Universidade Federal de Santa Catarina

Departamento de Automação e Sistemas

Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas

Projeto REUNI – 2010

SISTEMA SUPERVISÓRIO DE CONTROLE DE UMA CENTRÍFUGA DE

PROCESSAMENTO DE AÇÚCAR UTILIZANDO A BANCADA WEG

Daniel C. Ramos

Florianópolis, Fevereiro de 2011

ÍNDICE

1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 1

2. O PROBLEMA ....................................................................................................... 2

3. FERRAMENTAS ................................................................................................... 5

4. IMPLEMENTAÇÃO ............................................................................................. 6

5. CONFIGURAÇÃO E INICIALIZAÇÃO ............................................................ 8

6. FUNCIONAMENTO ............................................................................................. 9

7. CONCLUSÕES ..................................................................................................... 11

8. REFERÊNCIAS ................................................................................................... 12

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 - Visão geral da centrífuga. ................................................................................ 2

Figura 2 - Ciclo completo da centrífuga. .......................................................................... 3

Figura 3 - Bancada da WEG. ............................................................................................ 5

Figura 4 - Exemplo de linha de código no ladder............................................................. 6

Figura 5 - Interface com usuário do sistema supervisório. ............................................... 7

Figura 6 – Tela de edição do VBS script. ......................................................................... 7

Figura 7 - Tela inicial do supervisório.............................................................................. 9

Figura 8 - Tela das siglas. ................................................................................................. 9

Figura 9 - Telas dos sensores, atuadores e velocidades. ................................................. 10

Figura 10 - Telas do temporizador e da aceleração ........................................................ 10

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1. INTRODUÇÃO

Na indústria, o caldo de cana quando concentrado via cozimento, sua

viscosidade aumenta, tornando-se massa. Quando alcança 78°C à 80°C, os cristais de

açúcar começam a aparecer e a massa vai ficando cozida, alterando o seu estado liquido

para um estado pastoso.

Deixando esta massa em repouso nos cristalizadores, a sacarose começa a ser

depositada sobre os cristais. Ao se esgotar a massa, basta separá-lo dos cristais para

obter o açúcar comercial. Este procedimento é realizado em turbinas centrífugas de

secagem, que são chamadas de centrífugas.

A centrífuga é constituída de um motor, situado na parte superior, o qual aciona

um eixo vertical que sustenta uma cesta cilíndrica, na qual se coloca a massa cozida a

ser turbinada. Esta cesta é perfurada para deixar passa o mel e reforçada com anéis para

resistir a foca centrifuga. É protegida com telas metálicas para reter o açúcar e, ao

mesmo tempo, deixar passar o mel, o qual retorna para ser processado. Na parte

superior, existe uma válvula que controla a abertura para entrada da massa e na parte

inferior existe uma válvula para controlar a abertura do fundo para descarga do açúcar.

Este trabalho constituiu-se da elaboração de um sistema supervisório didático

para a aplicação industrial real, porém simplificada, desta centrifuga de açúcar,

utilizando a bancada da WEG e os softwares disponibilizados pela mesma.

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2. O PROBLEMA

O sistema da centrifuga consiste no controle de um motor de indução principal e

de válvulas para controle dos compostos. Há vários sensores para indicar o

funcionamento correto e um botão de emergência. Neste trabalho os sensores e as

válvulas são simulados apenas, tendo como foco o controle total do motor na bancada.

Figura 1 - Visão geral da centrífuga.

Os sensores indicados na Figura 1 são:

• Sensor de tubo de água em cima S01;

• Sensor de tubo de água embaixo S02;

• Sensor de descarregador em cima S03;

• Sensor de descarregador embaixo S04;

• Sensor de fundo fechado S05;

• Sensor de fundo aberto S06;

• Sensor de válvula do mel aberta S07;

• Sensor do apalpador S08;

Os atuadores indicados na Figura 1 são:

• Botão de emergência B01;

• Válvula solenóide para liberação do freio SV01;

• Válvula solenóide para descida tubo de água SV02;

• Válvula solenóide de abertura da água SV03;

• Válvula solenóide de abertura do fundo SV04;

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• Válvula solenóide para descida do descarregador SV05;

• Válvula solenóide p ara abertura da carga SV06;

• Válvula solenóide para separação do mel SV07;

A centrifugação do açúcar pode ser realizada através de 3 modos: automático,

semi-automático ou manual. No modo automático e semi-automático a seqüência de

funcionamento deve ser a mesma, porém, o modo semi-automático realiza apenas um

ciclo por vez. O ciclo completo é descrito resumidamente na Figura 2.

Figura 2 - Ciclo completo da centrífuga.

Cada etapa da Figura 2 é descrita detalhadamente a seguir:

1 – Inicialização: Como condição para habilitar o inversor, os sensores S01, S03 e S05

devem estar acionados. Pressionado start, a válvula do freio SV01 deve ser acionada,

inversor habilitado e executar o comando gira. O inversor utiliza como referência a

velocidade de carga;

2 – Lavagem da Tela: Enquanto o sistema estiver em aceleração para velocidade de

carga deve-se realizar a lavagem da tela que consiste em acionar válvula SV02 para

descida do tubo, confirmado tubo de água embaixo S02, abrir válvula de água SV03 e

iniciar contagem do tempo de lavagem da tela. Decorrido tempo programado, fechar

válvula de água SV03 e subir tubo, fechando SV02;

3 – Carregamento: Finalizada lavagem da tela e confirmado retorno do tubo de água

S01, verificar se o sistema está na velocidade de carga (dentro dos limites máximo e

mínimo) e iniciar o carregamento. Para realizar o carregamento, todos os cilindros

devem estar recuados S01, S03 e S05. Abrir a válvula de carga SV06 e abrir (energizar)

a de separação do mel SV07. Iniciar a contagem de um tempo máximo de carga. Para

finalizar a carga verifica-se o evento que ocorrer primeiro: tempo de carga ou o

acionamento do sensor do apalpador S08. Fechar válvula de carga SV06 para finalizar

etapa;

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4 – Centrifugação: Após o carregamento, o sistema deve utilizar como referência a

velocidade de centrifugação. Durante a aceleração, o sistema realiza a contagem de um

tempo para atrasar a abertura da água para lavagem do açúcar. Decorrido esse tempo,

desenergizar a válvula SV07 para fechar a saída de mel, acionar válvula SV02 para

descida do tubo de água.

5 - Lavagem: Confirmado tubo de água embaixo S02, acionar a válvula para abertura

da água SV03. Iniciar temporização de água aberta. Finalizado tempo programado,

fechar a válvula de água SV03 e realizar a subida do tubo SV02. Ao finalizar a lavagem

do açúcar, o sistema verifica se a velocidade do sistema já atingiu no mínimo 80% da

velocidade de centrifugação. Sendo atingido este limite mínimo, iniciar contagem do

tempo de centrifugação.

6 – Descarregar: Finalizado tempo de centrifugação, o sistema deve habilitar a

velocidade de descarga. Quando a velocidade do sistema alcançar a velocidade de

descarga, é acionada a válvula SV04 para abertura do fundo. Confirmado fundo aberto

S06 e velocidade da máquina dentro do alcance estabelecido em máxima e mínima de

descarga, acionar a solenóide SV05 para descida do descarregador (ou raspador).

Confirmado descida S04, iniciar o tempo de descarregador embaixo. Finalizado o

tempo, subir o descarregador SV05. Quando este em cima S03, realizar o fechamento

do fundo SV04.

Ao finalizar o ciclo, estando em automático, uma nova batelada é iniciada. Se

selecionado modo semi-automático, sistema finaliza ciclo e pára máquina. No modo

manual o ciclo completo é realizado com intervenção do operador, ou seja, cada etapa

ou operação deve ser encadeada / executada pelo operador da centrífuga.

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3. FERRAMENTAS

A centrífuga é representada pela bancada da WEG disponível no laboratório da

UFSC, que consiste no inversor de freqüência CFW09 (Figura 3) para controle de um

motor de indução trifásico. Este inversor de freqüência pode assumir papel de um CLP,

recebendo comandos, analisando velocidade de rotação do motor através de um encoder

já embutido.

A comunicação é realizada através da porta RS-232, diretamente ligada ao

computador. Este utiliza o software Indusoft Web Studio para supervisionar o

funcionamento do motor. Ainda é utilizado o software WLP – Weg Ladder Programmer

para passar as instruções na linguagem Ladder para o inversor.

Assim, neste trabalho foi feita a programação em Ladder básica, visando

simplificar e diminuir ao máximo a programação no supervisório.

Figura 3 - Bancada da WEG.

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4. IMPLEMENTAÇÃO

Como a listagem de todos os comandos e programações seria demasiadamente

extensa, irão ser destacados nesta sessão os principais conceitos e programações que

requerem um conhecimento um pouco mais complexo.

Os códigos em ladder e no supervisório foram feitos com comentários

antecedendo as linhas de código para facilitar o entendimento.

No ladder, o início e final de cada etapa possui uma Tag própria para ser

acionado e percebido pelo supervisório. Ainda antecedendo todas as linhas existe uma

Tag para segurança, que se acionada, desabilita todos os comandos (MX3333).

Ao final das páginas de código em ladder, há as linhas para transformação de

variáveis de float para inteiro e vice versa e a linha de referencia de velocidade, onde

sempre transfere a mesma posição de memória para o inversor. Para controlar a

velocidade é transferido durante a programação a referência para esses espaços de

memória, assim, evita conflitos e erros durante a programação.

Figura 4 - Exemplo de linha de código no ladder.

O módulo supervisório possui vários sub menus, para controle das funções e das

tags do ladder. O mesmo ainda passa por constantes mudanças na interface, melhorando

a cada versão (Figura 5).

Mas basicamente, o mesmo possui uma interface onde é possível visualizar os

estados dos sensores e atuadores (vermelho e verde), sendo o verde quando o mesmo

está ativado. Neste trabalho foi considerado que os atuadores mudam de estado ao

colocar o valor 1 e ao colocar o valor 0 voltam ao seu estado inicial.

É considerado que o controle dos sensores no supervisório é mutuamente

exclusivo, ou seja, caso o sensor 1 seja ativado automaticamente o sensor 2 é

desabilitado e vice versa.

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Figura 5 - Interface com usuário do sistema supervisório.

Ainda há a seleção do modo (automático, semi e manual), a contagem de ciclos,

a exibição da velocidade, exibição do significado das siglas, iniciação das variáveis já

com valores padrões (facilitar a simulação no laboratório), entre outras funções.

Figura 6 – Tela de edição do VBS script.

A programação do que fazer em cada módulo, em grande parte está no Ladder

como mencionado anteriormente, mas para executá-los na seqüência certa, um mínimo

de programação de alto nível é necessária. A mesma é encontrada no Script da tela

inicial, no formato de VBS Script. É uma linguagem de fácil compreensão e foi

totalmente comentada para futuras edições (Figura 6).

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5. CONFIGURAÇÃO E INICIALIZAÇÃO

Para inicializar o CFW09 corretamente para a utilização do supervisório deve-se

seguir os seguintes passos:

1. Liberar a senha: Pressione [Prog] e utilize as setas para mudar de P002 até

aparecer na tela de leds o código P000. Aperte novamente [Prog] e com as setas

vá até o parâmetro 5, apertando novamente [Prog] para finalizar. Isto fará como

que você libere o CFW09 para modificações de parâmetros.

2. Utilizando as setas novamente, mude até o código P204, apertando [Prog] em

seguida. Modifique até o código 7 (Carr. Us. 1) e aperte [Prog]. Isto iniciará as

configurações básicas na bancada.

3. Agora verifique se a bancada está conectada ao computador e inicialize o WLP.

Abra o arquivo centrifuga.idd e vá no menu Comunicação e faça o “download”

do ladder para o CFW09. Isto repassa as linhas de programação de “baixo nível”

em ladder para a bancada.

4. Inicialize o software Indusoft e abra o projeto centrifuga e inicialize o

supervisório.

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6. FUNCIONAMENTO

A tela inicial do supervisório é de fácil uso. Pode-se escolher o modo de

operação, visualizar os ciclos e as velocidades de referência e real. Na figura do sistema

inicial (Figura 7) é possível ver quais sensores e atuadores estão ativado através das

cores. Verde sinaliza que está ativado e vermelho que está parado.

Este menu foi feito pois não há o hardware dos sensores e atuadores, portanto é

necessário ir ativando estes na seqüência correta, simulando o sistema.

Figura 7 - Tela inicial do supervisório.

Figura 8 - Tela das siglas.

Para o aluno lembrar quais siglas os significados das siglas, há um botão que

abrirá uma tela indicando o significado das mesmas (Figura 8).

Na figura 9, é possível ver a ativação dos sensores e atuadores conforme for

comandado. Ainda é possível ver o monitoramento e modificação de parâmetros do

sistema como os sensores, atuadores e velocidades.

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Figura 9 - Telas dos sensores, atuadores e velocidades.

A Figura 10 mostra as telas restantes, do temporizador e aceleração.

Figura 10 - Telas do temporizador e da aceleração

No momento o modo automático executa indefinidos ciclos, continuamente. O

modo semi-automático, irá prosseguir até ao final do ciclo e pedirá a confirmação. O

modo manual possibilita controlar os parâmetros diretamente.

Existe a possibilidade de transformar o modo automático em um modo onde não

é necessário controlar a seqüência de ativação dos sensores e atuadores. Assim, o ciclo é

executado de uma maneira completa para demonstração. O modo semi-automático irá

conduzindo os procedimentos automaticamente na medida em que o aluno executa a

ordem de ativação dos sensores e atuadores, e o manual permitiria o controle de cada

parâmetro sem algum encadeamento.

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7. CONCLUSÕES

O supervisório e a programação em ladder funcionam adequadamente para

executar o ciclo completo nos modos automático e semi, e no modo manual foi

levemente adaptado, abrindo uma nova tela onde é possível executar os atuadores

individualmente e controlar a velocidade de rotação do motor.

Como limitação neste desenvolvimento foi a implementação virtual dos sensores

e atuadores, que podem ser facilmente modificados quando houver o seu

desenvolvimento por hardware.

Ainda não foi implementado os alarmes e temporizadores de tempo por ciclo,

isto devido a limitação no supervisório e no ladder, alguns comandos na programação

do supervisório simplesmente não funcionam, principalmente os ligados ao

desligamento automático da tela (para sair é necessário apertar Alt+f4) e o temporizador

por segundos, no qual apenas funciona a contagem de segundos desde o ano de 1930, o

que causa um grande processamento para fazer um simples cálculo.

Como futuros trabalhos, sugerem-se o desenvolvimento dos sensores em

hardware, a inserção dos alarmes e procedimentos de segurança, e se possível o

desenvolvimento do supervisório em uma plataforma mais atual, que possibilite uma

gama maior de comandos e de programação.

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8. REFERÊNCIAS