

2. ENTENDENDO O CONTROLE DO NÍVEL DE RESERVATÓRIOS POR

AUTOMAÇÃO

Há diferentes formas de se obter água no seu estado bruto como por meio

de poços, de rios, do mar e até mesmo do ar. Alguns podem ser usados em

larga escala e outros não. No município de Manaus existem duas formas de

captação. Por poços e diretamente do rio.

Primeiramente a água é captada da fonte no seu estado bruto, passa a ser

misturada com produtos químicos visando otimizar o processo de filtragem. A

partir daí passa pelos processos de filtragem, propriamente dito, e depois o

líquido segue para ser distribuído para os reservatórios de distribuição e

posteriormente para os consumidores;

Figura 1 – Processo de tratamento de água Fonte: Empresa Manaus Ambiental, 2012

O Sistema de Abastecimento de Água representa o "conjunto de obras,

equipamentos e serviços destinados ao abastecimento de água potável de uma

comunidade para fins de consumo doméstico, serviços públicos, consumo

industrial e outros usos".

18

Figura 2 – Fontes de obtenção de água no município de ManausFonte: Empresa Manaus Ambiental, 2012

Dentro do Sistema de abastecimento a reservação materializada pelos

reservatórios tem como objetivos:

• Garantia da qualidade da água

• Armazenamento para atender às variações de consumo (reserva de

equilíbrio – C1).

• Permite um escoamento com diâmetro uniforme na adutora, possibilitando

a adoção de diâmetros menores.

• Proporcionar uma economia no dimensionamento da rede de distribuição.

• Armazenamento para atender às demandas de emergência (reserva de

emergência – C2).

• Evita interrupções no fornecimento de água, no caso de acidentes no

sistema da adução, na estação de tratamento ou mesmo em certos

trechos do sistema de distribuição.

• Armazenamento para dar combate ao fogo (reserva de incêndio – C3 ).

• Oferece maior segurança ao abastecimento quando da demanda

destinada a combate a incêndio

• Melhoria das condições de pressão da água na rede de distribuição.

19

• Possibilitam melhor distribuição da água aos consumidores e melhores

pressões nos hidrantes (principalmente quando localizados junto às áreas

de máximo consumo).

• Permite uma melhoria na distribuição de pressões sobre a rede, por

constituir fonte distinta de alimentação durante a demanda máxima,

quando localizado à jusante dos condutos de recalque.

• Garante uma altura manométrica constante para as bombas, permitindo o

seu dimensionamento na eficiência máxima, quando alimentado

diretamente pela adutora de recalque.

O Sistema de Abastecimento de Água da cidade de Manaus conta com

um grande número de reservatórios, logo, prestar serviços para um metrópole

com quase 2 milhões de habitantes, (IBGE@cidades) resulta em uma série de

situações problemas, detectadas nos reservatórios.

Utilizado um controle de nível manual ou semi-automático eles em sua

grande maioria falham ocasionado desperdício de 35% da água tratada

armazenada, elevando número de serviços de manutenção em bombas e a

consequente insatisfação dos clientes.

Atualmente os reservatórios são controlados por operador ou

simplesmente não são controlados, o que ocasiona muitas falhas no processo,

uma vez implantada a operação de processo por meio de Controlador Lógico

Programável - CLP, obteremos o controle operacional total de gerenciamento da

estação. Obter o controle do funcionamento dos níveis de reservatórios de água

através do sistema de abastecimento.

Em um sistema de abastecimento de água, a questão operacional é de

suma importância tornando necessário determinar e controlar as perdas de água

no sistema. O controle de nível das estações é fundamental para prolongar a

vida útil do sistema, melhorar a eficiência, reduzir as despesas operacionais

(energia, produto químico, mão de obra).

20

2.1Perdas de água

O conceito de perdas varia de acordo com o país e organização.

Determinados países como Japão e EUA, definem perdas de água somente na

situação em que as águas não são contabilizadas pela micromedição, enquanto

outros países, como a Inglaterra, consideram como perdas de água somente as

perdas físicas (devido vazamentos) já que somente uma pequena parte das

ligações dos consumidores é medida.

Essas perdas referen-se ao volume de água perdido por vários motivos

como: perdas nas várias etepas que compõem um sistema de abastecimento

(adução, reservação, tratamento e distribuição), esbanjamento na utilização de

água pelo usuário, erros de marcação de hidrômetros e qualquer outra forma

não contabilizada pela empresa.

Para determinação e acompanhamento de perdas é necessário que se

conheçam os valores numéricos associados a perdas, ou seja, indicadores.

A medição é um instrumento para controle, previsão, estimativa, tomada

de decisão, identificação de problemas e avaliação de melhoramentos. A partir

dela pode-se confirmar se o trabalho de melhoria obteve resultado e qual é esse

resultado. A medição pode sinalizar onde é necessário uma melhoria e pode

ajudar na priorização dos alvos, para melhor utilização dos recursos. É um

indicador entre a situação desejada e a atual.

As perdas podem ser de produção onde ocorre perdas físicas de água no

processo de tratamento; perdas reais, que são perdas físicas de água resultante

de vazamento na rede de distribuição e extravazamento de reservatórios e

perdas aparentes, que são perdas não-físicas decorrentes da submedição de

hidrômetros, fraudes e falhas do cadastro comercial.

A companhia de saneamento do município de Manaus produz

mensalmente 18 milhões de metros cúbicos de água, porém grande parte dessa

produção é perdida por meio dos tipos expostos acima. O total perdido é de

70%.

21

Figura 3 – Demonstrativo de perdas em relação ao total produzido Fonte: Empresa Manaus Ambiental, 2012

Essa perda influencia diretamente na saúde da empresa já de que tudo o

que é produzido, apenas 30% é faturado e retorna como lucro para a empresa.

Dessa forma ela se vê abrigada a trabalha com recursos escassos, ficando

praticamente impossibilitada de prestar manutenção adequada à rede de

distribuição, investir em melhorias, contratar mão-de-obra, etc.

É especialmente prejudicial ao consumidor, pois todo o prejuízo que é

gerado pelas perdas é, de certa forma, dividido entre todos os que pagam pelo

serviço de água tratada.

O levantamento do que é desperdiçado pela empresa de saneamento é

calculado a partir da diferença entre os dois tipos de medição existentes:

• Macro medição: é a medição que é executada nas adutoras, na tubulação

principal da distribuição de água;

• Micro medição: é a medição em uma área específica, numa região.

Todos esses problemas causam desgaste em diversas áreas da

empresa, pois geram problemas, desperdícios, insatisfações dos clientes que de

forma geral tem uma visão negativa da empresa e se sentem prejudicados. Além

de estarem cientes que, enquanto em uma região falta na outra região

transborda. Há grande número de ligações de reclamações no serviço de

22

atendimento ao consumidor, o call center evidenciando problemas como pedido

de manutenção, extravasamento e principalmente falta d’água.

Figura 4 – Reclamações no Call Center Fonte: Empresa Manaus Ambiental, 2012

23

3 REVOLUÇÃO INDUSTRIAL

Segundo CAPELLI (2006, p.15) para entendermos a origem da

automação é preciso relembrar o movimento que deu origem à automação

industrial e demais descobertas tecnológicas: A Revolução Industrial, que se

utilizou da mecanização dos sistemas de produção da época, dando origem ao

sistema econômico atual, denominado Capitalismo, tendo seu inicio no século

XVIII, neste período houve a popularização do uso de máquinas, o que nos dá

um panorama de crescente avanço da automação de serviços no mundo.

O uso de máquinas em grande escala foi implantado na Inglaterra a partir

de 1760, aproximadamente. Teve profunda influência sobre a economia mundial,

ocasionando significativas mudanças sociais, políticas e culturais para o homem

contemporâneo. A esse processo de alteração estrutural da economia, que

marcou o início da Idade Contemporânea, chamamos de Revolução Industrial.

Para a sua eclosão, porém, foi decisiva a acumulação de capitais verificada

entre os séculos XV e XVIII.

Uma vez consolidadas as práticas que envolviam produção em grande

escala através do automatismo o homem busca em seu ambiente cada vez mais

aprimorar a tecnologia em seu ambiente de trabalho.

A Revolução Industrial caracterizou-se basicamente, pela introdução de

máquinas simples que surgiram para a substituição da força muscular pela força

mecânica e tarefas repetitivas executadas pelo homem. (SILVEIRA, 1998, p.4)

24

4 AUTOMAÇÃO

Segundo Silveira (1998, p. 30) a automação assume variáveis positivas e

negativas, ou seja, por que automatizar e por que não automatizar , do ponto de

vista positivo pode gerar maior enriquecimento pelo menor custo e aumentar a

qualidade de vida, ao mesmo tempo que diminui os empregos disponíveis e

desvaloriza o trabalho artesanal, mas uma afirmação do autor é da automação é

sem dúvida singular: Trata-se de um processo de evolução tecnológica

irreversível. Uma vez que convivemos em uma sociedade globalizada ávida por

“prestação de serviço eficiente em menor espaço de tempo”

Entende-se por automação qualquer sistema, apoiado em computadores,

que substitua o trabalho humano em favor da segurança das pessoas, da

qualidade dos produtos, da rapidez da produção ou da redução de custos, assim

aperfeiçoando os complexos objetivos das indústrias de serviços. (MORAES,

2007, p. 12).

Automação ainda pode ser definida por FIALHO (2003, p.13) como

“dinâmica organizada” a qual evidencia o progresso da ciência e intervenção

humana no meio industrial e social.

Dentro do tema automação industrial MAMED ( 2002,p.590 ) comenta que

é o enlace entre usuário e os programas de supervisão que compõe um sistema.

4.1 CLP – Controlador Lógico Programável

Para MAMED (2002), “os CLP’s são dispositivos que permitem o

comando de máquinas e equipamentos de maneira simples e flexível,

possibilitando alterações rápidas no modo de operá-los, por meio da aplicação

de programas dedicados, que ficam armazenados em sua memória”.

Ainda existem muitas empresas do ramo da indústria de automação que

possuem pouca experiência com eles. A grande vantagem desse dispositivo

esta na possibilidade de reprogramação sem necessidade de realizar

25

modificações de hardware. Mais o que impulsionou a saída da automação das

indústrias para os prédios e residências foi a popularização e o desenvolvimento

dos computadores pessoais. De fato, atualmente o que se busca é a

conectividade entre os diversos dispositivos que integram um sistema

automatizado e os computadores pessoais.

O CLP começou a ser usado no ambiente industrial desde 1960 embora

ainda existam muitas empresas do ramo da indústria de automação que

possuem pouca experiência com eles. A grande vantagem dos controladores

programáveis é a possibilidade de reprogramação, motivo pelo qual substituíram

os tradicionais painéis de controle a relês. Esses painéis necessitavam de

modificações na fiação cada vez que se mudava o projeto, o que muitas vezes

era inviável, tornando-se mais barato simplesmente substituir todo painel por um

novo. Os CLP’s permitiram transferir as modificações de hardware em

modificações no software.

A General Motors, em meados de 1969, surgiu com os primeiros

controladores baseados numa especificação resumida a seguir:

• Facilidade de programação;

• Facilidade de manutenção com conceito plug-in;

• Alta confiabilidade;

• Dimensões menores que painéis de Relês, para redução de custos;

• Envio de dados para processamento centralizado;

• Preço competitivo;

• Expansão em módulos;

• Mínimo de 4000 palavras na memória.

A partir da década de 70, com a inclusão de microprocessadores dentro

dos controladores, eles passaram a se chamar de Controladores Programáveis

(CLPs), dez anos a frente na década de 80, suas funções foram aperfeiçoadas e

passaram a utilizar a rede de comunicação de dados. (MORAIS e CASTRUCCI,

2001).

De acordo com (NATALE, 2004, p.11), o CLP “É um computador com as

mesmas características conhecidas do computador pessoal, porém, [é utilizado]

em uma aplicação dedicada [...]”. Segundo a ABNT (Associação Brasileira de

26

Normas Técnicas), o CLP é um equipamento eletrônico digital com hardware e

software compatíveis com aplicações industriais.

Segundo a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), CLP é um

equipamento eletrônico digital com hardware e software compatíveis com

aplicações industriais. Já, segundo a National Electrical Manufacturers

Association (NEMA), CLP é um aparelho eletrônico digital que utiliza uma

memória programável para o armazenamento interno de instruções para

implementações específicas, tais como lógica, seqüenciamento, temporização,

contagem e aritmética, para controlar, através de módulos de entradas e saídas,

vários sensores e atuadores.

Esse equipamento foi batizado, nos Estados Unidos, como

Programmable Logic Controller (PLC), em português Controlador Lógico

Programável (CLP) e este termo é registrado pela Allen Bradley (fabricante de

CLP).

Segundo Mamed (2002), os Controladores Lógicos Programáveis podem

ser empregados em diversos setores da indústria. Utilizados sozinhos ou

acoplados a outras unidades, no caso de projetos que ocupam grandes

extensões, eles operam sincronizadamente fazendo todo o controle do

processo. Nesses casos, “a automação assume uma arquitetura

descentralizada, dividindo-se a responsabilidade do processo por várias

unidades de CLP, localizadas em pontos estratégicos da instalação”.

Figura 5 - Diagrama de blocos simplificado de um CLPFonte: WEG (2002)

27

A figura acima mostra através do diagrama de blocos, como o CLP atua

no sistema: os sensores alimentam o CLP (processador), a cada instante, com

os dados (variáveis de entrada) informando, através de níveis lógicos, as

condições em que se encontram. Em função do programa armazenado em sua

memória, o CLP atua no sistema por meio de suas saídas. As variáveis de saída

executam, a cada instante, os acionamentos dos atuadores no sistema,

(NATALE, 1995). NATALE (1995), ainda afirma que “o processamento é feito em

tempo real, ou seja, as informações de entrada são comparadas com as

informações contidas na memória, as decisões são tomadas pelo CLP, os

comandos ou acionamentos são executados pelas saídas, tudo

concomitantemente com o desenrolar do processo”.

De forma geral, os controladores lógicos programáveis (CLPs) são

equipamentos eletrônicos de última geração, utilizados em sistemas de

automação flexível. Estes permitem desenvolver e alterar facilmente a lógica

para acionamento das saídas em função das entradas. Desta forma, pode-se

utilizar inúmeros pontos de entrada de sinal para controlar pontos de saída de

sinal (cargas).

Figura 6 - CLP de pequeno porteFonte: (SCHNEIDER, 2007)

4.1 Funcionamento do CLP

O funcionamento de um CLP corresponde a três etapas distintas, as

quais são: entradas, processamento e saídas. Com essa finalidade o CLP

possui uma arquitetura bastante conhecida baseada em microcontroladores e

microprocessadores.

28

Figura 7- Estrutura básica de funcionamento de um CLPFonte: SILVA FILHO, 2000.

O hardware de um CLP é formado por 3 unidades distintas, as quais são:

fonte de alimentação, CPU (Unidade Central de Processamento, e interfaces de

entrada e saídas ou I/O), e interfaces de I/O. Cada unidade que compõe um CLP

é responsável pelo seu funcionamento.

• Fonte de Alimentação: A alimentação de energia do CLP utiliza uma

fonte chaveada e uma única tensão de saída de 24 V. Esse valor já é utilizado

com a finalidade de alimentar os módulos de entrada e saída de dados e a CPU

ao mesmo tempo. Outra característica importante é que normalmente as

máquinas industriais, funcionam com essa tensão por ser bem menos suscetível

a ruídos. Outro ponto destacável, é que essa tensão já é compatível com o

sistema de comunicação RS-232.

• CPU: Segundo MORAES E CASTRUCCI (p.31, 2001), é “responsável

pela execução do programa do usuário, atualização da memória de dados e

memória-imagem das entradas e saídas”. Inicialmente com a 2ª geração de CLP

(barramento de dados, endereço e controle), a CPU era constituída por um

microcontrolador. A opção por microcontroladores baseava-se pelo custo-

benefício, facilidade de manuseio, e também pela baixa complexidade dos

softwares. Com exceção dos CLPs de pequeno porte, geralmente, os CLPs

apresentam um microprocessador na forma de um CI (Circuito Integrado)

dedicado.

Interfaces de I/O: As entradas e saídas de um CLP podem ser

divididas em duas categorias: as analógicas e digitais.

29

Figura 8 - Interfaces de I/O digitais e analógicas

Fonte: DAHER, 2003.

Existem diversos tipos de módulos de entrada e saída que se adaptam as

necessidades do sistema a ser controlado. Os módulos de entrada e saídas são

compostos de grupos de bits, associados em conjuntos de 8 bits (1 byte) ou

conjuntos de 16 bits, de acordo com o tipo de CPU.

As entradas analógicas são referentes aos dispositivos que trabalham

com grandezas analógicas, como por exemplo, temperatura, umidade relativa,

pressão, entre outras. Para que a CPU trabalhe com esses valores analógicos é

necessário que essas entradas sejam convertidas usando conversores A/D

(analógico para digital).

Operacionalmente, a CPU lê os dados de entradas dos dispositivos de

campo através dos módulos de entrada, e então executa, ou realiza os controles

de programa que tinham sido armazenados na memória.

Os programas normalmente são escritos na linguagem LADDER, a qual

assemelha-se muito a um esquema elétrico baseado em relês. Os programas

são colocados na memória da CPU em forma de operações lógicas, aritméticas

etc.

Baseado nesses programas o CLP escreve ou atualiza o estado das

saídas atuando nos dispositivos de campo (cargas). Este processo, conhecido

como ciclo de operação, continua na mesma seqüência sem interrupções.

30

Figura 9 - Ciclo de Processamento do CLPFonte: SILVA FILHO, 2000.

O CLP é formado por uma fonte de alimentação, uma CPU, e interfaces

de I/O, porém pode-se considerá-lo como uma pequena caixa contendo

centenas ou milhares de relês separados, tais como contadores, temporizadores

e locais de armazenamento de dados. O que acontece é que o CLP simula

essas funcionalidades, utilizando os registradores internos da CPU, onde:

31

Figura 10 - Funcionalidades de um CLPFonte : SILVA FILHO, 2000.

• Relês de entrada (contatos): Conectados com o mundo externo.

Existem fisicamente e recebem sinais de interruptores, sensores etc.

Normalmente não são relês e sim transistores munidos de isolamento

óptico. No caso do CLP TP-02 da WEG Automação, o símbolo na linguagem

LADDER que representa este tipo de relé é a letra “X”;

• Relês de utilidade interna (contatos): Não recebem sinais do

mundo externo e não existem fisicamente. São relês simulados que

permitem eliminar relês de entrada externos (físicos). Também há alguns

relês especiais que servem para executar só uma tarefa, como relês de

pulso, temporizadores etc. Outros são acionados somente uma vez durante

o tempo no qual o CLP permanece ligado e tipicamente são usados para

inicializar dados que foram armazenados. No caso do CLP TP-02 o símbolo

na linguagem LADDER que representa este tipo de relê é a letra “C”;

• Contadores: Estes não existem fisicamente. São contadores

simulados e podem ser programados para contar pulsos. Normalmente,

estes contadores podem contar para cima (incrementar), ou abaixo

(decrementar), ou ambos. Considerando que são simulados, os contadores

estão limitados na velocidade de contagem. Alguns fabricantes também

incluem contadores de alta velocidade baseados em Hardware, podendo ser

considerados como fisicamente existentes.

32

• Temporizadores (Timers): Estes também não existem fisicamente. O

mais comum é o tipo com “Retardo no Ligamento”. Outros incluem “Retardo no

desligamento” e tipos retentivos e não-retentivos. Os incrementos variam de um

mili-segundo até um segundo;

• Relês de saída: Estes possuem conexão com o mundo externo e

existem fisicamente. Enviam sinais de ON/OFF a solenóides, luzes, etc., podem

ser transistores, Relês ou Triacs, dependendo do modelo de CLP. No caso do

CLP TP-02, o símbolo na linguagem LADDER que representa este tipo de relé é

a letra “Y”;

• Armazenamento de dados: Normalmente há registros designados

simplesmente para armazenar dados. Eles são usados como armazenamento

temporário para manipulação matemática ou de dados. Podem ser usados

quando houver ausência de energia no CLP.

4.1.2 Linguagem de Programação

No âmbito geral a linguagem é um meio de transmissão de informações

entre dois ou mais elementos com capacidade de se comunicarem.

Na área de computação, defini-se instrução como um comando que

permite a um sistema com capacidade computacional realizar determinada

operação. Com isso utiliza-se linguagem de programação que padroniza o

conjunto de instruções que o sistema computacional é capaz de reconhecer.

A programação dos controladores lógicos programáveis é atualmente

mais simples e flexível, pois foram desenvolvidas ou aperfeiçoadas incluindo

variações em Ladder e Lista de instruções. A inexistência em relação as

linguagens de programação fez surgir inúmeras variantes destas ao longo do

tempo.

Quando a empresa necessitava realizar a substituição do CLP antigo,

devido ao aumento de demanda ou para incorporar novos recursos , era

necessário investimento, com aquisição e desenvolvimento de software,

hardwares e em treinamento de pessoal envolvido., gerando alto custo para

empresa.

33

A comunidade industrial internacional reconheceu a necessidade de

estabelecer um padrão para os CLP`s visando a uniformização de

procedimentos dos diversos fabricantes.. Foi criado um grupo de trabalho no IEC

para estabelecer normas e todo o ciclo de desenvolvimento do CLP, incluindo

projeto de hardware, instalação, testes, programação e comunicação.

No inicio da década de 1990 o IEC publicou várias partes da norma IEC

1131, que cobre o ciclo de vida completo dos CLP`s Alguns anos depois essa

norma foi revisada e recebeu o número IEC 61131.cuja a terceira parte IEC

61131-3 trata das linguagens de programação. Onde definiu cinco linguagens de

programação:

• Diagrama de Blocos ( FBD – Function Block Diagram)

• Liguagem Ladder (LD – Ladder Diagram)

• Sequenciamento Gráfico de Funções (SFC – System Function Chart)

• Lista de Instruções ( IL – Instruction List)

• Texto Estruturado ( ST – Structured Text)

• Linguagem Ladder – Ladder Diagram (LD)

Linguagem Ladder – Ladder Diagram (LD)

Ë uma linguagem gráfica baseada na lógica de relés e contatos elétricos

para realização de circuitos de comandos de acionamento. Ë a mais difundida e

encontradas em quase todos os CLP`s da atual geração.

Ela foi desenvolvida com os mesmos conceitos dos diagramas de

comandos elétricos. A função principal de um programa em linguagem Ladder é

controlar o acionamento de saídas dependendo da combinação lógica dos

contatos de entrada.

O nome Ladder significa escada em inglês pois o diagrama final se

parece com uma escada cujos trilhos são as linhas de alimentação e cada

lógica associada a uma bobina chamada de degraus em inglês rung. A linha

34

vertical a esquerda representa o pólo positivo e a outra linha paralela

paralela representa o pólo negativo.

Vantagens

Possibilita rápida adaptação (semelhança com diagramas elétricos

convencionais com lógica a relés.

• Técnica de programação mais difundida e aceita

industrialmente

• Símbolos padronizados e mundialmente aceitos pelos

fabricantes e usuários.

• Fácil visualização dos estados das variáveis

•

Desvantagens

• Edição mais lenta.

• Programadores não familiarizados com a operação de relés tendem a

ter dificuldades com esta linguagem.

• Sua utilização em lógicas mais complexas é bastante dificil.

Lista de Instruções

Inspirada na linguagem assembly e de características seqüencial. Ë

indicada para pequenos CLP`s ou para controle de processos simples onde

existem poucas quebras no fluxo de execução do programa.

Cada instrução deve começar em uma nova linha, que pode ser

preenchida por um rótulo sendo composta de operador e operando.

Vantagens:

Execução do programa de forma rápida

Documentação mais compacta em relação a lógica de relés.

35

Desvantagens:

• Conhecimento em álgebra de Booleana

• Noção de programação em assembly

• Dificuldade em realizar alterações no código já implementado.

. Grafcet / SCF

O Grafcet foi desenvolvido a parti da s redes de Petri. Trata-se de uma

ferramenta de modelagem comportamental aplicável a diversos tipos de

sistemas. A modelagem pode ser aplicada em um número praticamente ilimitado

de sistemas desde que sejam seqüenciais e evoluam discretamente.

Todos os estados do sistema têm um elemento de memória denominado

etapa. Cada etapa tem comportamento especifico do sistema que é função do

modo como as entradas evoluem seqüencialmente no tempo. Assim o sistema

seqüencial não muda de etapa enquanto não sofre excitação externa.

Vantagens

• Facilidade de interpretação

• Linguagem ideal para processos sequenciais

Desvantagens

• Conhecimento em Rede de Petri

• Só inicia-se a próxima etapa ao término da etapa ativa

4.2 Teoria do Inversor de Freqüência

De forma simples podemos dizer que os inversores de freqüência são

equipamentos eletrônicos que permitem variar / controlar a velocidade de um

motor.

36

Atualmente, a necessidade de aumento de produção e diminuição de

custos, se fez dentro deste cenário surgir à automação, ainda em fase inicial no

Brasil, com isto uma grande infinidade de equipamentos foram desenvolvidos

para as mais diversas variedades de aplicações e setores industriais, um dos

equipamentos mais utilizados nestes processos conjuntamente com o CLP é o

Inversor de Freqüência, um equipamento versátil e dinâmico, na figura 7 vai

expor agora o princípio básico do funcionamento do inversor de freqüência.

4.2.1 O que são os drives CA - Inversores de freqüência?

Os inversores de freqüência, também conhecidos como conversores de

freqüência são dispositivos eletrônicos que convertem a tensão da rede

alternada senoidal, em tensão contínua de amplitude e freqüência constantes e

finalmente converte esta última, numa tensão de amplitude e freqüência

variáveis.

A denominação Inversor ou Conversor é bastante controversa, sendo que

alguns fabricantes utilizam Inversor e outros Conversor. Inerentemente ao

projeto básico de um Conversor de Freqüência, teremos na entrada o bloco

retificador, o circuito intermediário composto de um banco de capacitores

eletrolíticos e circuitos de filtragem de alta freqüência e finalmente o bloco

inversor, ou seja, o inversor na verdade é um bloco composto de transistores

IGBT, dentro do conversor. Na indústria, entretanto, ambos os termos são

imediatamente reconhecidos, fazendo alusão ao equipamento eletrônico de

potência que controla a velocidade ou torque de motores elétricos.

Eles são usados em motores elétricos de indução trifásicos para substituir

os rústicos sistemas de variação de velocidades mecânicos, tais como polias e

variadores hidráulicos, bem como os custosos motores de corrente contínua

pelo conjunto motor assíncrono e inversor, mais barato, de manutenção mais

simples e reposição profusa.

Os conversores costumam ser dimensionados mais precisamente, pela

corrente do motor. O dimensionamento pela potência do motor pode também ser

feito, entretanto, a corrente é a principal grandeza elétrica limitante no

dimensionamento. Importante também notar outros aspectos da aplicação,

37

durante o dimensionamento, como, por exemplo, demanda de torque (constante

ou quadrático), precisão de controle, partidas e frenagens bruscas ou em

intervalos curtos ou muito longos, regime de trabalho, filtros EMC/RFI para

compatibilidade eletromagnética, indutores CA para redução de harmônica

proteção do retificador, e outros aspectos particulares de cada aplicação.

Os conversores de Freqüência têm uma vasta aplicação na indústria de

máquinas e processos em geral. Com a capacidade inerente de variar a

velocidade de motores elétricos trifásicos de Corrente Alternada, permitem aos

projetistas, desenvolver máquinas que sem os mesmos, seriam praticamente

impossíveis de serem fabricadas.

Os conversores de Freqüência de última geração, não somente controlam

a velocidade do eixo de motores elétricos trifásicos de corrente alternada, como

também, controlam outros parâmetros inerentes ao motor elétrico, sendo que um

deles é o controle de Torque.

Através da funcionalidade que os microprocessadores trouxeram os

conversores de Freqüência hoje, são dotados de poderosas CPUs ou placas de

controle microprocessadas, que possibilitam uma infindável variedade de

métodos de controle, expandindo e flexibilizando o uso dos mesmos.

A Vacon conseguiu implementar sua própria estratégia de controle, de

modo a obter domínio total sobre o comportamento do eixo do motor elétrico,

permitindo em muitos casos que motores elétricos trifásicos de corrente

alternada, substituírem Servo Motores em muitas aplicações. Os benefícios são

diversos, como redução no custo de desenvolvimento, custo dos sistemas de

acionamento, custo de manutenção.

Muitos conversores hoje são dotados de opcionais que permitem

implementar técnicas de controle de movimento, manipulação de vários

eixos de acionamento, Posicionamento e Sincronismo de Velocidade ou

Sincronismo de Posição.

Modernas técnicas de chaveamento da forma de onda de tensão e

também da freqüência aplicada sobre o estator do motor elétrico, permitem

o controle com excelente precisão, sobre o eixo do motor. Uma das técnicas

mais conhecidas é o PWM ou (Pulse Width Modulation – Modulação de

largura de pulso). Tais técnicas são sempre aliadas ao modelamento

38

matemático preciso do motor elétrico. Os conversores de última geração

fazem medições precisas e estimativas dos parâmetros elétricos do motor,

de modo a obter os dados necessários para o modelamento e conseqüente

controle preciso do motor.

Os Conversores de Freqüência, por serem dispositivos dotados

comumente de uma ponte retificadora trifásica a diodos, ou seja, tratam-se

de cargas não lineares, geram harmônicas. Os fabricantes de Conversores

de Freqüência disponibilizam filtros de harmônicas, alguns já integrados ao

produto, outros opcionais. Existem várias técnicas para filtragem de

harmônicas, que vão desde as mais simples e menos custosas, como

indutores na barra DC ou indutores nas entradas do conversor, antes da

ponte retificadora, passando pelos retificadores de 12 ou 18 diodos ou

pulsos, utilizando transformadores defasadores até chegar aos filtros ativos

ou retificadores a IGBT, para diminuição ou até mesmo eliminação das

harmônicas tanto de corrente quanto de tensão elétrica.

Devido à tecnologia de desenvolvimento de semicondutores e técnicas

inovadoras de refrigeração, alguns equipamentos já são comercializados, com

total segurança e garantia de operação, utilizando refrigeração à água. Isso faz

com que algumas potências se conseguem uma redução de até 70% do

tamanho do equipamento quando comparado com um de mesma potência,

porém com refrigeração a ar.

4.2.2 Funcionamento de um inversor

O avanço da Eletrônica de Potência permitiu o desenvolvimento de

conversores de freqüência com dispositivos de estado sólido, inicialmente com

tiristores e atualmente estamos na fase dos transistores, mais especificamente

IGBT, onde sua denominação é transistor bipolar de porta isolada.

Os ciclos conversores antecederam de certa forma os atuais inversores,

eles eram utilizados para converter 60 hz da rede em uma freqüência mais

baixa, era uma conversão CA-CA, já os inversores utilizam à conversão CA-CC

e por fim em CA novamente. Os inversores podem ser classificados pela sua

topologia, esta por sua vez é dividida em três partes, sendo a primeira para o

39

tipo de retificação de entrada, a segunda para o tipo de controle do circuito

intermediário e a terceira para a saída. Na abaixo apresentamos um circuito em

blocos de um inversor com a topologia tipo PWM, esta topologia é a mais

utilizada nos inversores de freqüência atuais.

Figura 11 - Princípio básico do funcionamento do inversor de freqüência.Fonte: Manual WEG.

Lembrando que no primeiro estágio na entrada da linha CA, o módulo de

entrada (conversor), a tensão é transformada pelo retificador de entrada em

contínua pulsada (onda completa). As figuras abaixo mostram detalhadamente o

circuito elétrico dos três estágios de um inversor de freqüência.

Figura 12 – Primeiro estágio do funcionamento do inversor de freqüência. Fonte: manual Weg

No segundo estágio temos o circuito intermediário o capacitor (filtro)

transforma-a em tensão contínua pura de valor aproximado de Vdc=√2xVrede.

40

Figura 13 - Segundo estágio de um inversor de freqüência. Fonte: Manual Weg

No último estágio contamos com o módulo de saída (inversor), com esta

tensão contínua é conectada ciclicamente aos terminais de saída pelos

transistores do inversor, que funcionam no modo corte ou saturação (como uma

chave estática). O controle desses transistores é feito pelo circuito de comando,

de modo a obter um sistema de tensão pulsada, cujas freqüências fundamentais

estão defasadas de 120°. A tensão e a freqüência de saída são escolhidas de

modo que a tensão seja proporcional à freqüência para o fluxo, seja constante e

o torque também o seja, deveremos então chavear os transistores de saída pela

modulação de largura de pulso para obtermos uma forma de tensão CA

sintetizada e de freqüência variável, com isto estamos apto a variar a velocidade

do motor.

Figura 14 - Terceiro estágio de um inversor de frequência.Fonte: manual Weg

A partir desses três estágios podemos ter o circuito completo de um

inversor de freqüência, desde a parte de entrada do circuito, à parte de

potência, comando até a saída onde varia-se tensão e corrente.

A variabilidade freqüência é muito grande, atualmente seu valor está

entre 0 e 400 HZ, esta podendo ser escalar ou vetorial.

41

Figura 15 - Diagrama de Blocos típico de um InversorFonte: Manual Weg

4.3 Tipos de Inversores de Freqüência

• Inversor Escalar

O funcionamento dos inversores de freqüência com controle escalar está

baseado numa estratégia de comando chamada “V/F constante”, que mantém o

torque do motor constante, igual ao nominal, para qualquer velocidade de

funcionamento de um motor.

A escalar como o próprio nome sugere, é uma relação direta entre

freqüência e tensão. No gráfico abaixo mostramos de forma mais breve esta

descrição.

42

Figura 16 - Relação entre freqüência e tensão.Fonte: MAMED FILHO, 2007

• Inversor Vetorial

Em aplicações onde se faz necessária uma alta performa dinâmica,

respostas rápidas e alta precisão de regulação, o motor elétrico deverá fornecer

essencialmente um controle preciso de torque para uma faixa extensa de

condições de operação. Para tais aplicações os acionamentos de corrente

contínua sempre mrepresentaram uma solução ideal, pois a proporcionalidade

da corrente de armadura, do fluxo e do torque num motor de corrente contínua

proporcionam um meio direto para o seu controle. Vantagens do Inversor com

controle Vetorial:

a) Elevada precisão de regulação de velocidade;

b) Alto desempenho dinâmico;

c) Controle de torque linear para aplicações de posição ou de tração;

d) Operação suave em baixa velocidade e sem oscilações de torque,

mesmo com variação de carga.

• Inversores Vetoriais de Fluxo

Os Inversores Vetoriais de Fluxo produzem uma saída trifásica com

tensão(V) e freqüência (F) controladas independentemente, não seguindo

uma curva V/F pré-fixada.

A idéia é manter o fluxo magnético do motor constante e controlar

diretamente o torque do eixo do motor controlando-se a corrente rotórica do

mesmo.

Os Inversores Vetoriais de Fluxo possuem dois controladores, um

controla a corrente de magnetização e o outro a corrente do motor. O torque

no motor será imposto e controlado diretamente, ao contrário dos Inversores

Escalares onde o torque é conseqüência do escorregamento do motor.

Os inversores Vetoriais de Fluxo estão divididos em duas categorias: com

e sem realimentação. A realimentação ou "Feedback", permite "enxergar" o

movimento do eixo do motor possibilitando controlar a velocidade com alta

precisão e também o torque em velocidade zero. A operação com realimentação

é também conhecida como controle de malha fechada e sem realimentação

43

como controle de malha aberta. A realimentação é realizada utilizando um

gerador de pulsos, também conhecido com "Encoder". Alguns equipamentos

permitem a utilização dos dois modos, sendo necessário uma placa opcional

para a operação de malha fechada.

A operação de malha aberta, ou sem realimentação é também conhecida

como "Sensorless", nesse caso o algoritmo de controle torna-se mais complexo,

pois o inversor deve calcular através de artifícios matemáticos a velocidade real

e o escorregamento do motor. A operação sem realimentação possui

performance inferior à operação com realimentação.

Os Inversores Vetoriais de Fluxo necessitam da programação de todos os

parâmetros do motor como, resistências elétricas, indutâncias, correntes

nominais do rotor e estator, dados esses normalmente não encontrados com

facilidade. Para facilitar o set-up, alguns inversores dispõem de sistemas de

ajustes automáticos também conhecidos como "Auto-tunning", não sendo

necessário a pesquisa de dados sobre o motor.

Hoje existem vários tipos de tecnologias disponíveis no mercado, basta

saber quando usar, que tipo de inversor usar, qual aplicação irá usar e, outros

meios de aplicações. A figura abaixo mostra detalhadamente os tipos de

inversores disponíveis.

Figura 17 - Tipos de inversores disponíveis no mercado.

44

4.4. Motores Elétricos

Segundo MAMED(2007) o motor elétrico é uma máquina que transforma

energia elétrica em energia mecânica de utilização, que dividem-se em dois

grupos: os de corrente contínua e os de corrente alternada, ambos que tomam o

valor de tensão como a base de sua classificação, cada um com características

distintas do outro.

Os Motores de Corrente Continua são acionados através de uma fonte de

corrente contínua, sendo utilizados nas industriais quando se faz necessário

manter o controle fino da velocidade num processo qualquer de fabricação. São

fabricados motores de corrente contínua com três características.

• Motor Serie - Sua corrente de carga é utilizada também como corrente

de excitação com as bobinas de campo ligadas em serie com as bobinas do

induzido, por isso não podem operar a vazio, pois sua velocidade tenderia a

aumentar indefinidamente, danificando a máquina;

• Motores em Derivação - Seu campo esta diretamente ligado a fonte de

alimentação em paralelo com o induzido. Sob tensão constante, desenvolvendo

uma velocidade constante e um conjugado variável de acordo com a carga;

• Motores Compostos - São aqueles em que o campo é constituído de

duas bobinas, sendo uma ligada em serie e outra ligada em paralelo com o

induzido. Estes motores acumulam as vantagens do motor serie e do motor de

derivação, isto é, possuem o elevado conjugado de partida e velocidade

aproximadamente constante num acionamento de cargas variadas.

Os Motores de Corrente Alternadas são acionados através de uma fonte

de corrente alternada e utilizados em um grande número de aplicações do ramo

industrial, isso se dá pelo fato de seu simples processo de construção, uma vida

útil longa, bem como o benefício do custo reduzido de compra e manutenção.

45

Os Motores que são alimentados por um sistema trifásico a três fios, são

classificados como Motores Trifásicos, esses tem as suas tensões estão

defasadas de 120 elétricos e representam na grande maioria dos motores

empregados nas instalações industriais, sendo por indução ou síncrono. Sendo

constituídos por duas partes básicas: estator e rotor.

Figura 18 - Motor de Indução TrifásicoFonte MAMED, 2007.

O primeiro formado por três elementos: carcaça, núcleo de chapas e

enrolamentos. A carcaça constitui-se de uma estrutura de construção robusta,

geralmente fabricada em ferro fundido, aço ou alumínio injetado, resistente à

corrosão sua superfície é aletada e tem por função suportar as partes fixas e

móveis do motor. O núcleo de chapas constituído de chapas magnéticas

adequadamente fixadas ao estator e finalmente os enrolamentos que são

dimensionados em material condutor isolado, dispostos sobre o núcleo e ligados

à rede de energia elétrica de alimentação.

A segunda parte, o rotor, constitui-se também de três elementos básicos:

eixo, núcleo de chapas, barras e anéis e enrolamentos. O eixo é o componente

responsável pela potencia mecânica gerada no motor. O núcleo de chapas

possui chapas magnéticas que de fixam adequadamente no eixo. As barras

anéis de curto circuito podendo ser denominada motor de gaiola é feita de

alumínio injetado sobre pressão. Enrolamentos ou motor bobinado são feitos

com material condutor que ficam dispostos sobre o núcleo.

46

Os Motores de Correntes Alternadas ainda possuem outros componentes

que completam sua estrutura, esses componentes são ligados aos componentes

principais, estado entre eles o ventilador, a tampa defletora, terminais,

rolamentos e caixa de ligação.

Figura 19 - Classificação dos motores elétricosFonte: MAMED, 2007.

4.5 Sensores

Existem diversos tipos de sensores utilizados em equipamentos

eletrônicos. Pode-se usar simples chaves ou dispositivos de acionamento

momentâneo do tipo mecânico, até transdutores especiais que convertem

alguma grandeza física em uma grandeza elétrica, como, por exemplo, uma

tensão. Estes sensores servem para informar um circuito eletrônico a respeito

de um evento que ocorra externamente, sobre o qual ele deve atuar, ou a partir

do qual ele deva comandar uma determinada ação.

Os principais tipos de sensores se encontram em aplicações eletrônicas

sendo alguns deles: Sensores Mecânicos, Sensores do tipo Reed-Switch,

Sensores Ultra-sônicos, Sensores Capacitivos , Sensores de Pressão.

47

• Sensores Mecânicos

Denomina-se sensores mecânicos aqueles que sensoriam movimentos,

posições ou presença usando recursos mecânicos como, por exemplo, chaves

(switches).Nesta categoria inclui-se os micro switches e chaves de fim-de-curso.

Estes sensores, como o nome sugere, são interruptores ou mesmo chaves

comutadoras que atuam sobre um circuito no modo liga / desliga quando uma

ação mecânica acontece no seu elemento atuador. É possível usar estes

sensores de diversas formas, como para detectar a abertura ou fechamento de

uma porta, a presença de um objeto em um determinado local, ou ainda quando

uma parte mecânica de uma máquina está numa certa posição.

Uma variação deste tipo de sensor é o “sensor de fim-de-curso” que,

conforme o próprio nome indica, detecta quando uma parte mecânica de um

dispositivo atinge seu deslocamento máximo. A finalidade da chave de fim-de-

curso é evitar que o motor do sistema, por exemplo, continue atuando mesmo

depois que a peça que ele movimenta chega ao seu ponto máximo. Isso poderia

forçar o mecanismo ou ainda causar uma sobrecarga do motor ou do próprio

circuito de acionamento.

• Sensores do tipo Reed-Switch

Estes sensores podem ser utilizados para detectar a posição de uma

peça ou de uma parte de um mecanismo pela posição de um pequeno ímã que

é preso a ela. Pode-se classificar estes sensores também como sensores

magnéticos, uma vez que eles atuam com a ação de um campo, mas como são

interruptores acionados por campos, será melhor separá-los em uma outra

categoria, dentro de uma classificação de atuação mais simples.

Este tipo de sensor que tanto pode ser utilizado para detectar a simples

aproximação de uma peça quanto gerar pulsos de controle a cada passagem de

uma peça móvel. Caracteriza-se por sua velocidade de ações limitada e também

pela pequena capacidade de corrente que os tipos comuns apresentam. Nestas

aplicações destacam-se, por exemplo, sua utilização como sensor de fim-de-

curso, para detectar quando uma peça atinge seu deslocamento máximo,

atuando sobre o sensor pela ação de um pequeno ímã.

• Sensores Ultra-sônicos

48

Este é um tipo de sensor bastante útil na detecção de objetos a uma certa

distância, desde que estes não sejam muito pequenos, e capazes de refletir este

tipo de radiação. O princípio de funcionamento deste sensor é o seguinte:

transdutor emite ondas ultra-sônicas em freqüência normalmente em torno de 42

kHz. O resultado é um comprimento de onda da ordem de alguns centímetros, o

que permite detectar objetos relativamente pequenos. As ondas refletidas pelo

objeto são captadas pelo sensor, fornecendo assim um sinal que pode ser

processado trazendo informações sobre o objeto no qual ocorreu a reflexão.

Os exemplares mais comuns de sensores deste tipo são os que utilizam

uma lâmina ressonante de modo que eles funcionam tanto como transdutores

emissores quanto microfones, mas sendo capazes de selecionar por

ressonância, uma estreita faixa de freqüências, normalmente em torno de 42

kHz.

O outro tipo de sensor /emissor é o que faz uso de cerâmicas

piezelétricas. Observe que, enquanto o primeiro é indutivo de baixa ou média

impedância, o segundo tem características capacitivas de alta impedância.

Estes sensores são bons para detectar a presença de objetos a curtas

distâncias sendo por isso usados em aplicações onde outros meios mais sujeitos

a interferência não funcionam bem. Isso acontece pois os ultra-sons,

diferentemente de luz e sinais elétricos, não são afetados por interferências

elétricas ou mesmo luz ambiente.

• Sensores Capacitivos

A capacitância de um capacitor (sensor) depende da distância entre duas

placas. Se uma delas for móvel, é possível associar à sua posição um valor de

capacitância que pode ser usado para processar informações sobre a distância

em que ela se encontra. Então, um sensor deste tipo pode ser elaborado

simplesmente mantendo-se uma armadura fica e prendendo-se a armadura

móvel ao objeto que se pretende sensoriar.

É possível sensoriar também o deslocamento deste objeto pela superfície

efetiva do capacitor que o sensor representa. Dessa maneira possível sensoriar

deslocamentos laterais de uma das armaduras do capacitor. Finalmente, tem-se

uma possibilidade interessante, que é aproveitada no sensoriamento de líquidos

49

de um reservatório, onde o próprio nível do liquido representa a armadura móvel.

Conseqüentemente, tem-se um capacitor virtual, cuja armadura que se

movimenta é o próprio liquido ou meio cuja posição ou nível deve ser

sensoriado. Os sensores capacitivos encontram aplicações em alarmes,

sensores de posição, sensores de níveis de líquidos em reservatórios, etc.

• Sensores de Pressão

Há várias tecnologias que permitem a elaboração de sensores de pressão

para aplicações na indústria, eletrônica de consumo, eletrônica médica,

eletrônica embarcada, etc.

O ar externo pressiona o diafragma que vai ter uma posição que depende

do valor da pressão externa. A posição do diafragma é então sensoriada por um

dispositivo sensor de posição que pode ser uma bobina ou uma placa, caso em

que se usa um sensor capacitivo.

Uma deformação do material faz com que apareçam tensões elétricas

nas faces do material. Esta tensão pode ser amplificada de modo a fornecer

informações sobre a grandeza sensoriada. Com essa estrutura podem ser

obtidos sensores que sensoriam a pressão absoluta caso em que numa das

faces tem-se uma câmara de vácuo que serve de referência, ou com ar a uma

pressão de referência, ou ainda relativos, em que existem duas entradas de

pressão.

Neste caso, o dispositivo sensoria a diferença de pressão entre as duas

entradas, podendo assim indicar uma pressão relativa, por exemplo de uma

autoclave ou bomba de ar. Este tipo de sensor também pode ser usado no

sensoriamento do nível de líquidos em um reservatório.

Sensores modernos como estes também fazem uso de tecnologia

magneto-resistiva, onde um ímã cria um campo que atua sobre um padrão de

linhas que apresentam uma certa resistência. Uma deformação desta estrutura

faz com que a resistência elétrica apresentada se modifique, fornecendo desse

modo um sinal de saída a um circuito de monitoramento ou controle.

• Protetores de Surto

A causa mais freqüente da queima de equipamentos eletrônicos – como

computadores, placa eletrônica de controle por exemplo – é a sobretensão

causada por descargas atmosféricas ou manobras de circuito. Contudo, estes

50

problemas estão com os dias contados. Os avanços da tecnologia já permitem a

implementação de uma proteção eficaz contra estes efeitos. Instalados nos

quadros de luz, os Dispositivos de Proteção contra surtos (DPS), são capazes

de evitar qualquer tipo de dano, descarregando para a terra os pulsos de alta-

tensão causados pelos raios. Utilizado para limitar as sobretensões e

descarregar os surtos de corrente originários de descargas atmosféricas nas

redes de energia. Os dispositivos são aplicados na proteção de equipamentos

conectados à redes de energia, informática, telecomunicações etc. Fixação

rápida por engate em trilho, atendendo ao sistema N - modular standard.

Principais Vantagens

A mais completa e variada linha de DPS para aplicação em

sistemas de energia do mercado nacional;

Fabricação local dos modelos mais vendidos, da classe II;

Disponibilidade de modelos com bases mono (só classe II), bi, tri e

tetrapolares, porém com modulo de reposição individual;

Produzidos com a mais moderna tecnologia disponível atualmente

no mundo, empregando componentes ativos (varistores e centelhadores) de

altíssima qualidade e procedência idônea (Epcos/Siemens);

Ampla gama de acessórios para facilitar a montagem em conjunto

com outros componentes (barramentos para ligação com disjuntores e DR’s e

modulo de inversão de ligação);

Sinergia completa com os demais produtos Siemens ET,

configurando-se no mais completo portfólio de produtos para instalações do

país, com forte posição de liderança em minidisjuntores e DR’s;

Certificação Internacional KEMA (CENELEC).

51

5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS

O fluxograma a seguir mostra toda a metodologia do projeto.

Figura 20 – Fluxograma do PDCAFonte: Campos, (1996)

Esta metodologia fica melhor representada no tradicional desenho

esquemático do ciclo PDCA. O esquema mostra as quatro etapas básicas do

ciclo PDCA: P (PLAN) – Planejar: estabelecimento de plano com a definição de

objetivos, metas, estratégias e recursos. D (Do) – Desenvolver / Executar:

preparação (execução e treinamento) das pessoas para execução de tarefas

conforme previsto no plano e execução das mesmas, registrando-se dados que

permitam o controle do projeto. C (Check) – Checar / verificação dos resultados

da tarefa executada, comparando-os com o planejado. A (Action) – Agir para

corrigir ou melhorar ou prevenir: definição de ações para corrigir erros,

eliminando definitivamente as causas fundamentais e revisando procedimentos;

ou agir no sentido de melhorias, estabelecendo novas diretrizes. O PDCA trará a

organização de todo o andamento de projeto.

52

5.1 Coleta de dados

A análise de documentos foi realizada no período inicial da pesquisa,

após a leitura de reclamações de clientes originadas de serviço de call center da

empresa abastecedora de água, bem como e-mails relatando problemas de

abastecimento do reservatório do Bairro Jorge Teixeira II.

A coleta de dados se deu no período de agosto-outubro/2012, período de

calor intenso e maior fluxo de reclamações dos usuários, onde verificou-se o

sistema atual e suas características de funcionamento.

Os instrumentos utilizados para análise foram tabelas e gráficos de leitura

bem como relatórios de desperdício de água, reclamações de clientes e pedidos

de manutenção ou substituição de bombas fornecidas pela companhia de água.

Após a leitura de documentos, foram extraídas as reclamações mais

freqüentes verificando-se o problema de maior incidência. Em seguida passou-

se a segunda etapa da pesquisa, a pesquisa de campo, que contou com visitas

no período crítico, verificação da estrutura de abastecimento e levantamento de

serviços realizados para solucionar o transbordamento do reservatório e

posterior falta de água para a comunidade.

As visitas oportunizaram uma melhor visão do espaço e condições de

serviços oferecidos, assim como suas deficiências.

Figura 21 – Modelo de reservatórioFonte: Empresa Manaus Ambiental, 2012

Figura 16 - Estrutura Básica dos Reservatórios

53

5.2 Definições das estratégias.

Para realizarmos o projeto, levantaremos algumas metas para serem

realizadas.

Etapa I - Buscar e implementar dispositivos que realizem o acionamento

automático das estações de campo.

Etapa II - Estudar e implementar lógica de funcionamento do

equipamento, que deverá ser o gerente das estações de campo.

5.3. Conhecimentos Teóricos

Definido o trabalho de conclusão de curso, partimos para etapa de coleta

de informações em busca da identificação do problema e que nos desse

embasamento teórico do assunto a ser abordado.

Pesquisamos os assuntos referentes ao principio de funcionamento do

CLP (controlador lógico programável), sensores de nível, fonte de alimentação,

dispositivos de proteção e o controle de reservatórios que é a nossa idéia de

implantação.

Foi necessário pesquisar os assuntos em livros, na internet, manuais e

apostilas que nos desse uma orientação na estrutura teórica e de como montar a

estrutura de operação do CLP.

5.4. Materiais e métodos

Realizamos algumas pesquisas dos equipamentos que seriam viáveis a

serem utilizados na realização deste projeto, onde procuramos encaixar todos os

itens do projeto de automação, com menor custo e mais didático possível haja

vista que encontramos grande dificuldade para definirmos o tipo de CLP que

seria utilizado, pois não tínhamos conhecimento suficiente para definirmos qual

equipamento teria o melhor desempenho em nossa aplicação.

54

Os equipamentos utilizados foram organizados no quadro demonstrativo

1, a quantidade necessária para a instalação, o preço individual de cada item e o

preço total do investimento a ser realizado na Elevatória.

Quadro 1 - Demonstrativo de EquipamentosFonte: Dados da empresa Manaus Ambiental

O material para a confecção foi adquirido com recursos próprios em lojas

especializadas da cidade Manaus. Sendo os componentes do painel: Protetores

de surto, contator auxiliar, Motor Elétrico, CLP Twido, módulo de expansão

analogico fonte de alimentação 24Vcc e inversor de freqüência.

Com base no levantamento dos preços dos equipamentos do protótipo,

percebe-se que o valor investido no projeto é práticável se considerar a

economia com o não-desperdício de água, locomoçào de mão-de-obra e

proporcionando maior qualidade no serviço e satisfação por parte dos clientes.

• Transmissor de Nível – Hidrostático

Este instrumento foi desenvolvido para medir continuamente e com

grande precisão o nível em tanques ou reservatórios contendo produtos líquidos.

Não apresenta qualquer parte móvel uma vez que seu princípio de operação é

totalmente baseado na medição da pressão exercida pela coluna de líquido que

fica acima do sensor. Um circuito eletrônico converte o sinal que vem do sensor

de pressão em corrente 4-20 mA. Por isto, pode ser utilizado em tanques com

presença de espuma, turbulência ou gases/vapores além de não ser afetado por

características do fluído que possam sofrer mudanças como viscosidade ou

constante dielétrica

55

A versão pendular é composta somente por um sensor preso a um cabo,

sendo submerso até o fundo do tanque. Sua principal aplicação é a medição de

água, tanto em tanques ou reservatórios como em poços profundos, uma vez

que devido ao seu tamanho reduzido, permite ser introduzido através de bocais

de pequeno diâmetro.

Características:

Não cotem partes móveis;

As partes que serão molhadas são confeccionadas em aço inox e

PP (versão pendular) e Aço Inox cerâmica (versão lateral);

Saída 4-20;

Saída 4-20 mA a 2 fios;

Não é afetado pela presença de espuma, turbulência ou

gases/vapores;

Fácil instalação.

Aplicações

Monitoramento contínuo do nível de tanques ou reservatórios;

Líquidos como água, produtos químicos, entre outros;

Medição do nível de poços profundos (versão pendular).

Dados Básicos para dimensionamento

Tensão nominal do DPS: Uc;

Sobretensões temporárias suportáveis TOV: Ur ;

Nível de proteção de tensão: Up;

Capacidade de descarga:

- DPS classe I - Iimp

- DPS classe II - In

- DPS classe III – Uoc

Capacidade de descarga da corrente subsequente Ifi (classe I)

- Proteção de back-up

• CLP Twido

56

O CLP utilizado na confecção do projeto foi Twido modelo

TWDLCAA40DRF – de médio porte, da marca Schneider, possuindo 24

entradas 24 VCC e 16 saídas a relé, permitindo até quatro módulos de

expansão. As entradas e saídas digitais constituem as ligações físicas do

Controlador com o mundo externo. Para muitos, são simples terminais de

conexão, mas para o Controlador elas representam um sistema que transforma

um sinal elétrico em um: estado lógico (0 ou 1),

O controlador Twido possui dois tipos de LEDs:

os LEDs de estado de operação interna,

os LEDs de entradas e saídas.

O CLP Twido pode ser equipado com um Relógio de Tempo Real

(opcional), possibilitando a utilização de instruções de gerenciamento de tempo

e assim operar as máquinas de acordo com um calendário.

A alimentação elétrica do equipamento é em 220Vca. Para obtenção do

sinal analógico, foi necessário acrescentar módulo de expansão TWDAMM3HT

com 2 entradas analógicas e 1 saída sendo:

1 entrada analógica - ligação do transmissor de nível

2 entrada analógica – ligação do transmissor de nível

1 saída analógica – controle de rotação do inversor

A alimentação elétrica do módulo de expansão é realizada em 24Vcc.

• Motor Elétrico

Motor de indução trifásica, 6 pontas fechamento interno em delta com as

seguintes características:

Marca: WEG

Tensão: 220V

Corrente: 2,1 A

Potencia: 0,5CV

Rotação: 1710 RPM

Fator de Serviço:1.15

Isolamento: B

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Proteção: IP54

• Inversor de Frequência

Inversor utilizado marca WEG CFW-08 com características técnicas

abaixo:

Fonte de alimentação: 200Vca a 240Vca (trifásica)

Corrente: 7 A

Potencia: 2,7 Kva

Freqüência: 50/60Hz

5.5 Esquema Elétrico

De acordo com a idéia realizada no papel de como seriam o esquema

elétrico, optamos por utilizar o software paint, acessível a todos usuários,onde

nele demonstramos toda parte de ligação elétrica de cada módulo, como eles

estão ligados as entradas/saídas e circuito de potência.Conforme diagramas

abaixo:

Figura 22 – Diagrama de Comando do Protótipo.Fonte: Empresa Manaus Ambiental, 2012

58

Figura 23 - Diagrama de Funcionamento do CLP do Protótipo.Fonte: Empresa Manaus Ambiental

5.6 Princípios de Funcionamento

Procedimento de operação e programação

Configurando o CLP

Configurando o Inversor de freqüência

Exemplo de lógica combinacional

O monitoramento do nível do reservatório será feito através de um

transmissor de nível hidrostático, alimentação a dois fios 24 Vcc e sinal de saída

de 4 a 20 mA.

O transmissor de nível envia um sinal de corrente 4 a 20 mA, proporcional

ao range do sensor.Este sinal de corrente é proporcional a pressão no nível

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dentro do reservatório e será enviada para a entrada analógica do CLP. Este irá

ler monitorar e interpretar, de acordo com os parâmetros determinados, o

momento em que deverá ligar e desligar o conjunto moto bomba.

Com base nessas informações, o controlador irá comparar o valor

desejado (SP) com o valor do processo (PV) e determina com base no set-point

de controle, o valor de correção na saída do controlador para que o valor do

processo (PV) se aproxime do valor desejado (SP), fornecendo sempre uma

determinada rotação, não permitindo assim que o reservatório fique seco. Esta

operação só é permitida, pois o CLP utilizado possui recurso de controle PID

(Proporcional Integral Derivativo).

5.7 Simulação

Através do TwidoSuite_V2. 0 é possível simular o funcionamento do

programa, como se o computador estivesse conectado ao PLC, monitorando

a execução do mesmo. Serão abordadas as seguintes situações.

Procedimento de operação e programação

Passo 1

A figura demonstra qual CLP será utilizado na aplicação