O documento descreve a evolução do sistema de controle de processos de uma planta química da BASF, começando com a produção de resinas e expandindo para incluir a tancagem, uma nova fábrica da Suvinil e a central de energia. O sistema migrou de controladores dedicados para uma arquitetura baseada em redes industriais com protocolos como Profibus para melhorar a flexibilidade, manutenção e integração de equipamentos.

1. REDES INDUSTRIAIS NO CONTROLE DE PROCESSOS
BASF S. A.
Autores e palestrantes:
Cláudio A. O. Correia.
Engenheiro Elétrico
Coordenador Engenharia de Campo
Hermano J. Souza.
Técnico em Automação
Contato:
Cláudio Antonio de Oliveira Correia
Engenharia de Campo Resinas
Tel.: 55 (011) 4347-1194
Fax: 55 (011) 4347-1246
claudio.correia@basf-sa.com.br
Hermano José de Souza
Engenharia de Campo Resinas
Tel.: 55 (011) 4347-1194
Fax: 55 (011) 4347-1246
hermano-jose.souza@basf-sa.com.br
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2. REDES INDUSTRIAIS NO CONTROLE DE PROCESSOS
1 – INTRODUÇÃO
Apresentamos neste breve histórico a evolução de uma planta “conectada”
em redes industriais de controle e periferia distribuída. Destacamos o fato destas
redes estarem em sua maioria em área classificada (Zona 1, IIb, T3) e a diversidade
de equipamentos de campo e controle (SDCD / CLP) comunicando-se como se
fossem do mesmo fabricante. O protocolo principal adotado para periferia inteligente
foi o Profibus (DP e PA) e para pontos discretos, As-i interface. Temos ainda alguns
pontos em Devicenet.
Dividimos o artigo como a planta. No item 2, a descrição de como começou,
na Produção de Resinas; no item 3, a primeira ampliação, com a interligação da
Tancagem; no item 4, a nova fábrica da Suvinil e no item 5, a monitoração da
Central de Energia.
2 – PRODUÇÃO DE RESINAS
Devido a uma ampliação
nas linhas de produção
existentes e à implantação de
uma nova linha, tornou-se
necessário a atualização do
sistema de controle existente.
Com visão no futuro, buscamos
uma tecnologia de ponta
baseada em redes industriais de
campo que reduzissem o
volume de cabos e
proporcionasse uma rápida
operação do sistema e coleta de
dados. A figura 1 representa a
arquitetura de controle existente
anteriormente, composta de dois controladores, estações de trabalho dedicadas,
racks de I/O e redundância de rede.
Precisávamos de um sistema que se adaptasse à base instalada e ao SDCD
existente, reduzindo custos. Optamos pelo Profibus em virtude de ser o protocolo já
disponível para o SDCD existente, o que facilitaria mais sua implantação. Essa
opção permitiu a utilização dos racks e módulos de I/O existentes, sendo necessária
apenas a troca dos controladores devido a necessidade de mais capacidade de
processamento.
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3. Essa troca também
permitiu o uso de
estações de trabalho
independentes e
conectadas diretamente
à rede do sistema.
Mantivemos apenas uma
estação dedicada para
manutenção (fig. 2).
Também implantamos
um controlador para
gerenciamento das
receitas.
A implementação do
sistema ocorreu no
segundo semestre de
2000, com uma arquitetura de rede em barramento, divididas da seguinte maneira:
• Para controle e coleta de dados da planta - Profibus DP;
• Para instrumentos antes em 4-20mA - Profibus PA;
• Para comando, válvulas, atuadores e sensores - AS-interface.
Os instrumentos e válvulas estão distribuídos por sete andares do prédio de
produção de resinas. Os controladores ficam no sétimo andar e as estações de
operação no quarto e quinto andares. As distâncias são longas e o tempo de
resposta é muito curto. A rede Profibus está operando a 1,5 Mbits/s. A figura 3
mostra de forma esquemática a distribuição de pontos nas respectivas redes.
A especificação, montagem,
configuração e comissionamento
do sistema, proporcionaram um
ganho muito grande em
capacitação técnica dos
colaboradores, pois era uma
arquitetura pouco conhecida e
utilizada no mercado.
Encontramos muitas dificuldades
como falta de comprometimento
dos fornecedores com o
funcionamento da rede, falta de
conhecimento especifico da
maioria dos fornecedores
(muitos estavam conhecendo a).
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4. tecnologia nesse projeto), dificuldade de informações específicas da configuração de
redes e instrumentos ( utilização de GSD , mapas erro, envio e recebimento de
telegramas, etc), falta de especialistas no mercado. Com tudo isso, nosso
aprendizado foi muito rico e conseguimos montar uma planta flexível, de fácil
ampliação.
Ganhamos também na rapidez de manutenção graças a capacidade de
diagnósticos do sistema, como podemos ver na figura abaixo, que é uma lista de
status de alguns nós de rede, podendo ser visualizada facilmente no SDCD:
Fig. 4 – Tela de diagnóstico
Ao final, tínhamos a seguinte estrutura de rede:
Controlador EP-10
• 144 canais pontos de entrada analógia 4-20mA
• 48 canais pontos de saída analógia 4-20mA
• 928 pontos de entrada digital
• 416 pontos de saida digital
• Profibus DP/ PA - 3 inversores Profibus-DP e 105 instrumentos de campo
Profibus-PA
• Profibus DP/ASI - 13 gateways, cada um com 10 valvulas on/off em média,
além de botoeiras e sensores indutivos.
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5. Controlador EP-13
• 144 pontos de entrada analógia 4-20mA;
• 48 pontos de saída analógia 4-20mA;
• 832 pontos de entrada digital;
• 448 pontos de saida digital;
• Profibus DP/ PA - 50 instrumentos de campo Profibus-PA;
• Profibus DP/ASI - 4 gateways, cada um com 10 valvulas on/off em média,
além de botoeiras e sensores indutivos.
Com essa estrutura, controlávamos cinco linhas de reatores para produção de
resinas, desde o carregamento de matéria prima até a transferência da resina pronta
para os tanques de estocagem, com uma produção média de 6.000 Ton/mês.
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6. 3 – TANCAGEM
As melhorias foram notáveis e logo surgiram novos projetos de integração de
outras áreas. No segundo semestre de 2002, foram integradas ao mesmo SDCD, a
monitoração e controle de três áreas de tancagem diferentes, cada uma com um
CLP independente dentro do mesmo conceito de rede entre os Clp´s e os
equipamentos de campo (atuadores, sensores, radares, etc.). O sistema
compreende a tancagem de matéria prima e duas áreas de tancagem de resina
pronta totalizando 88 tanques que variam de 25 a 200 ton de capacidade.
A monitoração dos níveis dos tanques é feita através de radares em rede
Profibus-PA. Os sinais são tratados nos CLP´s correspondentes ( geração de
alarmes de nível alto e baixo ) e repetidos numa IHM ( interface homem-máquina )
de operação no campo e nas estações de controle. Alguns tanques de matéria prima
contam também com telemetria, isto é, o sinal do CLP é repetido num gateway
Profibus-DP/Modbus e via modem é disponibilizado numa página da internet na qual
o fornecedor acompanha o nível e automaticamente envia mais produto assim que o
nível baixe até determinado valor.
Na IHM de operação de campo, é efetuada a descarga de matéria prima das
carretas para os tanques, por rotas selecionadas pelo operador. Este digita em
campos apropriados os dados como código do produto, quantidade a descarregar,
placa do caminhão, densidade e seleciona o tanque destino. O CLP calcula o
volume disponível baseado na densidade fornecida e a rota e tanque destino
selecionada. Se houver consistência, o operador pode então iniciar a transferência e
os dados digitados são enviados para o SDCD para os registros administrativos de
logística (fig. 5 ).
Os CLP´s e o SDCD
comunicam-se em
Profibus–DP, porém não
diretamente. Além do fato
de serem de fabricantes
diferentes, os dois
sistemas são mestres.
Neste caso, usamos
gateways DP/DP para
interligá-los.
A figura 6 representa
de forma esquemática
como ficou o sistema após
essa implementação:
Fig. 5 – Exemplo de tela da IHM
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7. Fig. 6 – Rede da tancagem
O sistema de tancagem acrescentou inicialmente, os seguintes pontos no sistema:
• 300 pontos de entrada digital;
• 150 pontos de saida digital;
• Profibus DP/ PA - 102 instrumentos de campo Profibus-PA;
• Profibus DP/ASI - 7 gateways, totalizando cerca de 920 pontos de entrada e
48 de saída.
Este sistema foi recentemente ampliado, recebendo o sistema de telemetria e
novas válvulas AS-i.
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8. 4 – SUVINIL
Em 2003, para ampliar a produção de tintas Suvinil, foi necessária a
construção de uma nova fábrica dentro do próprio site. A operação da planta antiga,
por botoeiras e sinaleiros convencionais, foi substituída por modernas IHM´s
interligadas a um CLP central. São três interfaces gráficas de grande porte para
operação e monitoração e dez de pequeno porte para confirmação de operações,
evitando dosagens erradas de receita.
Como é uma planta consumidora das resinas produzidas, inicialmente não
teria ligação com o SDCD. Mas aproveitando o recurso oferecido pela rede,
conectamos o CLP desta na rede da Tancagem. Acertamos na decisão, pois
recentemente foi acrescentado na planta um novo tanque, com capacidade para 200
T, alimentado diretamente pela fábrica de resinas, sendo necessário então o
comando das suas válvulas e a monitoração de nível pelo SDCD. O operador
comanda do quarto andar do
prédio de resinas, válvulas
montadas a mais de 300m, com
status instantâneo na tela.
A figura 7 representa a
distribuição dos pontos de rede na
Suvinil. Um detalhe nesta
configuração, é a rede das dez
interfaces de confirmação, que
não possuem comunicação
Profibus por isso foram
interligadas em rede proprietária,
diretamente na porta de
comunicação da CPU.
Fig. 7 – Rede Suvinil
Os componentes desta distribuição são os seguintes:
• 380 pontos de entrada digital;
• 190 pontos de saida digital;
• 17 medidores de vazão 4-20ma
• Profibus DP / PA - 5 medidores de vazão e 1 radar Profibus-PA;
• Profibus DP/ASI - 10 gateways, totalizando cerca de 500 pontos de entrada e
250 de saída ( 250 atuadores pneumáticos ).
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9. O conceito de operação das IHM´s foi elaborado de maneira a simplificar ao
máximo o trabalho do operador. As telas foram desenhadas de maneira a induzir a
operação correta de dosagem efetuada pelo operador, dividindo-se as telas por
produto a dosar, deixando apenas a seleção do tanque de destino, a quantidade a
ser dosada e o início de dosagem a cargo do operador.
Para a área de receitas mais complexas, além desta divisão nas telas de
operação, instalamos ao lado de cada tanque de mistura a interface de confirmação.
Após a seleção e ativação da dosagem para algum destes tanques, o operador deve
ir até o tanque e verificar se na respectiva IHM o produto mostrado é o mesmo
selecionado na IHM de operação. Se for, ele confirma a dosagem e só então as
válvulas serão abertas e a bomba ligada.
A produção passou de 8.000.000 para 15.000.000 de litros de tinta por mês após
esta ampliação.
Fig. 8 – Tela de dosagem de água
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10. 5 – CENTRAL DE ENERGIA
Em 2004, chegamos a central de energia da planta, composta de dois
queimadores de óleo térmico e duas caldeiras. Era uma área gerenciada por
terceiros e surgiu a idéia de integrá-la ao SDCD, eliminando os custos mensais com
a empresa terceirizada.
Aqui tínhamos um agravante. Os CLP´s existentes não se comunicam em
Profibus e também não estavam em rede. Buscamos e encontramos no mercado
uma interface de comunicação Profibus de fabricação independente para estes
controladores. A informação que tínhamos ainda era que este tipo de comunicação
não funciona. Não demos importância a isso e decidimos pela integração.
Primeiramente interligamos os quatro controladores em rede proprietária do
fabricante para concentrar em um deles todos os dados a serem enviados para o
SDCD. Neste controlador, instalamos e configuramos a interface Profibus
conectando-a ao SDCD com sucesso e não tivemos nenhum problema de
comunicação desde a instalação.
Foram reservadas quatro áreas na base de dados do SDCD para a troca de
dados com a central de energia com reserva para futuras ampliações ou
modificações. Atualmente os pontos de são:
• 30 pontos de entrada analógica;
• 250 pontos de entrada digital;
• 50 pontos de saída digital.
A configuração ficou assim:
Fig. 9 – Interligação da central de Energia
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11. Todas as modificações e ampliações necessárias nos sistemas de automação
da planta para adequação aos projetos desenvolvidos pela engenharia de projetos,
são implantadas por nossa própria engenharia de campo, graças a especialização
em montagem e configuração de redes industriais adquirida ao longo dos últimos
anos.
Não temos problemas em instalar equipamentos com protocolos diferentes
para integração de sistemas existentes e antigos com sistemas atuais, como ocorreu
em maio de 2005.
Atualmente estamos trabalhando na substituição do gerenciador de receitas.
O novo gerenciador, baseado em PC´s, permitirá um controle maior e mais flexível
sobre o andamento da produção pelo operador além de permitir a integração do
processo com o sistema corporativo, facilitando em muito a logística relacionada ao
consumo de matéria prima e produto final acabado.
Hoje temos uma planta “conectada” constituída de cerca de 433 pontos
analógicos, 3600 pontos digitais, 285 instrumentos em rede, 2300 pontos de rede de
atuadores e sensores, tudo isso distribuído em 17 redes de controle, 38 redes de
instrumentos e 43 redes de atuadores/sensores.
Hermano José de Souza.
Engenharia de Campo Resinas
Links interessantes:
www.basf.com.br
www.suvinil.com.br
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