( PDF ) Controle da produção em uma indústria sucroalcooleira com CCM inteligente

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UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ

Renan Piazzon Peres

CONTROLE DA PRODUÇÃO EM UMA

INDÚSTRIA SUCROALCOOLEIRA COM

CCM INTELIGENTE

Taubaté – SP

2010

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Renan Piazzon Peres

CONTROLE DE PRODUÇÃO EM UMA

INDÚSTRIA SUCROALCOOLEIRA COM

CCM INTELIGENTE

Dissertação apresentada para obtenção do Título de

Mestre pelo Curso de Pós-graduação em Engenharia

Mecânica do Departamento de Engenharia Mecânica

da Universidade de Taubaté.

Área de Concentração: Automação Industrial e

Robótica (Automação Industrial)

Orientador: Prof. Dr. Wendell de Queiróz Lamas

Co-orientador: Prof. Dr. João Sinohara da Silva Sousa

Taubaté – SP

2010

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P437c

Peres, Renan Piazzon.

Controle dD

produção HPXPDLQG~VWULDVXFURDOFRROHLUD

com CCM inteligente./ Renan Piazzon Peres. – Taubaté:

Unitau, 2010.

108 f. :il;30 cm.

Dissertação (Mestrado) – Universidade de Taubaté.

Faculdade de Engenharia Mecânica. Curso de Mestrado em

Engenharia Mecânica.

Orientador: Wendell de Queiróz Lamas

1. Redes industriais. 2. CCM Inteligente. 3.

Automação da produção. I. Universidade de Taubaté.

Departamento de Engenharia Mecânica. II. Título.

CDD(21) 658.5

iii

RENAN PIAZZON PERES

CONTROLE DE PRODUÇÃO EM UMA INDÚSTRIA SUCROALCOOLEIRA COM

CCM INTELIGENTE

Dissertação apresentada para obtenção do Título de

Mestre pelo Curso de Pós-graduação em Engenharia

Mecânica do Departamento de Engenharia Mecânica

da Universidade de Taubaté.

Área de Concentração: Automação Industrial e

Robótica (Automação Industrial)

Orientador: Prof. Dr. Wendell de Queiróz Lamas

Co-orientador: Prof. Dr. João Sinohara da Silva Sousa

Data: _____________________________

Resultado: _____________________________

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. Wendell de Queiróz Lamas Universidade de Taubaté

Assinatura ______________________________

Prof. Dr. João Sinohara da Silva Sousa Instituto Federal de Educação,

Ciência e Tecnologia de São Paulo

Assinatura ______________________________

Prof. Dr. Valesca Alves Correa Universidade de Taubaté

Assinatura ______________________________

Prof. Dr. Carlos Frajuca Instituto Federal de Educação,

Ciência e Tecnologia de São Paulo

Assinatura ______________________________

Dedico este trabalho primeiramente a

minha esposa Regiane pelo incentivo, ao

meu pai e mãe, Ademir e Ivone, pela

educação a mim oferecida e a Deus que

me iluminou neste caminho.

À Rockwell Automation por ter fornecido

suporte e materiais complementares para

os estudos realizados.

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. Wendell de Queiróz Lamas, pela habilidade e dedicação demonstrada

na orientação deste trabalho, sendo de extrema importância a sua contribuição.

Ao Prof. Dr. João Sinohara da Silva Sousa, pela dedicação na co-orientação deste

trabalho.

Ao Prof. Dr. Cícero Couto de Moraes, pela experiência passada ao longo dos anos

que trabalhamos em projetos e desenvolvimentos de painéis elétricos pela empresa

Lavill Ltda.

À empresa Rockwell Automation que proporcionou os dados deste trabalho,

acreditando nos resultados e nos benefícios que serão obtidos por meio da

capacitação de seus empregados, como forma de potencializar resultados e manter

interação sólida entre empresa e Universidade.

À usina Cabrera Energética que proporcionou os dados para o estudo de caso deste

trabalho.

À Universidade de Taubaté, que cedeu os laboratórios e os materiais para os testes.

“No meio da dificuldade encontra-se a oportunidade”.

Albert Einstein

vii

PERES, R. P. Controle de produção de produção em uma indústria

sucroalcooleira com CCM inteligente. 2010. 107f. Dissertação (Mestrado em

Engenharia Mecânica) – Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade de

Taubaté, Taubaté.

RESUMO

Este trabalho tem como objetivo apresentar as características e conceitos da

aplicação de centros de controle de motores inteligente, demonstrando as vantagens

da utilização de rede industrial no controle da produção, especificamente o protocolo

DeviceNet®, e reunir em um documento as informações sobre a utilização e

aplicações de diferentes configurações de acionamento e comando de motores

instalados em um CCM. Para isso, foram realizados estudos e simulações de

acionamentos elétricos protegidos por relés de sobrecarga em diferentes

configurações de ligações e tecnologias utilizadas em instalações elétricas

industriais, alterando os equipamentos, montagens e sinais recebidos para comando

e proteção das cargas, bem como, observando os dados referentes aos custos de

engenharia, instalação e materiais. Para as quatro opções analisadas foram

estimados os tempos de projeto, instalação e valores estimados dos produtos e

serviços necessários, fornecendo uma tabela comparativa entre as opções

estudadas, além de concluir que o uso de CCM inteligente conectado ao aplicativo

de supervisão IntelliCENTER® se apresentou como a melhor solução, pois agrega

as melhores características técnicas dos painéis elétricos, bem como a

disponibilidade de monitoramento e controle da produção, com a utilização da rede

DeviceNet®. Além dos valores envolvidos na aquisição e startup, também foram

observados os possíveis ganhos operacionais do sistema inteligente, pois permite

via sistema supervisório os diagnósticos instantâneos, alarmes e desligamentos que

localizam os defeitos nos acionamentos controlados.

Palavras-chave: Automação da produção; CCM inteligente; Redes industriais.

viii

PERES, R. P. Manufacturing control in a sugar and alcohol plant with intelligent

MCC. 2010. 107p.. M.Sc. thesis (Master’s Degree in Mechanical Engineering) –

Department of Mechanical Engineering, University of Taubate, Taubate, Brazil.

ABSTRACT

This work aims to present the intelligent motor control center characteristics and

concepts by showing the advantages of the industrial network application in the

manufacturing control, more specific the DeviceNet® protocol and gather in one

document the information about the application and how to use different

configurations of drivers and motor control installed in a MCC. In order to gather this

information several studies and simulation were made by changing the equipment,

assembling and signals in electric drivers protected by overload relays with different

technologies and kind of connections used in industrial installations and comparing

the engineering, assembling, and material costs. For the four analyzed options of

drivers, the project development time, installation, product costs and necessary

services were estimated showing a comparative table between options. This study

will prove that the intelligent MCC connected to the IntelliCENTER® software is the

best solution because uses the best technical solution and also have the ability to

monitor and control manufacturing, using DeviceNet® network. Besides the

acquisition and start up values it was also observed the operational benefits of the

intelligent system, showing alarms, instantaneous diagnostics, and problems in the

components of the controlled starter, by means supervisory system.

Keywords: Manufacturing automation; Intelligent MCC; Industrial Networks.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Estrutura geral de acionamento de motores............................... 26

Figura 2 – Relé bimetálico convencional ..................................................... 27

Figura 3 – Relé de sobrecarga eletrônico (E1).............................................

Figura 4 – Relé de sobrecarga eletrônico com rede DeviceNet® (E3+)...... 29

Figura 5 – CCM compartimentado com gavetas extraíveis..........................

Figura 6 – Posições operacionais das gavetas extraíveis............................

Figura 7 – CCM não compartimentado com gavetas fixas ..........................

Figura 8 – Arquitetura de rede integrada .....................................................

Figura 9 – Sala de painéis elétricos – CCMI recepção, preparo e extração

Figura 10

– Motores do setor picador / difusor .............................................. 40

Figura 11

– Configuração de instalação de CCM convencional interligado

via multicabos..............................................................................

Figura 12

– Mesa de comando e controle das moendas................................

Figura 13

– Diagrama funcional da configuração com CCM convencional.... 45

Figura 14

– Configuração de instalação de CCM convencional com

interligação via cabo de rede e acionamento com botões e

sinaleiros.....................................................................................

Figura 15

– Diagrama funcional da configuração com CCM convencional

com interligação via cabo de rede e acionamento com botões e

sinaleiros..................................................................................... 54

Figura 16

– Configuração de instalação de CCM convencional com

interligação via cabo de rede e acionamento com IHM.............. 61

Figura 17

– Diagrama funcional do CCM convencional com interligação via

cabo de rede e acionamento com IHM....................................... 63

Figura 18

– Configuração de instalação de CCM inteligente com IHM,

interligação via rede ................................................................... 70

Figura 19

– Diagrama funcional da configuração com CCM inteligente com

interligação via rede ................................................................... 72

Figura 20

– Vista frontal do CCM inteligente ................................................. 81

Figura 21

– Vista frontal do CCM no intelliCENTER®....................................

Figura 22

– Configuração das entradas e saidas do rele inteligente ............ 83

Figura 23

– Detalhe de monitoramento da gaveta de acionamento ............. 84

Figura 24

– Documentação referente a gaveta do CCMI ............................. 85

Figura 25

– Registro de eventos ................................................................... 85

Figura 26

– Função ADR da rede DeviceNet® ..............................................

Figura 27

– Gráfico com os resultados unificados ........................................ 92

Figura 28

– Fluxograma da produção de açúcar e álcool ............................ 109

Figura 29

– Interligação entre dispositivos da rede DeviceNet® ...................

118

Figura 30

– Relação entre CAN e DeviceNet® e as camadas do modelo

OSI .............................................................................................

119

Figura 31

– CIP no modelo OSI .....................................................................

120

Figura 32

– Frame de dados utilizado pela rede DeviceNet® ....................... 121

Figura 33

– Seção vertical típica do CCMI .................................................... 124

Figura 34

– CCMI com duas redes diferentes ............................................... 124

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 –

Dados da produção de açúcar e álcool, ano base 2007............... 38

Tabela 2 –

Dados estimados para produção na usina Cabrera no ano 2013.

Tabela 3 –

Principais circuitos elétricos da usina ...........................................

Tabela 4 –

Acionamentos elétricos da usina Cabrera Energética ................. 40

Tabela 5 –

Interligação entre gaveta de acionamento do CCM e bornes....... 46

Tabela 6 –

Interligação entre mesa de comando e bornes............................. 46

Tabela 7 –

Interligação em campo entre bornes da mesa de comando e

CCM.............................................................................................. 47

Tabela 8 –

Equipamento de automação......................................................... 47

Tabela 9 –

Valores dos materiais do CCM com fiação a botões ................... 48

Tabela 10 Valores dos materiais da mesa de comando................................ 49

Tabela 11 –

Materiais para instalação em campo.............................................

Tabela 12 –

Mão de obra utilizada na opção por CCM com fiação a botões....

Tabela 13 –

Interligação entre gaveta de acionamento do CCM e bornes do

FLEX /O........................................................................................

Tabela 14 –

Interligação entre mesa de comando e bornes do CLP................ 55

Tabela 15 –

Interligação em campo entre FLEX I/O (CCM) e CLP (mesa de

comando)...................................................................................... 56

Tabela 16 –

Equipamento de automação: CLP e FLEX I/O.............................

Tabela 17 –

Valores de materiais do CCM com interligação via cabo de rede

e acionamento com botões e sinaleiros........................................

Tabela 18 –

Valores de materiais da mesa de comando com interligação via

cabo de rede e acionamento com botões e sinaleiros................. 58

Tabela 19 –

Materiais para instalação em campo entre FLEX I/O (CCM) e

CLP (mesa de comando) ............................................................ 59

Tabela 20 –

Mão de obra utilizada na opção por CCM com rede até mesa de

comando....................................................................................... 60

Tabela 21 –

Interligação entre gaveta de acionamento do CCM e bornes do

FLEX I/O........................................................................................

Tabela 22 –

Interligação entre mesa de comando e bornes do CLP............... 64

xii

Tabela 23 –

Interligação em campo entre FLEX I/O (CCM) e CLP (mesa de

comando)....................................................................................

Tabela 24 –

Equipamento de automação: CLP, IHM e FLEX I/O.....................

Tabela 25 –

Valores de materiais do CCM com interligação via cabo de rede

e acionamento com IHM.............................................................. 66

Tabela 26 –

Valores de materiais da e mesa de comando com interligação

via cabo de rede e acionamento com IHM................................... 67

Tabela 27 –

Materiais para instalação em campo entre FLEX I/O (CCM) e

CLP (mesa de comando) ........................................................... 68

Tabela 28 –

Mão de obra utilizada na opção por CCM com rede até mesa de

comando com IHM ..................................................................... 69

Tabela 29 –

Interligação entre gaveta de acionamento do CCMI e bornes..... 73

Tabela 30 –

Interligação entre mesa de comando e bornes do CLP.............. 73

Tabela 31 –

Interligação em campo entre CCMI e CLP (mesa de comando).. 74

Tabela 32 –

Equipamento de automação: CLP, IHM e FLEX I/O .................... 74

Tabela 33 –

Valores de materiais do CCM inteligente com interligação via

cabo de rede e acionamento com IHM......................................... 75

Tabela 34 –

Valores de materiais da mesa de comando com interligação via

cabo de rede e acionamento com IHM......................................... 76

Tabela 35 –

Materiais para instalação em campo entre (CCM) e CLP (mesa

de comando) ................................................................................ 77

Tabela 36 –

Mão de obra utilizada na opção por CCMI com rede até mesa

de comando..................................................................................

Tabela 37 –

Quadro de cargas do CCM inteligente.......................................... 80

Tabela 38 –

Tabela resumo de custos de engenharia...................................... 87

Tabela 39 –

Tabela resumo de custos de instalação e montagem ..................

Tabela 40 –

Tabela resumo de custos de materiais ........................................ 89

Tabela 41 –

Tabela de referência e valores dos cursos dos equipamentos de

automação ................................................................................... 90

Tabela 42 –

Tabela unificada com resumo de custos ..................................... 91

Tabela 43 –

Tabela de tempos para de normalização em caso de

manutenção................................................................................. 98

Tabela 44 –

Tabela resumo de custos de normalização em caso de 99

xiii

manutenção ...............................................................................

Tabela 45 –

Padrão arquivo EDS................................................................... 122

Tabela 46 –

Relação entre o comprimento do cabo e sua taxa de

Transmissão ................................................................................ 123

Tabela 47 –

Especificações do software InteliCENTER® ............................... 125

xiv

LISTA DE EQUAÇÕES

Equação 1

–

Reação de Gay-Lussac ..............................................................

116

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ADR –

Auto Device Recovery

CAN –

Controller Area Network

CAGED –

Cadastro Geral de Empregados e Desempregados

CBO –

Classificação Brasileira de Ocupações

CCM –

Centro de Controle de Motores

CCMI –

Centro de Controle de Motores inteligente

CIP –

Commom Industrial Protocol

CLP –

Controlador Lógico Programável

DCS –

Distributed Control System – Sistema de controle distribuído

DI –

Digital Input – Cartão de entrada digital do CLP

DO –

Digital Output – Cartão de saída digital do CLP

EDS –

Eletronic Data Sheet

ETA –

Estação de Tratamento de Afluentes

ETE –

Estação de Tratamento de Efluentes

IEEE –

the Institute of Electrical and Electronics Engineers

IHM –

Interface Homem Máquina

ISO –

the International Organization for Standardization

MACID –

Media Access Control Identifiers

MTE –

Ministério do Trabalho e Emprego

NCS –

Networked Control Systems

PTC –

Sensor de temperatura para proteção de equipamentos

PROFIBUS –

Process Field Bus

SCADA –

Sistema supervisório de controle e aquisição de dados

ODVA –

Open DeviceNet® Vendor Association

OSI –

Open Systems Interconnection

TC –

Transformador de corrente

xvi

SUMÁRIO

1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS 18

1.1 Introdução 18

1.2 Revisão da literatura 21

1.3 Objetivos 23

1.4 Metodologia 24

2 DESCRIÇÃO DO PROCESSO 25

2.1 Conceitos de acionamento de motores 25

2.2 Centro de Controle de Motores (CCM) 29

2.3 Centro de Controle de Motores Inteligente (CCMI) 33

2.4 Produção de Açucar e Alcool 35

2.4 A Usina Cabrera Energética 36

3 SISTEMAS PROPOSTOS 41

3.1 CCM convencional interligado por multicabos 42

3.2 CCM convencional interligado por cabo de rede com mesa de comando

equipada com botoeiras 52

3.3 CCM convencional interligado por cabo de rede com mesa de comando

equipada com IHM 61

3.4 CCM inteligente interligado por cabo de rede com mesa de comando equipada

com IHM 70

3.5 Simulações 79

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 87

4.1 Resultados obtidos 87

4.2 Análise dos resultados 93

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS 101

5.1 Conclusões 101

5.2 Sugestões de trabalhos futuros 102

REFERÊNCIAS 103

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 106

xvii

ANEXO 1 – PROCESSO PRODUTIVO DA FABRICAÇÃO DE AÇUCAR

E ÁLCOOL 108

ANEXO 2 – REDE DEVICENET® 118

CAPÍTULO 1 – CONSIDERAÇÕES INICIAIS

1.1. INTRODUÇÃO

Para a alimentação de plantas industriais com grande quantidade de motores

é utilizado um painel elétrico denominado CCM (centro de controle de motores) que

possui características mecânicas e elétricas especiais, possibilitando o controle e

acionamento de diversas cargas de maneira customizada, facilitando a manutenção

com conjuntos extraíveis a quente (painel energizado) e comando automatizado via

equipamentos conectados a redes industriais, provendo capacidade de controlar e

gerenciar os acionamentos dos circuitos.

CCMs são painéis completos, montados e que acomodam dispositivos para

proteção, seccionamento e manobra de cargas. Possuem uma função específica

nos sistemas de distribuição de energia elétrica em unidades comerciais e

industriais, que é capacitar essas unidades para melhor gerenciamento, operação e

manutenção dos motores disponíveis pelo processo (WEG, 2008; ROCKWELL

AUTOMATION, 2009; SIEMENS, 2009).

A característica principal de um CCM inteligente é que seus componentes

principais (inversor, soft-start e relés inteligentes) podem comunicar em rede,

enviando e recebendo dados para um controlador lógico programável (CLP), uma

interface homem máquina (IHM) ou um sistema SCADA (Supervisory, Control, and

Data Acquisition). Designa-se rede ao conjunto de equipamentos e aplicativos

utilizados para propiciar o tráfego de informações entre os diversos níveis

hierárquicos e participantes de um processo industrial (BLAIR et al., 2001).

Devido aos diversos recursos fornecidos por cada dispositivo conectado à

rede, é possível receber antecipadamente um alarme de problemas potenciais,

eliminar o desligamento desnecessário, isolar falhas de modo a reduzir o tempo de

parada e distribuir ou equalizar as cargas enquanto o problema está sendo

solucionado, além de reduzir os trabalhos de fiação, espaço físico e tempo de

instalação.

O desenvolvimento dos produtos é constante, gerando aumento de fluxo de

dados e alterando as características das limitações das redes de controle no

ambiente industrial. Atualmente no mercado, existem três tecnologias de redes

industriais com maior utilização: DeviceNet®, PROFIBUS® e MODBUS®

(ROCKWELL AUTOMATION, 1999).

Devido à necessidade de supervisão, comando e controle com o menor

número de equipamentos e conexões, surge o CCM inteligente, onde sua principal

característica é a utilização do relé de proteção de estado sólido multifunção,

substituindo o relé de proteção bimetálico de sobrecarga convencional, agregando

em um único equipamento as funções de conexão à rede de comunicação e

proteção do motor. Esse tipo de relé possui saídas já incorporadas, permitindo que

ele faça o papel do cartão de saída do CLP (ROCKWELL AUTOMATION, 1999).

A capacidade de comunicação e supervisão via rede, presente nos

dispositivos de partida do CCM inteligente, proporciona diversas vantagens

permitindo: aperfeiçoar o processo, maximizar a produção e minimizar os riscos de

operação. A facilidade de comunicação possibilita o gerenciamento de dados e a

troca de informações sobre os acionamentos, recebendo alarmes e gráficos de

tendência, além de confiabilidade do processo por meio da supervisão do seu

comportamento. As informações podem estar presentes em uma IHM local ou em

computador de supervisão remota (ROCKWELL AUTOMATION, 1999).

Junto ao desenvolvimento tecnológico que traz consigo dispositivos mais

compactos, mais eficientes e de maior capacidade de trabalho, também devido à

contribuição de novos modelos de programação adotados, a descentralização tem

proporcionado um melhor compartilhamento de recursos e de informações por meio

dos chamados sistemas distribuídos (KNIHS et al., 2000).

Um exemplo da eficiência que as redes de campo proporcionam para um

melhor controle e supervisão da operação e manutenção de um processo é o setor

de ustulação da Votorantim Metais, unidade de Juiz de Fora, onde adotou-se uma

configuração baseada em um sistema de controle e supervisão unificados,

permitindo a centralização do controle e manutenção, a facilidade e agilidade no

diagnóstico de falhas no sistema, além de um histórico de dados de grande

confiabilidade, proporcionando às equipes de operação e manutenção melhores

condições para acompanhamento da produção e do funcionamento de seus ativos.

Esse fato foi comprovado pela redução do número de paradas na unidade e o

aumento da confiabilidade do processo (LARA et al. , 2009).

O CCM inteligente, associado à instrumentação, CLP, SCADA, interligação

remota e bancos de dados com os relatórios de processo, possibilita a melhoria no

gerenciamento do processo e o aumento da qualidade dos mais variados processos

produtivos, aumentando a confiabilidade e a precisão dos mesmos (DEUS et al.,

2007; MEULENBROEK e FREEMAN, 2009).

As redes de comunicação de tempo real, também conhecidas por sistemas de

controle via redes (NCS – Networked Control Systems), têm obtido cada vez mais

espaço no meio industrial face à sua grande disponibilidade e ao baixo custo atual

da tecnologia de redes, sendo amplamente utilizado para conexão de sensores,

atuadores e controladores na implementação de sistemas de controle realimentado.

Em certos processos, as características temporais dos sistemas de tempo real têm

participação decisiva no desempenho do processo, assim a observação das

características dos fluxos de mensagens suportados, tais como a sua periodicidade

e o comprimento de mensagens relacionado, se fazem necessários. Assim sendo,

torna-se interessante o cálculo do tempo de resposta das mensagens em um NCS

para comparar a capacidade dessas redes de controle para satisfazer os requisitos

da aplicação de controle suportada (SANTOS et al., 2003; DECOTIGNIE, 2009;

VALENTIM et al., 2009).

O setor sucroalcooleiro tem paulatinamente investido em tecnologias para

aumentar a produtividade, melhorar a qualidade dos produtos e aprimorar o

reaproveitamento de resíduos. Nessa linha, a cogeração tem recebido grandes

investimentos, incentivados pelo rápido retorno financeiro dos mesmos. Esses bons

resultados foram incentivadores dos investimentos na automatização dos processos,

particularmente no setor de utilidades, incluindo, assim, o acionamento e controle

dos motores, onde as redes de campo e os CCMs inteligentes ganharam espaço

(SIEMENS, 2008).

1.2. REVISÃO DA LITERATURA

Rockwell Automation (1999) apresentara os principais conceitos de CCM

inteligente, destacando as características dos equipamentos desse fabricante de

equipamentos de automação para redes de comunicação tipo Remote I/O e

DeviceNet®

Knihs et al. (2000) apresentara os principais conceitos sobre as redes de

comunicação, suas vantagens e principais características, destacando a utilização

no ambiente industrial, principalmente no tocante às topologias e aos tipos de rede

mais eficientes nesse ambiente, assim como a tendência de padronização.

Blair et al. (2001) apresentara as necessidades e os requisitos para

cabeamento, características de dispositivos inteligentes e o aplicativo/programação

requerido para integrar as novas tecnologias associadas aos sistemas de controle

de motor. Também foram revistas discussões, mudanças filosóficas, vantagens e

desvantagens da sua adoção, que foram observadas durante a instalação e a

partida de um sistema na planta. Outro destaque fora a explanação a respeito do

critério de seleção da rede de campo a ser adotada no projeto, comparação entre o

sistema convencional e o inteligente.

Pieretti et al. (2003) apresentara os dados específicos sobre a cogeração em

usinas do setor sucroalcooleiro, destacando informações como aumentos na

produção, investimentos realizados e economia com utilidades.

Santos et al. (2003) apresentara os resultados obtidos com a implementação

de um pequeno processo com NCS baseado nos protocolos CAN® e PROFIBUS®

para comparação das propriedades temporais dessas redes para satisfazer os

requisitos da aplicação de controle suportada.

Deus et al. (2007) apresentara a melhoria obtida no gerenciamento do

processo e aumento da qualidade das bobinas de aço produzidas em forno de

recozimento da empresa CSN, a partir da implantação de um sistema de controle

automático dos ciclos térmicos desse equipamento, destacando a integração de um

CCMI ao sistema. Por meio dessa implementação, comprovaram-se diversos

benefícios como a otimização dos padrões operacionais, retorno financeiro e ganho

pela redução nos desvios de qualidade.

Lavill (2008) apresentara os requisitos das normas de construção de painéis

elétricos e CCM, com os modelos construtivos e necessidade específica de projetos.

Cosan (2008) apresentara o desempenho produtivo e financeiro do ano de

2007 para o grupo COSAN. As informações financeiras e produtivas das usinas, que

são consideradas para a análise econômica deste trabalho, foram aqui

apresentadas.

Siemens (2008) apresentara as tecnologias da fabricante disponibilizadas

para interligação de redes, em todos os níveis, e suas aplicações no setor

sucroalcooleiro.

Weg (2008) apresentara as características estruturais, como tipos de

gabinetes, cabeamento e conexões.

Decotignie (2009) apresentara o potencial do protocolo Ethernet aplicado ao

ambiente industrial. Diversos protocolos de comunicação utilizados como

barramento de campo foram observados e tiveram suas características comparadas.

O padrão IEEE 802.3 fôra considerado como referência nessas observações.

Características técnicas, desempenho, problemas, evolução da tecnologia e

funcionamento em tempo real foram relacionados nesse trabalho. Também foram

discutidas as diferentes propostas e padronização para a Ethernet industrial.

Lara et al. (2009) apresentara a modernização do sistema de controle da

planta de produção de zinco da Votorantim Metais, na unidade de Juiz de Fora.

Buscaram uma solução para a migração dos painéis sinóticos até então adotados,

que proporcionasse maior robustez e confiabilidade à planta, além da absorção de

todas as unidades de aquisição de dados físicos existentes no campo.

Meulenbroek e Freeman (2009) apresentaram a evolução dos sistemas de

distribuição de energia elétrica, destacando os CCM inteligentes e suas aplicações

típicas em ambientes industriais, assim como alguns esquemas de ligações em rede

e particularmente salientando a presença de DCS / SCADA para gerenciamento da

planta. Também foram mencionadas as vantagens e desvantagens da utilização de

CCM inteligente, em termos técnicos e econômicos, em comparação ao CCM

convencional.

O guia de seleção de CCM da Rockwell Automation (2009) apresentara as

características estruturais, como tipos de gabinetes, cabeamento, conexões etc. A

tecnologia envolvida na linha IntelliCENTER® destacara sua capacidade de

conectividade por meio de protocolo de rede de campo DeviceNet® e sua facilidade

de programação.

Siemens (2009) apresentara a linha SIPLUX® de painéis de baixa tensão,

apropriados para utilização com CCM inteligente. Foram destacadas as

características estruturais físicas dos painéis, sua capacidade de modularidade, tipo

CCM extraível, a estrutura de cabeamento, o sistema de proteção para os motores

conectados ao CCM e sua capacidade de conexão por meio de protocolo de

comunicação PROFIBUS®.

Valentim et al. (2009) apresentara uma metodologia para análise dos tempos

de resposta dentro de uma rede de controle multiciclos. O caso teste apresentado

fôra modelado com o objetivo de verificar o determinismo do protocolo quando

submetido a um ambiente onde existam várias requisições de serviço executando

seus ciclos temporais em paralelo com as mensagens de tempo real.

Cabrera (2010) apresentara as informações produtivas e investimentos

financeiros da Usina Cabrera Energética, que é a base para a análise técnica e

econômica deste trabalho.

Caged/Mte (2010) relacionara uma lista atualizada contendo as profissões

exercidas no Estado de São Paulo, devidamente catalogadas e identificadas por um

código adotado para cada uma, segundo seus próprios critérios, assim como os

salários praticados para as mesmas.

Cosan (2010) apresentara os principais valores ligados à produção de etanol

pela indústria sucroalcooleira e avaliara qual o seu impacto na matriz energética

brasileira.

Unica (2010) apresentara informações do mercado brasileiro e internacional

do açúcar e do etanol, dados da produção, investimentos no setor e dados

econômicos.

1.3. OBJETIVOS

O objetivo geral deste trabalho é apresentar um estudo com as características

e conceitos da aplicação de CCM inteligente e demonstrar as vantagens da

utilização de rede industrial no controle da produção, especificamente o protocolo

DeviceNet®, responsável por interligar os dispositivos de campo aos níveis de

comunicação superiores.

O objetivo específico é apresentar um estudo de caso com as comparações

entre as aplicações de diferentes configurações de acionamentos instalados em um

processo produtivo alimentado por centro de controle de motores, destacando para

cada caso elaborado as suas características técnicas, os investimentos necessários

e seu impacto na produção.

1.4. METODOLOGIA

Serão relacionados cenários com diferentes tecnologias e conceitos para o

comando e supervisão de um processo produtivo, comparando-os por meio da

análise de investimento necessário para colocar em operação cada cenário

estabelecido, sendo observados os recursos de controle de produção e manutenção

disponibilizados para cada opção estudada.

No capítulo dois, o processo objeto deste estudo é detalhado, com especial

atenção para as tecnologias e características de acionamentos de motores e CCMs,

inclusive os CCMs inteligentes. As principais características da rede DeviceNet®,

particularmente aplicadas ao processo em questão, também são apresentadas,

assim como dados produtivos e financeiros da usina Cabreira Energética.

No capítulo três é realizado o estudo dos sistemas propostos, onde as

tecnologias escolhidas, a partir do que normalmente é aplicado nas indústrias do

ramo, são descritas e analisadas, com base na sua aplicação às características

básicas adotadas e descritas em seu início.

No capítulo quatro são descritos os resultados obtidos, por meio da

comparação dos resultados de cada opção elaborada, técnico-financeiro, além da

avaliação de um caso específico, também hipotético, porém igualmente baseado em

relatos de defeitos que ocorrem nas indústrias do setor sucroalcooleiro.

O capítulo cinco relaciona as conclusões e as sugestões de trabalhos futuros.

CAPÍTULO 2 – DESCRIÇÃO DO PROCESSO

2.1 CONCEITOS DE ACIONAMENTOS DE MOTORES

Os circuitos elétricos necessitam de dispositivos de proteção e comandos que

são instalados em invólucros popularmente conhecidos como painéis elétricos.

Visando padronizar as exigências elétricas e mecânicas, a norma NBR IEC

60439-1 estabelece os critérios de montagem, testes e classificação dos modelos

dos equipamentos utilizados e definindo o painel elétrico como conjunto de manobra

e comando de baixa tensão: Combinação de equipamentos de manobra, controle,

medição, sinalização, proteção, regulação, etc., em baixa tensão, completamente

montados, com todas as interconexões internas elétricas e estrutura mecânica

(ABNT, 2003).

Além dos requisitos estabelecidos pela norma NRB IEC 60439-1, o projeto

deve atender os critérios estabelecidos por outras normas de instalações, dentre

elas: NBR 5410, instalações elétricas de baixa tensão; NR 10, segurança em

instalações e serviços em eletricidade; e IEC 60947, dispositivos elétricos.

O acionamento elétrico normalmente é utilizado para partida de motores e o

mesmo deve possuir dispositivos de proteção contra curto circuito, sobrecarga e

possibilitar o comando local ou externo, bem como o seccionamento da energia para

poder realização de manutenções periódicas. A Figura 1 ilustra um exemplo de

estrutura geral adotada para o acionamento de motores.

Figura 1 – Estrutura geral de acionamento de motores.

O acionamento elétrico mais utilizado é do tipo partida direta, que possui em

seu circuito um dispositivo denominado relé térmico, responsável pela proteção de

sobrecarga dos motores. Essa proteção é acionada a partir de uma curva de

comportamento retardado, simulando a mesma sobrecarga admitida nos motores

antes de gerar problemas funcionais.

No mercado existem diversos dispositivos com tecnologias diferentes, que

possuem recursos e funções de proteção adicionais e dentre os relés de sobrecarga

pode-se destacar três modelos: relé bimetálico, relé de sobrecarga eletrônico (E1) e

relé de sobrecarga eletrônico com rede DeviceNet® (E3+).

O relé bimetálico convencional, ilustrado na Figura 2, oferece as funções:

• contatos para circuitos de controle (NA/NF);

• botão para reset;

• seleção de reset: manual/automática;

• sensível a perda de fase.

Figura 2 – Relé bimetálico convencional (cortesia: Rockwell Automation)

O relé de sobrecarga eletrônico (E1), ilustrado na Figura 3, oferece ao motor

as mesmas proteções do relé bimetálico convencional, porém com melhor

sensibilidade e funções melhoradas. Suas principais características são:

• contatos para circuitos de controle (NA/NF);

• botão para reset;

• seleção de reset: manual/automática;

• sensível a perda de fase;

• compensação da temperatura ambiente;

• componentes de estado sólido, maior precisão e confiabilidade;

• circuito térmico de memória, aprimorando o modelo térmico;

• baixo consumo de energia (¼ do consumo do relé bimetálico);

• ampla faixa de ajuste (um dispositivo eletrônico cobre a faixa de quarto

relés de sobrecarga bimetálico);

• proteção contra perda de fase (três segundos = dez vezes mais rápido

que o relé bimetálico);

• classe de desarme regulável (10A/15A/20A/30A).

Figura 3 – Relé de sobrecarga eletrônico (E1) (cortesia: Rockwell Automation)

O relé de sobrecarga eletrônico com rede DeviceNet® (E3+), ilustrado na

Figura 4, oferece ao motor as mesmas proteções do relé de sobrecarga eletrônico

(E1), porém com funções melhoradas e supervisão realizada via comunicação da

rede DeviceNet®. Suas principais características são:

• proteção contra sobrecarga térmica;

• proteção contra perda de fase;

• proteção contra rotor bloqueado;

• proteção contra travamento de eixo;

• proteção contra sub-carga térmica;

• proteção contra desbalanceamento de corrente;

• proteção contra fuga terra;

• leitor de PTC, podendo monitorar a temperatura com sensor instalado

fisicamente no motor;

• seleção de reset: manual/automática;

• classe de desarme regulável de 5A a 30A com incrementos unitários;

• monitoração de corrente por fase;

• monitoração de corrente individual por fase em porcentagem;

• monitoração de corrente média;

• monitoração de corrente média em porcentagem;

• monitoração de capacidade térmica utilizada;

• monitoração de corrente de fuga à terra;

• monitoração de porcentagem de desbalanceamento de corrente;

• quatro entradas digitais configuráveis (24 V

), sinalizadas via led;

• duas saídas a relé (configuráveis), sinalizadas via led;

• uma saída de trip a relé (configurável), sinalizada via led;

• indicação de funcionamento da rede, sinalizada via led;

• circuito incorporado permite um comando de reset por rede;

• funções de alarmes com ajustes independentes da proteção;

• comunicação em DeviceNet®;

• circuito incorporado que permite o comando de reset por rede;

• diagnóstico via palavra de status do dispositivo;

• diagnóstico via palavra com status de desarme (15 variáveis);

• diagnóstico via palavra com status de alarme (15 variáveis);

• diagnóstico de tempo estimado para um desarme por sobrecarga;

• diagnóstico de tempo para rearme após uma sobrecarga;

• histórico das últimas cinco falhas.

Figura 4 - Relé de sobrecarga eletrônico com rede DeviceNet® (E3+) (cortesia: Rockwell Automation)

2.2 CENTRO DE CONTROLE DE MOTORES (CCM)

CCMs são painéis elétricos completos que acomodam equipamentos para

proteção, seccionamento e manobra de cargas. Tem uma função específica nos

sistemas de distribuição de energia elétrica em unidades comerciais e industriais.

São os painéis onde estão conectados os cabos provenientes das cargas. Apesar de

aproximadamente 85% das cargas industriais serem motores (motivo do nome

Centro de Controle de Motores), o termo carga é abrangente, podendo significar

qualquer equipamento que consuma energia elétrica, como estufas, resistores, etc.

(LAVILL, 2004).

A utilização do CCM é destinada a instalações industriais que apresentam:

• grande número de cargas comandadas;

• necessidade de máxima continuidade de operação;

• segurança do operador na operação, supervisão e manutenção;

• instalação centralizada para facilitar a operação e manutenção;

• elevada compactação, possibilitando a redução de área necessária.

O CCM possui características mecânicas de separação, de acordo com suas

divisões internas, sendo classificadas as unidades de construção do conjunto

(ABNT, 2003).

• seção: unidade entre duas separações verticais sucessivas;

• subseção: unidade entre duas separações horizontais sucessivas em

uma seção;

• compartimento: seção ou subseção fechada (com aberturas

necessárias para interconexão, controle ou ventilação).

Os CCMs são montados em duas configurações de isolamento entre as

unidades funcionais, podendo ser compartimentados ou não.

No CCM compartimentado, os equipamentos de proteção e manobra de cada

carga estão montados em compartimentos isolados por barreiras mecânicas,

restringindo que possíveis problemas possam afetar as demais unidades funcionais,

conforme ilustrado na Figura 5. Nesse modelo compartimentado, as unidades

funcionais podem ser montadas em estruturas removíveis denominadas gavetas,

que podem ser extraídas do CCM com o mesmo em funcionamento, ou com

montagem em placas de montagem fixas.

Figura 5 – CCM compartimentado com gavetas extraíveis (cortesia: Rockwell Automation)

Os conjuntos extraíveis apresentam características de retirada dos módulos

de uma forma segura e sem a necessidade de ferramenta. Essa funcionalidade

facilita os trabalhos de manutenção, reduzindo os tempos de parada, pois as

operações de extração e inserção das gavetas ocorrem com o CCM energizado,

limitando a desconexão de energia a apenas aquele ramal que necessita de uma

intervenção.

As gavetas extraíveis apresentam as seguintes características:

• modularidade do sistema, permitindo ampliação;

• manutenção fácil e rápida;

• intercambiabilidade funcional, permitindo uso de gavetas reservas;

• elevada segurança, pois permite a manutenção em setores isolados

sem o desligamento dos demais circuitos.

As gavetas extraíveis possuem quatro posições de operação, que são

utilizadas em diferentes etapas da operação e manutenção dos circuitos, conforme

ilustrado na Figura 6, sendo as conexões elétricas dispostas de acordo com as

posições de operação (ROCKWELL, 2009):

• conectada – linha, carga, controle, rede e terra estão conectadas;

• teste – controle, rede e terra estão conectadas;

• desconectada – sem conexão elétrica;

• retirada – sem unidade funcional.

Figura 6 – Posições operacionais das gavetas extraíveis (cortesia: Rockwell Automation)

Como opção ao CCM compartimentado, existe o modelo não

compartimentado que apresenta a montagem em placas fixas, com os conjuntos

funcionais instalados sem separação mecânica, conforme ilustrado na Figura 7.

Figura 7 – CCM não compartimentado com gavetas fixas (cortesia: Lavill)

2.3 CENTRO DE CONTROLE DE MOTORES INTELIGENTE (CCMI)

A característica principal de um CCMI é que seus componentes principais

(inversor, soft-start e relés inteligentes) podem comunicar em rede, enviando e

recebendo dados para um controlador lógico programável (CLP), uma interface

homem máquina (IHM) ou um sistema SCADA (Supervisory, Control, and Data

Acquisition). Designa-se rede ao conjunto de equipamentos e aplicativos utilizados

para propiciar o tráfego de informações entre os diversos níveis hierárquicos e

participantes de um processo industrial (BLAIR et al., 2001).

A utilização de redes de comunicação industrial com CCMI é uma solução

que possibilita o monitoramento e controle da produção, reduzindo o tempo de

parada de horas para minutos, com diagnósticos completos que localizam com

precisão os pontos problemáticos, auxiliando a manutenção a programar e executar

correções pontuais.

Em conjunto com o CCMI é fornecido um programa aplicativo denominado

IntelliCENTER®, utilizado para o monitoramento dos dados gerados pelos

equipamentos instalados no mesmo, sendo suas principais características

(ROCKWELL, 2009):

• plug and play, com fácil acesso aos dados de configuração;

• disponibiliza um prontuário técnico eletrônico, de acordo com as novas

recomendações da norma NR10 contendo: manuais dos

equipamentos, diagramas elétricos e lista de materiais;

• registro de eventos, fornecendo os horários e condições de possíveis

problemas intermitentes;

• supervisão do sistema elétrico em funcionamento sem a necessidade

de acesso físico eliminando o uso de trajes especiais.

A tecnologia da informação tem sido determinante no desenvolvimento da

tecnologia da automação, definindo hierarquias e estruturas de aplicação ao

ambiente industrial nos seus mais diversos setores, desde as indústrias de processo

e manufatura até aos sistemas logísticos. Para escolha de uma rede industrial, deve-

se observar os requisitos: determinismo, flexibilidade, custo efetivo, confiança,

segurança, facilidade de uso, protocolo aberto e padronizado.

Para permitir o tráfego de informações entre os níveis hierárquicos, as redes

devem possuir uma estrutura baseada em objetos e conexões entre eles, conforme

o modelo baseado no padrão CIP (Commom Industrial Protocol), ilustrado na Figura

Figura 8 – Arquitetura de rede integrada (cortesia: Rockwell Automation)

2.4 PRODUÇÃO DE AÇÚCAR E ÁLCOOL

O vasto território do Brasil e seu clima favorável possibilitam uma grande

oferta de terras disponíveis para a produção de cana-de-açúcar. Atualmente 8,8%

das terras agricultáveis do Brasil, ou 7,9 milhões de hectares, são usados na

produção de cana-de-açúcar, sendo o maior produtor do mundo, tendo produzido

mais de 568 milhões de toneladas ou 33% da produção mundial na safra 2008/09. O

Brasil é um dos maiores consumidores de açúcar, aproximadamente 12,4 milhões

de toneladas na safra 2008/09 (UNICA, 2010).

O uso de etanol como combustível no Brasil atingiu 13,4 milhões de m

2006, sendo cerca de 40% do combustível usado em motores automotivos (ciclo

Otto). A agroindústria da cana gerou, também, 11,3 TWh de energia elétrica e

mecânica em acionamentos, na maioria para uso próprio, o que equivale a 3% de

toda a energia elétrica consumida no país. O uso do bagaço como combustível foi

de 20,2 Mtep (mega toneladas equivalentes de petróleo) (COSAN, 2010).

Em 2000, foi estimado que com a implementação adicional de tecnologias já

comerciais poderia resultar em reduções de até 13% em custos de produção no

Centro-Sul. Os processos novos incluem a agricultura de precisão; sistemas

integrados de colheita e transporte de cana e palha; maior automação industrial e

novos processos de separação (caldo e processamento final) (PIERETTI et al.,

2003).

Como opção de matriz energética, existe um ganho potencial na produção de

energia da biomassa da cana, pois a energia em uma tonelada métrica de cana,

adicionando a palha, é equivalente a 2/3 da energia em um barril de petróleo. Essa

biomassa pode ser recuperada a custos relativamente baixos e menos da metade é

usada hoje. Tecnologias disponíveis podem gerar energia elétrica adicional,

correspondente a 30% a mais do valor de venda do açúcar e do etanol, com bagaço

e 50% da palha (PIERETTI et al., 2003).

Devido a essa projeção de aumento da utilização da automação industrial nos

processos da indústria sucroalcooleira, foi realizado o estudo de caso em uma usina

indicada com referência no setor, comparando as aplicações de diferentes

configurações de acionamentos instalados em um processo produtivo.

2.5 A USINA CABRERA ENERGÉTICA

O grupo Cabrera, com tradição de mais de 100 anos na atividade agrícola e

pecuária, atua em nove estados brasileiros e sempre buscou inovações tecnológicas

para cumprir da melhor maneira possível o seu principal objetivo: produzir alimentos

(CABRERA ENERGÉTICA, 2010).

O grupo Cabrera diversificou suas atividades e ingressou no setor

sucroalcooleiro com a instalação de uma usina de açúcar na região do triângulo

mineiro. O protocolo de intenções foi assinado com o Governado do Estado de

Minas Gerais e estão na fase final da licença de instalação(CABRERA

ENERGÉTICA, 2010).

O investimento inicial foi de cerca de R$ 143.000.000,00, com previsão de

início de moagem para o ano de 2009. No primeiro ano a intenção é moer 800 mil

toneladas em terra própria e em finalizar o empreendimento com 3 milhões de

toneladas de cana. Para atender a esse objetivo, a companhia cultiva, colhe e

processa a cana-de-açúcar, principal matéria-prima utilizada na produção de açúcar

e álcool. Os canteiros de mudas contam com cerca de 1.000 hectares de cana-de-

açúcar (CABRERA ENERGÉTICA, 2010).

A Cabrera Energética tem pautado as suas ações com a maior

responsabilidade social e ambiental, procurando fazer de Limeira do Oeste, situada

em Minas Gerais, um sustentável pólo produtor de açúcar e álcool, sendo estimada

a geração de até 1.500 empregos diretos (CABRERA ENERGÉTICA, 2010).

O período de safra é de 180 a 210 dias de produção, de acordo com os dias

de chuva. Para a safra do ano de 2010, a previsão é de 5.000 t/dia em 160 dias de

produção. As conversões estimadas de cada tonelada de cana para etanol ou

açúcar são:

• 1 tonelada de cana = 85 litros de etanol hidratado;

• 1 tonelada de cana = 120 kg de açúcar (a usina ainda não produz

açúcar, sendo prevista a fabricação de 25.000 sacas (1.250 t) por dia

em 2013);

• 1 tonelada de cana = 250 kg de bagaço (combustível para a geração

de vapor na caldeira e cogeração de energia).

A cogeração de energia também é considerada como produto final do

processo, sendo utilizado atualmente 9 MWh para consumo próprio da usina, e

previsão para exportar energia (venda para concessionárias de energia) de 50 MWh

em 2013/2014.

A Tabela 1 relaciona os dados da produção de açúcar e de etanol obtidos da

carta financeira trimestral da COSAN, ano base 2007 (COSAN, 2008). Considerando

a semelhança entre essa usina e a Cabrera Energética, tais valores serão utilizados

como referência de preço e custo médio da produção sucroalcooleira da usina

Cabrera Energética.

Tabela 1 – Dados da produção de açúcar e álcool, ano base 2007

Descrição Açúcar

(R$/t)

Etanol

(R$/mil litros)

Preço médio unitário 683

897

Custo médio unitário 433

674

Despesas administrativas gerais

108

Ganho por unidade 165

115

Para estimar os ganhos operacionais, segue simulação de 200 dias de

produção, processando 3.000.000 toneladas de cana, o correspondente a 15.000

t/dia, produzindo, 1.250 t de açúcar, 625.000 l de etanol e 50 MWh de energia,

conforme relacionado na Tabela 2.

Tabela 2 – Dados estimados para produção na usina Cabrera no ano 2013

Descrição Açúcar Etanol Energia

Ganho por unidade 165,00 R$/t

115,00 R$/mil litros

154,18 R$/MWh

Produção por dia 1.250 t

625.000 l

50 MWh

Receita por dia R$ 206.250,00

R$ 71.875,00

R$7.709,00

Receita por hora R$ 8.593,75

R$ 2.994,79

R$ 321,20

Receita total por dia R$ 285.809,00

Receita total por hora

R$ 11.909,74

As instalações elétricas da usina Cabrera possuem um sistema de quatro

níveis de tensões de funcionamento:

• 138 kV

– interligação com a CEMIG;

• 13,8 kV

– distribuição elétrica dos alimentadores;

• 440 V

– alimentação dos circuitos motores;

• 220 V

– alimentação dos circuitos administrativos.

Após a cabine de medição e proteção (138 kV

), a energia é rebaixada por

transformadores e ligada a um barramento de distribuição (13,8 kV

), responsável

pela alimentação dos demais circuitos compostos de transformadores, CCMI e

painéis de distribuição. A unidade possui 14 circuitos principais de distribuição,

conforme apresentado na Tabela 3.

Tabela 3 – Principais circuitos elétricos da usina

Circuito

Descrição

1 CCMI da caldeira

2 CCMI da concentração de caldo

3 CCMI do sistema hídrico.

4 CCMI do transporte de bagaço, ETE e ETA

5 CCMI dos produtos químicos, fermentação e destilaria

6 CCMI da recepção, preparo e extração

7 CCMI da vinhaça

8 CCMI do picador, desfibrador

9 Serviços auxiliares

10 Iluminação

11 Adutora

12 Administrativo

13 Oficinas

14 Casa de força (geradores)

Os painéis elétricos e CCMI são distribuídos em sala de painéis elétricos,

próximas às unidades funcionais a serem alimentadas, conforme ilustrado nas

Figuras 9 e 10.

Figura 9 – Sala de painéis elétricos

– CCMI recepção, preparo e extração (cortesia: Cabrera

Energética)

Figura 10 – Motores do setor picador / difusor (cortesia: Cabrera Energética)

O processo produtivo é composto por aproximadamente 285 acionamentos,

sendo os mesmos de diferentes potências e modelos, classificados como partida

direta, soft-start e inversores de freqüência, conforme apresentado na Tabela 4.

Tabela 4 – Acionamentos elétricos da usina Cabrera Energética

Potência (CV) Tipo de

partida

0,25 a 5 6 a 15 20 a 50 60 a 175 400

Total

Direta 79 48 33 11 4 175

Soft-start 21 40 3 64

Inversor de

frequência

24 2 20 46

Total de acionamentos elétricos

285

CAPÍTULO 3 – SISTEMAS PROPOSTOS

Os estudos foram realizados em diferentes configurações de montagens

elétricas utilizadas em CCM para acionamento de motores do processo

sucroalcooleiro, tendo como base a usina Cabrera Energética, onde há CCMI e rede

DeviceNet® em funcionamento.

Foram considerados os valores de mão de obra e material das disciplinas

envolvidas no estudo: engenharia, projeto, construção, instalação, comissionamento,

partida e programação de CLP / IHM.

Com o intuito de padronizar as mesmas solicitações funcionais, foi adotado

como referência o acionamento do tipo partida direta.

Seguem relacionadas às necessidades que serão atendidas por qualquer

método estudado, considerando as condições de proteção e comunicações externas

solicitadas:

• disjuntor, contator e relé de sobrecarga (proteção térmica);

• proteção de aquecimento do motor com sensor PTC;

• proteção contra fuga terra;

• acionamento externo:

o botão liga;

o botão desliga;

o botão de emergência na porta do CCM;

• sinalização externa:

o ligado;

o desligado;

o defeito;

o sobre temperatura - sensor PTC;

o fuga terra;

o pronto para partir (refere-se à monitoração de duas condições: gaveta

conectada e disjuntor de potência ligado).

Foram considerados os acionamentos de 25 motores de corrente alternada

trifásicos, assíncronos do tipo gaiola de esquilo, que é o mais utilizado em

instalações industriais, de 5 CV (3,7 kW) / 440 V

~ 60 Hz.

Para os valores de hora trabalhada, foram utilizadas como referência as horas

nominais, não considerando benefícios ou encargos para os mesmos, de acordo

com salários de base do ano.

Os dados foram obtidos no CAGED/TEM (SERT-SP, 2010), órgão ligado ao

Governo do Estado de São Paulo, que calcula o salário médio dos profissionais

admitidos nos últimos seis meses no mercado de trabalho formal, a partir das

referências dos profissionais da CBO (Classificação Brasileira de Ocupações):

• engenheiro eletricista de projetos, código CBO: 214320, com salário

mensal de R$4.960,00 - 160 horas mensais a R$31,00 por hora

trabalhada;

• eletrotécnico - produção de energia, código CBO: 313110, com salário

mensal de R$1.422,00 - 160 horas mensais a R$8,89 por hora

trabalhada.

Este trabalho utiliza os mesmos valores em todas as opções elaboradas para

análise, com intuito de padronizar os valores das horas dos profissionais envolvidos,

mantendo os valores independentes dos conhecimentos necessários de cada

profissional.

3.1 CCM CONVENCIONAL INTERLIGADO POR MULTICABOS

A primeira configuração analisada foi com CCM convencional equipado com

disjuntor magnético, contator tripolar e relé bimetálico/eletrônico. O comando e

sinalização são realizados pela mesa de comando, via botões e sinaleiros

conectando a fiação ponto a ponto (necessidade de conjunto de cabos entre botões

e sinaleiros, com os contatos de estado do acionamento), conforme ilustrado na

Figura 11, indicando a quantidade de conexões elétricas entre o CCM e mesa de

comando.

Figura 11 – Configuração de instalação de CCM convencional interligado via multicabos (cortesia:

Rockwell Automation)

A sinalização externa é disponibilizada nos bornes ao lado da gaveta do

CCM, que será interligada com os sinaleiros na mesa de comando, sendo

necessários 14 cabos para os sete estados monitorados.

Os botões de acionamento liga/desliga são disponibilizados na mesa de

comando, conforme ilustrado na Figura 12, sendo interligado com os bornes ao lado

da gaveta do CCM, tornando necessários três cabos para os dois comandos.

Para atender aos requisitos das proteções solicitadas, são necessários

adicionar os relés de fuga terra e PTC, pois os relés de sobrecarga convencionais

não disponibilizam essas proteções, conforme diagrama ilustrado na Figura 13.

Figura 12 – Mesa de comando e controle das moendas (cortesia: Usina Rafard)

Foram realizados os levantamentos para comparação dos resultados,

segundo as Tabelas 5 a 8, que relacionam as características técnicas desse

equipamento.

Figura 13 – Diagrama funcional da configuração com CCM convencional

Tabela 5 – Interligação entre gaveta de acionamento do CCM e bornes

Descrição

Nº de

cabos

Nº Total

de cabos

Conexões internas de controle

Botão liga/desliga 3 75

Sinalização: ligado, desligado, defeito,

emergência e pronto para partir

10 250

Contato de estado relé fuga terra 2 50

Contato de estado relé PTC 2 50

Conexões externas com motor

Sensor PTC 2 50

Motor 4 100

Total 23 575

Tabela 6 – Interligação entre mesa de comando e bornes

Descrição

Nº de

cabos

Nº Total

de cabos

Conexões internas de controle

Botão liga/desliga 3 75

Sinalização: ligado, desligado, defeito,

emergência e pronto para partir

10 250

Contato de estado relé fuga terra 2 50

Contato de estado relé PTC 2 50

Total 17 425

Tabela 7 – Interligação em campo entre bornes da mesa de comando e CCM

Descrição

Nº de

cabos

Nº Total

de cabos

Conexões internas de controle

Botão liga/desliga 3 75

Sinalização: ligado, desligado, defeito,

emergência e pronto para partir

10 250

Contato de estado relé fuga terra 2 50

Contato de estado relé PTC 2 50

Total 17 425

Tabela 8 – Equipamento de automação

Descrição

Nº de

pontos

Total

Conexões internas de controle

Entrada digital 0 0

Saída digital 0 0

Total 0 0

Nessa opção de montagem não serão utilizados os equipamentos de

automação, sendo todo comando e sinalização realizados por botões e sinaleiros.

As Tabelas 9 e 10 relacionam os materiais necessários para a montagem dos

acionamentos projetados no CCM e na mesa de comando, respectivamente, bem

como os valores de referência utilizados no estudo.

Tabela 9 – Valores dos materiais do CCM com fiação a botões

Descrição

Quant.

[pç]

Modelo

Valores

unitários

[R$]

Valores

totais

[R$]

Acionamento no CCM

Disjuntor motor magnético

25 140M 150,00

3.750,00

Contato auxiliar do disjuntor

25 100SC 15,00

375,00

Contator tripolar

25 100C 90,00

2.250,00

Relé térmico bimetálico

25 193EA 150,00

3.750,00

Relé térmico eletrônico com rede

DeviceNet® (E3+)

0 193EC 600,00

0,00

Disjuntor monopolar

termomagnético

25 1492 20,00

500,00

Contator auxiliar 120 V

75 700CF 15,00

1.125,00

Sinaleiro 120 V

100 800F 20,00

2.000,00

Fim de curso (gaveta conectada)

25 LIMIT 15,00

375,00

Botão soco giratório (emergência)

25 800F 35,00

875,00

Relé de fuga terra

25 50GS 800,00

20.000,00

TC tipo toróide para relé fuga terra

25 TC 50,00

1.250,00

Relé sensor PTC de motor

25 PTC 150,00

3.750,00

Bornes e terminais

575 1492 3,00

1.725,00

Chaparia e diversos

25 RA 1.000,00

25.000,00

Bastidor de flex I/O (175 entradas /

25 saídas), 6 cartões (32DI) +

cartão (32DO)

0 Flex 9.500,00

0,00

Scanner de rede DeviceNet®

0 SDN 2.000,00

0,00

Rede DeviceNet®

0 DNET 1.000,00

0,00

Total

66.725,00

Tabela 10 – Valores dos materiais da mesa de comando

Descrição

Quant.

[pç]

Modelo

Valores

unitários

[R$]

Valores

totais

[R$]

Mesa de comando

Botão liga (NA)

25 800F 20,00

500,00

Botão desliga (NF)

25 800F 20,00

500,00

Sinaleiro 120 V

175 800F 20,00

3.500,00

Bornes e terminais

425 1492 3,00

1.275,00

Chaparia e diversos

1 RA 2.500,00

2.500,00

CLP (50 entradas / 175 saídas), 2

cartões (32DI) + 6 cartões (32DO)

Compact

Logix®

23.000,00

0,00

CLP (0 entradas / 0 saídas)

Compact

Logix®

8.000,00

0,00

IHM

Panel

7.500,00

0,00

Total

8.275,00

Conforme levantamento realizado nas Tabelas 5 a 8, apresentando as

quantidades de interligações necessárias entre os equipamentos, pode-se realizar o

estudo dos materiais utilizados na instalação e interligação entre CCM, mesa de

comando e motores.

Para uniformizar os estudos, será considerada a distância padrão entre

motores e CCM de 50 m, sendo alimentados 25 motores, onde todos os circuitos

alimentadores serão compostos por seis cabos até os motores.

As interligações entre mesa de comando e CCM, serão realizadas conforme a

quantidade de cabos apresentada na Tabela 7, com distância percorrida de 80 m,

sendo considerado o eletroduto com barras de 3 m, totalizando 27 barras para cada

lance de eletrodutos.

Para conduzir os 425 cabos instalados serão previstos seis lances de

eletroduto, os resultados estão apresentados na Tabela 11.

Tabela 11 - Materiais para instalação em campo

Descrição

Quant.

[m/motor]

Quant.

para 25

motores

Valores

unitários

[R$/m]

Valores

totais

[R$]

Materiais para interligação do motor

Cabos unipolar # 4,0 mm

300 7.500 m 3,50 26.250,00

Materiais para interligação do CCM com mesa de comando

Cabos de comando # 1,5 mm

80 34.000 m 2,00 68.000,00

Cabo de rede 0 0 15,00 0,00

Eletroduto 2” - 162 pçs 30,00 4.860,00

Total

99.110,00

A Tabela 12 relaciona os tempos estimados para a realização das tarefas

necessárias para o projeto e instalação do sistema em estudo, com ênfase na

arquitetura proposta.

Tabela 12 – Mão de obra utilizada na opção por CCM com fiação a botões

Descrição

Quant.

[min/motor]

Quant. para

25 motores [h]

Engenharia

Diagrama unifilar da instalação 30 12,50

Diagrama funcional do acionamento 30 12,50

Projeto do CCM e interligações internas 40 16,67

Projeto das interligações na sala elétrica entre

CCM e mesa de comando

60 25,00

Projeto elétrico do CLP, flex I/O e IHM

0 0,00

Especificação de materiais 60 25,00

Programação do CLP / IHM 0 0,00

Total

220 91,67

Valor considerado de Engenharia / Projeto

R$31,00 / h R$ 2.841,66

Tempo de montagem e instalação

Cabos de potência 60 25,00

Cabos de controle e comando entre CCM e mesa

de comando

212,5 88,54

Infra-estrutura elétrica entre CCM e mesa de

comando

106,25 44,27

Fabricação de CCM e mesa de comando 800 333,33

Partida e comissionamento 400 166,67

Total

1578,75 657,81

Total de horas [h] Eletricista a R$8,89 / h

657,81 R$ 5.166,67

Total de horas [h] Engenheiro a R$31,00 / h

(somente na partida e no comissionamento)

166,67 R$ 5.847,95

Valor total

R$ 11.014,62

3.2 CCM CONVENCIONAL INTERLIGADO POR CABO DE REDE COM MESA DE

COMANDO EQUIPADA COM BOTOEIRAS

A segunda configuração analisada foi projetada com CCM convencional

equipado com disjuntor magnético, contator tripolar e relé bimetálico/eletrônico. O

comando e sinalização são realizados pela mesa de comando via botões e sinaleiros

que são conectados a um CLP, responsável por concentrar todos os sinais e

comunicar via rede industrial com um bastidor de E/S remota (Flex I/O), instalado no

interior do CCM.

Essa configuração possui a mesma quantidade de fiações que a configuração

anterior, porém as mesmas serão realizadas dentro dos conjuntos de manobra

(CCM e mesa de comando), entre os bornes das gavetas do acionamento até as

unidades de E/S remota (Flex I/O) no CCM e dos botões e sinaleiros até o CLP na

mesa de comando, sendo instalado em campo, somente um cabo de rede industrial,

conforme ilustrado na Figura 14, indicando a quantidade de conexões elétricas

internas e rede entre o CCM e mesa de comando.

Figura 14 – Configuração de instalação de CCM convencional com interligação via cabo de rede e

acionamento com botões e sinaleiros (cortesia: Rockwell Automation)

Para atender os requisitos das proteções solicitadas, é necessário adicionar

os relés de fuga terra e PTC, pois os relés de sobrecarga convencionais não

disponibilizam essas proteções. Entre o CCM e a mesa de comando será instalado

somente um cabo de rede que interligará a unidade de E/S com o CLP, conforme

diagrama ilustrado na Figura 15.

A sinalização externa é disponibilizada na borneira ao lado da gaveta do

CCM, que será interligada com os cartões de entrada da unidade de E/S em campo,

sendo necessários 14 cabos para os sete estados monitorados.

Os botões de acionamento liga/desliga são disponibilizados na mesa de

comando sendo interligados com o cartão de entrada do CLP, tornando necessários

três cabos para os dois comandos.

Para o acionamento do motor é necessária a interligação com os cartões de

saída da unidade de E/S remota, sendo necessários dois cabos para o comando

liga/desliga.

Figura 15 – Diagrama funcional do CCM convencional com interligação via cabo de rede e acionamento com botões e sinaleiros

Para os estudos foram realizados os levantamentos e tabulações para

comparação dos resultados, segundo as Tabelas 13 a 16.

Tabela 13 – Interligação entre gaveta de acionamento do CCM e bornes do

Flex I/O

Descrição

Nº de

cabos

Nº Total

de cabos

Conexões internas de controle

Botão liga/desliga 2 50

Sinalização: ligado, desligado, defeito,

emergência e pronto para partir

10 250

Contato de estado relé fuga terra 2 50

Contato de estado relé PTC 2 50

Conexões externas com motor

Sensor PTC 2 50

Motor 4 100

Total 22 550

Tabela 14 – Interligação entre mesa de comando e bornes do CLP

Descrição

Nº de

cabos

Nº Total

de cabos

Conexões internas de controle

Botão liga/desliga 3 75

Sinalização: ligado, desligado, defeito,

emergência e pronto para partir

10 250

Contato de estado relé fuga terra 2 50

Contato de estado relé PTC 2 50

Total 17 425

Tabela 15 – Interligação em campo entre

Flex I/O

(CCM) e CLP (mesa de comando)

Descrição

Nº de

cabos

Nº Total

de cabos

Conexões internas de controle

Botão liga/desliga 0 0

Sinalização: ligado, desligado, defeito,

emergência e pronto para partir

0 0

Contato de estado relé fuga terra 0 0

Contato de estado relé PTC 0 0

Cabo de rede entre Flex I/O e CLP

1 1

Total 1 1

Tabela 16 – Equipamento de automação: CLP e

Flex I/O

Descrição

Nº de

pontos

Total

Conexões internas de controle no Flex I/O do CCM

Entrada digital 7 175

Saída digital 1 25

Total 8 200

Conexões internas de controle no CLP da mesa de comando

Entrada digital 2 50

Saída digital 7 175

Total 9 225

Nessa opção de montagem são utilizados equipamentos de automação

somente para coletar os sinais e comunicar via rede industrial, mantendo a interface

com o operador por botões e sinaleiros.

As Tabelas 17 e 18 relacionam os materiais necessários para a montagem

dos acionamentos projetados no CCM e na mesa de comando, respectivamente,

bem como os modelos e valores de referência utilizados no estudo.

Tabela 17 – Valores de materiais do CCM com interligação via cabo de rede e acionamento com

botões e sinaleiros

Descrição

Quant.

[pç]

Modelo

Valores

unitários

[R$]

Valores

totais

[R$]

Acionamento no CCM

Disjuntor motor magnético

25 140M 150,00

3.750,00

Contato auxiliar do disjuntor

25 100SC 15,00

375,00

Contator tripolar

25 100C 90,00

2.250,00

Relé térmico bimetálico

25 193EA 150,00

3.750,00

Relé térmico eletrônico com rede

DeviceNet® (E3+)

0 193EC 600,00

0,00

Disjuntor monopolar

termomagnético

25 1492 20,00

500,00

Contator auxiliar 120 V

75 700CF 15,00

1.125,00

Sinaleiro 120 V

100 800F 20,00

2.000,00

Fim de curso (gaveta conectada)

25 LIMIT 15,00

375,00

Botão soco giratório (emergência)

25 800F 35,00

875,00

Relé de fuga terra

25 50GS 800,00

20.000,00

TC tipo toróide para relé fuga terra

25 TC 50,00

1.250,00

Relé sensor PTC de motor

25 PTC 150,00

3.750,00

Bornes e terminais

550 1492 3,00

1.650,00

Chaparia e diversos

25 RA 1.000,00

25.000,00

Bastidor de Flex I/O (175 entradas /

25 saídas), 6 cartões (32DI) +

cartão (32DO)

1 Flex 9.500,00

9.500,00

Scanner de Rede DeviceNet®

SDN 2.000,00

0,00

Rede DeviceNet®

DNET 1.000,00

0,00

Total

76.150,00

Tabela 18 – Valores de materiais da mesa de comando com interligação via cabo de rede e

acionamento com botões e sinaleiros

Descrição

Quant.

[pç]

Modelo

Valores

unitários

[R$]

Valores

totais

[R$]

Mesa de comando

Botão liga (NA)

25 800F 20,00

500,00

Botão desliga (NF)

25 800F 20,00

500,00

Sinaleiro 120 V

175 800F 20,00

3.500,00

Bornes e terminais

425 1492 3,00

1.275,00

Chaparia e diversos

1 RA 2.500,00

2.500,00

CLP (50 entradas / 175 saídas), 2

cartões (32DI) + 6 cartões (32DO)

Compact

Logix®

23.000,00

CLP (0 entradas / 0 saídas)

Compact

Logix®

8.000,00

0,00

IHM

Panel

7.500,00

0,00

Total

31.275,00

Conforme levantamento realizado nas Tabelas 13 a 16, apresentando as

quantidades de interligações necessárias entre os equipamentos, pode-se realizar o

estudo dos materiais utilizados na instalação e interligação entre CCM, mesa de

comando e motores.

Para uniformizar os estudos, será considerada a distância padrão entre

motores e CCM de 50 m, sendo alimentados 25 motores, onde todos os circuitos

alimentadores serão compostos por seis cabos até os motores.

As interligações entre mesa de comando e CCM serão realizadas, conforme

quantidade de cabos apresentado na Tabela 15, com distância percorrida de 80 m,

sendo considerado o eletroduto com barras de 3 m, totalizando 27 barras para cada

lance de eletroduto, para conduzir um cabo de rede instalado será previsto um lance

de eletroduto, os resultados estão apresentados na Tabela 19.

Tabela 19 – Materiais para instalação em campo entre

Flex I/O

(CCM) e CLP (mesa de comando)

Descrição

Quant.

[m/motor]

Quant.

para 25

motores

Valores

unitários

[R$/m]

Valores

totais

[R$]

Materiais para interligação do motor

Cabos unipolar # 4,0 mm

300 7.500 m 3,50 26.250,00

Materiais para interligação do CCM com mesa de comando

Cabos de comando # 1,5 mm

0 0 2,00 0,00

Cabo de rede - 80 m 15,00 1.200,00

Eletroduto 2” - 27 pçs 30,00 810,00

Total

28.260,00

A Tabela 20 relaciona os tempos estimados para a realização das tarefas

necessárias para o projeto e instalação do sistema em estudo, com ênfase na

arquitetura proposta.

Tabela 20 – Mão de obra utilizada na opção por CCM com rede até mesa de comando

Descrição

Quant.

[min/motor]

Quant. para

25 motores [h]

Engenharia

Diagrama unifilar da instalação 30 12,50

Diagrama funcional do acionamento 30 12,50

Projeto do CCM e interligações internas 40 16,67

Projeto das interligações na sala de painéis

elétricos entre CCM e mesa de comando

5 2,08

Projeto elétrico do CLP, Flex I/O e IHM

30 12,50

Especificação de materiais 80 33,33

Programação do CLP / IHM 60 25,00

Total

275 114,58

Valor considerado de Engenharia / Projeto

R$31,00 / h R$ 3.552,08

Tempo de montagem e instalação

Cabos de potência 60 25,00

Cabos de controle e comando entre CCM e mesa

de comando

10 4,17

Infra-estrutura elétrica entre CCM e mesa de

comando

10 4,17

Fabricação de CCM e mesa de comando 787,5 328,13

Partida e comissionamento 393,75 164,06

Total

1.261,25 525,52

Total de horas [h] Eletricista a R$8,89 / h

525,52 R$ 5.085,94

Total de horas [h] Engenheiro a R$31,00 / h

(somente na partida e no comissionamento)

164,06 R$ 4.671,88

Valor total

R$ 9.757,82

3.3 CCM CONVENCIONAL INTERLIGADO POR CABO DE REDE COM MESA DE

COMANDO EQUIPADA COM IHM

A terceira configuração analisada foi projetada utilizando CCM convencional

equipado com disjuntor magnético, contator tripolar e relé bimetálico/eletrônico. O

comando e sinalização são realizados pela mesa de comando via IHM que é

conectada a um CLP, responsável por concentrar todos os sinais e comunicar via

rede industrial com um bastidor de E/S remota (Flex I/O), instalado no interior do

CCM.

Essa configuração possui menor quantidade de fiações instaladas na mesa

de comando que a configuração anterior (devido à troca de botões e sinaleiros pela

IHM), porém as mesmas serão realizadas dentro dos conjuntos de manobra (CCM e

mesa de comando), entre os bornes das gavetas do acionamento até as unidades

de E/S remota (Flex I/O) no CCM e entre IHM e o CLP na mesa de comando, sendo

instalado em campo, somente um cabo de rede industrial, conforme ilustrado na

Figura 16, indicando a quantidade de conexões elétricas internas e rede entre o

CCM e mesa de comando.

Figura 16 – Configuração de instalação de CCM convencional com interligação via cabo de rede e

acionamento com IHM (cortesia: Rockwell Automation)

Para atender os requisitos das proteções solicitadas são necessários

adicionar os relés de fuga terra e PTC, pois os relés de sobrecarga convencionais

não disponibilizam essas proteções. Entre o CCM e a mesa de comando será

instalado somente um cabo de rede que interligará a unidade de E/S com o CLP,

conforme diagrama ilustrado na Figura 17.

A sinalização externa é disponibilizada na borneira ao lado da gaveta do

CCM, que será interligada com os cartões de entrada da unidade de E/S remota,

sendo necessários 14 cabos para os sete estados monitorados.

Os comandos de acionamento liga/desliga são realizados via IHM, instalada

na mesa de comando e será interligada via rede com o CLP.

Para o acionamento do motor é necessária a interligação com os cartões de

saída da unidade de E/S remota, sendo necessários dois cabos para o comando

liga/desliga.

Figura 17 – Diagrama funcional do CCM convencional com interligação via cabo de rede e acionamento com IHM

Para os estudos foram realizados os levantamentos e tabulações para

comparação dos resultados, segundo as Tabelas 21 a 24.

Tabela 21 – Interligação entre gaveta de acionamento do CCM e bornes do

Flex I/O

Descrição

Nº de

cabos

Nº Total

de cabos

Conexões internas de controle

Relé liga/desliga 2 50

Sinalização: ligado, desligado, defeito,

emergência e pronto para partir

10 250

Contato de estado relé fuga terra 2 50

Contato de estado relé PTC 2 50

Conexões externas com motor

Sensor PTC 2 50

Motor 4 100

Total 22 550

Tabela 22 – Interligação entre mesa de comando e bornes do CLP

Descrição

Nº de

cabos

Nº Total

de cabos

Conexões internas de controle

Botão liga/desliga 0 0

Sinalização: ligado, desligado, defeito,

emergência e pronto para partir

0 0

Contato de estado relé fuga terra 0 0

Contato de estado relé PTC 0 0

IHM (touch screen) para CLP

1 1

Total 1 1

Tabela 23 – Interligação em campo entre

Flex I/O

(CCM) e CLP (mesa de comando)

Descrição

Nº de

cabos

Nº Total

de cabos

Conexões internas de controle

Relé: liga / desliga 0 0

Sinalização: ligado, desligado, defeito,

emergência e pronto para partir

0 0

Contato de estado relé fuga terra 0 0

Contato de estado relé PTC 0 0

Cabo de rede entre Flex I/O e CLP

1 1

Total 1 1

Tabela 24 – Equipamento de automação: CLP, IHM e

Flex I/O

Descrição

Nº de

pontos

Total

Conexões internas de controle no Flex I/O do CCM

Entrada digital 7 175

Saída digital 1 25

Total 8 200

Conexões internas de controle no CLP da mesa de comando

Entrada digital 0 0

Saída digital 0 0

IHM (touch screen)

1 1

Total 1 1

As Tabelas 25 e 26 relacionam os materiais necessários para a montagem

dos acionamentos projetados no CCM e na mesa de comando, respectivamente,

bem como os modelos e valores de referência utilizados no estudo.

Tabela 25 – Valores de materiais do CCM com interligação via cabo de rede e acionamento com IHM

Descrição

Quant.

[pç]

Modelo

Valores

unitários

[R$]

Valores

totais

[R$]

Acionamento no CCM

Disjuntor motor magnético

25 140M 150,00

3.750,00

Contato auxiliar do disjuntor

25 100SC 15,00

375,00

Contator tripolar

25 100C 90,00

2.250,00

Relé térmico bimetálico

25 193EA 150,00

3.750,00

Relé térmico eletrônico com rede

DeviceNet® (E3+)

0 193EC 600,00

0,00

Disjuntor monopolar

termomagnético

25 1.492 20,00

500,00

Contator auxiliar 120 V

75 700CF 15,00

1.125,00

Sinaleiro 120 V

100 800F 20,00

2.000,00

Fim de curso (gaveta conectada)

25 LIMIT 15,00

375,00

Botão soco giratório (emergência)

25 800F 35,00

875,00

Relé de fuga terra

25 50GS 800,00

20.000,00

TC tipo toróide para relé fuga terra

25 TC 50,00

1.250,00

Relé sensor PTC de motor

25 PTC 150,00

3.750,00

Bornes e terminais

550 1492 3,00

1.650,00

Chaparia e diversos

25 RA 1.000,00

25.000,00

Bastidor de Flex I/O (175 entradas /

25 saídas), 6 cartões (32DI) +

cartão (32DO)

1 Flex 9.500,00

9.500,00

Scanner de Rede DeviceNet®

SDN 2.000,00

0,00

Rede DeviceNet®

DNET 1.000,00

0,00

Total

76.150,00

Tabela 26 – Valores de materiais da mesa de comando com interligação via cabo de rede e

acionamento com IHM

Descrição

Quant.

[pç]

Modelo

Valores

unitários

[R$]

Valores

totais

[R$]

Mesa de comando

Botão liga (NA)

0 800F 20,00

0,00

Botão desliga (NF)

0 800F 20,00

0,00

Sinaleiro 120 V

0 800F 20,00

0,00

Bornes e terminais

25 1.492 3,00

75,00

Chaparia e diversos

1 RA 2.500,00

2.500,00

CLP (50 entradas / 175 saídas), 2

cartões (32DI) + 6 cartões (32DO)

Compact

Logix®

23.000,00

0,00

CLP (0 entradas / 0 saídas) 1

Compact

Logix®

8.000,00

IHM 1

Panel

7.500,00

Total

18.075,00

Conforme levantamento realizado nas Tabelas 21 a 24, apresentando as

quantidades de interligações necessárias entre os equipamentos, pode-se realizar o

estudo dos materiais utilizados na instalação e interligação entre CCM, mesa de

comando e motores.

Para uniformizar os estudos será considerada a distância padrão entre

motores e CCM de 50 m, sendo alimentados 25 motores, todos os circuitos

alimentadores serão compostos por seis cabos até os motores.

As interligações entre mesa de comando e CCM serão realizadas conforme

quantidade de cabos apresentado na Tabela 23, com distância percorrida de 80 m,

sendo considerado o eletroduto com barras de 3 m, totalizando 27 barras para cada

lance de eletroduto. Para conduzir um cabo de rede instalado será previsto um

lance de eletrodutos. Os resultados estão apresentados na Tabela 27.

Tabela 27 – Materiais para instalação em campo entre

Flex I/O

(CCM) e CLP (mesa de comando)

Descrição

Quant.

[m/motor]

Quant.

para 25

motores

Valores

unitários

[R$/m]

Valores

totais

[R$]

Materiais para interligação do motor

Cabos unipolar #4,0 mm

300 7.500 m 3,50 26.250,00

Materiais para interligação do CCM com mesa de comando

Cabos de comando #1,5 mm

0 0 2,00 0,00

Cabo de rede - 80 m 15,00 1.200,00

Eletroduto 2” - 27 pçs 30,00 810,00

Total

28.260,00

A Tabela 28, que relaciona os tempos estimados para a realização das

tarefas necessárias para o projeto e instalação do sistema em estudo, com ênfase

na arquitetura proposta.

Tabela 28 – Mão de obra utilizada na opção por CCM com rede até mesa de comando com IHM

Descrição

Quant.

[min/motor]

Quant. para

25 motores [h]

Engenharia

Diagrama unifilar da instalação

30 12,50

Diagrama funcional do acionamento 20

8,33

Projeto do CCM e interligações internas 20

8,33

Projeto das interligações na sala de painéis

elétricos entre CCM e mesa de comando

2,08

Projeto elétrico do CLP, Flex I/O e IHM

12,50

Especificação de materiais 40

16,67

Programação do CLP / IHM 80

33,33

Total

225 93,75

Valor considerado de Engenharia / Projeto

R$31,00 / h R$ 2.906,25

Tempo de montagem e instalação

Cabos de potência

60 25,00

Cabos de controle e comando entre CCM e mesa

de comando

4,17

Infra-estrutura elétrica entre CCM e mesa de

comando

4,17

Fabricação de CCM e mesa de comando 575

239,58

Partida e comissionamento 287,5

119,79

Total

942,5 392,71

Total de horas [h] Eletricista a R$8,89 / h

392,71

R$ 3.713,54

Total de horas [h] Engenheiro a R$31,00 / h

(somente na partida e no comissionamento)

119,79

R$ 3.491,18

Valor total

R$ 7.204,72

3.4 SISTEMA COM CCM INTELIGENTE INTERLIGADO POR CABO DE REDE

COM MESA DE COMANDO EQUIPADA COM IHM

A quarta configuração analisada foi projetada com CCM inteligente equipado

com disjuntor magnético, contator tripolar e relé eletrônico com comunicação em

rede DeviceNet®. O comando e sinalização são realizados pela mesa de comando

via IHM que são conectados a um CLP, responsável por concentrar todos os sinais e

comunicar via rede industrial com os relés inteligentes, sem a necessidade de

fiações internas dos bornes das gavetas do acionamento.

Essa configuração possui uma quantidade reduzida de fiações, sendo

necessário somente um cabo de rede para interligar a IHM com o CLP e outro cabo

de rede entre o CLP e os relés, conforme ilustrado na Figura 18.

Figura 18 – Configuração de instalação de CCM inteligente com IHM, interligação via rede (cortesia:

Rockwell Automation)

Para atender os requisitos das proteções solicitadas são utilizados relés

eletrônicos inteligentes que possuem entradas e saídas digitais incorporadas, bem

como proteção de fuga terra e PTC. Entre o CCM e a mesa de comando será

instalado somente um cabo de rede que interligará os relés com o CLP, conforme

diagrama ilustrado na Figura 19.

A sinalização externa é disponibilizada via rede DeviceNet®, que reconhecerá

o relé inteligente como um nó da rede e receberá os sinais oriundos das suas

entradas digitais, bem como os alarmes e defeitos.

O acionamento será comandado pela IHM que enviará o sinal para o CLP,

transportando via rede o comando de liga/desliga das saídas digitais do relé

inteligente.

Figura 19 – Diagrama funcional da configuração com CCM inteligente com interligação via rede

Para os estudos foram realizados os levantamentos e tabulações para

comparação dos resultados, segundo as Tabelas 29 a 32.

Tabela 29 – Interligação entre gaveta de acionamento do CCMI e bornes

Descrição

Nº de

cabos

Nº Total

de cabos

Conexões internas de controle (todos sinais via rede)

Botão liga/desliga 0 0

Sinalização: ligado, desligado, defeito,

emergência e pronto para partir

0 0

Contato de estado relé fuga terra 0 0

Contato de estado relé PTC 0 0

Conexões externas com motor

Sensor PTC 2 50

Motor 4 100

Total 6 150

Tabela 30 – Interligação entre mesa de comando e bornes do CLP

Descrição

Nº de

cabos

Nº Total

de cabos

Conexões internas de controle

Botão liga/desliga 0 0

Sinalização: ligado, desligado, defeito,

emergência e pronto para partir

0 0

Contato de estado relé fuga terra 0 0

Contato de estado relé PTC 0 0

IHM (touch screen) para CLP

1 1

Total 1 1

Tabela 31 – Interligação em campo entre CCMI e CLP (mesa de comando)

Descrição

Nº de

cabos

Nº Total

de cabos

Conexões internas de controle

Botão liga / desliga 0 0

Sinalização: ligado, desligado, defeito,

emergência e pronto para partir

0 0

Contato de estado relé fuga terra 0 0

Contato de estado relé PTC 0 0

Cabo de rede entre CCM e CLP 1 1

Total 1 1

Tabela 32 – Equipamento de automação: CLP, IHM e

Flex I/O

Descrição

Nº de

pontos

Total

Conexões internas de controle no Flex I/O do CCM

Entrada digital 0 0

Saída digital 0 0

Total 0 0

Conexões internas de controle no CLP da mesa de comando

Entrada digital 0 0

Saída digital 0 0

IHM (touch screen)

1 1

Total 1 1

As Tabelas 33 e 34 relacionam os materiais necessários para a montagem

dos acionamentos projetados no CCM e na mesa de comando, respectivamente,

bem como os modelos e valores de referência utilizados no estudo.

Tabela 33 – Valores de materiais do CCM inteligente com interligação via cabo de rede e

acionamento com IHM

Descrição

Quant.

[pç]

Modelo

Valores

unitários

[R$]

Valores

totais

[R$]

Acionamento no CCM

Disjuntor motor magnético

140M 150,00

3.750,00

Contato auxiliar do disjuntor

100SC 15,00

375,00

Contator tripolar

100C 90,00

2.250,00

Relé térmico bimetálico

193EA 150,00

0,00

Relé térmico eletrônico com rede

DeviceNet® (E3+)

193EC 600,00

15.000,00

Disjuntor monopolar

termomagnético

1492 20,00

500,00

Contator auxiliar 120 V

700CF 15,00

750,00

Sinaleiro 120 V

100

800F 20,00

2.000,00

Fim de curso (gaveta conectada)

LIMIT 15,00

375,00

Botão soco giratório (emergência)

800F 35,00

875,00

Relé de fuga terra

50GS 800,00

0,00

TC tipo toróide para relé fuga terra

TC 50,00

1.250,00

Relé sensor PTC de motor

PTC 150,00

0,00

Bornes e terminais

150

1492 3,00

450,00

Chaparia e diversos

RA 1.000,00

25.000,00

Bastidor de Flex I/O (175 entradas /

25 saídas), 6 cartões (32DI) +

cartão (32DO)

0 Flex 9.500,00

0,00

Scanner de Rede DeviceNet®

SDN 2.000,00

2.000,00

Rede DeviceNet®

DNET 1.000,00

1.000,00

Total

55.575,00

Tabela 34 – Valores de materiais da mesa de comando com interligação via cabo de rede e

acionamento com IHM

Descrição

Quant.

[pç]

Modelo

Valores

unitários

[R$]

Valores

totais

[R$]

Mesa de comando

Botão liga (NA)

0 800F 20,00

0,00

Botão desliga (NF)

0 800F 20,00

0,00

Sinaleiro 120 V

0 800F 20,00

0,00

Bornes e terminais

25 1492 3,00

75,00

Chaparia e diversos

1 RA 2.500,00

2.500,00

CLP (50 entradas / 175 saídas), 2

cartões (32DI) + 6 cartões (32DO)

Compact

Logix®

23.000,00

0,00

CLP (0 entradas / 0 saídas) 1

Compact

Logix®

8.000,00

IHM 1

Panel

7.500,00

Total

18.075,00

Conforme levantamento realizado nas Tabelas 29 a 32, apresentando as

quantidades de interligações necessárias entre os equipamentos, pode-se realizar o

estudo dos materiais utilizados na instalação e interligação entre CCM, mesa de

comando e motores.

Para uniformizar os estudos, será considerada a distância padrão entre

motores e CCM de 50 m, sendo alimentados 25 motores, todos os circuitos

alimentadores serão compostos por seis cabos até os motores.

As interligações entre mesa de comando e CCM, serão realizadas conforme

quantidade de cabos apresentado na Tabela 30, com distância percorrida de 80 m,

sendo considerada o eletroduto com barras de 3 m, totalizando 27 barras para cada

lance de eletroduto, para conduzir um cabo de rede instalado será previsto um lance

de eletroduto, os resultados estão apresentados na Tabela 35.

Tabela 35 – Materiais para instalação em campo entre relés (CCM) e CLP (mesa de comando)

Descrição

Quant.

[m/motor]

Quant.

para 25

motores

Valores

unitários

[R$/m]

Valores

totais

[R$]

Materiais para interligação do motor

Cabos unipolar # 4,0 mm

300 7.500 m 3,50 26.250,00

Materiais para interligação do CCM com mesa de comando

Cabos de comando # 1,5 mm

0 0 2,00 0,00

Cabo de rede 0 80 m 15,00 1.200,00

Eletroduto 2” - 27 pçs 30,00 810,00

Total

28.260,00

A Tabela 36, que relaciona os tempos estimados para a realização das

tarefas necessárias para o projeto e instalação do sistema em estudo, com ênfase

na arquitetura proposta.

Tabela 36 – Mão de obra utilizada na opção por CCMI com rede até mesa de comando

Descrição

Quant.

[min/motor]

Quant. para

25 motores [h]

Engenharia

Diagrama unifilar da instalação

30 12,50

Diagrama funcional do acionamento 15

6,25

Projeto do CCM e interligações internas 10

4,17

Projeto das interligações na sala elétrica entre

CCM e mesa de comando

2,08

Projeto elétrico do CLP, Flex I/O e IHM

4,17

Especificação de materiais 30

12,50

Programação do CLP / IHM 90

37,50

Total

190 79,17

Valor considerado de Engenharia / Projeto

R$31,00 / h R$ 2.454,17

Tempo de montagem e instalação

Cabos de potência

60 25,00

Cabos de controle e comando entre CCM e mesa

de comando

4,17

Infra-estrutura elétrica entre CCM e mesa de

comando

4,17

Fabricação de CCM e mesa de comando 375

156,25

Partida e comissionamento 187,5

78,13

Total

642,5 267,71

Total de horas [h] Eletricista a R$8,89 / h

267,71

R$ 2.421,88

Total de horas [h] Engenheiro a R$31,00 / h

(somente na partida e no comissionamento)

78,13

R$ 2.379,93

Valor total

R$ 4.801,80

3.5 SIMULAÇÕES

Segue o projeto referente à quarta configuração (analisada no item 3.4), com

CCM inteligente equipado com disjuntor magnético, contator tripolar e relé eletrônico

com comunicação em rede DeviceNet®. Foram realizados os projetos mecânico,

elétrico e a programação do aplicativo de monitoração InteliCENTER®.

O primeiro procedimento do projeto é o levantamento do quadro de cargas

utilizadas, conforme demonstrado na Tabela 37, indicando as posições de instalação

das potências acionadas, as mesmas serão classificadas por tipo funcional:

o MCB – Unidade de entrada geral;

o DOL – Gaveta de acionamento tipo partida direta;

o DOOR – Compartimento reserva;

o DNPS – Unidade com fonte de alimentação da rede DeviceNet®.

Tabela 37 – Quadro de cargas do CCM inteligente

Loc

Item Tipo POT(kW) / IN(A) Mod

Col Pos

Tag

Nó da rede

DeviceNet®

1 MCB 250 A 12 1 A ENTRADA 1

2 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 1 N MOTOR 1 2

3 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 1 Q MOTOR 2 3

4 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 1 S MOTOR 3 4

5 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 1 U MOTOR 4 5

6 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 1 W MOTOR 5 6

7 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 1 Y MOTOR 6 7

8 DNPS

8 A 4 2 A FONTE 8

9 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 2 E MOTOR 7 9

10 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 2 G MOTOR 8 10

11 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 2 J MOTOR 9 11

12 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 2 L MOTOR 10 12

13 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 2 N MOTOR 11 13

14 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 2 Q MOTOR 12 14

15 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 2 S MOTOR 13 15

16 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 2 U MOTOR 14 16

17 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 2 W MOTOR 15 17

18 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 2 Y MOTOR 16 18

19 DOOR

4 3 A RESERVA 19

20 DOOR

2 3 E RESERVA 20

21 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 3 G MOTOR 17 21

22 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 3 J MOTOR 18 22

23 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 3 L MOTOR 19 23

24 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 3 N MOTOR 20 24

25 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 3 Q MOTOR 21 25

26 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 3 S MOTOR 22 26

27 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 3 U MOTOR 23 27

28 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 3 W MOTOR 24 28

29 DOL 3.7 kW / 6.08 A 2 3 Y MOTOR 25 29

Após a definição das cargas, é gerado o layout frontal, conforme apresentado

na Figura 20, indicando as posições dos acionamentos.

Figura 20 – Vista frontal do CCM inteligente

O CCM inteligente utiliza-se de um aplicativo denominado intelliCENTER®

para realizar o monitoramento dos sinais dos acionamentos via rede DeviceNet®,

para isso deve-se criar o CCM na base de dados do programa, conforme

apresentado na Figura 21. Esse projeto deve ser idêntico à Figura 20, a fim de

fornecer ao operador as mesmas características físicas do CCM monitorado.

Figura 21 – Vista frontal do CCM no intelliCENTER®

Para supervisão do funcionamento do CCMI via aplicativo intelliCENTER®, as

gavetas possuem indicação do estado, o programa possui legenda para que o

operador possa intervir rapidamente em caso de falha ou monitorar o motivo do

aviso (alarme).

O monitoramento é realizado pelas entradas digitais dos relés inteligentes

(E3+), que possuem quatro entradas digitais que são conectadas a contatos que

indicam como os acionamentos estão operando, conforme indicado na Figura 22.

Para customizar as indicações de acordo com os padrões que os operadores

solicitam, o programa permite alterar ou criar as descrições das entradas e saídas

digitais (IN 0 / 1 / 2 / 3, OUT 0 / 1), vinculando seus estados de alimentação (nível

lógico 0 = zero ou 1 = um) a indicações conforme padrão da legenda do aplicativo.

Figura 22 – Configuração das entradas e saídas do relé inteligente

Cada gaveta possui uma tela de monitoramento detalhado, sendo acessado

com duplo clique na gaveta desenhada na vista frontal (Figura 21), sendo aberta

uma tela de monitoração detalhada. Essa tela possui dois gráficos de tendência, três

mostradores gráficos e leitura das quatro entradas e duas saídas digitais dos relés

E3+, conforme ilustrado na Figura 23.

Figura 23 – Detalhe de monitoramento da gaveta de acionamento

Na tela de monitoramento detalhado da gaveta pode-se acessar informações

adicionais, como porcentagem da capacidade térmica utilizada, o tempo para

desligamento (trip), o tempo para rearme em caso de desligamento e quais funções

de proteção geraram os cinco últimos desligamentos, facilitando o diagnóstico para o

operador e da manutenção com as informações de dia do evento e horário,

indicação do desarme, valores de corrente de fase e de terra.

Os desenhos, manuais e listas de peças referentes a cada gaveta de

acionamento são arquivos de maneira organizada e fácil acesso ao usuário,

facilitando em caso de manutenção e atendendo às normas de segurança, conforme

ilustrado na Figura 24.

Figura 24 – Documentação referente à gaveta do CCMI

Para auxílio do controle da produção, o aplicativo disponibiliza uma tabela

com histórico dos eventos realizados pelos dispositivos, possuindo filtros para

auxiliar a identificar possíveis problemas respectivos que caracterizam defeitos nos

equipamentos acionados, conforme apresentado na Figura 25.

Figura 25 – Registro de eventos

Para auxiliar o controle produtivo e de manutenção, o aplicativo fornece as

informações:

• tempo acumulado de operação;

• tempo de parada;

• número de partidas;

• data e horário do último rearme;

• porcentagem da capacidade térmica utilizada;

• tempo para desligamento (trip);

• tempo para reamer em caso de desligamento (trip);

• registro dos últimos cinco eventos de desarme.

Um dos principais diferenciais da rede DeviceNet® é a configuração

automática após substituição de dispositivos – ADR (Auto Device Recovery), que

após a retirada de um dispositivo já configurado da rede, se for reposto um

dispositivo idêntico ao anterior, a função ADR irá realizar o download de todas as

parametrizações antigas realizadas no dispositivo retirado, uma programação

automática das características do dispositivo, conforme ilustrado na Figura 26.

Figura 26 – Função ADR da rede DeviceNet®

CAPÍTULO 4 – RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1 RESULTADOS OBTIDOS

As Tabelas 38 a 41 apresentam resumos dos custos de engenharia,

instalação, materiais e treinamento, respectivamente, fornecendo dados para análise

das variações encontradas em cada configuração.

Tabela 38 – Tabela resumo de custos de engenharia

OPÇÃO 1 OPÇÃO 2 OPÇÃO 3 OPÇÃO 4

Descrição

CCM com

fiação a

botões [h]

CCM com

fiação a

Flex I/O e

botões [h]

CCM com

fiação a

Flex I/O e

IHM [h]

CCM

inteligente

com rede e

IHM [h]

Engenharia

Diagrama unifilar da instalação 12,50 12,50 12,50 12,50

Diagrama funcional do

acionamento

12,50 12,50 8,33 6,25

Projeto do CCM e interligações

internas

16,67 16,67 8,33 4,17

Projeto das interligações na sala

elétrica entre CCM e mesa de

comando

25,00 2,08 2,08 2,08

Projeto elétrico do CLP, Flex I/O e

IHM

0,00 12,50 12,50 4,17

Especificação de materiais 25,00 33,33 16,67 12,50

Programação do CLP / IHM 0,00 25,00 33,33 37,50

Total de horas [h]

Engenheiro a R$31,00 / h

91,67 114,58 93,75 79,17

Valor total [R$]

2.841,66 3.552,08 2.906,25 2.454,17

Tabela 39 – Tabela resumo de custos de instalação e montagem

OPÇÃO 1 OPÇÃO 2 OPÇÃO 3 OPÇÃO 4

Descrição

CCM com

fiação a

botões [h]

CCM com

fiação a

Flex I/O e

botões [h]

CCM com

fiação a

Flex I/O e

IHM [h]

CCM

inteligente

com rede e

IHM [h]

Montagem e instalação

Cabos de potência 25,00 25,00 25,00 25,00

Cabos de controle e comando

entre CCM e mesa de comando

88,54 4,17 4,17 4,17

Infra-estrutura elétrica entre CCM

e mesa de comando

44,27 4,17 4,17 4,17

Fabricação de CCM e mesa de

comando

333,33 328,13 239,58 156,25

Partida e comissionamento 166,67 164,06 119,79 78,13

Total de horas [h]

Engenheiro a R$31,00 / h

166,67 164,06 119,79 78,13

Total de horas [h]

Eletricista a R$8,89 / h

657,81 525,52 392,71 267,71

Valor total [R$]

11.014,82 9.757,82 7.204,72 4.801,80

Tabela 40 – Tabela resumo de custos de materiais

OPÇÃO 1 OPÇÃO 2 OPÇÃO 3 OPÇÃO 4

Descrição

CCM com

fiação a

botões

[R$]

CCM com

fiação a Flex

I/O e botões

[R$]

CCM com

fiação a

Flex I/O e

IHM [R$]

CCM

inteligente

com rede e

IHM [R$]

Materiais

Cabos alimentadores e de

motores

26.250,00 26.250,00 26.250,00 26.250,00

Cabos e eletrodutos entre CCM

e mesa de comando

72.860,00 2.010,00 2.010,00 2.010,00

Controle de controle de motores

(CCM)

66.725,00 76.150,00 76.150,00 5.5575,00

Mesa de comando, botões,

sinaleiros e bornes

8.275,00 8.275,00 2.575,00 2.575,00

CLP, IHM e Flex I/O

0,00 23.000,00 15.500,00 15.500,00

Programação do CLP / IHM 0,00 10.000,00 15.000,00 15.000,00

Valor total [R$]

174.110,00

145.685,00 137.485,00

116.910,00

Utilizando um sistema de controle computadorizado podem ser necessários

os treinamentos de pessoal para operação e manutenção, visando equalizar as

necessidades de conhecimento técnico e dos recursos funcionais dos

equipamentos. A Tabela 41 demonstra os valores dos cursos dos equipamentos de

automação.

Tabela 41 – Tabela de referência e valores dos cursos dos equipamentos de automação (cortesia:

Rockwell Automation)

OPÇÃO 1

OPÇÃO 2

OPÇÃO 3

OPÇÃO 4

Descrição Custo (R$)

Profissionais treinados

PowerFlex 70/700

Configuração e manutenção

(CCA03B)

1.500,00 1 1 1 1

Redes Ethernet®, ControlNet®

e DeviceNet®® no

ControlLogix® (COMBO1)

3.240,00 1 1 1

ControlLogix® configuração e

manutenção, usando

RSLogix5000® (CCP16B)

2.750,00 1 1 1

FactoryTalk View SE®

arquitetura (FTS-200B)

1.650,00 1 1

Valor total [R$]

1.500,00

7.490,00

9.140,00

A análise dos custos envolvidos em cada configuração é obtida a partir da

Tabela 42 com o resumo de custos, fornecendo dados para análise das variações

encontradas em cada configuração.

Tabela 42 – Tabela unificada com resumo de custos

OPÇÃO 1 OPÇÃO 2 OPÇÃO 3 OPÇÃO 4

Descrição

CCM com

fiação a

botões

CCM com

fiação a

Flex I/O e

botões

CCM com

fiação a

Flex I/O e

IHM

CCM

inteligente

com rede e

IHM

Engenharia [R$] 2.841,66

3.552,08

2.906,25

2.454,17

Montagem e instalação [R$]

11.014,82

9.757,82

7.204,72

4.801,80

Materiais [R$]

174.110,00

145.685,00

137.485,00

116.910,00

Treinamento [R$] 1.500,00

7.490,00

9.140,00

Valor total [R$]

188.466,29

166.484,90

156.735,97

133.305,97

Segue a Figura 27 ilustrando o gráfico com os resultados unificados, para

disponibilizar uma melhorar visualização dos resultados e possíveis comparações.

CCM com fiação

a Botões

CCM com fiação a

Flex I/O e botões

CCM com fiação a

Flex I/O e IHM

CCM Inteligente

com rede e IHM

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

120,000

140,000

160,000

180,000

200,000

[

]

[

]

[

]

[

]

[

]

Figura 27 – Gráfico com os resultados unificados

4.2 ANÁLISE DOS RESULTADOS

A utilização do CCMI (IntelliCENTER®) é indicada devido aos ganhos

operacionais e ao custo de instalação que é geralmente menor do que o seu

equivalente CCM com E/S tradicionais. Os usuários percebem as economias em

materiais de instalação, mão de obra e aumento da disponibilidade de

funcionamento dos equipamentos.

A automação de processos industriais é uma das ferramentas mais eficientes

para as indústrias superarem o maior de seus desafios: ganhar competitividade. Em

tempos de mercado cada vez mais disputado, de concorrência acirrada e definida

por detalhes, a automação de processos industriais torna a empresa mais ágil,

diminuindo os custos do processo de produção (WEG, 2003).

No mundo atual, é preciso produzir produtos com qualidade a um custo que

seja competitivo no mercado. Os custos podem ser minimizados nos seguintes

pontos:

• custos de investimentos;

• custos operacionais (manutenção e reparos);

• custo da perda de produção devido à parada de máquinas/planta;

• economia de custos de projeto, instalação e comissionamento:

o projeto – o número de componentes é menor, possuindo múltiplas

funções integradas, diminuindo o espaço necessário;

o instalação – redução da fiação, número de conexões e espaço da sala

de painéis elétricos;

o comissionamento – pré-comissionamento, pois seu comando pode ser

testado via aplicativo próprio;

o intensifica a proteção do motor com alta flexibilidade;

o redução de componentes (funções agregadas ao relés inteligentes);

o padronização das funções de comando via programa (segurança e

confiabilidade);

o alta flexibilidade na seleção das funções de comando;

o vantagens operacionais (geração de relatórios e diagnósticos);

o versatilidade e expansibilidade (possibilita expansão futura).

As análises foram baseadas nas mesmas solicitações funcionais do comando

do acionamento em qualquer uma das configurações, em caso de alteração nas

quantidades de acionamentos ou em algumas das configurações exigidas, os

resultados podem variar, gerando novas referências de custos.

Na simulação foram considerados acionamentos de 25 motores de corrente

alternada trifásico, assíncrono do tipo gaiola de esquilo de 5 CV (3,7 kW) / 440 V

60 Hz, com as seguintes funções: disjuntor, contator e relé de térmico; acionamento

em campo: botão liga/desliga; sinalização em campo: ligado, desligado, defeito e

pronto para partir (gaveta conectada e disjuntor de potência ligado); botão de

emergência na porta do CCM; proteção e sinalização externa de aquecimento do

motor com sensor PTC; proteção e sinalização externa contra fuga terra.

Opção 1 (CCM convencional interligado por multicabos)

Pode-se concluir que, comparativamente aos demais, esse caso seria a pior

opção, pois é necessário um elevado número de equipamentos, fiações e conexões,

bem como os maiores custos de infra-estrutura e engenharia.

Essa opção é recomendada para plantas com baixa tecnologia, pois não

utiliza equipamentos de automação (CLP, IHM e redes). Sua utilização é aplicável

em processos com poucos acionamentos ou em processos que seu custo de parada

não interfere no funcionamento da planta.

A supervisão e comando são realizados via botões e sinaleiros, não

oferecendo recursos preditivos, possuindo grande número de equipamentos e

conexões que oferecem possíveis pontos de falhas.

Destaca-se como ponto positivo dessa arquitetura, que em caso de falha ou

rompimento de um circuito de controle, somente o acionamento com problema será

afetado, permanecendo os demais em funcionamento.

Opção 2 (CCM convencional interligado por cabo de rede com mesa de comando

equipada com botoeiras)

Pode-se concluir que é uma configuração melhorada da opção 1, pois reduz

os custos de infra-estrutura e conexões realizadas em campo, onde normalmente

ocorrem a maior quantidade de defeitos, porém se mantém necessário o elevado

número de equipamentos, fiações e conexões internas, bem como os maiores

custos de engenharia necessários para programação do CLP e bastidor de E/S

remota.

Essa opção é recomendada para plantas que possuem como padrão o

conceito da opção 1, porém permite a instalação da mesa de comando a uma

grande distância do CCM, conectando os dois via rede de comunicação ou em

plantas que não utilizam funções de proteção e monitoramento avançados (relé de

fuga terra, PTC et cetera) ou ainda em locais que não aceitam redes de

comunicação para controle de dispositivos e acionamentos.

A supervisão e comando são realizados via botões e sinaleiros, não

oferecendo recursos preditivos, possuindo grande número de equipamentos e

conexões que oferecem possíveis pontos de falhas, tendo como melhoria os estados

dos acionamentos disponíveis em um CLP, que pode se comunicar com outros sub-

sistemas, porém é necessário o pessoal qualificado para acessar os equipamentos

em caso de manutenção.

Em caso de falha ou rompimento da rede de comunicação, todos os

acionamentos serão afetados.

Opção 3 (CCM convencional interligado por cabo de rede com mesa de comando

equipada com IHM)

Pode-se concluir que é uma variação com mais automação da opção 2, pois

reduz os custos de infra-estrutura e conexões realizadas em campo, porém se

mantém necessário o elevado número de equipamentos, fiações e conexões

internas, bem como os custos de engenharia necessários para programação do

CLP, bastidor de E/S remota e inclusão de IHM.

Essa opção é recomendada para plantas que possuem processos

intertravados que necessitam de visualização apresentada na IHM, conectando o

CLP e IHM via rede de comunicação.

A supervisão e comando são realizados na IHM, não oferecendo recursos

preditivos, possuindo grande número de equipamentos e conexões que oferecem

possíveis pontos de falhas, tendo como melhoria os estados dos acionamentos

disponíveis na tela da IHM e no CLP, que pode se comunicar com outros

subsistemas, porém é necessário o pessoal qualificado para acessar os

equipamentos em caso de manutenção.

Em caso de falha ou rompimento da rede de comunicação, todos os

acionamentos serão afetados.

Opção 4 (CCM inteligente interligado por cabo de rede com mesa de comando

equipada com IHM)

Nessa opção de ligação pode-se observar uma redução do custo dos itens

mais significativos: instalação e materiais. Essa redução é devido aos equipamentos

necessários para o funcionamento do CCM inteligente, pois seu relé de sobrecarga

inteligente (E3+) possui todas as proteções solicitadas e estão incorporados a um

único equipamento que possui comunicação com a rede DeviceNet®. Uma vez

utilizando uma rede de comunicação, todos os relés são conectados com somente

um conjunto de cabos, reduzindo também o número de cabos e conexões

necessárias.

As reduções mais significativas foram observadas nos itens relacionados à

infra-estrutura elétrica, fiação de controle, mão-de-obra para instalação, tempo de

partida e redução de equipamentos periféricos para se obter as funções de proteção

já incorporadas nas partidas inteligentes.

Cabe salientar que utilizando uma menor quantidade de equipamentos,

reduzem-se possíveis fontes de defeitos e custos de estoque.

O uso dessa solução se apresentou como a melhor solução, pois agrega as

melhores características técnicas dos painéis elétricos: exigência de continuidade de

operação, alto nível de segurança aos operadores, inserção e retirada de circuitos

com barramento energizado, redução de equipamentos auxiliares, cabos e

conexões, bem como a disponibilidade de monitoramento e controle da produção,

com a utilização de relés inteligentes conectados à rede DeviceNet®.

Além dos valores envolvidos na aquisição e partida, também devem ser

observados os ganhos operacionais do sistema inteligente, pois permite via

supervisório os diagnósticos instantâneos, alarmes e desligamentos que localizam

os defeitos nos acionamentos controlados pelo CCMI, de modo que se possa saber

o que causou o desligamento e onde interferir.

Como ponto negativo existe a necessidade de treinamento para fornecer o

suporte técnico necessário para operação do sistema automatizado que necessita

de possíveis atualizações caso hajam alterações funcionais ou de equipamentos e

programação.

O aplicativo supervisório conectado à rede DeviceNet®, fornece informações

de cada componente, permitindo a verificação das tendências de comportamento e

funcionamento dos equipamentos, visualização do retrato das condições de

operação e avaliação dos dados das falhas, podendo estabelecer e programar

manutenções preventivas, minimizando assim os custos envolvidos com quebras e

paradas não desejadas, aumentando a confiabilidade dos equipamentos e também o

fator de utilização do processo. Obtendo, assim, um índice de maior produtividade e

menor custo do produto final.

Ganhos operacionais

É importante mensurar os ganhos operacionais de recuperação da produção

em caso de falhas, elevando da disponibilidade produtiva. Para verificar essas

características segue uma comparação estimada de tempos gastos na resolução de

um problema, sendo a parada do acionamento causada por um defeito de

sobrecarga de um do motor, conforme ilustrado na Tabela 43.

Tabela 43 – Tabela de tempos para de normalização em caso de manutenção

OPÇÃO 1 OPÇÃO 2 OPÇÃO 3 OPÇÃO 4

CCM com fiação a

botões

CCM com fiação a

Flex I/O e botões

CCM com fiação a

Flex I/O e IHM

CCM inteligente

com rede e IHM

Seqüencia de procedimentos realizados

Localizar o relé de

sobrecarga, que

falhou (1 min)

Localizar o relé de

sobrecarga, que

falhou (1 min)

Localizar o relé de

sobrecarga, que

falhou (1 min)

Identificar o motor

associado, via

diagramas (5 min)

Identificar o motor

associado, via

diagramas (5 min)

Identificar o motor

associado,

via IHM (1 min)

Deslocamento e

verificação do motor

(15 min)

Deslocamento e

verificação do motor

(15 min)

Deslocamento e

verificação do motor

(15 min)

Estabelecer o

motivo do desarme

(10 min)

Estabelecer o

motivo do desarme

(10 min)

Estabelecer o

motivo do desarme

(10 min)

Identificação

instantânea do

motor e motivo do

desarme (1 min)

Acionar o motor

(1 min)

Acionar o motor

(1 min)

Acionar o motor

(1 min)

Acionar o motor

(1 min)

Deslocamento e

verificação do motor

se funcionamento

Deslocamento e

verificação do motor

se funcionamento

Deslocamento e

verificação do motor

se funcionamento

Monitorar

tendências de

comportamento

Estimativa de tempo para as tarefas necessárias de análise de falha por

sobrecarga de um motor

32 min (0,53 h) 32 min (0,53 h) 28 min (0,46 h) 2 min (0,03 h)

Como base nos tempos obtidos na Tabela 43, utiliza-se os valores de receita

estimados por hora de produção obtida na Tabela 2 e obtém-se a perda de receita

em caso de defeito em um motor, não sendo computados os valores de mão de obra

ociosa, conforme visto na Tabela 44.

Tabela 44 – Tabela resumo de custos de normalização em caso de manutenção

OPÇÃO 1 OPÇÃO 2 OPÇÃO 3 OPÇÃO 4

Descrição

CCM com

fiação a

botões

CCM com

fiação a Flex

I/O e botões

CCM com

fiação a Flex

I/O e IHM

CCM

inteligente

com rede e

IHM

Tempo total para

manutenção (h)

0,53 0,53 0,46 0,03

Valor de hora de

produção (R$)

R$ 11.909,74

Valor de receita perdido

R$ 6.312,16 R$ 6.312,16 R$ 5.478,48 R$ 357,29

A indústria sucroalcooleira trabalha em regime contínuo, em regime de 24

horas por dia, durante aproximadamente os 200 dias da safra, caso haja qualquer

paralisação, as horas paradas afetam diretamente o desempenho financeiro do

processo.

Essa análise foi realizada com o desligamento por proteção do relé de

sobrecarga, sem necessidade de substituição do mesmo e conseguindo identificar o

motivo do problema e sua correção em 10 minutos, porém existem casos que o

tempo de identificação e correção é superior ao estudado.

Quando não existem informações dos dispositivos via rede, o tempo utilizado

para a identificação do motivo da falha está diretamente dependente da capacidade

intelectual do eletricista, já na opção de CCMI, o aplicativo disponibiliza gráficos de

tendência, alarmes e registro de operações realizadas auxiliando a identificação da

falha.

Para casos que necessitem de substituição de equipamentos, os ganhos da

rede DeviceNet® são mais destacados, pois a mesma possibilita ativar uma função

de configuração automática – ADR (Auto Device Recovery), que após a retirada de

um dispositivo já configurado da rede, se for reposto um dispositivo idêntico ao

anterior, a função ADR irá realizar o download de todas as parametrizações antigas

realizadas no dispositivo retirado, realizando a programação automática das

características do dispositivo.

100

Com isso, pode-se concluir que o retorno do investimento será obtido devido

ao ganho da disponibilidade de horas de máquinas em funcionamento. Esse efeito é

diretamente proporcional em processos contínuos, onde a hora parada da máquina

afeta diretamente o volume de produção.

Também pode-se concluir que haverá ganho na estratégia de manutenção,

pois serão computados os tempos de operação dos motores e observado se seu

comportamento está dentro das faixas aceitáveis como padrão.

101

CAPÍTULO 5 – CONSIDERAÇÕES FINAIS

5.1. CONCLUSÕES

Existe uma forte tendência no mercado para a utilização de CCM inteligente,

devido à possibilidade de integração com os meios de supervisão gerencial e com

controladores de processo como CLP, IHM e SCADA.

A simulação foi realizada com quatro diferentes configurações de

equipamentos e montagem. Observando os dados referentes aos custos de

engenharia, instalação e materiais é possivel identificar os benefícios da utilização

do CCMI, dentre eles os mais notáveis são:

o redução dos custos de projeto, instalação e comissionamento;

o redução de quantidade de equipamentos;

o visualização das condições de operação;

o indicação e registro de alarmes e falhas (permitindo que a manutenção

opere de maneira preditiva, minimizando a perda de produção devido à

parada de máquinas/planta);

o conjunto de documentação eletrônica (desenhos e manuais).

Com a necessidade de redução de custos, aumento da disponibilidade das

máquinas e visando atender as exigências de segurança, conclui-se que o CCMI

(opção 4 do estudo) fornece as melhores características em acionamentos elétricos

e ganhos operacionais no controle produtivo.

A escolha das opções e configurações de ligações é determinada pelas

exigências técnicas do projeto proteção, comando e sinalização; bem como a

filosofia de automação empregada.

Existem projetos que, apesar das vantagens demonstradas com o uso de

CCMI, a falta de mão de obra qualificada para operar o sistema ou a desconfiança

no funcionamento do sistema de automação baseado no acionamento de motores

via sinais de rede, gera a utilização de padrões com poucos recursos (CCM

convencional interligado por multicabos) ou sistemas de automação híbridos (junção

das opções de CCM convencional interligado por cabo de rede com mesa de

102

comando equipada com botoeiras e CCM inteligente interligado por cabo de rede

com mesa de comando equipada com IHM).

Podem ser observados em outros casos, que realizando alterações físicas

das condições estudadas (redução da distância entre CCM e mesa de comando) ou

lógicas (retirada de proteções, sinalizações e comandos) podem gerar valores

diferentes, sugerindo o uso de sistema sem automação, porém os ganhos

operacionais do CCMI superam ao longo do tempo as diferenças de aquisição que

possam ser encontradas.

5.2. SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS

Esse trabalho foi desenvolvido com simulações da utilização de relés de

sobrecarga convencionais e inteligentes conectados em rede DeviceNet®, porém

existem diversas tecnologias de redes de comunicação industrial disponíveis no

mercado, podendo gerar diferentes desempenhos e uma extensa faixa de

equipamentos que possuem sensibilidades e recursos agregados similares.

Os acionamentos elétricos que originalmente possuíam somente funções de

seccionamento, proteção e comando das cargas, estão agregando funções de

controle produtivo, conexão com redes de comunicação e múltiplas funções de

proteção (sensor PTC, monitor de corrente e tensão et cetera). O desenvolvimento

dos produtos é constante, gerando aumento de fluxo de dados e alterando as

características das limitações atuais.

Como sugestão de continuidade a simulação de utilização de outras redes

industriais PROFIBUS®, MODBUS® e Ethernet®; identificando as diferenças de

desempenho, as limitações técnicas e produtos disponíveis para comunicação com

as mesmas.

103

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107

Autorizo cópia total ou parcial desta

obra, apenas para fins de estudo e

pesquisa, sendo expressamente

vedado qualquer tipo de reprodução

para fins comerciais sem prévia

autorização específica do autor.

Renan Piazzon Peres

Taubaté, Outubro de 2010.

108

ANEXOS

ANEXO 1 - PROCESSO PRODUTIVO DA FABRICAÇÃO DE AÇÚCAR E ÁLCOOL

A seguir, o processo de produção de açúcar e álcool é descrito

resumidamente, com base em material disponibilizado pela COSAN (2010), de

acordo com o fluxograma ilustrado na Figura 28.

O açúcar é essencialmente constituído por uma substância chamada

sacarose, presente em plantas como a cana-de-açúcar.

Para obter o açúcar em sua forma comercial, é necessário que se extraia a

sacarose, separando-a dos demais componentes da planta. A cana-de-açúcar é

constituída basicamente de água (65–75%), sólidos (11–18%), fibras (8–14%) e

pequenas quantidades de ácidos orgânicos e inorgânicos, proteínas, amido, ceras,

graxas e corantes. Nos sólidos incluem-se: sacarose, glicose, frutose e sais.

A colheita da cana pode ser feita manual ou mecanicamente. No primeiro

caso, a cana é obtida inteira e no segundo caso, obtêm-se pedaços de cana de

açúcar de 20 a 25 cm de comprimento.

A seguir, as etapas do processo são explicadas e identificadas pela

numeração apresentada na Figura 28.

109

Figura 28 – Fluxograma da produção de açúcar e álcool (Cortesia: Cosan)

110

Etapas anteriores à fabricação do açúcar e do álcool

• Transporte e pesagem (01)

A cana é transportada às indústrias por meio de caminhões que são pesados

antes e após o descarregamento para se obter o peso de cana recebida. O objetivo

de se pesar a cana é permitir o controle agrícola, o controle da moagem e o cálculo

de rendimento industrial. Além de pesada, a cana é também analisada para que se

possam definir características como a quantidade de açúcares, de água e de fibra

nela contida, a partir das quais o pagamento da cana é efetuado.

• Descarregamento e estocagem de cana (02)

O descarregamento da cana pode ser feito diretamente nas mesas

alimentadoras da moenda por meio de guindastes do tipo hilo ou no pátio de

estocagem para posterior alimentação no caso de falhas de transporte ou como

“pulmão” para moagem no período noturno. A cana colhida mecanicamente não

deve ser estocada, sendo assim alimentada de forma direta. De maneira a evitar a

decomposição bacteriológica, recomenda-se a renovação diária do estoque.

• Alimentação e Lavagem (03)

A cana descarregada nas mesas alimentadoras é lavada ou não, dependendo

da usina. Essa lavagem tem o intuito de retirar parte de matérias estranhas, como

terra e areia, de modo a obter um caldo de melhor qualidade e evitar o desgaste

excessivo dos equipamentos. A cana colhida mecanicamente não é lavada, pois,

devido à sua forma de toletes, o arraste de sacarose pela água seria muito grande.

• Preparo da cana (04)

Após a lavagem, a cana é conduzida por meio de esteiras rolantes para um

jogo de facas niveladoras, seguido do picador, do desfibrador e do eletroímã. Essa

etapa é conhecida como preparo da cana. O nivelador proporciona uma alimentação

uniforme. O picador e o desfibrador têm como objetivo aumentar a densidade,

aumentando a capacidade de moagem, e romper ao máximo as células para forçar

uma maior eficiência de extração do açúcar. Já o eletroímã visa retirar possíveis

111

materiais ferrosos que possam vir com a cana para evitar a quebra dos rolos das

moendas.

• Moagem (05)

A extração dos sólidos da cana é feita pelo esmagamento nos rolos das

moendas que exercem forte pressão. As moendas separam água e sólidos da fibra

que formará o bagaço. A sacarose está dissolvida no caldo, portanto, o objetivo da

moagem é extrair a maior quantidade possível de sólidos da cana. Na prática, extrai-

se 94 a 96% do caldo da cana, que é utilizado para produzir açúcar ou álcool.

Um segundo objetivo da moagem, contudo de extrema importância, é a

produção de um bagaço final com baixa umidade para ser queimado nas caldeiras

visando a produção de energia mecânica na forma de vapor de água a alta pressão.

• Embebição

No intuito de diluir os sólidos remanescentes no bagaço para aumentar a

extração, adiciona-se água ao bagaço antes de passar pelos últimos rolos. A

embebição utilizada é do tipo composta, que consiste em adicionar água entre os

últimos ternos (conjunto de três rolos da moenda) e fazer retornar o caldo extraído

desse último para o anterior e assim sucessivamente até o segundo terno.

• Geração de energia

A moagem separa o caldo do bagaço. Este bagaço é conduzido, por meio de

esteiras (06), à caldeira (07) onde é queimado para a produção de vapor d’água,

com pressão média de 21 kgf/cm

e temperatura de 300ºC. Esse vapor é utilizado no

acionamento de turbinas a vapor, transformando energia térmica em energia

mecânica. Essas turbinas movimentam os picadores, os desfibradores, as moendas

et cetera, bem como geradores de energia elétrica (08), necessária em vários

setores da indústria. O vapor liberado nas turbinas, denominado vapor de escape, é

um vapor de baixa pressão (1,5 kgf/cm

) e é utilizado como fonte básica de energia

ao longo do processo de fabricação do açúcar e do álcool.

• Tratamento de caldo

O caldo resultante da extração pelas moendas passa por algumas etapas de

tratamento antes de ser encaminhado à produção de açúcar e/ou álcool. Esse caldo

112

é peneirado, para remoção das impurezas mais grosseiras. No entanto, impurezas

menores (solúveis, insolúveis ou coloidais) não são removidas apenas com a

utilização de peneiras. No caso desse tipo de impurezas, uma seqüência de

procedimentos é adotada, no intuito de coagulá-las, de maneira que a decantação

possa separá-las. Após essa seqüência de tratamento, descrita a seguir, o caldo é

enviado à produção de açúcar e/ou álcool, sendo que, para o caso da produção de

álcool, o procedimento de sulfitação não é necessário.

• Sulfitação (09)

A sulfitação consiste na absorção de SO

pelo caldo, inibindo reações que

causam a formação de cor, coagulando matérias coloidais, auxiliando na formação

de precipitados que farão o arraste de impurezas durante a sedimentação,

diminuindo a viscosidade do caldo e desinfetando o meio.

• Caleagem (10)

A caleagem é feita por meio da adição de leite de cal (Ca(OH)

), que também

coagula material coloidal, auxilia na precipitação e arraste de impurezas solúveis e

insolúveis e eleva o pH para valores neutros.

• Aquecimento (11)

O caldo é então aquecido até aproximadamente 105ºC, para acelerar e

facilitar as reações de coagulação e floculação dos colóides e não-açúcares

protéicos e emulsificar graxas e ceras. O aquecimento nessa etapa do processo visa

essencialmente aumentar a eficiência do processo de decantação e promover a

posterior retirada de ar.

• Flasheamento (12)

No balão de flash, uma diminuição brusca de pressão provoca uma ebulição

espontânea do caldo eliminando assim o ar nele dissolvido que, quando presente,

dificulta a decantação das impurezas mais leves.

113

• Decantação (13)

A decantação, também chamada de clarificação, é a etapa de purificação do

caldo pela remoção das impurezas floculadas nos tratamentos anteriores. O caldo,

livre das impurezas, é chamado caldo decantado e segue para a etapa de

evaporação. As impurezas constituem o que é chamado de lodo. O lodo é enviado à

etapa de filtragem, descrita a seguir.

• Filtragem (14)

Para recuperar o açúcar contido no lodo, procede-se com a sua filtragem.

Dessa forma separa-se o caldo filtrado do que é retido no filtro: a torta, formada

basicamente pelos resíduos retirados na decantação. O caldo retorna ao processo e

a torta é utilizada como adubo na lavoura.

Etapas da fabricação do açúcar

• Evaporação (15)

Constitui o primeiro estágio de concentração do caldo proveniente da etapa

de tratamento. O caldo clarificado contém cerca de 85% de água. A evaporação tem

como objetivo reduzir essa porcentagem para aproximadamente 40%. O caldo

concentrado é chamado de xarope.

Essa evaporação é feita em evaporadores de múltiplo efeito concorrente, isto

é, o vapor gerado pela evaporação da água do caldo (vapor vegetal), presente na

caixa de evaporação anterior, é utilizado como fonte de aquecimento para a caixa

posterior.

• Cozimento (16)

Saindo da etapa de evaporação, o xarope é enviado ao cozimento que é uma

nova etapa de concentração só que agora com a formação de cristais em virtude da

precipitação da sacarose dissolvida na água. Os cozedores são equipamentos

semelhantes aos evaporadores e seu produto final, cristais de açúcar envolvidos em

mel (solução açucarada), é chamado de massa cozida. Nessa etapa atinge-se uma

114

concentração entre 90 e 95ºBrix (porcentagem em peso de sólidos) à temperatura

entre 58 a 65ºC.

• Cristalização (17)

A massa cozida é então enviada a cristalizadores que a resfriam lentamente

com o auxílio de água. Dessa maneira, consegue-se recuperar parte da sacarose

que ainda estava contida no mel por sua deposição nos cristais já existentes

gerando o consequente aumento dos mesmos.

• Centrifugação (18)

Dos cristalizadores, a massa cozida segue às centrifugas. A força centrífuga

promove a separação do açúcar. O mel removido é coletado e retorna aos

cozedores para um maior esgotamento. O açúcar descarregado das centrífugas

apresenta alto teor de umidade (0,5 a 2%) e temperatura elevada (65 a 95ºC).

• Secagem

Por meio de um elevador de canecas (19), os cristais de açúcar seguem para

a secagem (20) em tambores rotativos, levemente inclinados em relação à

horizontal, e usando ar quente em contracorrente com o açúcar a ser seco. Esse

açúcar pode ser comercializado como açúcar cristal, ou então, utilizado para a

fabricação de outros produtos como o açúcar invertido, o açúcar refinado ou o

açúcar líquido.

• Armazenagem (21)

Atualmente, dois tipos de armazenagem e manipulação de açúcar

apresentam aceitação generalizada: armazenagem em sacaria e a granel. O sistema

de armazenagem em sacaria, predominante até há alguns anos, vem lentamente

cedendo lugar ao sistema a granel. A armazenagem a granel traz uma série de

vantagens econômicas, sendo a principal delas o fato de assegurar uma

deterioração mais lenta que a do açúcar ensacado, podendo ocorrer esse fenômeno

ou a umidificação, porém restringindo-se à superfície da pilha de estocagem sem

maiores consequências em seu interior.

115

Etapas da fabricação do álcool

A partir da cana-de-açúcar pode-se também produzir álcool. O álcool é obtido

por meio de um processo bioquímico chamado fermentação. De maneira

semelhante à produção de açúcar, para a obtenção do álcool é necessário que o

caldo receba um tratamento de purificação. As etapas realizadas durante a

fabricação de álcool são descritas a seguir.

O tratamento do caldo destinado à produção de álcool é o mesmo tratamento

realizado com o caldo destinado à produção de açúcar, excetuando-se a etapa de

sulfitação.

• Resfriamento do caldo

Ao contrário do que ocorre na fabricação do açúcar, o caldo que servirá como

matéria-prima na produção de álcool deve ser resfriado. É comum fazer com que o

caldo quente troque calor com o caldo frio, sendo esse aquecido e o anterior

resfriado. Não sendo suficiente, o caldo que vai para a destilaria deve passar em um

trocador de calor (22) no qual trocará calor com água fria até atingir a temperatura

de aproximadamente 30ºC.

• Preparo do mosto (23)

O mosto é uma solução de açúcar cuja concentração foi ajustada de maneira

a tornar a fermentação mais eficiente. O mosto é preparado a partir do mel, caldo e

água de modo que a mistura apresente uma concentração final por volta de 16 a

23ºBrix.

• Preparo do fermento

Normalmente, utiliza-se o processo de fermentação Melle-Boinot em

destilarias. Esse processo tem como principal característica a recuperação de

leveduras por meio da centrifugação do vinho.

• Centrifugação do vinho (25)

Das dornas de fermentação, o vinho é centrifugado de modo a separar o

fermento. Esse fermento recuperado é denominado leite de levedura e retorna às

116

cubas de tratamento. O vinho de levedura é enviado à dorna volante (27) e

posteriormente às colunas de destilação.

O vinho que vem da fermentação é composto basicamente por componentes

em fase líquida, dentre os quais destacam-se o álcool (7 a 10ºGL) e a água (89 a

93%). Os demais componentes como glicerina, alcoóis homólogos superiores,

furfural, aldeído acético, ácidos succínico, bagacilho, leveduras e bactérias,

açúcares infermentescíveis, sais minerais, matérias albuminóides, CO

e SO

são

encontrados em quantidades bem menores.

Para a separação do álcool, utiliza-se o processo de destilação no qual os

diferentes pontos de ebulição dos componentes da mistura são responsáveis pela

separação. A operação é realizada em três etapas: destilação propriamente dita,

retificação e desidratação. Em todas elas o aquecimento é feito a partir do vapor, de

forma direta ou indireta.

De modo a propiciar condições ótimas de fermentação e evitar a infecção

bacteriana, a levedura recuperada sofre um tratamento (26) antes de retornar ao

processo. Esse tratamento consiste da adição de água, reduzindo o teor alcoólico, e

de ácido sulfúrico até pH = 2,5, gerando uma mistura conhecida como pé-de-cuba.

• Fermentação (24)

A fermentação ocorre em tanques denominados dornas de fermentação onde

o mosto é misturado com o pé-de-cuba na proporção de 2:1, respectivamente. Os

açúcares (sacarose, glicose e frutose) são transformados em álcool, segundo a

reação de Gay-Lussac, conforme a Equação (1).

12 22 11 2 6 12 6 6 12 6

6 12 6 3 2 2

C H O H O C H O C H O

sacarose água glicose frutose

C H O 2 CH CH OH 2 CO 23,5kcal

glicose / frutose álcool gáscarbônico calor

+ → +

→ + +

(1)

Como mostram as reações acima, a fermentação libera gás carbônico e calor.

O gás é lavado de modo a recuperar o álcool evaporado arrastado pelo CO

. Devido

ao calor liberado e a necessidade de se manter a temperatura da fermentação por

volta de 32ºC um sistema de resfriamento é utilizado.

117

Após um tempo de 4 a 12 horas, a fermentação termina gerando um produto

final de teor alcoólico entre 7 e 10%, denominado vinho fermentado.

• Destilação (28)

Nessa etapa o etanol é separado do vinho. O vinho, inicialmente com 7 a

10ºGL é decomposto em duas correntes: flegma (vapores com 40 a 50ºGL) e

vinhaça (que segue para a lavoura como fertilizante com menos de 0,03ºGL). Essa

etapa de destilação elimina ainda impurezas como aldeídos e ésteres.

• Retificação (29)

A etapa de retificação visa concentrar o flegma proveniente da destilação de

forma a obter um grau alcoólico de 96ºGL à saída e retirar impurezas como alcoóis

homólogos superiores, aldeídos, ésteres, aminas, ácidos e bases.

• Desidratação

O álcool a 96ºGL é chamado álcool hidratado. Para a produção de álcool

anidro, a 99,7ºGL é preciso utilizar ciclo-hexano como desidratante. Essa

necessidade surge do fato de que o álcool hidratado constitui uma mistura

azeotrópica. Uma mistura azeotrópica é uma mistura em que os componentes não

são separados por um processo de destilação simples. A adição do ciclo-hexano

forma uma mistura ternária com a água e o álcool cujo ponto de ebulição é menor do

que o da mistura binária inicial. Após a separação (30), o desidratante é recuperado

e reaproveitado. Algumas usinas utilizam um sistema conhecido como peneira

molecular para fazer a desidratação.

• Armazenamento (31)

Os alcoóis produzidos, hidratado e anidro, são quantificados e enviados a

tanques de grande volume onde são estocados para posterior comercialização.

118

ANEXO 2 – REDE DEVICENET®

Este Anexo tem o objetivo de contribuir com os conceitos básicos a respeito

da rede DeviceNet®. Para tal, foi elaborado material com base em ODVA (2003),

que segue.

É uma rede de comunicação de baixo custo idealizada para interligar

equipamentos industriais, tais como: sensores indutivos, capacitivos, fotoelétricos,

válvulas solenóides, motores de partida, sensores de processos, leitores de código

de barras, variadores de freqüência, painéis e interfaces de operação. Além de

eliminar o gasto com a instalação dos equipamentos, a rede proporciona a

comunicação entre os participantes, implementando níveis de auto-diagnóstico, nem

sempre disponível nas instalações convencionais, conforme ilustrado na Figura 29.

Figura 29 – Interligação entre dispositivos da rede DeviceNet®

Sua utilização é uma solução simples para instrumentação de redes

industriais reduzindo os custos de instalação (cabos, bandejas, caixas de junção et

cetera) e os tempos de montagem dos equipamentos ao mesmo tempo em que

permite a intercambialidade dos instrumentos de diversos fabricantes.

119

A rede DeviceNet® foi desenvolvida pela Allen Bradley com base no protocolo

CAN® (Controller Area Network) e sua especificação é aberta e gerenciada pela

DeviceNet® Foundation. O protocolo CAN® foi desenvolvido originalmente pela

empresa Robert Bosch Corp., como uma rede digital para a indústria automobilística,

visando substituir os custos dos sistemas de cabo nos automóveis por uma rede de

baixo custo. Como esse protocolo possui baixo tempo de resposta e alta

confiabilidade vem sendo aplicado em sistemas de freios ABS e Air-Bag.

A Figura 30 ilustra a relação entre CAN® e DeviceNet® e as camadas do

modelo OSI/ISO.

Figura 30 – Relação entre CAN® e DeviceNet® e as camadas do modelo OSI (SEIXAS-FILHO, 2007)

Os chips de comunicação estão disponíveis em vários encapsulamentos para

altas taxas de temperatura e alta imunidade a ruídos, tornando-se aplicável em

ambientes industriais. Hoje existem diversos fornecedores de chips CAN®: Intel,

Philips/Signetics, NEC, Siemens, Hitachi e Motorola.

DeviceNet® é uma das três tecnologias abertas e padronizadas de rede, cuja

camada de aplicação usa o CIP. Ao lado de ControlNet® e Ethernet/IP®, possuem

uma estrutura comum de objetos. Ou seja, ele é independente do meio físico e da

camada de enlace de dados. Essa camada de aplicação padronizada, aliada a

interfaces de dispositivos e programação abertas, constitui uma plataforma de

conexão universal entre componentes em um sistema de automação, desde o chão-

de-fábrica até o nível da internet. A Figura 31 ilustra o CIP (Common Industrial

Protocol) no modelo OSI (Open Systens Interconnection).

120

Figura 31 – CIP no modelo OSI

A instalação permite o endereçamento de até 64 nós (MACID – Media Access

Control Identifiers) onde cada endereço pode suportar um infinito número de I/Os,

como por exemplo um atuador pneumático de 32 válvulas ou um módulo com 16

entradas discretas. Cada equipamento possui um microcontrolador que gerencia o

armazenamento em memória não volátil do seu endereço.

O meio físico utilizado é um cabo padrão de dois pares trançados, sendo um

dos pares responsável pela distribuição da alimentação 24V

nos diversos nós e o

outro utilizado para o sinal de comunicação. Se mais de um participante tentar

acessar a rede simultaneamente, um mecanismo de arbítrio resolve o conflito sem

perdas de dados, diferenciando-se da Ethernet® que utiliza a detecção de colisão

com sua perda de dados, e banda de freqüência. Conforme observado na Figura 32

o quadro de dados utilizado pela rede DeviceNet®.

121

Figura 32 – Quadro de dados utilizado pela rede DeviceNet® (SENSE, 2001)

Os bits de arbitration field determinam quem continua transmitindo no caso de

acesso simultâneo da rede. O control field determina o tamanho dos dados a serem

transmitidos no data field, permitindo maior flexibilidade, pois equipamentos simples

podem transmitir somente entradas I/O, trocados freqüentemente, e os instrumentos

mais complexos podem utilizar mais bytes para transmitir auto diagnósticos ou

tabela de parâmetros. A seqüência final utiliza redundância cíclica para check das

palavras transmitidas utilizando-se vários métodos incluindo CRC para detecção de

falhas, que são transparentes aos usuários.

Existem vários métodos de comunicação, dependendo do projeto do

equipamento pode-se utilizar na rede DeviceNet® comunicação dos tipos: strobed,

polled, cyclic, change-of-state e aplication-trigged.

O processo de comunicação define dois estados lógicos chamados de

dominante “0” e recessivo “1”. A rede permanece no modo recessivo somente

enquanto não há nenhuma transmissão. Qualquer participante pode tentar transmitir

informações, como na Ethernet®, se a rede não estiver ocupada. Vários controles

são utilizados no quadro de comunicação, sendo possível se efetuar, entre outras

coisas, checagem de recebimento (ACK), detecção de erros nos dados (CRC) e

detecção de erros de quadro (FORM).

Para que os produtos possam ser configurados, os fabricantes fornecem um

arquivo texto com os dados dos produtos, os chamados Eletronic Data Sheet (EDS),

que devem ser instalados nos programas de configuração da rede DeviceNet®.

122

Os arquivos EDS possuem uma numeração que é gerada a partir de um

padrão. Conforme observado na Tabela 45 de um relé eletrônico (E3+) 3-15 A, da

Rockwell Automation, firmware versão 1, arquivo número: 0001000300060100.eds.

Tabela 45 – Padrão arquivo EDS

0001 0003 0006 01 00 .eds

Grupo 1 0001 Número do fabricante

Grupo 2 0003 Tipo de produto

Grupo 3 0004 Código do produto

Grupo 4 01 Firmware maior versão

Grupo 5 00 Firmware menor versão

Um dos principais diferenciais da rede DeviceNet® é a configuração

automática após substituição de dispositivos, ADR (Auto Device Recovery), que

após a retirada de um dispositivo já configurado da rede, se for reposto um

dispositivo idêntico ao anterior, a função ADR irá realizar o download de todas as

parametrizações antigas realizadas no dispositivo retirado, uma programação

automática das características do dispositivo.

A rede é muito versátil, podendo-se utilizar centenas de produtos certificados,

desde sensores inteligentes até inversores de freqüência e interfaces homem-

máquina, fornecidos por vários fabricantes.

Possui uma organização independente que gerencia as especificações da

rede visando seu crescimento mundial denominada ODVA (Open DeviceNet®

Vendor Association). A ODVA atua junto aos fabricantes fornecendo treinamento,

testes de conformidade e atividades de publicidade, por exemplo publicando os

catálogos de produtos.

Os cabos normalizados para redes DeviceNet® são compostos por dois pares

de fios (um para alimentação 24V

e outro para a comunicação digital), possuindo

especificações que garantem o funcionamento da rede nos comprimentos pré-

estabelecidos, conforme apresentado na Tabela 46.

123

Tabela 46 – Relação entre o comprimento do cabo e sua taxa de transmissão

Taxa de transmissão

Tipo Função

125 kbaud 250 kbaud 500 kbaud

Cabo grosso Tronco 500 m 250 m 100 m

Cabo fino Tronco 100 m

Cabo flat

Tronco 380 m 200 m 75 m

Cabo fino

Derivação até

dispositivo

6 m

Cabo fino

Somatória de

Derivações

156 m 78 m 39 m

O CCMI possui cabeamento interno no padrão da rede DeviceNet®, com as

principais características elétricas conforme abaixo:

• topologia física básica do tipo linha principal com derivações;

• cabo flat com distribuição de sinal e de alimentação (24V

) no mesmo

cabo;

• inserção e remoção de nós a quente, sem necessidade de desconectar

a alimentação da rede;

• utiliza resistores terminadores de 121 ohms em cada fim de linha;

• permite conexão de múltiplas fontes de alimentação.

A linha tronco DeviceNet® é roteada pelo eletroduto de controle e rede e pelo

eletroduto horizontal superior do CCMI, conforme Figura 33. O eletroduto de controle

e rede pode ter até 24 portas DeviceNet®.

A linha tronco possui duas tomadas: uma do lado esquerdo, outra no direito

da seção vertical, conforme Figura 34. A conexão da gaveta com a DeviceNet® é

feita quando a mesma está na posição de conectada ou de teste.

124

Figura 33 – Seção vertical típica do CCMI

Figura 34 – CCMI com duas redes diferentes

125

A fonte de alimentação deve ser compatível com a rede DeviceNet®, como

especificado nos padrões da ODVA. Fontes não padrozinadas podem causar danos

ao sinal e aos componentes, segue abaixo os padrões da ODVA:

• valor nominal de 24V

(±1%);

• tempo de subida menor que 250 ms dentro de 5% de 24V

com carga

total de 8 A;

• proteção de limite de corrente de 8A contínuos e 10A durante os

primeiros 250 ms;

• cada dispositivo consume entre 90 a 165 mA.

A Tabela 47 ilustra as especificações do aplicativo IntelliCENTER®

Tabela 47 – Especificações do aplicativo IntelliCENTER®

Descrição Unidade

Freqüência de polling

máx 9.9/s – min. 1.0/s

Número recomendado de nós na rede

DeviceNet®

50 a 500 kbaud

35 a 250 kbaud

(125 kbaud não recomendado)

Tipo de mensagens explícitas de baixa prioridade

Dados mostrados a cada visualização 13

Registros gráficos de tendência 5.000

Eventos / documentos por linha 32.767

Número recomendado de nós por aplicativo

IntelliCENTER® Ilimitado

Número máximo de visualizações abertas

simultaneamente Ilimitado

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