Sistemas de dosagem industrial

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Cristiano Bertulucci Silveira

Um sistema de dosagem industrial pode ser definido como sendo um conjunto de equipamentos com a finalidade de manipular matérias-primas (líquidos e sólidos) para produzir produtos químicos tais como como bebidas, derivados químicos, mistura de nutrientes para ração animal (premix, sal mineral), aditivos e líquidos para indústria alimentícia em geral. Devido a grande quantidade de variações de processos e grandezas tais como temperaturas, tipo de matérias-primas, aquecimento, mistura e clima, não existe um projeto único que possa ser utilizado como padrão em todas as indústrias. No entanto, diferentes alternativas podem ser combinadas para produzir melhores soluções visando segmentos industriais específicos. Neste artigo apresentaremos como funciona um sistema de dosagem industrial e faremos um comparativo dos sistemas manuais com os sistemas automatizados ressaltando as diferenças e ganhos produtivos que cada tipo de sistema pode oferecer.

Os sistemas de dosagem são utilizados nas mais diversas indústrias: exploração e refinamento de óleo e gás natural; ferro e aço; indústrias de processamento químico; indústrias de papel e celulose; tratamento de água e efluentes; indústrias alimentícias e farmacêuticas; indústrias de ração animal; e indústrias de bebidas. Novas tecnologias de mistura química e dosagem sempre estão em desenvolvimento, porém, de forma geral, os princípios químicos básicos de líquidos permanecem constantes. Por este motivo, a utilização de alguns componentes no sistema de dosagem acabam sendo um padrão tais como: válvulas, bombas, etc. Outrossim, a complexidade do sistema necessário para uma indústria em particular varia com a capacidade de produção, tipo de produto, topografia do local e as regras regionais e regulamentos de agências reguladoras.

O projeto e a engenharia detalhada de um sistema de dosagem devem ser pré requisitos para o projeto individual de cada componente deste sistema, sendo que a integração de todos os componentes deve resultar em um sistema compacto e eficiente. Um sistema de dosagem bem projetado deve ser: compacto; economizar espaço na instalação predial; ser amigável operacionalmente; e ter instrumentações avançadas como sensores ultrassom e medidores de vazão com tecnologia de ponta podem ser incorporadas no sistema para o completo controle e registro de informações. Na Figura 1 abaixo, é possível visualizar um sistema completo de dosagem industrial.

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Na Figura 1, podem ser destacados alguns subsistemas de um sistema de dosagem industrial:

  1. Tanques de mistura ou reatores: São responsáveis por receber a matéria-prima, misturar os ingredientes, aquecer ou resfriar em alguns casos e criar o produto final com as especificações desejadas. É nos tanques ou reatores onde a produção ocorre de fato;
  2. Tanques de matéria-prima: São os tanques que armazenam a matéria prima utilizada na composição do produto. Aguns exemplos destas matérias primas são: óleo vegetal, formol, ácido acético, ácido propiônico, propileno glicol, ácido fórmico, leite, xarope, água, etc.
  3. Recebimento e armazenamento de matéria-prima: tanques para o armazenamento;
  4. Sistema de envase: O envase é a parte onde o produto será colocado na embalagem primária (bombona, galão, frasco, sachê, isocontainer, etc) de acordo com o pedido do cliente.  O sistema de envase pode ser tanto manual quanto automatizado.

Os subsistemas possuem ainda alguns componentes auxiliares responsáveis por coletar informação e permitir a conexão entre eles. São eles:

  • Agitadores;
  • Medidores de nível (Ultrassom);
  • Tubulação interconectada;
  • Acessórios para tubulação;
  • Válvulas;
  • Instrumentação (medidores de fluxo ou vazão, medidores de pressão ou phmetros, células de carga);
  • Painéis de controle ou sistemas de controle;

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Componentes de um sistema de dosagem industrial

Dentre os citados acima, o principal componente de um sistema de dosagem é a bomba hidráulica. Em um sistema de dosagem de líquidos, a bomba hidráulica tem a funcionalidade de fornecer o líquido ou solução a um fluxo ou vazão desejado. Trata-se de um dispositivo de deslocamento positivo que possui a funcionalidade de variar sua capacidade de bombeamento manualmente ou automaticamente, o tanto quanto o processo demandar. A bomba deve apresentar um elevado nível de repetição e acurácia e deve ser capaz de bombear uma variedade de produtos químicos, incluindo ácidos, bases, líquidos viscosos ou corrosivos.

As bombas hidráulicas podem ser equipamentos destinados ao bombeamento controlado, ou seja, equipamentos que possuem controle de vazão para os processos de tratamento de água ou efluentes e para processos industriais nas áreas químicas, petroquímicas, beneficiamento, usinas de açúcar e álcool, farmacêuticas, dentre varias outras aplicações que necessitam de controle. O controle de vazão pode ser manual ou automático por sinal de 4 a 20 mA ou por pulso.

Dentre vários tipos de bombas podemos citar 2 tipos mais utilizados:

  • Bomba de pistão: Este tipo de bomba possui seu princípio de funcionamento baseado em um pistão que se movimenta alternadamente em contato direto com o fluido. Assim, o seu deslocamento gera uma pressão que permite a movimentação do fluido  de um lugar para outro;
  • Bomba de diafragma:  Esta bomba também possui um pistão, porém ele é blindado do fluído por um diafragma. Trata-se uma bomba de deslocamento positivo, na qual um pistão corretamente dimensionado, funcionando em movimento alternado e com um curso determinado desloca um volume exato de óleo. Por meio deste óleo, o pistão move hidraulicamente e alternativamente um diafragma, cujo deslocamento, por sua vez, força o movimento do líquido a ser bombeado através do sistema de válvulas de retenção na aspiração e no recalque.
Imagine na Figura1 que todo o sistema dependa de pessoas para funcionar. Poderíamos até elaborar um procedimento operacional para isto, Vamos lá: Primeiramente é importante que os operadores sejam treinados para realizar os seguintes procedimentos:
  1. Abastecer os tanques de matérias-primas;
  2. Abrir a válvula de um tanque de matéria-prima desejado;
  3. Ligar a bomba de dosagem para que ela alimente o reator de matéria-prima;
  4. Acompanhar a dosagem de matéria-prima até que o reator possua a quantidade desejada de matéria prima;
  5. Repetir os passos 3 e 4 para a adição de outras matérias-primas;
  6. Ligar o agitador do reator;
  7. Esperar o tempo de agito;
  8. Ligar o banco de resistência para aquecer o líquido (se for necessário na receita);
  9. Esperar o tempo de aquecimento;
  10. Realizar o envase manualmente.

Veja pelo procedimento acima que são várias as etapas envolvidas na fabricação de um determinado produto. Elas podem ainda ser mais detalhadas (um ou mais procedimentos para cada etapa) e geralmente exigem mais pessoas envolvidas na operação. Por exemplo, existem os operadores que são responsáveis pela mistura e os operadores responsáveis pelo agito do líquido. Analisando superficialmente o procedimento acima, percebemos que existe o risco iminente de falha humana logo no passo 2. Neste item, visualizamos que se o operador por exemplo esquecer de abrir a válvula e ir direto para a etapa 3, a bomba vai inserir uma pressão no sistema podendo fazer com que as válvulas ou a própria tubulação do sistema se danifiquem, causando um acidente de trabalho. O acidente pode ser ainda mais grave se for líquido for corrosivo e, portanto, danoso ao ser humano.

Outro risco que podemos verificar é com relação à última etapa, a de envase. Se o operador tiver que manusear líquidos com temperaturas elevadas, há também o risco de queimaduras. Analisando os fatores acima, percebe-se facilmente que os sistemas autocontrolados tornam-se uma alternativa bem interessante não somente pelo ganho de produtividade mas também pela redução de falhas e riscos de acidentes do trabalho. A desvantagem por sua vez, aparentemente é com relação ao custo. Digo aparentemente devido ao motivo de que com os avanços tecnológicos, a carência de mão-de-obra e a diminuição do custo dos componentes de automação, está ficando cada vez viável sistemas automatizados e mais difícil encontrarmos sistemas de dosagem completamente manuais.

Os sistemas de dosagem autocontrolados exigem a aplicação de controladores lógicos programáveis (CLPs). Estes controladores são capazes de aquisitar sinais de sensores de acordo com valores pré-determinados e realizar o monitoramento e controle automático da dosagem. Eles possuem ainda um baixo tempo de resposta  e são responsáveis por alterar condições do processo que exigem mudanças frequentes nas condições de dosagem. Podemos citar dois tipos mais aplicados de sistemas de dosagem autocontrolados:

Método de vazão proporcional:

  • Utiliza sinal de instrumentos para ajustar a taxa de dosagem, baseada na vazão atual;
  • Um sinal elétrico é gerado dos medidores de vazão que alimentam um controlador (CLP);

Método de medição de parâmetros:

  • Mede vários parâmetros coletados do processo (densidade, Ph, etc);
  • Os parâmetros são analisados para tomar decisões de dosagem;
  • As decisões são tomadas por um processador central, baseado na comparação de leituras e controles pré-programados.
Tratando-se de sistemas de dosagem autocontrolados, é fundamental que haja uma interface humana com o sistema, ou seja, o operador precisa informar o quanto e o que vai ser produzido e quando isto vai acontecer. Para realizar esta operação, podem ser utilizadas IHMs (Interface Homem Máquina) ou softwares instalados em plataforma PC capazes de serem operados pelo ser humano. Aqui falaremos um pouco mais dos softwares, os chamados sistemas supervisórios.

Os softwares supervisórios são sistemas desenvolvidos com a funcionalidade de comunicar com um CLP e aquisitar toda a informação de sensores e atuadores em campo, projetando então estas informações em uma tela de computador. Para realizar a comunicação com CLPs eles precisam “falar” uma linguagem comum (denominado de protocolo de comunicação). Alguns protocolos de mercado mais conhecidos são: Modbus, Canopen, Devicenet, Profibus. É importante reforçar aqui que com a evolução dos softwares supervisórios, foi possível agregar uma série de recursos que antes dificilmente seria possível com a utilização somente de IHMs. São recursos interface com banco de dados, controle avançado, registro em banco de dados de histórico de grandezas de processo, equipamentos, produção, consumo e geração automática de indicadores de performance. Abaixo, na Figura 3, é possível visualizarmos as telas de um software supervisório para um sistema de dosagem.

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Software para sistemas de dosagem.

Com relação aos recursos, os softwares podem ainda fornecer funcionalidades importantes como:

  • Supervisão assistida e remota;
  • Cadastro de receituário e histórico de produção;
  • Cálculo de eficiência operacional, OEE (Produtividade x Eficiência x Qualidade);
  • Geração de histórico de equipamentos e grandezas;
  • Monitoramento de status do sistema: em falha, em produção, ociosiade;
  • Baixa automática de matéria-prima;
  • Cadastro de produtos e matéria-prima;
  • Alimentação automática das ordens de produção;
  • Informações precisas de falhas no sistema para análise crítica;
  • Integração com sistemas ERPs.

Fica evidente que para o software coletar as informações de campo, ele deve se comunicar com o CLP. O CLP por sua vez, busca as informações de campo através de interfaces analógicas e digitais que fazem a aquisição do sinal de sensores instalados em campo. Para os sistemas de dosagem industrial, os sensores mais utilizados são:

  • PT-100: Sensor utilizado para medir a temperatura da solução;
  • Células de carga: São sensores de peso capazes de coletar o peso de líquido contido em um tanque. São muito utilizadas nos reatores;
  • Phmetro: Sensores utilizados para medir o ph dos líquidos;
  • Sensores de nível Ultrassom: Sensores capazes de informar a altura em coluna de água de líquido contido em um tanque;
  • Sensor de temperatura e umidade do ar: Utilizado para coletar a temperatura ambiente.

Da mesma forma que o software busca informações no CLP, ele também envia comandos ditados pelo operador. Uma vez este comando recebido, ele dispara o acionamento de bombas e válvulas ou outros dispositivos acionados em campo. Veja que  o CLP faz toda a gestão da lógica de controle e o software a interface e gestão das informações.

Como é possível concluir, os benefícios proporcionados pela automação industrial em sistemas de dosagem são imensos. No entanto, é preciso analisar a fundo cada projeto para saber o que se aplica e o que não se aplica de forma a evitar custos desnecessários. Deve-se levar em conta também o retorno sobre o investimento que cada componente adicionado poderá trazer. Como por exemplo, instalar um sensor ultrassom em cada tanque de matéria-prima pode parecer onerar o projeto em um primeiro momento, porém quando é realizada uma análise mais detalhada poderia-se contatar o contrário.

Se por algum motivo acontecer um problema recorrente de que ao abastecer os tanques, o fornecedor deixe de completar os mesmos no nível desejado (é possível que isto ocorra justamento pelo fato de não ter como medir a quantidade abastecida) e houver perda de matéria-prima (paga-se mais do que é recebido), com o passar do tempo isto acabará ficando mais oneroso do que se fosse instalado os sensores no sistema de forma a garantir o abascecimento correto. Lembre-se de que atuar na causa raiz é sempre mais importante do que atuar no problema.

Apesar do sistema automatizado fornecer a melhor alternativa, não deve-se lançar mão desta excelente alternativa sem antes recorer a um bom projeto de engenharia. Com o projeto em mãos e todas as necessidades e requisitos delineados, os sistemas automatizados de dosagem industrial com certeza proporcionam um excelente retorno para a empresa com ganhos de produtividade, performance e capacidade analítica das informações.

Cristiano Bertulucci Silveira é engenheiro eletricista pela Unesp com MBA em Gestão de Projetos pela FVG e certificado pelo PMI. Atuou em gestão de ativos e gestão de projetos em grandes empresas como CBA-Votorantim Metais, Siemens e Votorantim Cimentos. Atualmente é diretor de projetos da Citisystems – cristiano@citisystems.com.br – Skype: cristianociti

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