AUTOMAÇÃO E CONTROLE DE ELEVADOR DE CANECAS VIA RELÉ ELETRÔNICO ANDRÉ C. BEMFICA¹, EVERTON R. S. ARAÚJO 1 , PAULO RAFAEL DA S.ARAÚJO1, ROGER R. DA SILVA1 Engenharia de Controle e Automação, Instituto de Estudos Superiores da Amazônia¹ Avenida Governador José Malcher, 1148, Nazaré, Belém/PA, CEP – 66055-260 E-mails:
[email protected],
[email protected],
[email protected],
[email protected] Abstract This paper presents a project to automate the transport of material, alumina and crust, from one level to another by means of a bucket elevator in an aluminum production company, whose the main objective are reduce the waste material, maintenance time due to a failure (breakage of any component of the process) and unnecessary wear of the equipment involved. Wherefore, to avoid these problems and make the necessary automation and process control, it’s necessary a monitoring current of the motor of the bucket elevator using a smart electronic relay, and act up on rotary valves and screw conveyors, which are responsible for the dumping of material in the elevator, thereby obtaining a control of the amount of material transported by these equipments. A PLC (programmable logic controller) is responsible for overall supervision of the process and all devices are properly connected by PROFIBUS DP network, open standard industrial communication for high-speed field level. Keywords Bucket Elevator, Control, Smart relay. Resumo Este artigo apresenta um projeto de automação de transporte de materiais, alumina e crosta, de um nível para outro por meio de um elevador de canecas em uma empresa de produção de alumínio. Tendo como objetivo principal reduzir o desperdício de material, o tempo de manutenção devido a falhas (quebra de algum componente do processo) e ao desgaste desnecessário dos equipamentos envolvidos. Diante disso, para evitar os problemas mencionados foram necessários a automação e controle do processo, para isso, realiza-se o monitoramento da corrente do motor do elevador de canecas através de um relé eletrônico inteligente. Assim, atua-se sobre válvulas rotativas e transportadores helicoidais, que são os responsáveis pelo despejo de material no elevador, obtendo assim, um controle da quantidade de material transportado por estes equipamentos. Um CLP (controlador lógico programável) será o responsável pela supervisão geral do processo e todos os equipamentos estarão devidamente interligados via rede PROFIBUS DP, padrão aberto de rede de comunicação industrial de alta velocidade para nível de campo. Palavras-chave Elevador de canecas, Controle, Relé inteligente. 1 Introdução Uma indústria beneficiadora de minérios possui uma alta complexidade no que concerne ao número e como são realizados os processos de manufatura de materiais. Dentre vários processos importantes como a mistura da matéria prima, eletrólise, fabricação do anodo, todos estes necessitam de um transporte de minérios eficiente e essencial para a boa produção como um todo. O transporte pode ser feito com a utilização de correias transportadoras, elevadores, transportadores helicoidais e outros equipamentos, sendo que em todos é primordial que falhas sejam evitadas, com o intuito de procurar soluções otimizadas ou que tenham bons resultados. Independente da forma, boa parte dessas soluções se utilizam da automação e do controle de sistemas. Castrucci e Moraes (2007) afirmam que “A automação envolve a implantação de sistemas interligados e assistidos por redes de comunicação, compreendendo sistemas supervisórios e interfaces homem-máquina que possam auxiliar os operadores no exercício da supervisão e da análise dos problemas que porventura venham a ocorrer”. Souza, et al. (2009) afirmam que “Com o advento da tecnologia de campo destinado à monitoração e controle de equipamentos, houve a necessidade no aperfeiçoamento e maior confiabilidade nos sistemas de partida e supervisão de motores, uma vez que há a pretensão de diminuir os erros e aumentar a produtividade nos processos de produção. Um dos meios mais eficazes para se ter uma aplicação com o mínimo de perdas é a integração de componentes inteligentes à rede industrial para efetuar o monitoramento e proteção a atuação de válvulas rotativas e transportadores helicoidais com inversores de frequência. (2002) “Os elevadores contínuos não possuem espaçamento entre as canecas e utilizam a força da gravidade (velocidade baixa) no descarregamento do material. Segundo Pereira. Desenho técnico – elevador de canecas “Os elevadores de canecas constituem um meio econômico de transporte vertical de material a granel. cerâmicas. Por ter essa vasta gama de aplicações. optou-se pelo uso de um relé eletrônico responsável pelo monitoramento da corrente do motor do elevador. o monitoramento de variáveis de processo. situado a vários metros de profundidade”. flowmeters para medir o fluxo de material e um CLP (Controlador lógico programável) responsável pela supervisão e controle geral da planta. químicas. limpos. O trabalho visa assim apresentar um projeto de automação e controle do processo de transporte de minérios. Souza e Oliveira. requisitando processos mais rápidos. Abraman. desalinhamento do eixo (movido ou motriz) e quebra ou desgaste da correia do elevador. cal. pois viabiliza a resolução de problemas como o alto consumo de energia. O elevador de canecas em questão possui um motoredutor. Para recolocá-lo em funcionamento. O sistema de proteção . alimentícias. tal ação realizada de forma manual em um espaço confinado no fundo do poço do elevador. Suas principais aplicações são em indústrias de mineração. a difícil manutenção e modificação de comandos e fiações elétricas. madeira. (2008) dizem que “A parada brusca de um Elevador de canecas causa o seu embuchamento pelo acúmulo de grãos no pé do elevador. cervejarias. Este trabalho descreve uma solução para automatizar um processo de transporte de alumina e crosta que utiliza um elevador de canecas com a finalidade de reduzir custos. Almejar a perfeição. Figura 1. Bortoloaia.de máquinas. O elevador de canecas pode ainda apresentar diversos problemas como a quebra de canecas. apoio na manutenção preventiva.2007. Para implementar a automação. 2003). corretiva e na operação das indústrias”. As paradas bruscas para manutenção do equipamento impactam diretamente na produtividade da empresa. A Figura 2 demonstra um desses problemas. Estes elevadores podem ser do tipo centrífugo ou contínuo podendo ter suas canecas fixas em correntes ou correias. tempo e perdas. 2007. seguros e eficientes. seguros e eficientes. 2 O Elevador de Canecas O elevador de canecas é um equipamento destinado ao transporte vertical ou horizontal de materiais sólidos a granel como cereais. É o que defende de maneira semelhante os autores (Castrucci e Moraes. possuem um espaçamento entre uma caneca e outra (passo da caneca) e utilizam a força centrífuga (velocidade alta) para efetuar a descarga do material contido nas mesmas”. é necessária a remoção desses grãos. a quebra de correia. 2003. Figura 2. FAÇO (2000). Este embuchamento (excesso de material no poço do elevador) é bastante normal em aplicações que envolvem transporte de materiais através de equipamentos mecânicos como este. tomadas de decisões. principalmente na área de gestão de manutenção de equipamentos industriais. minérios em geral e materiais químicos. subcorrente e sobrecorrente (sobrecarga). et al. havendo casos especiais de equipamentos horizontais”. podendo ser inclinados de até 70°. uma vez que a ausência deste tipo de proteção pode vir a desencadear problemas para a produção e desgastes indevidos dos equipamentos. dois eixos (Movido e Mortiz) e uma correia vertical com pequenas caçambas que elevam o material de um ponto ao outro conforme Figura 1. Natale. et al. “Nos dias atuais a automação é uma importante ferramenta para as indústrias manterem-se competitivas no mercado. se torna um objetivo básico para as empresas atuais do ramo industrial. Quebra da correia Estes problemas geram perturbações na planta como subvelocidade. etc. desperdiçando tempo com manutenção imprevista e consequentemente perdendo produtividade”. por meio dela geram-se processos mais limpos. cimento. seus problemas são bastante comuns e abrangentes. Já os elevadores centrífugos. um de Alumina e outro de Crosta. Os silos de alumina e crosta possuem cada um. em sua saída. No elevador. sendo esse fluxo medido pelo flowmeter. Painel de Comando antigo . As concentrações são pré-estabelecidas por um engenheiro de processo. A Figura 4 ilustra o processo. Porém essa proteção não possui alta confiabilidade devido a vários problemas que ocorrem. Etapas do Processo Figura 3. que são acionadas por inversores de frequência. através do relé eletrônico. et al. O processo todo é acionado através do painel de comando local onde temos o modo automático.por subvelocidade é utilizado no campo industrial da referida empresa. Figura 5. podem ocorrer vários problemas como quebra de canecas. este silo é abastecido com a blendagem (mistura) de material de outros dois silos. como a quebra do sensor. botão de liga e o botão de emergência. uma válvula rotativa (VR) e um flowmeter. conforme Figura 5. esse transportador é responsável pela mistura e pelo transporte para o elevador de canecas. Esse controle de fluxo é necessário para que se tenha a quantidade exata de cada material para a blendagem. os materiais são despejados no transportador helicoidal. como foi dito anteriormente. Esse sistema é feito através de um sensor de proximidade (indutivo) conectado a um CLP. que por meio de uma programação com temporizador. modo manual. quebra da base do mesmo. válvulas rotativas (VR’s). acionado também por um inversor de frequência. o elevador leva o material misturado para um nível mais alto. Figura 4. diminuem ou param o fluxo de material. a Figura 3 demonstra esse sensor na base do elevador de canecas. Para evitar esses tipos de problemas é essencial que haja um sistema que faça o monitoramento e atue no processo de forma automatizada. uma vez que é implementado ao seu escopo funções de medição de grandezas e gerenciamento comunicando-se em rede com outros equipamentos. Para que seja feita a blendagem e o produto final chegue ao seu destino serão utilizados os transportadores helicoidais (TH’s). a um CLP. dados estatísticos e alta performance de comunicação entre o nível de automação e o motor. como por exemplo. Assim. Neste trabalho. 3 Processo de Transporte de Alumina e Crosta O processo consiste no abastecimento do silo de Cobertura. posicionado logo após as válvulas. elevador de canecas (EC) e flowmeter (medidor de fluxo / vazão. Após o flowmeter. Sensor indutivo na base do elevador de canecas. redução de fiação. por isso é feito o monitoramento constante da corrente do motor do elevador. monitora a velocidade do sistema. Souza. As válvulas rotativas. desalinhamento de correias. a solução adotada é a utilização de um relé eletrônico para o monitoramento da corrente do elevador. entre outros. (2009) afirmam que os relés inteligentes estão a cada dia tendo uma maior repercussão no sistema de proteção e gerenciamento de motores. além da alta vibração do equipamento fazendo com que o sensor saia do raio de atuação. pois permite diagnósticos precisos. onde passa por mais um transportador helicoidal que o conduz até o silo cobertura. aumentam. As válvulas rotativas (VR) são utilizadas no descarregamento e dosagem de materiais particulados. A Figura 8 ilustra sua localização no processo real na fábrica. Flowmeter no campo de fábrica Figura 6. o produto chega ao transportador helicoidal. Fonte: (Manual Ventec. No devido projeto são usados inversores de frequência que atuam no acionamento das válvulas rotativas e transportadores helicoidais. diminuindo ou aumentando a velocidade das mesmas. Figura 9. Este instrumento tem controle direto em cima das VRs. Silos de Crosta e Alumina Após essa etapa de fluxo. misturando a alumina e a crosta e transportando-os até o próximo destino. de massa ou a taxa volumétrica dos materiais despejados por cada válvula rotativa é utilizado um flowmeter. 2011) Figura 7.4 Metodologia 4. Fonte: (Apostila Transportadores Contínuos para Granéis Sólidos. trabalhando através da seguinte fórmula: Valor absoluto do Erro = Setpoint – real (1) Como mencionado na seção 2. Figura 8. Uma Figura do elevador de canecas é representada na Figura 10. Este elevador é acionado por um motoredutor trifásico. 2008) Para medir a taxa de fluxo linear.1 Equipamentos Os silos de abastecimentos mencionados no fluxograma são reservatórios para armazenamento de materiais. não-linear. A Figura 9 mostra o aspecto físico desse elemento e seus componentes. Caso esse valor seja negativo ou positivo o flowmeter atua de uma maneira diferente. FAÇO (2000). As canecas (caçambas) são fabricadas em chapas soldadas ou em plástico reforçado e são projetadas de acordo com a operação do EC. na Figura 7 pode-se ver o aspecto desta válvula. Se o valor for negativo a quantidade de material desejado que passará para a próxima etapa é reduzida. caso seja necessário. Transportador Helicoidal. ao mesmo tempo em que permite manter um diferencial de pressão entre sua entrada e saída. . o elevador de canecas é responsável pelo transporte do material até o silo de cobertura. caso contrário (positivo) essa quantidade de material aumenta. o elevador de canecas. Este equipamento mecânico serve como misturador de materiais. aço inoxidável ou ligas de alumínio e conforme necessidade pode chegar à altura de até 20m”. “Este equipamento pode ser fabricado de Aço de carbono. conforme Figura 6. Válvula Rotativa. Esquema de Fiação com PROFIBUS-DP e Relé Inteligente (Fonte Original: Manual SIEMENS Simocode 3UF5 . Relé Eletrônico O relé eletrônico que irá monitorar o motor do elevador é o SIMOCODE 3UF5 da Siemens (Figura 11). Figura 11. a Figura 12 ilustra a nova CCM com o relé eletrônico e a rede industrial.2. destinado a aplicações de baixas tensões e motores com velocidades constantes”. • Comunicação em PROFIBUS DP. sem contar a redução de cabos e fiações anteriormente utilizadas na CCM antiga. “É um equipamento para sistemas de gerenciamento de motores flexíveis e modulares. serviço e diagnóstico. dados operacionais. são transmitidos os comandos. Dentre estas características citadas. Na lógica de programação do CLP. Desse modo. • Diminuição nos custos de planejamento. montagem e manutenção. SIEMENS. estatísticos e parâmetros. • Proteção eletrônica multifuncional de motores. O PROFIBUS-DP realiza a comunicação entre o SIMOCODE-DP e o nível de automação. • Aumento na capacidade de operação e qualidade do processo. As Figuras 13. disponibilizando dados de operação. 1999). Software Win Simocode-DP Ele possui um software que implementa todas as funções de controle e proteção de motores.3. Figura 14. onde toda a programação necessária foi desenvolvida para controle. caso a corrente do elevador de canecas aumente chegando a 18A. a planta roda sem carga ou com . aquisição de diagnósticos e documentação. destaca-se a integração com os sistemas de gerenciamento de energia da planta. o sistema de controle do elevador é ativado fazendo com que as válvulas rotativas diminuam a sua rotação. um ponto de fundamental importância e faz com que ele seja o escolhido para esta aplicação. Dessa forma. 14 e 15 ilustram respectivamente esse software.Figura 10. Simocode. O sistema de gerenciamento do motor e sua proteção é realizado pelo software Win Simocode DP onde é executada toda a parametrização dos equipamentos. Principais Vantagens: O controle total do processo é realizado através de um CLP mestre da fabricante Rockwell RS Logix 5/500. Elevador de canecas Real 4. Fonte: (Catálogo SIEMENS. • Dados detalhados de operação. Monitoramento e Controle Figura 12. com isso. Configuração dos parâmetros 4. o relé inteligente otimiza todas as conexões entre o sistema de automação desejado e suas combinações de partida. diagnósticos e dados estatísticos. 1999) Figura 13. Catálogo SiemensSIMOCODE (1999). a planta trabalhará erroneamente pelo sistema de controle do elevador e não pelo sistema de controle de processo.4. foi realizada outra programação de segurança. CLP’s etc. caso o elevador de canecas trabalhe com uma rotação abaixo da nominal de trabalho. O tempo de atuação do sensor é feito na lógica de programação em CLP. Os hardware seriam os sensores. este seria o software e por último interligando os componentes a rede PROFIBUSDP. Estrutura da rede Fonte: (Catálogo SIMOCODE-DP. de certa forma camuflará esse sistema de blendagem. A lógica funcionará da seguinte forma. ao controle e aquisição de dados da planta. projetada especialmente para a comunicação entre sistemas de controle de automação e seus respectivos dispositivos”. no painel de comando local e no supervisório. O sistema de proteção por subvelocidade é feito através da atuação de um sensor indutivo localizado no rolo movido no pé do elevador de canecas. Para que possamos fazer tal controle é necessário ter um sinal de saída em tempo real. que por sua vez mandará para o CLP da estação de controle. 2009) “A rede PROFIBUS-DP (Periferia descentralizada) é um protocolo de comunicação otimizado para alta velocidade e conexão de baixo custo. relatórios de eventos e gráficos de tendência. ou seja. este sistema possibilita a configuração de alarmes. O protocolo utilizado é o PROFIBUS-DP. caso o sistema acuse algum tipo de problema cinco vezes seguidas num período de trinta minutos um sistema de proteção é acionado e o processo de “blendagem” é desligado para verificação e inspeção no equipamento.). bem como a aquisição de dados é utilizado a plataforma de sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). 2000).carga reduzida diminuindo a corrente do elevador. é essencialmente composto por 4 elementos: processo físico. utilizou-se o flowmeter (medidor de fluxo/vazão) que enviará o sinal em tempo real para o cartão de entrada analógica no campo. O sistema de proteção é acionado caso o sistema de controle não obtenha bons resultados e chegue num nível de corrente tolerado de 20A parando consequentemente toda planta. Uma estrutura mais detalhada é mostrada na Figura 15. hardware de controle. . A Figura 16 ilustra o supervisório da empresa Iconics (Genesis). pois permite pronta identificação de falhas. software de supervisão e rede de comunicação”. Esse controle é feito durante todo o processo. Porém não podemos esquecer que existe um sistema de controle de processo. A rede PROFIBUS interliga os componentes de Automação como o CLP com o relé inteligente e o relé inteligente com os equipamentos de campo (Motores e inversores). que roda em microcomputador comum. de todo o processo. 4. Rede Industrial Para a interconexão de vários dos equipamentos é necessário uma rede industrial. interage com o operador através de uma interface gráfica. atuadores e controladores (VR’s. flowmeters. 4. ou seja. ultrapassando o tempo préestabelecido o sistema de mistura irá parar e indicará falha de subvelocidade na lógica. Para a supervisão do sistema em tempo real. impactando diretamente no produto final da planta. contará um tempo préestabelecido. Segundo Oliveira e Correa (2008) “O supervisório do tipo SCADA é um sistema configurável destinado à supervisão. O processo físico no presente trabalho é todo o transporte de material até sua chegada no silo de cobertura. enquanto as VRs estiverem ligadas. por mais que o processo esteja mandando as válvulas rotativas aumentarem as suas velocidades o sistema de controle do elevador de canecas predominará fazendo com que as válvulas diminuam as suas respectivas velocidades caso haja alguma anormalidade ocorrendo no elevador. (Associação PROFIBUS.5 Supervisório Daneels e Salter (1999) afirmam que “Um sistema supervisório em um ambiente industrial automatizado. Através desse valor absoluto do erro podemos incrementar (aumentar a velocidade) ou decrementar (diminuir a velocidade) da matéria prima (Alumina / Crosta) como visto na fórmula (1). Para isso.” Todos esses elementos resultam num meio do operador ter facilidade para identificação de problemas sobre o sistema. e nessas condições o sistema de controle do elevador de canecas. Figura 15. A lógica do novo sistema de controle do elevador de canecas trabalha em série-paralelo com a lógica do sistema de controle de processo. ou seja. Por isso. Relés inteligentes. TH’s. disjuntores e outros. Com os resultados obtidos. Figura 18. apresenta a lógica de programação de controle desse elevador. como o relé térmico. notou-se que a automatização desse processo de transporte trouxe várias vantagens como: monitoramento automático do elevador de canecas. Resultados obtidos Antes da implementação do relé inteligente o sistema de proteção de qualquer motor era feito somente através de componentes físicos. Painel de Comando novo Figura 17. Os ajustes eram realizados fisicamente e pelo sistema funcional de proteção. o intuito de identificação rápida e eficiente de possíveis falhas pelo operador.Figura 16. redução da quebra de peças e equipamentos envolvidos no processo. rapidez na detecção de falhas do sistema. contatores e disjuntores. A Figura 19 demonstra o novo painel com a devida sinalização da falha. faz com que os eletricistas e mecânicos do turno possam atuar diretamente no problema. A pronta identificação de falhas culminou em ganhos para empresa. porém o sistema de parametrização não é mais feito fisicamente e sim através do software especifico do relé. todas as informações em cima do motoredutor do elevador de canecas. Janela de controle do SIMOCODE-DP 6 Conclusão O controle do elevador de canecas teve impactos positivos na empresa onde o trabalho foi desenvolvido. Tal Software apresenta para o usuário. Mesmo com a implementação do relé inteligente ainda utiliza-se relés convencionais. Vista do processo pelo supervisório. possibilitando a pronta identificação de falhas em cima deste componente. diminuindo o tempo de parada para solucionar o mesmo e aumentando o tempo de produção. diminuição do tempo para manutenção e A Figura 18. onde não havia essa sinalização. 5. No desenvolvimento deste artigo foi projetado e confeccionado também um painel de comando local para sinalização de falhas da corrente do elevador de canecas. . Falha de subcorrente e sobrecorrente. demonstrando quando um determinado evento ocorre e alertando o supervisor responsável sobre possíveis falhas. conforme mostrado na Figura 17. Figura 19. Este painel substituiu o antigo. Ciência Rural. Andrighetto. Souza. L. A. Castrucci. Brasil Souza. Automação Industrial. (2007). Manual de transportadores de correia. (2000). Hughes. F. 3ª ed. F. M. Tese de MCC. (2009). de. de. (2003).38. Daneels. (2008) Automação de um silo de abastecimento de Alumina. L. aos Gerentes e responsáveis pelas respectivas áreas da empresa que possibilitaram as visitas. C. Descrição Técnica PROFIBUS. G.Alumínio Brasileiro S/A . e Oliveira. (2007). e Moraes. L. C. mar-abr. UFPA. Italy. Operação e Manutenção. de. 2ª ed. n. Brasil Apostila . São Paulo. P. Catálogo SIEMENS. de. Out. Cap. (2008). W.DCA-UFRN. What is SCADA?. UFBA. Referências Bibliográficas Abraman – Associação brasileira de manutenção. Brasil Associação PROFIBUS. 6: Elevador de Canecas. FAÇO – Fábrica de Aço Paulista.. de O. . (1999). (2008). e Benatti. R. Conferência Internacional (ICALEPCS) International Conference on Accelerator on Large Experimental Physics Control Systems. e Salter. M.2. O que gerou maior produção em menor tempo característica essa que é fundamental em processos industriais. 9ª Ed. IESAM. Brasil Manual Ventec. e Correa M. Cap. Automação Industrial. LTC. F. Gestão de Avaliação técnica de um transportador pneumático de grãos por aspiração. Brasil. F. L. G. Brasil Natale. J. R. D. H. Trieste. C. A.decrescimento do desperdício de material. IESAM. mudanças do sistema de controle do processo e a confecção dos novos painéis de comando local dos elevadores de canecas. LECA . . Sacramento. 41.Transportadores Contínuos para Granéis Sólidos (2011). Sistema SIMOCODEDP 3UF: Aparelho para proteção e comando de motores. D’Albuquerque. 7 Agradecimentos No que compete a agradecimentos ressaltamos a empresa onde foi direcionada o projeto de nome ALBRAS . Rogério. Engenharia de Automação Industrial. P. Tese de MCC. Montagem de um Sistema de supervisão de motores à relés inteligentes utilizando o protocolo Profibus-DP. Nascimento. A. de.. v. Rio de Janeiro. A. S. de M. Válvula Rotativa – Instalação. (2002). A. Bortoloaia. Curso Planejamento e controle da manutenção – apostila. R. São Paulo. (1999). Oliveira. Construção de um Protótipo de Elevador de Canecas.(2000). C. 9: Transportador Helicoidal. Erica. (2003). S. Pereira.