Implementação de Projetos de Automação Automação Semestre 01/2015 Engenharia de Controle e Automação
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Introdução § Na implementação do projeto de automação, o usuário define todas as seqüências operacionais (tarefas) que deseja ser implementada.
§ Estas seqüências decorrem de receitas de produção e de produção de sistemas, estabelecidas por especialistas no processo, por fabricantes dos equipamentos ou pela experiência própria do usuário.
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Gerenciamento de Projetos § A estrutura padrão na gestão de projetos é focar no escopo, no custo e no tempo, isso chamamos de triplice restrição, estes três termos equilibram a entrega do resultado final com qualidade, o desequilibro de algum item deste, gera distúrbio no projeto, podendo comprometer o resultado. § Um projeto é dividido em fases durante todo o processo, onde podemos distingui-las de acordo com as etapas abaixo: § Inicialização – fase onde se autoriza formalmente o projeto; § Planejamento – fase de elaboração dos planos do projeto; § Execução – fase da implantação, das tarefas, das ações; § Monitoramento e Controle – esta fase é relacionada com as outras, sendo o elemento da gestão dos itens de cada fase; § Encerramento – são os aceites do projeto, as finalizações formais de entrega ao cliente. FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Projetos de Automação § Os projetos de automação industrial, pertencem a cadeira de fornecimento de bens de capital para industrial, onde podemos dividir em duas grandes etapas, a de planejamento e implantação. § A etapa de planejamento envolve basicamente toda a parte de estudos técnicos e viabilidades, incluindo a financeira, normalmente a técnica FEL Front End Loading é utilizada, também conhecida como técnica de StageGate. § A etapa de implantação é especifica de cada área, em automação industrial podemos descrever em forma de fases e etapas.
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Tipos de Projetos de Automação § EPCM (Engineering, Procurement, Construction Management) – Modalidade onde a empresa fornecedora é responsável por todo o fornecimento de Engenharia, Compras, Construção e Gerenciamento do projeto; § EPC – Modalidade onde a empresa fornecedora é responsável por todo o fornecimento de Engenharia, Compras e Construção, normalmente o cliente final contrata uma empresa de gestão para diligenciar a obra; § TURN KEY – Modalidade chamada chave na mão, é a entrega completa do sistema pela empresa, que normalmente é chamada de integradora, cujo foco somente é a automação do sistema; § MAC – Modalidade chamada de Contrato Principal de Automação, é uma modalidade parecida com o TURN KEY, porém o fornecedor também tem a responsabilidade por infraestrutura e operação assistida, normalmente são contrato feitos por grandes empresas de automação industrial.
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Execução de um Projeto de Automação § Projeto Básico Memorial Descritivo do Processo – Onde define-se a engenharia básica onde é especificado o escopo do projeto através da descrição da concepção e fundamentos do processo, dos equipamentos característicos, do funcionamento da instalação Matriz de Causa e Efeito – Utilizado para mostrar o inter-relacionamento entre os eventos (causa) e as ações (efeito), que devem ocorrer de forma automática e controlada pelo sistema (SIS, SDCD etc.). Deve ser apresentada em uma forma matricial com as causas nas linhas e os efeitos nas colunas.
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Execução de um Projeto de Automação § Projeto Básico Fluxograma Preliminar de Engenharia – Deve conter as malhas de controle, indicações, alarmes e intertravamentos, explicitando as funções dos instrumentos e sua identificação (“tag”), localização, tipo de sinal de controle (pneumático, eletrônico e digital), tipo da instrumentação de supervisão (painel convencional, SDCD, CP) e válvulas de segurança e alívio. Deve conter, também, notas explicativas e recomendações ou exigências do projeto básico quanto à locação ou outros requisitos pertinentes à instrumentação. Deve indicar ainda as interligações de intertravamentos e controles com as unidades fornecidas em “pacotes” e sistema de controle avançado.
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Execução de um Projeto de Automação § Projeto Básico Memorial Descritivo de Automação – Destinado a definir as estratégias de automação a adotar para um grupo de equipamentos ou procedimento de processo. Deve apresentar os requisitos funcionais de automação e controle, as interfaces previstas com outros sistemas, as lógicas tipicas de controle e sequenciamento, assim como qualquer outro requisito de automação necessário Arquitetura de Sistema de Automação e Controle – Deve mostrar de forma simbólica os equipamentos principais do sistema (SDCD, CP, Servidores de Dados, CP de Segurança, STVM, STT, IHM, EMED, sistema analítico, unidades “pacotes” e outros), sua localização física e de que maneira se interligam. Neste documento devem estar claros os tipos de redes, os meios de comunicação e os protocolos utilizados. FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Execução de um Projeto de Automação § Projeto Básico Diagrama de Controle de Processo Deve conter detalhes das malhas de controle regulatório com uma definição clara das funções e cálculos envolvidos, sua interligação com outras malhas, cascatas e “bias”. Deve ser elaborado quando o fluxograma de engenharia não esclarecer completamente a função da malha. Descritivo de Malhas de Controle Deve conter explicações sobre o objetivo e forma de funcionamento das malhas de controle, bem como explicitar as equações, parâmetros e algoritmos a serem ajustados nas funções envolvidas nestas malhas. Complementa e pode ser complementado pelo diagrama de controle de processo.
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Descrição de Plantas Industriais § Fluxogramas e Diagramas de Processo
§ Para representar os processos industriais temos: § Diagramas de Blocos; § Diagramas de Fluxo do Processo; § Diagramas de Tubulação e Instrumentação § Os três diagramas são meios de comunicação complementares, mas o P&ID ou P&I é indispensável para a comunicação entre os diferentes especialistas que colaboram nos processos contínuos industriais e com os engenheiros de automação. FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Descrição de Plantas Industriais § Diagramas de Blocos
§ Neste diagrama as várias operações das seqüências de processamento são mostradas em blocos retangulares, interligados por flechas que indicam a seqüência de trabalho. § Este diagrama evidencia somente a seqüência das etapas do processo principal, mas não mostra os tipos de equipamentos detalhados. § Exemplo: processo de tratamento de minério de ouro.
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Descrição de Plantas Industriais § Diagramas de Blocos
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Descrição de Plantas Industriais
§ Fluxogramas e Diagramas de Processo §
O projetista deve transmitir de forma eficiente e segura o conteúdo técnico dos processos industriais a serem automatizados.
§
Há várias formas de representação gráfica de sistemas dinâmicos que se assemelham aos esquemas dos circuitos eletrônicos.
§
Estes esquemas, por meio de símbolos padronizados, mostram a relação funcional entre os seus diversos componentes.
§
Com isto o engenheiro pode entender e restaurar as condições operacionais de um sistema que lhe é apresentado para a automação. FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Descrição de Plantas Industriais § Diagrama do Fluxo do Processo §
Tem por objetivo em mostrar os principais equipamentos através de símbolos de uso comum, normatizados ou especiais.
§
Devem mostrar as operações do processo industrial do início ao fim, e devem incluir todos os equipamentos principais e as tubulações de interligação dos mesmos.
§ Normas Utilizadas §
ANSI/ISA–S5.1–1984 (R1992) – (2009)
Instrumentation, Systems and Automation Society (ISA): ISA 5.1 Instrumentation Symbols and Identification.
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Descrição de Plantas Industriais (Diagrama Fluxo de Processo)
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Descrição de Plantas Industriais § Diagrama do Fluxo do Processo §
Informações: § § § § § § § §
Vazões nominais dos materiais; Ciclo operacional; Número de horas operacionais por ano; Especificações de produtos, subprodutos e matérias-primas; Consumo por unidade de produção de matérias-primas, subprodutos e utilidades; Balanço e consumo de energia; Reações envolvidas e taxa de conversão, pureza, catalisadores etc; Impacto no meio ambiente, com identificação e quantidade de efluentes.
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Descrição de Plantas Industriais § Diagrama de Tubulação e Instrumentação P&ID (Piping & Instrument Diagram) Este diagrama permite mostrar uma fotografia completa do processo pois os desenhos de equipamentos, tubulações e instrumentos possuem riqueza de detalhes. § Um P&ID deve mostar: §
§
Todos os equipamentos, dispositivos de alívio de pressão, indicadores de níveis, tubulações, caminho do produto, itens que afetam a funcionalidade do processo, tipos de conexões, instrumentos de medições, todas as malhas de instrumentos críticos, sistemas de purga,...
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Descrição de Plantas Industriais § Diagrama de Tubulação e Instrumentação P&ID (Piping & Instrument Diagram) § Exemplo: Coluna de destilação.
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Simbologia
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Locais de Montagem
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Simbologia
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Simbologia
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Simbologia
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Simbologia
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Simbologia
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Arranjos Típicos - Vazão
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Arranjos Típicos - Pressão
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Arranjos Típicos - Nível
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Exemplos de Alarmes de Nivel
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Exemplos de Malha de Controles
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Documentos Necessários no Projeto de Automação § Listas de Instrumentos e de entrada/saída no CLP Esta lista contém todos os instrumentos indicando o seu nome (tag) e a sua função relacionando com as entradas e saídas tanto digitais como analógicas no CLP. A seguir seguem dois modelos de listas.
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Documentos Necessários no Projeto de Automação § Listas de Instrumentos e de entrada/saída no Controlador
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Documentos Necessários no Projeto de Automação § Listas de Instrumentos e de entrada/saída no Controlador
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Documentos Necessários no Projeto de Automação § Diagramas de causa e efeito §
Mesmo que tenhamos um P&ID de engenharia elaborado da forma mais completa possível, ele não pode incorporar toda a lógica do controle e dos Intertravamentos necessários.
§
Por isso ele costuma ser resumido nas Matrizes de Causa e Efeito, que fornecem para cada situação particular do processo o status desejado das válvulas, bombas etc.
§
A seguir segue um exemplo parcial.
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Documentos Necessários no Projeto de Automação § Diagramas de causa e efeito
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Projeto do Programa Ladder de Automação § Abordagem Estruturada da Lógica de Controle § Existem algumas recomendações para a fase do projeto de automação em que se elabora o programa do Controlador Industrial, visando não só realizar uma receita operacional definida mas também facilitar a partida real (start-up), a manutenção e qualquer aperfeiçoamento futuro. § A palavra chave é estruturação, significando: § 1-Decomposição em tarefas (task), programas (programs) e sub-rotinas (subroutines) no controlador e estrutura de dados nos sistemas de MES (Manufacturing Executing System); § 2-Segregação da lógica entre o controlador e os dispositivos inteligentes; § 3-Regras de Segurança em cada subprograma; § 4-Uma rotina de cópia das variáveis de entrada e saída, para variáveis internas. FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Projeto do Programa Ladder de Automação § Abordagem Estruturada §
1-Decomposição em subprogramas § 1.1-Os subprogramas devem ser facilmente associáveis a etapas do processo automatizadas ou
a grupos significativos de equipamentos. Um bom critério é o de agrupar equipamentos, sensores e atuadores que devam ser, na manutenção industrial, ligados e desligados simultaneamente. § 1.2-Caso: Onde se deve adicionar a linha do reator B? No subprograma de A ou no de B?
No A fica a linha de solicita a transferência (leitura), porque são seus sensores que indicam a prontidão para a transferência; No B fica a linha que comanda a ação de transferência, porque são seus sensores e seus intertravamentos que indicam o momento adequado. § 1.3-Temporizadores e Contadores: sua reiniciação (reset) deve ser feita no passo anterior àquele
em que serão utilizados. § 1.4-A organização dos subprogramas em sistemas deve valer-se da forma de uma máquina de
estados, como um Grafcet ou SFC: os subprogramas são os “passos”; as transições de um “passo” a outro ficam, naturalmente, sujeitas às condições lógicas o projeto.
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Projeto do Programa Ladder de Automação
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Projeto do Programa Ladder de Automação § Abordagem Estruturada § 2-Regra de Segurança: §
§
É imprescindível que em cada subprograma haja instruções para o caso de ocorrerem defeitos em componentes ou falhas na evolução; o sistema deve ser então reconduzido ao “passo” inicial ou conduzido a um “passo” específico de tratamento de falhas.
3-Rotina de cópia de variáveis: §
Deve executar o escalonamento de todas as variáveis de engenharia para variáveis do controlador, ou vice-versa. Esse cuidado facilita muito as simulações e os testes, assim como eventuais alterações de programa.
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Projeto do Programa Ladder de Automação § Verificação de Programas § Esta é uma importante fase de todo projeto de automação, seja em Ladder, seja em SFC, seja em ST ou em Function Block. §
Na figura abaixo estão representados os sinais de interface entre o programa aplicativo do Controlador Industrial e a planta industrial.
§
Na montagem do programa de automação o projetista visa que o Controlador Industrial execute operações lógicas e/ou seqüenciais, concebidas para produzir o que o usuário define como processo automático (uma receita).
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Projeto do Programa Ladder de Automação § Verificação de Programas
Sistema de eventos discretos Programa do PAC/PLC PAC/PLC
Comandos Externos
Si Ei
Estado Inicial
Interfaces
Interfaces
Atuadores
Sensores Planta Industrial
Sistema a eventos discretos
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Projeto do Programa Ladder de Automação § Verificação de Programas §
Para verificar que um dado programa irá cumprir o desempenho desejado, devemos aplicar todas as combinações e seqüências de entradas E; e constatando que o programa responde com os resultados desejados Sj.
§
Especialmente em processos mais complexos, há o perigo de se omitirem algumas combinações que de fato ocorrerão. Outro problema é a ocorrência de certas inversões na ordem dos eventos.
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Projeto do Programa Ladder de Automação § Verificação de Programas §
Uma boa solução para aumentar a visibilidade, a segurança e a facilidade da verificação é montar um segundo programa que simule a planta, isto é, que reproduza as relações de causa e efeito inerentes aos fenômenos da planta. Programa Ladder de automação: Ei è Sj § Programa de simulação da planta no computador: E’i è S’i § Interconexões: E’j = Sj e S’i = Ei §
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Projeto do Programa Ladder de Automação § Verificação de Programas § A figura abaixo mostra o sistema de simulação completo, que pode ser executado no computador utilizado para a programação Ladder, fechando uma malha formada pelo programa aplicativo de automação e pelo programa de simulação da planta, com as interconexões. Note que o programa adicionado para simular a planta representa uma realimentação (feedback) em trono do programa de automação. Programa do PLC PLC
Comandos Externos Sj = E’j
Estado Inicial
Ei = S’i
PLC Programa Simulador do Processo FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
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