AT_Automação Na Indústria Siderurgica
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Autor: Evaldo de Arajo Braga Engenheiro de suporte e aplicao Altus S/A
Automao na Indstria Siderrgica
Introduo
As indstrias siderrgicas sempre foram de extrema importncia
para as naes e representam um dos alicerces de um pas
desenvolvido. No toa que so chamadas de indstrias de base, j
que fornecem produtos que so a matria prima para diversas outras
indstrias. O ferro e o ao podem ser encontrados na agricultura, nos
transportes, na construo civil, na indstria automobilstica, de embalagens, aparelhos
domsticos e muitas outras reas.
A produo mundial de ao bruto, em 2004, foi de 1.050 bilho de toneladas. Para 2005, a
expectativa que o consumo aparente/ produo cresa 5% e, em 2006, 3,5%. Os dez
maiores produtores mundiais de ao no ano passado foram, em ordem decrescente, China,
Japo, Estados Unidos, Rssia, Coria do Sul, Alemanha, Ucrnia, Brasil, ndia e Itlia.
A previso de investimentos no setor de 2005 a 2010 de US$ 12,5 bilhes, com projeo
de alcanar a capacidade instalada de 49,7 milhes de toneladas no final desses cinco anos.
Esse novo ciclo de investimentos est voltado para o aumento da capacidade de produo, a
fim de atender ao crescimento da demanda interna que deve ser de mais de um milho de
toneladas por ano no perodo de 2005 e 2010.
A palavra automation foi inventada pelo marketing da indstria de equipamentos na dcada
de 60. A inteno era enfatizar a participao do computador no controle de sistemas
industriais. Hoje entende-se por automao industrial qualquer sistema baseado em
computadores/processadores que substitua o trabalho humano e que vise solues rpidas e
econmicas para atingir os complexos objetivos das indstrias. Num mercado complexo e
competitivo como o setor siderrgico, uma indstria somente pode sobreviver se garantir
a qualidade de seus produtos, mantendo altos ndices de produtividade. E neste contexto
que se integra a automao industrial, tendo um papel de extrema importncia na
diminuio de custos de produo, normalizao de processos, aumento da confiabilidade e
segurana, diminuio de perdas, e outros aspectos inerentes aos processos industriais.
O processo de produo do ao pode ser dividido em trs etapas; a reduo, o refino e a
laminao, as quais possuem caractersticas semelhantes em relao aos sistemas
automticos empregados.
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Autor: Evaldo de Arajo Braga Engenheiro de suporte e aplicao Altus S/A
Reduo
No processo de reduo o minrio de ferro levado ao Alto
Forno, onde submetido a altas temperaturas (cerca de 1.500 oC). Aps este processo de fuso ele recebe o nome de ferro-gusa
ou ferro de primeira fuso. Impurezas como calcrio e slica
formam a escria de alto forno, que matria-prima para a
fabricao de cimento e outros materiais derivados.
Para atingir altas temperaturas no Alto Forno e garantir a performance do sistema, so
injetados finos de carvo utilizando o oxignio em alta presso como comburente. A
automao torna-se fundamental neste processo uma vez que garante a performance sem
comprometer a segurana dos operadores e equipamentos, imprimindo agilidade no
processo de injeo. Um sistema SCADA permite a monitorao da planta em tempo real,
arquivando dados do processo que sero teis no diagnstico de falhas, no ajuste de
parmetros, ou na contabilizao de gastos e gerenciamento da planta. Um sistema baseado
em CLPs (Controladores Lgicos Programveis) permite o controle automtico das
ventaneiras, visando manter a presso e vazo constantes e o rendimento necessrios. Em
tempo real, caso alguma anormalidade seja detectada, pode ser automaticamente corrigida,
ou causar a parada da planta, visando a integridade das pessoas e dos equipamentos
envolvidos.
No Alto Forno o processo de carregamento de carvo e minrio totalmente realizado sem
a interferncia humana. Por meio de correias transportadoras os materiais so conduzidos
dos silos at o topo do forno, e na quantidade necessria calculada por um algoritmo
especialista. O topo do forno totalmente controlado por uma mquina de estado que
posiciona vlvulas e cilindros a fim de adicionar o coque e o minrio na parte interna do
forno, mantendo a presso a nveis desejados. Este processo jamais poderia ser feito por um
operador local pois os gases de alto forno so altamente txicos, alm de ser um ambiente
insalubre e de alto risco.
A Temperatura interna no Alto Forno tambm um fator importante a ser monitorado. O
seu controle permite aumentar a vida til do material refratrio e da chaparia externa do
forno, elevando ainda mais o tempo de vida e melhorando assim sua produtividade. Neste
contexto, sensores (termopares) so posicionados no permetro do forno, e seus sinais
transmitidos a um CLP. Este controlador por sua vez trata os dados os quais so lidos por
um sistema SCADA. A partir da os dados so analisados e geram resultados de ajuste de
carga de carvo e minrio, vazo de injeo, etc. permitindo obter os melhores ndices de
produtividade e performance.
Ainda no processo de reduo, os subprocessos de despoeiramento, peneiramento do
minrio, manuseio de matrias primas (minrio de ferro, carvo, e outros materiais),
fabricao do coque, sinterizao, produtos carbo-qumicos tambm so controlados por
CLPs, permitindo o acionamento automtico remoto de todos os equipamentos envolvidos,
auxiliando no diagnstico de falhas e garantindo a operabilidade dos sistemas, livrando o
homem de ambientes insalubres e periculosos.
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Refino
A etapa seguinte do processo o refino. O ferro gusa levado para a
aciaria, ainda em estado lquido, para ser transformado em ao, mediante
queima de impurezas e adio de materiais. O refino do ao se faz em
fornos a oxignio ou eltricos.
Numa aciaria LD por exemplo, onde o ferro gusa aquecido atravs da
injeo de oxignio sob alta presso, todos os sub-processos so
controlados por CLPs. O sistema de basculamento do forno, de controle
de injeo de oxignio, de controle de carga de materiais fundentes e
ferro-ligas, de acionamento da lana de oxignio, de medio da temperatura do banho, etc,
so totalmente automticos e muitos deles no seriam viveis caso no houvesse essa
tecnologia.
O basculamento do forno de metal lquido (conversor) realizado manualmente por um
operador localizado na cabine de basculamento, mas a monitorao da velocidade de giro,
inclinao do forno, bem como o controle do motor principal realizado por um CLP
dedicado. Neste mesmo CLP ainda so incorporadas funes de acionamento da lana de
oxignio principal, alm de todo o sistema de troca de lanas. A velocidade de descida e
subida da lana so rigorosamente controladas, afim de garantir um baixo tempo de corrida
(tempo total de sopro de uma carga de ferro-gusa) e aumentando assim a produtividade.
Alem disso, a cada anormalidade no sopro, a lana rapidamente retirada do forno,
evitando o risco de exploso/ vazamento de gua. Um segundo CLP utilizado para
acionar as vlvulas de controle de vazo e presso de oxignio principal de sopro. Nele
ainda so colocadas funes de controle de presso na boca do forno, e de todo o sistema de
fornecimento de oxignio para aquecimento do banho. Controles do tipo PID mantm a
presso e vazo de gases a nveis desejados, se utilizando de vlvulas posicionadoras para
isso. Um terceiro CLP responsvel pela pesagem e adio de materiais dentro do forno.
Destes materiais, os fundentes so usados para se unir s impurezas existentes no ferro
gusa, formando assim a escria de aciaria. Um quarto CLP necessrio para a pesagem e
adio de ferro-ligas ao final do processo de fundio do ao. As ferro-ligas imprimem
caractersticas metalrgicas ao ao, necessrias ao fim a que sero destinadas. Um sistema
de clculo implementado em nvel 2 de automao, responsvel pelo clculo da
quantidade e do instante da adio de fundentes e ferro-ligas dentro do forno. Este sistema
se comunica com os CLPs, enviando tabelas de dados contendo a programao de pesagem
e adio, as quais so executadas durante a corrida (fundentes) ou ao final da mesma (ferro-
ligas). Somente um sistema automtico poderia garantir tal performance com a exatido
necessrias. Este sistema de clculo desenvolvido em um ambiente de um PC, e responde
pelos clculos estticos e dinmicos do processo. Nele so instalados drivers de
comunicao com os CLPs e com outros PCs, afim de monitorar e enviar dados s estaes
remotas. Um ambiente grfico mostra o andamento da corrida, permitindo ao operador
(soprador) alterar parmetros a todo o instante, visando atingir a temperatura e as
caractersticas metalrgicas desejadas do ao ao final da corrida. Um sistema SCADA
implementado em duas estaes de operao baseadas em PCs, monitora toda a planta,
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permitindo ao operador atuar no sistema por meio de comandos e/ ou presets, alem de gerar
dados histricos do processo e criar relatrios e diagnstico de falhas.
Todos os equipamentos (CLPs e SCADA e Estaes de clculo) se comunicam numa rede
Ethernet de alta velocidade (10/100Mbps) com cabeamento tico imune a rudos, numa
configurao em anel redundante, de forma que a rede sempre estar disponvel para o
controle do sistema. Redes de campo como o Modbus/RTU e/ou Profibus/DP
possibilitam a leitura de dados de equipamentos dedicados como inversores de freqncia,
geradores de energia, conversores, No-breaks, etc. possibilitando economia de cabos,
monitorao de toda a planta e centralizao de diagnstico de falhas.
Sub-Processos como o Transporte de Escorificantes/ Fundentes, o Carregamento de ferro-
gusa, Despoeiramento, Forno Panela, Desgaseificao a Vcuo, Sopro Coerente,
Lingotamento Contnuo, tambm so controlados por CLPs e monitorados pelo mesmo
sistema SCADA e interligados mesma rede.
Laminao
Finalmente, a terceira fase clssica do processo de fabricao
do ao a laminao. O ao, em processo de solidificao,
deformado mecanicamente e transformado em produtos
siderrgicos utilizados pela indstria de transformao, como
chapas grossas e finas, bobinas, vergalhes, arames,
perfilados, barras etc.
No processo de corte de chapas por exemplo, todas as tesouras de corte so controladas por
CLPs, os quais se comunicam em rede Ethernet de alta velocidade. O processo inicia
quando o CLP recebe os dados de programao proveniente do nvel 2. Em seguida realiza
a medio do comprimento e largura e posiciona a chapa de acordo com os valores pr
definidos. A execuo do corte fica em funo de um comando do operador. Um gerador de
pulsos usado para medir o comprimento e um medidor de largura para realimentar o
sistema com as dimenses da chapa. Aps a execuo das tarefas, os dados de resultado so
automaticamente realimentados para o nvel 2. Como auxiliar, um sistema SCADA
alimenta o operador com informaes a respeito do processo, permitindo a ele atuar de
forma corretiva a qualquer instante.
Mdulos coprocessadores anexados ao CLP permitem a execuo clculos complexos e
algoritmos complicados em tempos de execuo muito pequenos, permitindo a execuo de
tarefas antes executadas por mainframes ou computadores de processo.
Em alguns sub-sistemas, configuraes de redundncia possibilitam 100% de operabilidade
do CLP, fazendo com que a planta nunca deixe de trabalhar por problemas ocorridos nos
sistemas de automao.
A rede de campo Profibus/DP associada ao CLP tem se mostrado como a grande soluo
em processos como este. Por possibilitar a distribuio de coleta de dados por toda a planta,
de forma rpida e segura, este modelo de rede tem conquistado cada vez mais espao em
sistemas que alcanam grandes reas geomtricas e ainda necessitam de atualizao rpida
da informao. O custo ainda um grande atrativo a se ver pela economia de cabos de
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sensores, atuadores chaves que deveriam ser distribudos pela rea, e podem ser
substitudos por um nico cabeamento de rede.
CLPs associados a sistemas SCADA ainda so usados em processos de laminao de
chapas grossas, tiras a quente, decapagem, galvanizao, retmpera, rebobinamento,
laminao a frio, trazendo grandes benefcios aos sistemas.
Concluso
Muitos benefcios podem ser alcanados com a automao de processos industriais.
Qualquer indstria potencialmente um grande usurio deste mercado. A indstria
siderrgica, na tica da automao industrial, ainda um mercado em expanso no Brasil
pois possui muitos processos operando com equipamentos antigos, muitos deles da dcada
de 60, portanto com um baixo ndice de automatizao. Os projetos em automao so
claramente justificveis por diversas razes j comentadas.
A Altus S.A. foi a empresa responsvel por vrios projetos na rea de siderurgia. Grandes
empresas como a Gerdau, Usiminas, Aominas, Cosipa, Acesita, Belgo, possuem processos
nas reas de reduo, refino e/ou laminao, automatizados com CLPs e sistemas
desenvolvidos pela prpria Altus ou por parceiros integradores do setor. com essa viso
que busca um aumento da participao no setor, fornecendo a oportunidade de melhoria nos
processos produtivos, ganhos de desempenho e produtividade, mantendo a preocupao
com o meio ambiente e segurana de pessoas e instalaes.
Referncias
http://www.altus.com.br
http://www.ibs.org.br
http://www.usiminas.com.br
http://www.profibus.org.br/
http://www.altus.com.br/http://www.altus.com.br/http://www.altus.com.br/http://www.usiminas.com.br/http://www.profibus.org.br/