CONCEPÇÃO DE UMA ESTAÇÃO DE VENTILAÇÃO AUTOMATIZADA PARA ESTUDOS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

Guilherme Bueno de Paula, Sérgio Ferreira de Paula Silva, Décio Bispo, Antônio Carlos Delaiba Universidade Federal de Uberlândia (UFU), Faculdade de Engenharia Elétrica (FEELT), Uberlândia – Minas-Gerais,

gbu3no@gmail.com

Resumo – Atualmente a energia elétrica é uma necessidade na vida do ser humano, mas sua maior parte provem de fontes não renováveis, tornando-se um bem finito. Por isso, o homem precisa se conscientizar e racionalizar o seu consumo, começando pela atividade que mais usufrui da mesma, a indústria. Em particular esse artigo apresenta a projeto e a implementação de uma estação de ventilação industrial, tendo enfoque nos benefícios de um processo automatizado na eficiência energética de sistemas motrizes.

Palavras-Chave – Automatização, Supervisório, CLP, Eficiência Energética.

DESIGN OF AN AUTOMATED STATION

VENTILATION FOR STUDIES OF ENERGY EFFICIENCY

Abstract - Currently, electricity is a necessity in human

life, but mostly comes from non-renewable resources, making it a very finite. Therefore, man needs to realize and rationalize their consumption, beginning with the activity that occupies more of the same, industry. In particular this paper presents a study in the area of industrial ventilation, and greater focus on the automation of a platform that allows different variations of the air during a typical cycle of work, trying to delineate this issue with respect to efficiency.

1 Keywords - Automation, Supervisory, PLC, Efficiency.

I. INTRODUÇÃO

No ambiente industrial é comum a utilização do controle e da automação na obtenção de maior produtividade, qualificação dos produtos, melhor repetibilidade, o que leva à redução dos custos de produção e, conseqüentemente, à maior competitividade industrial. É nesse contexto de busca pela liderança que as empresas investem pesadamente em novas tecnologias e hoje em dia, no cenário global, são inúmeras as formas de se automatizar um equipamento ou processo industrial.

A eficiência energética de um determinado processo está intimamente relacionada com a aplicação de equipamentos e técnicas de automação e gerenciamento de plantas industriais.

Desta forma, a utilização de componentes elétricos e mecânicos compatíveis com as exigências das cargas impostas aos mesmos e a utilização de sistemas de acionamento e controle adequados às exigências de qualquer processo fabril são de fundamental importância na obtenção de sistemas econômicos do ponto de vista energético.

Neste sentido, a automação vem a contribuir para a obtenção de processos mais eficientes, provendo o comando dos mecanismos de acionamento e colendo as informações indispensáveis para os ajustes dos parâmetros sob análise.

Como, estatisticamente, a maior parte da energia gerada mundialmente é destinada para fins industriais, este trabalho apresenta a concepção de uma estação de trabalho totalmente automatizada com o intuito de averiguar a eficiência energética de uma carga tipicamente industrial – o ventilador. Assim, o estudo está centrado na avaliação de sistemas de ventilação industriais cuja operação exija diferentes variações de ar durante um ciclo típico de trabalho. Para tanto, além do sistema de ventilação industrial, faz-se necessário o emprego de sensores, atuadores e controladores apropriados à medição, controle e atuação sobre os dispositivos elétricos e mecânicos constituintes deste processo.

II. DESCRIÇÃO DE UM PROCESSO AUTOMATIZADO

As vantagens de se ter um processo automatizado é acompanhada da necessidade que o equipamento trabalhe com a mínima intervenção do operador, para isso eles contam com acionamentos mecânicos e eletrônicos, além de uma base computacional responsável pela lógica de comando.

Para o projeto da plataforma de ventilação industrial foi escolhido o sistema automatizado ao invés do manual. A justificativa disso é às inúmeras vantagens do primeiro em relação ao segundo, como pode ser visto na Tabela I.

TABELA I Diferenças de um sistema automatizado para o manual

Automatizado Manual Aumento da produtividade Produtividade relativamente baixa Maior qualidade do produto -

Alto custo inicial Baixo custo inicial Maior segurança para o operador Alto custo com treinamento

Maior confiabilidade das medições As medições dependem da sensibilidade do operador

Precisão no controle Baixa precisão Painel elétrico simplificado Painel elétrico complexo

Visando então uma maior precisão do controle e das medições, melhor qualidade dos estudos, melhores condições para a operação e maior segurança optou-se pelo processo autônomo ao invés do manual.

Existem várias maneiras de se fazer a automatização de um processo, um dos mais conhecidos é através de relés e contatores, já obsoleta, e atualmente com o aprimoramento das tecnologias de ponta, técnicas mais eficientes e desafiadoras estão à disposição dos projetistas. Dentro desse contexto, o Controlador Lógico Programável (CLP), também chamado de PLC (Programmable Logic Controller) assume papel de destaque [1]. A Figura 1 ilustra a simplificação imposta aos painéis que utilizam o CLP em comparação com os antigos painéis a relé.

Fig. 1. Diferença de um painel controlado por CLP com um painel controlado por contatores – o CLP a esquerda e os relés a direita

Uma das grandes vantagens desse dispositivo está na maior facilidade de instalação e na praticidade em alterar o projeto base. O controle do processo não é mais feito através de uma lógica de contatores, mas por um dispositivo que interliga todos componentes do sistema e através de um Programa de Aplicação executa a tarefa desejada. Caso o projeto venha a mudar, normalmente, alterações neste programa são suficientes, evitando a substituição ou inserção de componentes físicos ou mesmo a lógica da fiação interna dos painéis.

O CLP pode ser comparado com uma espécie de computador robusto feito especificamente para trabalhar no “chão de fábrica”, típico do meio industrial. Esse “Computador Industrial” é capaz de armazenar instruções para implementar as funções de controle (seqüência lógica, temporização e contagem, por exemplo), além de realizar operações lógicas e aritméticas, manipulação de dados e comunicação em rede. Sua estrutura é baseada em diagramas de blocos possuindo entradas e saídas, interligadas por uma unidade central, onde está localizado o programa de aplicação que determinará qual será a tarefa realizada. Esse diagrama está representado na Figura 2.

O principio de funcionamento do CLP baseia-se num sistema de varredura. Começando pelo CPU que faz a leitura das entradas dos módulos I/O (por exemplo, a leitura dos parâmetros do medidor multifuncional), atualiza esses dados na memória da CPU e executa o programa de aplicação. Depois de executado o programa, o CLP faz outra leitura para atualizar seu banco de dados, e assim começa o ciclo novamente, entrando num loop constante, conforme apresentado na Figura 3.

Fig. 3. – Princípio de funcionamento do PLC’s

Inicialização

Leitura das entradas e atualizações das imagens

Programa

Atualizações das saídas referidas as imagens

Unidade Central de

Processamento

CPU

Entradas

Saídas

Digital

Analógico

Pulsos

Analógico

IHM Terminal

Processador Memória

Fonte

Fig. 2. Estrutura básica de um CLP

Na prática este dispositivo facilita muito a rotina do operador, pois o mesmo já não precisa se deslocar para conferir todos os instrumentos presentes no processo. O CLP também permite a utilização de IHMs (Interface Homem Máquina) onde, através de uma tela ao alcance de um toque o usuário tem a sua disposição todo o controle do processo que esta acontecendo em tempo real.

Complementando, um Sistema Supervisório fornece ferramentas adicionais que facilitam a leitura, o armazenamento e o tratamento dos dados coletados e processados pelos CLPs. O supervisório é um software configurável que tem a capacidade de controlar qualquer planta fabril, permitindo ao usuário tanto a leitura de informações quanto o comando das operações. Esta ferramenta computacional comunica-se com os CLPs e consequentemente tem acesso a toda instrumentação da planta. Além disso, permite que todo monitoramento, histórico e controle seja acessado via internet, para tal, existem várias contas de usuários que dão permissão e prioridades de utilização. Uma das grandes vantagens desse complemento está na interface, simplificando ao máximo o processo real e, por conseguinte, fornece uma visão macro do sistema.

III. ESTAÇÃO DE TRABALHO DO VENTILADOR

Ao se projetar o sistema de ventilação industrial deve-se atentar às diferentes formas de controle da vazão de ar, esse processo pode ser feito de duas formas, atuando diferentes componentes do sistema. O primeiro caso foca o motor elétrico que toca a turbina de vento, para isso utiliza-se o inversor de freqüência responsável pelo controle a rotação do eixo do motor variando a freqüência da onda aplicada ao mesmo e, consequentemente, controlando a vazão e a velocidade do ar. Uma segunda solução para o mesmo problema utiliza um Damper na saída da turbina de vento, com isso conseguir-se-ia fazer a estrangulação ou bloqueio total do vento que sai para tubulação.

Essas duas formas de controle estão representadas pelas Figuras 4 e 5.

Fig. 4. Ventilador com velocidade constante, com damper para

variação de vazão

Fig. 5. Ventilador acionado por inversor de freqüência.

Considerando as possíveis soluções para controlar a vazão do ar, faz-se necessário levantar informações de quais parâmetros serão importantes para os estudos de eficiência energética. A regulação da vazão é um foco do projeto, por isso medidores de vazão e velocidade do vento são indispensáveis. Estes sensores possuem transmissores de sinais analógicos proporcionais comunicam com o CLP através de um sinal de 4 a 20 mA.

O ventilador representa uma carga para o motor elétrico, de acordo com a abertura do damper o motor pode trabalhar tanto na velocidade nominal como sobrecarregado, por isso é importante a medição da temperatura dos enrolamentos do motor, pois caso necessário pode-se evitar a queima do mesmo. Destaca-se que estes sensores de temperatura, tipo PT100, exigem uma placa específica do controlador lógico programável.

Para fazer o controle da bancada de estudos é necessário conhecer todos os parâmetros elétricos possíveis, como potência ativa, reativa e aparente, tensões e correntes nas fases, se possível os harmônicos também. Por isso será utilizado um medidor multifuncional. Este medidor de parâmetros elétricos utiliza o protocolo ModBus.

Visando enriquecer os estudos de eficiência energética, a bancada contempla dois tipos de motores, um convencional e outro de alto rendimento, permitindo assim a averiguação das vantagens de um em relação ao outro. A escolha de um tipo de motor é informada ao CLP através de micro-switches conectadas a entradas digitais.

A Figura 6 sintetiza a instrumentação e os sistemas de automação através de um diagrama esquemático da estação de estudos de ventilação.

Note que a bancada possui, ainda, três modos de partidas diferentes: Soft-Starter, inversor de freqüência e partida direta. Além disso, também possui medidor de pressão, de vazão, encoder e dois motores (um normal e outro de alto rendimento). O protocolo ModBus é novamente utilizado para controle e configuração do inversor de freqüência e do Soft-Starter.

O acionamento via inversor de freqüência e partida suave utiliza dois contatores cada (a jusante e a montante) inter-travados, sendo acionados pelo controlador programável de acordo com a escolha do tipo de acionamento na tela do supervisório. Essa escolha é feita através da interface comando, representada na Figura 9. Neste caso, foram utilizados módulos de saídas digitais do CLP, permitindo o comando dos contatores.

Por fim, o controle da abertura do Damper é realizado através de uma saída analógica (4 a 20mA) e a comunicação com o sistema supervisório utiliza o padrão Ethernet.

Fig. 6. – Diagrama orientativo da bancada do ventilador

Fig. 7. - Representação da comunicação do PLC com

instrumentação e computador

O Sistema Supervisório é o principal meio de comunicação do operador com a bancada, existem outros meios do operador acionar a mesma, acessando o software do CLP, por exemplo, mas o melhor método para controlar e obter dados da plataforma do ventilador é através do supervisório. Isso acontece devido às interfaces serem de fácil acesso, leitura e compreensão do processo que está acontecendo. A Figura 9 mostra a interface geral da bancada do ventilador. A figura é autoexplicativa e evidencia a facilidade de compreensão e visualização dos parâmetros medidos e controlados.

Fig. 8. – Interface da bancada do ventilador

A leitura da velocidade e vazão do vento, temperatura dos enrolamentos do motor e a rotação do seu eixo estão disponíveis logo na interface inicial, mostrada na figura anterior. O acesso a outros parâmetros estão disponível nos botões “COMANDO”, “MEDIÇÕES”, “TEMP”, “PID”, “GRÁFICO” e “BD”.

Fig. 9. – Tela de “COMANDO”

Na interface “COMANDO” representada na figura acima, o operador consegue ligar e desligar o motor, para tal dispõe de três métodos diferentes: partida direta, inversor de freqüência e Soft-Starter, além disso, ao escolher qual o dispositivo de partida será utilizado existe uma aba ao lado onde se faz a escolha dos parâmetros desejados.

A janela “PID”, vide figura abaixo, permite controlar a estação de trabalho de no modo automático ou manual. Através dela pode-se escolher trabalhar com o Damper ou Inversor. As variáveis ‘PV1’ e ‘PV2’ mostram a velocidade e a vazão do vento, respectivamente; ‘MV’ a abertura do Damper e ‘SP’ permite o operador, quando em modo automático,escolher a velocidade do vento na qual será feito

o controle, para tal é preciso configurar os valores das constantes proporcional, integral e derivado com valores de 0 a 10000 e verificar os resultados.

Fig. 10. – Tela de “PID”

A interface “MEDIÇÕES” é uma das mais ricas em informações, como principal função apenas apresenta os dados, ou seja, não é uma janela de comando. Mas não menos importante que as outras ela mostra a tensão do motor, as correntes nos enrolamentos, a demanda em forma de potência (atual, média, prevista, pico), fator de potência, porcentagem de harmônicos de tensão e corrente, as potências e energia por fase e total (ativas, reativas e aparentes).

Fig. 11. – Tela de “MEDIÇÕES”

A interface “GRÁFICO” apresentada abaixo, mostra em tempo real o gráfico de todos os parâmetros monitorados.

O sistema supervisório do laboratório é o InduSoft Web Studio 6.1. Este foi configurado para realizar o controle de todo o processo apresentando uma capacidade de monitoramento, a taxa de amostra é de 4 leituras por segundo Em particular esse programa permite que o usuário acesse a bancada via internet também, permitindo assim a visualização dos dados à distância.

Diante do exposto, a estação de trabalho do ventilador atém de contemplar um sistema industrial em escala, contém um sistema de automação abrangente, englobando sinais analógicos e digitais, diferentes protocolos de comunicação e um sistema supervisório acessível inclusive via internet.

Fig. 12. – Tela de “GRÁFICO”

IV. ESTUDO DE CASO

Conforme indicado, a estação de trabalho visa representar um sistema de ventilação industrial para estudos de eficiência energética considerando as diferentes formas de controle da vazão do ar. Toda a automação provida possibilita a execução destes estudos de forma rápida e segura, pois não exige a interferência humana nos diversos atuadores e sensores instalados.

Utilizando o sistema supervisório, inicialmente a bancada foi configurada para analisar/registrar o comportamento elétrico e mecânico do sistema de ventilação considerando um controle de vazão através de estrangulamento da tubulação, ou seja, empregando o damper. Os dados coletados pelo sistema supervisório permitiram traçar o gráfico da figura abaixo, ilustrando o consumo de potência ativa versus a vazão.

Potência x Vazão

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0,19 6,76 10,33 15,01 20,45

Vazão [m³/min]

Pot

ênci

a [W

]

Figura 14 – Gráfico da Potência ativa x Vazão, utilizando damper.

De forma análoga e, novamente utilizando as janelas do

sistema supervisório, o acionamento do motor foi alterado para incluir o inversor de freqüência. Este procedimento permite a configuração da freqüência aplicada ao motor (também utilizando as janelas do supervisório), controlando sua rotação. Os resultados obtidos para esta situação estão presentes no gráfico da Figura 15.

Potência x Vazão

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0,00 7,71 11,47 15,82 19,63

Vazão [m³/min]

Pot

ênci

a [W

]

Figura 15 – Gráfico da Potência ativa x Vazão, utilizando inversor

de freqüência.

Diante dos gráficos obtidos, fica evidente a redução de consumo de energia ativa do conjunto de ventilação quando do acionamento via inversor de freqüência. Observa-se que para vazões pequenas em relação à nominal do ventilador a diferença de potência consumida é grande, caindo quando esta vazão vai se aproximando da nominal. A Figura 16 ilustra este comportamento.

Potência x Vazão

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0,10 7,23 10,90 15,41 20,04

Vazão [m³/min]

Pot

ênci

a [W

]

Damper

Inversor

Figura 16 – Gráfico da Potência ativa x Vazão, comparando damper

com Inversor.

Os ensaios comprovaram a maior eficiência do controle da velocidade através da variação da rotação do motor. Este tipo de acionamento, através do inversor, permite uma compatibilização entre a vazão desejada e a rotação do motor. Desta forma, um sensor de vazão fornecendo informações ao CLP possibilita o cálculo da rotação necessária e o conseqüente envio de um sinal proporcional ao inversor. Portanto, a utilização de um sistema automatizado pode contribuir de forma significativa na eficiência energética de processos industriais semelhantes.

V. CONCLUSÃO

A estação de trabalho objeto deste trabalho foi implementada no Laboratório de Eficiência Energética (LEFE) da Faculdade de Engenharia Elétrica possibilitando uma ampla variedade de estudos em eficiência energética assim como a avaliação do impacto das técnicas e processos de automação na otimização do consumo de energia elétrica por cargas tipicamente industriais, neste caso o ventilador.

O desenvolvimento dos CLPs juntamente com os Sistemas Supervisórios, facilitou a integração entre os componentes da automação e conseqüentemente sua interoperabilidade. No que tange ao processo de ventilação industrial, a automação e controle contribui para minimização de erros, obtendo dados mais precisos e confiáveis e, principalmente, permite a compatibilização entre a fonte de força motriz (motor) e a célula de carga (ventilador) evitando desperdícios de energia.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (EXEMPLOS)

[1] Georgini, Marcelo, Automação Aplicada: Descrição e Implementação de Sistemas Seqüenciais com PLCs, Érica, 5a Edição, São Paulo, 2003.

[2] Natale, Fernando, Automação Industrial, Érica, 6a Edição, São Paulo, 2004.

[3] Marco A. A. Colli, Comportamento Dos Sistemas De Ventilação Sob Enfoque Da Qualidade E Eficiência Energética, Uberlândia, 2010.

[4] Sérgio F. P. Silva, Apostila de Controladores Programáveis, Uberlândia, 2005.

[5] Miguel S. A. Filho, Eduardo M. Dias, Aplicação De Redes De Controle Distribuído Em Processo De Pesagem Automatizado e Informatizado, Uberlândia, 2009.