Ramos Mario Bertt de Arruda

7/21/2019 Ramos Mario Bertt de Arruda

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MRIO BERTT DE ARRUDA RAMOS

PROPOSTA DE PLANTA DIDTICA

MULTIPROCESSO E MULTITAREFA

Trabalho de Concluso de Curso

apresentado Escola de Engenharia de SoCarlos, da Universidade de So Paulo

Curso de Engenharia Eltrica com nfaseem Sistemas de Energia e Automao

ORIENTADOR: Prof. Dr. Dennis Brando

So Carlos

2013


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II

AUTORIZO A REPRODUO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO,POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRNICO, PARA FINSDE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

Ramos, Mrio Bertt de Arruda

R175p Proposta de planta didtica multiprocesso e

multitarefa / Mrio Bertt de Arruda Ramos; orientador

Dennis Brando. So Carlos, 2013.

Monografia (Graduao em Engenharia Eltrica com

nfase em Sistemas de Energia e Automao)--Escola de

Engenharia de So Carlos da Universidade de So Paulo,

2013.

1.Planta didtica. 2. Multiprocessos. 3.Multitarefa. 4. Redes de campo. 5. Controle de

processos. 6. Modelagem 3D. I. Ttulo.


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III


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IV

AGRADECIMENTOS

Agradeo a todos que me apoiaram e me incentivaram durante todo o percurso

dessa longa jornada.


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V

SUMRIO

Lista de figuras .............................................................................................................. VII

Lista de siglas ................................................................................................................. IX

Resumo ........................................................................................................................... XI

Abstract .......................................................................................................................... XII

1.

INTRODUO ........................................................................................................... 1

1.1.Plantas didticas .................................................................................................... 1

1.2.Motivao ............................................................................................................. 1

1.3.

Objetivos ............................................................................................................... 2

2. TEORIA APLICADA .................................................................................................. 3

2.1.Controle ................................................................................................................ 3

2.1.1. Variveis de processo .................................................................................. 3

2.1.1.1. Varivel controlada ............................................................................ 3

2.1.1.2.

Meio controlado ................................................................................. 4

2.1.1.3. Varivel manipulada (MV) ................................................................ 4

2.1.1.4. Agente de controle ............................................................................. 4

2.1.2. Malhas de controle ...................................................................................... 5

2.1.2.1. Malha aberta ...................................................................................... 5

2.1.2.2. Malha fechada .................................................................................... 5

2.2.Tipos de Controle ................................................................................................. 6

2.3.

Tecnologias de redes de campo (Fieldbus) .......................................................... 9

2.3.1. PROFIBUS ................................................................................................ 10

2.3.2. Foundation Fieldbus (FF) .......................................................................... 12

2.3.3. HART ........................................................................................................ 14

3. PROJETO .................................................................................................................. 16

3.1.

Concepo ........................................................................................................... 16


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VI

3.2.Diagrama P&ID .................................................................................................. 17

3.3.

Caractersticas construtivas ................................................................................ 18

3.3.1. Descrio de componentes mecnicos ...................................................... 19

3.3.2.

Descrio de componentes eltricos ......................................................... 27

3.3.3. Dimensionamento dos componentes eltricos .......................................... 38

3.3.3.1. Acionamento: ................................................................................... 38

3.3.3.2. Proteo ........................................................................................... 39

3.3.4. Estrutura completa ..................................................................................... 39

3.4.Topologia das redes propostas ............................................................................ 45

3.4.1. Rede PROFIBUS....................................................................................... 45

3.4.2.

Rede Foundation Fieldbus ......................................................................... 46

3.4.3. Rede HART ............................................................................................... 46

4. PROPOSTA DE UTILIZAO E FUNCIONALIDADES ..................................... 47

4.1.Proposta didtica para malha de nvel. ............................................................... 47

4.2.Proposta didtica para malha de temperatura. .................................................... 48

4.3.

Proposta didtica para malha de controle de fluxo. ............................................ 48

4.4.Proposta didtica para automao da planta ....................................................... 49

5. CONCLUSO ........................................................................................................... 50

6. SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ..................................................... 51

7. BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................... 52

Apndice A: DIAGRAMA P&ID .................................................................................. 54

Apndice B: LISTA COMPLETA DE COMPONENTES. ........................................... 55

Apndice C: DIAGRAMA ELTRICO DO PAINEL. .................................................. 57

Apndice D: DIAGRAMA BINRIO DE SEGURANA. .......................................... 68


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VII

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Exemplo de sistema de aquecimento. ............................................................... 4

Figura 2: Diagrama de blocos de uma malha aberta. ....................................................... 5

Figura 3: Exemplo de controle de processo em malha fechada. ...................................... 6

Figura 4: Diagrama de blocos - controle antecipatrio. ................................................... 8

Figura 5: Diagrama de blocos - malha em cascata. .......................................................... 9

Figura 6: Camadas do sistema OSI. ............................................................................... 10

Figura 7: Exemplo de topologia de rede PROFIBUS. ................................................... 12

Figura 8: Chaveamento por deslocamento de frequncia (FSK). ................................... 15

Figura 9: Os dois canais de comunicao da tecnologia HART. ................................... 15

Figura 10: Representao do perfil de alumnio. ............................................................ 20

Figura 11: Representao do conector rpido para perfis. ............................................. 20

Figura 12: Modelo 3D do rodzio giratrio 100 mm. ..................................................... 21

Figura 13: Modelo 3D da canaleta (Hellerman). ............................................................ 21

Figura 14: Unio soldvel de 1/2'' (Amanco). ................................................................ 22

Figura 15: Modelo 3D das mangueiras de conexo do radiador e eletrobomba. ........... 22

Figura 16: Modelo 3D da vlvula solenoide. ................................................................. 23

Figura 17: Modelo 3D da vlvula manual e sensor; (a) Aberta (b) Fechada.................. 24

Figura 18: Modelo 3D da caixa d'gua 100 litros (Fortlev). .......................................... 24

Figura 19: Dimenses do tanque de mistura (cm). ......................................................... 25

Figura 20: Foto da caldeira. ............................................................................................ 26

Figura 21: Modelo 3D da estrutura de proteo da caldeira........................................... 26

Figura 22: Modelo 3D do radiador. ................................................................................ 27

Figura 23: Modelo 3D do transmissor de presso PROFIBUS-PA(Smar). .................. 27

Figura 24: Modelo 3D transmissor volumtrico HART. (Metroval). ............................ 28

Figura 25: Sensor e transmissor de temperatura FF (Rosemount). ................................ 29

Figura 26: Modelo 3D do conversor FF para 4-20mA (Smar). ...................................... 29

Figura 27: Inversor de frequncia CFW08 (Weg). ......................................................... 30

Figura 28: Modelo 3D da bomba d'gua (Ferrari). ......................................................... 31

Figura 29: Modelo 3D da chave boia (Margirius). ......................................................... 31

Figura 30: Modelo 3D da eletrobomba (Emicol). .......................................................... 32

Figura 31: Mini ventilador 1/40 (Elgin). ........................................................................ 32


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VIII

Figura 32: CLP Citrino com tecnologia HART (Fertron). ............................................. 33

Figura 33: CLP DF51 com mdulos FF (Smar). ............................................................ 33

Figura 34: CLP S7-1200, CPU e mdulo mestre PROFIBUS-DP (Siemens). ............ 34

Figura 35: CLP S7-1200, CPU e mdulo de expanso (Siemens). .............................. 34

Figura 36: Acoplador de segmento DP-PA (Pepperl Fuchs). ....................................... 35

Figura 37: Modelo 3D Vista dos prensa cabos na parte inferior do painel. ................ 36

Figura 38: Modelo do painel eltrico e seus equipamentos (Cemar Legrand). ............ 37

Figura 39: Modelo 3D da estrutura de perfis (dimenses em cm). ................................ 40

Figura 40: Plano de corte dos perfis. .............................................................................. 40

Figura 41: Modelo 3D da planta montada (vista frontal). .............................................. 41

Figura 42: Modelo 3D da planta montada; (a) lateral esquerda, (b) lateral direita. ....... 41

Figura 43: Modelo 3D da planta montada (vista superior). ............................................ 42

Figura 44: Modelo 3D da planta montada (perspectiva frontal). ................................... 42

Figura 45: Modelo 3D da planta montada (perspectiva posterior A). ............................ 43

Figura 46: Modelo 3D da planta montada (perspectiva posterior B). ............................ 44

Figura 47: Topologia proposta para a rede PROFIBUS. ................................................ 45

Figura 48: Topologia proposta para a rede FF. .............................................................. 46

Figura 49: Topologia proposta para a rede HART. ........................................................ 46


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IX

LISTA DE SIGLAS

3D Trs Dimenses

AC Alternating current

Bps Bits por segundo

BSP British Standard Pipe

CAD Computer Aided Design

CC Corrente Contnua

CLP Controlador Lgico Programvel

CPU Central Processing Unit

CV Cavalo Vapor

DIN Deutsches Institut fr Normung

EESC Escola de Engenharia de So Carlos

EN Normas Europeias Harmonizadas

FF Foundation Fieldbus

FSK Frequency Shift Keying

HART Highway Addressable Remote Transducer

HCF HART Communication Foundation

IEC International Electrotechnical CommissionISA International Society of Automation

ISO International Organization for Standardization

Kbit/s Mil bits por segundo

KW Mil watts

LAS Link Active Schedule

l/min. Litros por minuto

MAC Medium Access ControlMbit/s Um milho de bits por segundo

MV Manipulate value

OSI Open Systems Interconnection

P&ID Piping and instrumentation diagram

PFD Process Flow Diagram

pH Potencial Hidrogeninico

PID Proporcional Integral Diferencial


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XI

RESUMO

Este trabalho apresenta a proposta de construo de uma planta didtica a ser

implantada no laboratrio de ensino deste Departamento para servir de ferramenta no

ensino da disciplina SEL0431 - Laboratrio de controle de processos industriais. A

proposta foi elaborada de tal maneira que a planta contenha trs tipos diferentes de

malha de controle, so elas: controle de temperatura, controle de nvel e controle de

fluxo. Cada malha de controle usar um protocolo de comunicao industrial diferente,

proporcionando ao aluno um conhecimento abrangente da rea. Os trs protocolos

selecionados foram: PROFIBUS, FOUDATION FIELDBUS e HART. A proposta

tambm prev a capacidade da planta proporcionar o ensaio para at quatro grupos de

estudo ao mesmo tempo, por essa razo a planta designada como multitarefa. Outro

atributo buscado foi o custo. O projeto construtivo foi elaborado usando a tcnica de

modelagem 3D via software, possibilitando assim a visualizao integral da estrutura

completa. Conclui-se esse trabalho com a apresentao da proposta completa atendendo

aos requisitos iniciais incluindo, modelos 3D do conjunto, diagrama de processo, lista

de materiais, diagramas eltricos e diagramas de segurana. Durante o desenvolvimento

foi possvel verificar a enorme importncia dos softwares de modelagem 3D,

permitindo um projeto mais preciso, dessa maneira diminuindo os imprevistos na

construo.

Palavras-Chave: Planta didtica, multiprocessos, multitarefa, redes de campo, controle

de processos, modelagem 3D.


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XII

ABSTRACT

This work presents a proposal to build a didactic plant to be implemented in the

teaching laboratory of this department to serve as a tool in teaching the disciplineSEL0431 - "Laboratory of industrial process control." The proposal was developed in

such a way that the plant contains three different types of control loop, they are:

temperature control, level control and flow control. Each control loop will use a

different industrial communication protocol, providing the student with a

comprehensive knowledge of the area. The three protocols that were selected are:

PROFIBUS, FOUDATION FIELDBUS and HART. Moreover, the proposal provides

the ability of the plant to provide the test with four study groups at the same time for

this reason the plant is designated as multi-tasking. Another attribute sought was the

cost. The construction project was prepared using the technique of 3D modeling via

software, allowing full visualization of the complete structure. It is concluded this work

with a presentation of the full proposal meeting the initial requirements including 3D

models of the assembled set, process diagram, materials list, electrical diagrams and

safety diagrams. During development it was possible to see the huge importance of 3D

modelingsoftware, allowing for a more accurate design, thus reducing the unforeseen

construction.

Key words: Didactic Plant, multiprocessors, multitask, fieldbuses, process

control, 3D modeling.


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1

1. INTRODUO

1.1.Plantas didticas

No ensino de modo geral, o aprendizado prtico um grande aliado na fixao e

compreenso de determinado assunto. Ao realizar determinada atividade na prtica, o

estudante capaz de fixar com maior rapidez o assunto em questo.

Nos cursos de engenharia de um modo geral os aspectos tericos so trabalhados

de forma completa enquanto a prtica em instrumentos reais muitas vezes d lugar s

simulaes, mais especificamente na engenharia eltrica, na rea de controle de

processos, o uso de plantas didticas possibilita aos estudantes se familiarizarem com

redes industriais, comunicao e controle de processos na prtica. [1]

Uma planta didtica tem por objetivo simular em laboratrio o comportamento

de processos comuns nos mais diversos ramos industriais, como por exemplo: qumico,

papel e celulose, minerao, farmacutico, acar e lcool, alimentcio, petrleo, e

outros.

A planta didtica disponibiliza o processo de controle e superviso em umsistema compacto e ao mesmo tempo fiel realidade da automao industrial,

proporcionando ao aluno uma viso realista dos problemas enfrentados no dia-a-dia de

um engenheiro que atue nessa rea.

No Brasil a comercializao de plantas em larga escala se resume ao fabricante

Smar. Cada vez mais presentes nesse cenrio, so os projetos de pesquisa dentro das

faculdades, onde os prprios professores e alunos desenvolvem suas plantas didticas,

da mesma maneira como esse trabalho prope-se a fazer.

1.2.Motivao

Cada vez mais o Brasil sente a carncia de mo de obra qualificada, fazendo

com que a demanda por especializao seja crescente. Levando em conta os benefcios

do ensino prtico, a planta didtica torna-se um importante recurso acadmico na rea

de redes industriais e controle de processos.


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2

Uma vez que a aquisio de plantas comerciais excessivamente dispendiosa e

conciliando esse fato com a oportunidade de aperfeioamento da infraestrutura do

laboratrio do Departamento que surgiu a iniciativa desta proposta.

1.3.Objetivos

O objetivo desse trabalho montar uma proposta de construo de uma planta

didtica com trs processos distintos e com mltiplas redes de campo utilizando

diferentes protocolos de comunicao. Alm dessas caractersticas, prope-se o uso

simultneo pelos alunos, tornando a planta tambm multitarefa.

Esse objetivo foi traado, tendo em vista a falta de plantas com essascaractersticas no mercado e a possibilidade de se trabalhar com um maior nmero de

alunos apenas com um nico equipamento.

Pressupe-se a posterior execuo dessa proposta e introduo da planta no

laboratrio do Departamento onde a planta ser utilizada como apoio nas aulas da

disciplina SEL0431 - Laboratrio de controle de processos industriais ministradas no

Departamento de Engenharia eltrica da EESC-USP.

Nesse trabalho ser apresentada a lista de equipamentos, a funo de cada um naplanta, as imagens dos modelos 3D de cada componente, o diagrama de tubulao e

instrumentao, o dimensionamento dos componentes, o diagrama eltrico do painel, as

topologias de redes definidas, as propostas de funcionamento da planta, as imagens da

estrutura proposta completamente montada em 3D e o diagrama lgico de segurana.


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3

2. TEORIA APLICADA

2.1.Controle

A teoria de controle dentro da engenharia e da matemtica trata do

comportamento de sistemas dinmicos. A sada desejada de um sistema chamada de

referncia. Quando uma ou mais variveis de sada necessitam seguir certa referncia ao

longo do tempo, um controlador manipula as entradas do sistema para obter o efeito

desejado nas sadas. A seguir, sero elencados alguns termos relacionados teoria de

controle na engenharia.

2.1.1.Variveis de processo

Geralmente, existem vrias condies internas e externas que afetam o

desempenho de um processo. Estas condies so denominadas de variveis de

processo, so elas: temperatura, presso, nvel, vazo, volume, pH, etc. O processo pode

ser controlado medindo-se a varivel que representa o estado desejado e ajustando

automaticamente as demais, de maneira a se conseguir um valor desejado para a

varivel controlada. As variveis ambientais devem sempre ser includas na relao de

variveis do processo.

2.1.1.1. Varivel controlada

tambm denominada de varivel de processo (PV). Indica mais diretamente a

formaou o estado desejado do produto controlado. Considere,por exemplo, um sistema

de aquecimento mostrado na figura 1. Supondo que a finalidadedo sistema fornecer

uma determinada vazode fluido aquecida, a varivel mais indicativadeste objetivo a

temperatura do fluido desada do aquecedor, que deve ser ento a varivel controlada.


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4

Figura 1: Exemplo de sistema de aquecimento.

2.1.1.2. Meio controlado

a energia ou material no qual a varivel controlada. No processo anterior, o

meio controlado o fluido na sada do processo, e a varivel controlada a temperatura

do fluido.

2.1.1.3. Varivel manipulada (MV)

aquela sobre a qual o controlador atua, no sentido de mant-la no valor

desejado. A varivel manipulada pode ser qualquer varivel que cause uma variao

rpida na varivel controlada do processo.

2.1.1.4. Agente de controle

a energia ou material do processo usado para controlar o sistema. Enquanto a

varivel manipulada corresponde a uma condio ou caracterstica do agente de

controle. No exemplo acima, o agente de controle o vapor e a varivel manipulada a

vazo do vapor.


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5

2.1.2. Malhas de controle

Quando se fala em regulao ou controle, deve-se necessariamente subentender

uma medio de uma varivel qualquer do processo, isto , a informao que o

regulador recebe para tomar suas decises. Recebida esta informao, o sistema

regulador compara com um valor preestabelecido denominadoset point (SP), verifica-se

a diferena entre ambos e age-se de maneira a diminuir a diferena entre a medida e o

set point, denominando-se malha de controle. As malhas de controle podem ser do tipo

aberta ou fechada.

2.1.2.1. Malha aberta

Na malha aberta, a informao sobre a varivel controlada no usada para

ajustar qualquer entrada do sistema. Esse tipo de malha no usualmente utilizado no

controle de processos industriais. Na figura 2 mostrado o diagrama de blocos de uma

malha aberta.

Figura 2: Diagrama de blocos de uma malha aberta.

2.1.2.2.

Malha fechada

Por outro lado, na malha fechada, a informao sobre a varivel controlada, com

a respectiva comparao com o valor desejado (SP), usada para manipular uma ou

mais variveis do processo. Na figura 3, temos o exemplo do controle em malha fechada

de nvel de lquido em um tanque.


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7

I = Correo proporcional ao produto erro x tempo. Erros pequenos, mas que

persistem por muito tempo requerem correes mais intensas.

D = Correo proporcional taxa de variao do erro. Se o erro varia muito

rapidamente, o controle responde intensamente.

A equao I a mais utilizada para representar o controlador PID.

(I)

OndeKp, Ki,eKdso os ganhos de cada parcela eE(t)representa o erro entre

SP e PV. Dessa maneira, com a variao dos ganhos consegue-se definir a intensidade

de cada ao. Contudo, os fabricantes de equipamentos disponibilizam ao usurio outrosparmetros de ajuste, alterando a forma bsica da equao mostrada acima. O exemplo

mais comum mostrado ma equao II:

(II)

Onde Pb chamado de banda proporcional, Ir de taxa integral e Dt de

tempo derivativo.

Atualmente no panorama industrial, existe uma grande variedade de

controladores que fazem o ajuste desses parmetros automaticamente (self-tunning) e

que tambm so capazes de se ajustar automaticamente devido a mudanas nos

processos, por essa razo so chamados de auto-adaptativos.

Outro tipo de controle muito usado na indstria o controle liga/desliga

(ON/OFF), seu princpio de funcionamento mais bsico e geralmente no utilizadoem processos contnuos. Esse tipo de controle mais frequentemente usado em reas

onde no necessrio o controle rigoroso das variveis de processo, por exemplo, uma

vlvula de drenagem em um tanque. A grandeza do sinal de erro no tem qualquer

influncia sobre sinal de sada do controlador. Dessa forma, quando o nvel atingir a

condio alta, a vlvula totalmente aberta, permanecendo aberta at o tanque chegar

condio de nvel baixo. Alm dessas duas tcnicas ainda existem outras tcnicas de

controle: auto-operado, avano de fase, atraso de fase, multivarivel, adaptativo, timo,

no linear, preditivo, robusto, lgicafuzzy, redes neurais e outras.


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8

Alm dos mtodos diferentes do controlador obter a MV para levar o processo

ao SP, tambm existe a possibilidade de diferentes arranjos de instrumentos e obteno

de variveis de processo, possibilitando alcanar melhores desempenhos de controle em

um determinado processo. Os arranjos mais comuns so: controle antecipatrio (feed

forward) e controle em cascata.

Um exemplo de controle antecipatrio pode ser visualizado no diagrama de

blocos da figura 4, o processo tem com objetivo manter a temperatura em um valor fixo.

A malha de temperatura a malha principal, esta recebe um ganho proveniente do fluxo

de gua fria, para acelerar a demanda de potncia necessria para manter a temperatura

constante. Esta estratgia garante respostas rpidas s variaes de fluxo na entrada de

gua no tanque de aquecimento.

Figura 4: Diagrama de blocos - controle antecipatrio.

J o controle em cascata toma uma ao corretiva no sistema antes que a

varivel de controle primria seja afetada, mas depois que uma perturbao j atingiu o

processo. Trata-se de duas variveis controladas atuando em uma mesma varivel

manipulada, no qual osetpoint do controlador da malha interna (controlador escravo)

dado pela sada do controlador da malha externa (controlador mestre) [2]. No exemplo

mostrado na figura 5, o controle em cascata aplicado em um tanque de mistura, ele

possui duas malhas de controle: malha principal (controle de temperatura) e malha

secundria (controle de vazo).


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Figura 6: Camadas do sistema OSI.

Em se tratando de redes industriais (Fieldbus), a maioria dos protocolos

apresentam somente trs das sete camadas previstas no modelo OSI: fsica, enlace e a de

aplicao.

Atualmente existem diversos protocolos diferentes no mercado. Porm os mais

difundidos so: AS-Interface, CANopen, DeviceNet, Foundation Fieldbus, PROFIBUS

(DP e PA), HART, EtherNet/IP, PROFINET, Interbus, Modbus TCP/IP, Ethernet

TCP/IP e Ethernet-Power Link.

As normas internacionais que regulamentam as redes de campo so a IEC61158e a IEC61784.

A seguir ser feita uma breve descrio da histrica e princpios de

funcionamento de cada uma das trs redes abordadas nesse trabalho.

2.3.1. PROFIBUS

O protocolo PROFIBUS foi definido em 1991/1993 na norma DIN 19245,

movida em 1996 para EN 50170, e desde 1999 est incorporado na IEC 61158 e IEC

61784. O padro mantido, atualizado e comercializado pela Profibus International,

uma organizao sem fins lucrativos com sede em Karlsruhe na Alemanha. [4]

At o presente momento existem trs variaes de redes PROFIBUS:

PROFIBUS-DP (Decentralized Peripherals) este protocolo foi a primeira

variao criada. Indicada para o cho de fbrica, onde h um grande volume de


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informaes e h a necessidade de uma alta velocidade de comunicao para que os

eventos sejam tratados num tempo adequado. Atualmente existem trs verses de DP, a

DP-V0, DP-V1 e DP-V2. As novas verses foram surgindo conforme foram propostas

novas funcionalidades de comunicao dentro da rede.

PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) esta variao uma

evoluo do PROFIBUS DP e destina-se a comunicao ao nvel de clulas, onde se

encontram os CLPs (Controlador Lgico Programvel). O FMS to poderoso que

pode suportar o volume de dados at o nvel gerencial, mesmo que isso no seja

indicado.

PROFIBUS-PA (Process Automation) a verso mais moderna do PROFIBUS.

Uma caracterstica interessante deste protocolo que os dados podem trafegar pela

mesma linha fsica da alimentao CC, o que economiza tempo de instalao e cabos,

diminuindo o custo da instalao. Seu desempenho semelhante ao DP. Uma

caracterstica interessante nesse protocolo o fato dele ser intrinsecamente seguro,

podendo ser usado em reas classificadas.

Todas as variaes citadas acima podem funcionar em conjunto. Os sistemas DP

e FMS compartilham o mesmo meio eltrico de transmisso (RS-485). A verso PA

utiliza o sistema de transmisso chamado MBP (Manchester Bus Powered), definido na

IEC 61158-2. Trata-se de um cabo de par tranado blindado que suporta at 32 estaes

por segmento e condensa a alimentao e os dados no mesmo cabo. Mesmo com meios

de transmisso diferentes, a variao PA compartilha o mesmo protocolo bsico da DP.

A figura 7 mostra um exemplo de topologia de uma rede PROFIBUS.

Uma nica rede pode conter 126 estaes, no entanto, por conta de limitaes

dos sistemas RS485 e MBP, cada seguimento de rede pode conter somente 32 estaes.

Os seguimentos so construdos atravs de trs opes: repetidores, couplersou linksde

fibra tica.


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Figura 7: Exemplo de topologia de rede PROFIBUS.

A troca de dados feita por meio de mensagens, que circulam entre todas as

estaes da rede. A estao responsvel pelo gerenciamento da comunicao a estao

mestre. As estaes escravas s se manifestam para responderem as mensagens de

seus mestres, porm na verso mais recente (DP-V2), possvel a troca de mensagens

diretamente entre escravos. Uma mesma rede pode conter um ou mais mestres, sem

restries.

Para que a mensagem chegue corretamente ao seu destino, cada estao possui

um endereo. Esse endereo definido pelo engenheiro durante o comissionamento da

rede. Existem diversas maneiras de realizar essa definio: dip switches, software, ou

hand-held.

A taxa de comunicao das redes DP pode variar de 9,6Kbit/s a 12Mbit/s. A

seleo de faixa faria de acordo com o cabo utilizado e com o comprimento dos

seguimentos, visto que, conforme se aumenta a velocidade de transmisso, o

comprimento mximo aceitvel do seguimento se reduz. J nas redes PA a taxa de

comunicao fixa em 31.25Kbit/s.

2.3.2. Foundation Fieldbus (FF)

O protocoloFoundation Fieldbus (FF) foi criado no final de 1994 por uma fuso

do WorldFIP (World Factory Instrumentation Protocol) e do ISP (Interoperable

Systems Project).


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O FF um sistema da comunicao totalmente digital, em srie e bidirecional

que conecta equipamentos tais como sensores, atuadores e controladores. O FF uma

rede local para automao e instrumentao de controle de processos, com capacidade

de distribuir o controle no campo.

Ao contrrio dos protocolos de rede proprietrios, o FF no pertence a nenhuma

empresa. A tecnologia controlada pela Fieldbus Foundation uma organizao no

lucrativa que consiste em mais de 100 dos principais fornecedores e usurios de

controle e instrumentao do mundo. O FF mantm muitas das caractersticas

operacionais do sistema analgico 4-20mA, tais como uma interface fsica padronizada

da fiao, os dispositivos alimentados por um nico par de fios e as opes de

segurana intrnseca.

A Fieldbus Foundationbaseia-se apenas na utilizao de pares-tranados como

meio fsico, havendo diviso quanto velocidade de comunicao:

H2, denominado de higher-speed fieldbus, emprega 1Mbit/s e 2,5Mbit/s para

interligar equipamentos de usurio, como computadores e tambm para interligar os

dispositivos mais rpidos do cho de fbrica;

H1, denominado de lower-speed fieldbus, emprega 31,25 Kbit/s, para interligar

dispositivos mais lentos de cho de fbrica. A vantagem da verso de H1 possibilitar a

operao nas mesmas instalaes do padro 4-20 mA, o que til para atualizaes

graduais das plantas industriais.

O padro permite o uso de at 32 dispositivos conectados ao barramento, porm

este nmero cai de acordo com o comprimento do cabo ou se o mesmo fornece energia

aos dispositivos junto com os dados.

Na segunda camada do modelo OSI (enlace de dados) o protocolo FF funciona

com dois modos de transmisso de mensagens, agendadas e no agendadas.

Os dispositivos de rede so divididos em dois grupos: link mestre e

dispositivos bsicos. Apenas os dispositivos linkmestre possuem a capacidade de

agendar mensagens, quando nessa posio so chamados de LAS (Link Active

Schedule). As transferncias de dados agendados so tipicamente usadas para regular o

transferidor cclico de dados da malha de controle entre os dispositivos e a rede.


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14

J a mensagens no agendadas podem ser enviadas a qualquer momento por

qualquer dispositivo da rede. Para isso o LAS concede permisso para um dispositivo

usar a rede emitindo a mensagem de sinal de passagem (Token) para o dispositivo.

Quando o dispositivo recebe o Token, este tem permisso para enviar suas mensagens

at termina-las ou at esgotar o "mximo tempo de holddo sinal".

A fundao Foundation Fieldbus [5] promove seu protocolo de rede

informando as seguintes vantagens:

Reduo de cabeamento;

Simplificao de triagem;

Permitir o controle em tempo real digital de uma malha fechada;

Garantir a interoperabilidade de mltiplos fornecedores;

Expandir a inteligncia do dispositivo

Permitir a manuteno baseado em diagnsticos;

Liberar a planta de protocolos proprietrios.

2.3.3. HART

O protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer) foi

desenvolvido em meados da dcada de 1980 pela Rosemount Inc., para ser utilizado

com uma srie de instrumentos de medio inteligentes. Originalmente proprietrio, o

protocolo foi logo publicado para uso gratuito e, em 1990, formou-se o Grupo de

Usurios HART. Em 1993, a marca comercial registrada e todos os direitos autorais do

protocolo foram transferidos para a HART Communication Foundation(HCF).

O protocolo HART utiliza o padro Bell 202 de chaveamento por deslocamentode frequncia (FSK) para sobrepor os sinais de comunicao digital sobre o sinal de

4-20mA. A figura 8 representa o funcionamento dessa tcnica. Esse padro utiliza dois

valores de frequncia para representar os dois bits 1200Hz para representar o bit 1 e

2200Hz para representar o bit 0.


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Figura 8: Chaveamento por deslocamento de frequncia (FSK).

Isso permite a comunicao de campo bilateral e possibilita que informaes

adicionais, alm da varivel normal de processo, sejam comunicadas de e para um

instrumento de campo inteligente. O protocolo HART comunica-se a 1,2Kbit/s sem

interromper o sinal de 4-20mA e permite que o mestre obtenha duas ou mais

atualizaes digitais por segundo a partir de um dispositivo de campo inteligente. Uma

vez que o sinal digital de FSK de fase contnua, no h interferncia com o sinal de 4-

20mA.

O protocolo HART pode ser utilizado em vrios modos, tais como ponto a ponto

ou multiponto, para transmitir informaes entre instrumentos de campo inteligentes esistemas centrais de monitoramento ou controle, a figura 9 mostra a comunicao ponto

a ponto. Em redes HART so permitidos at dois mestres simultaneamente.

Figura 9: Os dois canais de comunicao da tecnologia HART.

O sinal digital contm as informaes do dispositivo, tais como status,

diagnsticos, valores adicionais medidos ou calculados, etc. Juntos, os dois canais de

comunicao oferecem uma soluo de comunicao de campo extremamente slida e

completa, de baixo custo e de fcil utilizao e configurao.[6]


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3. PROJETO

3.1.Concepo

Para atender os objetivos propostos, foram traados os seguintes requisitos:

A planta deve possuir baixo custo de construo;

Devero ser aproveitados os dispositivos presentes no laboratrio;

O equipamento deve ser mvel;

Utilizar circuito hidrulico fechado;

Deve dispor de vlvulas capazes de isolar determinados trechos e componentes

do sistema;

Ter a capacidade de atender quatro alunos (ou grupos) simultaneamente;

Permitir a programao da lgica de segurana e automao;

Possuir trs malhas de controle distintas (nvel, fluxo e temperatura);

Conter trs redes de campo com protocolos distintos (PROFIBUS, Foundation

Fieldbuse HART);

Deve possuir quatro controladores;

No trabalhar com temperaturas na caldeira acima de 60C;

A posio e instalao de componentes deve permitir a facilidade de remoo

em caso de manuteno;

Deve conter quadro eltrico para proteger os componentes;

Deve prever comutaes automticas da tubulao em caso de operao

incorreta das vlvulas manuais;

Deve possuir sistemas de segurana que garantam a integridade do usurio e do

equipamento;

Deve ter disponvel sistema de parada de emergncia.

O baixo custo uma caracterstica essencial para que a mesma planta possa ser

implantada em outros laboratrios caso exista interesse. Entretanto, ao atender o

segundo requisito da lista acima, acabou-se no necessariamente usando itens de baixo

custo. Ainda assim, o restante dos equipamentos foi definido pensando em solues

econmicas.


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A mobilidade da planta importante caso exista a necessidade da mesma ser

usada em mais de um laboratrio.

Com a utilizao de um circuito fechado de gua, a instalao da planta torna-se

mais verstil, dispensando assim a necessidade de preparao de instalaes hidrulicas

nos locais onde ela ser utilizada, alm de facilitar sua locomoo.

Para tornar o sistema prtico e de fcil manuteno, cada mdulo da planta

poder ser isolado fazendo-se o uso de vlvulas manuais ou solenoides. Assim em

ocasies que se deseje trabalhar apenas com uma malha de controle possvel isolar um

trecho especfico do sistema.

A caracterstica multitarefa possibilita que a planta seja utilizada em aulas com

um maior nmero de alunos diminuindo a necessidade de possuir mais de um

equipamento por sala, visto que possvel montar grupos de alunos para trabalhar em

cada uma das malhas. Essa caracterstica no deve impedir a possibilidade de ensaiar

cada malha isoladamente. Alm das trs malhas, um quarto aluno (ou grupo) pode

trabalhar no programa lgico de automao e intertravamentos da planta.

A disponibilidade de diferentes tipos malhas e diferentes redes de comunicao

proporciona ao aluno uma viso mais abrangente do cenrio de redes industriais e

controle de processos.

Para que um experimento no interfira no outro, cada uma das trs redes ser

gerenciada por um controlador diferente, e ainda, a automao dos componentes ser

realizada por um quarto controlador.

Por se tratar de um equipamento para uso didtico, no h necessidade de

alcanar temperaturas elevadas, evitando colocar em risco a segurana dos usurios.

Pela mesma razo os instrumentos sero instalados em locais de fcil acesso e

atravs de componentes que facilitem a remoo quando necessrio. Outra necessidade

quando se trata de equipamentos didticos, o sistema de segurana. Tanto paragarantir a segurana do usurio quanto do equipamento.

3.2.Diagrama P&ID

Seguindo os pr-requisitos iniciais de projeto e usando as referncias

disponveis, tomando exemplos de malhas tpicas de controle [7], aplicao de redes

digitais no controle de processos [8] e tcnicas de controle [9] e automao [10] foram


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feitos diversos esboos e propostas de sistemas. Aps a realizao de algumas reunies

e descarte de verses preliminares, que no alcanaram plenamente todos os requisitos

desejados, foi definido o esquema P&ID (Piping and instrumentation diagram), ou PFD

(Process Flow Diagram) da planta, respectivamente em portugus: diagrama de

tubulao e instrumentao ou diagrama de fluxo de processo. O mesmo foi

elaborado seguindo os padres grficos recomendados pelas normas ISA5.1[12] e

ISA5.3[13].

O diagrama P&ID proposto apresentado no apndice A, com a devida

identificao dos instrumentos e controladores.

Essa etapa inicial importantssima no desenvolvimento do projeto, pois ela

delimitar todas as prximas etapas, visto que, com o diagrama P&ID definido, j se

obtm uma boa representao do sistema proposto.

Conjuntamente ao desenvolvimento do diagrama P&ID, foram feitas estimativas

e clculos a fim de atribuir as caractersticas construtivas dos elementos da planta.

3.3.Caractersticas construtivas

Aps a criao do diagrama P&ID e a definio das vazes, potnciasenvolvidas e capacidades dos tanques, chegou-se a seguinte lista de itens:

Dois tanques reservatrios de 100 litros cada;

Dois tanques de 40 litros cada;

Uma caldeira com aquecedor resistivo de 2kW;

Um radiador;

Um mini ventilador;

Onze vlvulas esfera manuais de 1/2'';

Cinco vlvulas solenoides normalmente fechadas de 1/2'';

Sete sensores indutivos;

Duas bombas dgua de 1/3CV e vazo de 35 l/min.;

Dois inversores de frequncia de 1/2CV;

Uma eletrobomba de 34VA e vazo de 10 l/min.;


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Duas chaves-boia;

Quatro CLPs, sendo trs com capacidade de gerenciar as redes

propostas;

Um conversor de sinais; Dois instrumentos de medio e transmisso de nvel;

Dois instrumentos de medio e transmisso de temperatura;

Um instrumento de medio e transmisso de vazo;

Uma chave de nvel da caldeira (liga/ desliga);

Um painel eltrico.

Com o diagrama P&ID definido e alguns componentes j selecionados, devido

suas disponibilidades no laboratrio, foi possvel comear o processo de modelagem

dos componentes e a estrutura da planta em 3D. O programa CAD utilizado foi o

AutoCAD2011.

Para especificar o restante dos componentes adequados, tanto mecnicos quanto

eltricos, numerosos sites e catlogos de fabricantes foram consultados. Observando

sempre o compromisso com o baixo custo, dessa maneira foi selecionado o restante dos

equipamentos. No final deste trabalho apresentada a lista completa de componentes e

seus respectivos modelos e cdigos (apndice B).

3.3.1.Descrio de componentes mecnicos

Neste item sero apresentados os principais componentes mecnicos definidos.

Juntamente, ser feita uma breve apresentao de sua funo na planta e a apresentaode seu modelo 3D ou ilustrao.

O sistema estrutural adotado para sustentar a planta foi o perfil de alumnio

Rexroth (empresa do grupo Bosch), representado na figura 10, que possui 40x40

milmetros. Mesmo no sendo um item de baixo custo, foi adotado no projeto, pois o

laboratrio possui barras disponveis.


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Figura 10: Representao do perfil de alumnio.

O sistema de perfis Bosch Rexroth

possui inmeros acessrios e mtodos defixao [14]. O escolhido em nesse projeto denominado pelo fabricante como quick

conector, sua representao mostrada na figura 11. A sua escolha se deu devido ao

laboratrio tambm possuir esses itens.

Figura 11: Representao do conector rpido para perfis.

Para facilitar a locomoo do conjunto, a estrutura ser apoiada sobre seis

rodzios giratrios como modelo mostrado na figura 12. Tornando possvel a locomoo

da planta entre laboratrios, caso necessrio. O modelo escolhido possui rodas de 100

milmetros de dimetro, freio e fabricado pela Schirroppa.


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Figura 12: Modelo 3D do rodzio giratrio 100 mm.

O cabeamento de toda a planta ser alojado em canaletas plsticas como

ilustrado pelo modelo 3D da figura 13. Suas dimenses sero trinta milmetros de

largura e cinquenta de altura e sero fornecidas pela Hellerman. Isso facilita quaisquer

necessidades de manuteno ou modificao devido ao fcil acesso ao cabeamento. As

mesmas sero fixas aos perfis de alumnio por meio de porcas e parafusos adequados

pertencentes ao prprio do sistema Rexroth.

Figura 13: Modelo 3D da canaleta (Hellerman).


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Os tubos e conexes adotados foram os de PVC de 1/2'', normalmente utilizados

para instalaes hidrulicas residenciais de gua fria. Todas as conexes com os

instrumentos e vlvulas sero feitas atravs de unies, mostrada na figura 14, facilitando

assim a troca dos instrumentos caso necessrio.

Figura 14: Unio soldvel de 1/2'' (Amanco).

As conexes eletrobomba e ao radiador sero realizadas por meio demangueiras de borracha e abraadeiras de aperto do tipo fita. Mostradas na figura 15

atravs de seus modelos 3D.

Figura 15: Modelo 3D das mangueiras de conexo do radiador e eletrobomba.


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As vlvulas solenoides utilizadas sero do tipo normalmente fechado, de 1/2'',

com corpo em lato e rosca BSP. O modelo especificado pertence srie 1335 do

fabricante Jefferson.

Elas sero responsveis pelo controle da tubulao. Com a comutao adequada

do conjunto de solenoides, ser possvel, por exemplo, excluir ou incluir o radiador do

circuito da planta. Outra funo importante a proteo das bombas, gerando um

caminho de alvio caso o aluno bloqueie a tubulao incorretamente atravs das vlvulas

manuais. Seu modelo 3D mostrado na figura 16.

Figura 16: Modelo 3D da vlvula solenoide.

Em conjunto com as vlvulas solenoides sero utilizadas vlvulas manuais do

tipo esfera, tambm com corpo em lato e de 1/2''. Essas faro funo semelhante s

vlvulas solenoides. Entretanto, por meio do ajuste manual o aluno poder mudar as

caractersticas de funcionamento da planta, como vazes dos tanques de mistura e a

restrio nas tubulaes tanto na malha de fluxo quanto na malha de temperatura.

Com a comutao completa das vlvulas manuais possvel eliminar

determinado mdulo do circuito fechado. Assim pode-se selecionar o percurso

conforme a necessidade.

A fim de monitorar o posicionamento das vlvulas, as mesmas sero acopladas a

sensores indutivos fornecidos pela Sense. O mesmo ser instalado de forma a sinalizar

quando a vlvula estiver na posio totalmente fechada. Esse artifcio permite

incorporar ao CLP inter-travamentos de segurana, evitando que o sistema seja


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bloqueado. O suporte de fixao foi idealizado apenas usando cantoneiras de alumnio,

barras roscadas e porcas. Na figura 17 podemos ver a o modelo 3D da vlvula e o

suporte acoplado. Na figura 17 (a), a vlvula encontra-se na posio totalmente aberta,

j na figura 17 (b), a vlvulas esta totalmente fechada, acionando o sensor indutivo.

Figura 17: Modelo 3D da vlvula manual e sensor; (a) Aberta (b) Fechada.

Para realizar a funo dos tanques reservatrios, foram adotadas caixas dgua

de polietileno com capacidade de 100 litros, fabricadas pela Fortlev. Seu modelo 3D

apresentado na figura 18.

Figura 18: Modelo 3D da caixa d'gua 100 litros (Fortlev).


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Alm dos tanques reservatrios, o projeto prope o uso de dois tanques menores,

chamados de tanques de mistura, ambos tero a capacidade de quarenta litros. Sua

fabricao ser feita via encomenda conforme dimenses da figura 19. Eles sero

confeccionados em acrlico para facilitar a visualizao do nvel de lquido. A espessura

das paredes ser de oito milmetros para garantir boa resistncia e possibilitar uma

fixao confivel dos instrumentos de medio.

Figura 19: Dimenses do tanque de mistura (cm).

A caldeira a ser utilizada tambm est disponvel no laboratrio, ela possui a

chave de nvel e resistncia de aquecimento j instalada que ser acionada via rel deestado slido modelo 3FR23 da Siemens. A foto da caldeira mostrada a seguir na

figura 20. A fim de proporcionar maior segurana aos usurios, a caldeira ficar

confinada em uma estrutura de proteo conforme o modelo da figura 21.


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Figura 20: Foto da caldeira.

Figura 21: Modelo 3D da estrutura de proteo da caldeira.

O radiador ser responsvel por resfriar a gua do sistema. Isso se faz necessrio

por se tratar de um sistema fechado e por conter um sistema de aquecimento, dessa

maneira, precisamos reduzir a temperatura da gua antes da mesma retornar a caldeira.

O radiador dimensionado para resfriar a gua do sistema um radiador comum de carro

popular. O mesmo ser usado juntamente com um mini ventilador para aumentar sua

capacidade de resfriamento. Seu modelo 3D ilustrado na figura 22.


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Figura 22: Modelo 3D do radiador.

3.3.2.Descrio de componentes eltricos

Os instrumentos eltricos e eletrnicos, so os componentes mais importantes do

projeto, so eles que definiro a forma de funcionamento de toda a planta. A seguir

abordado cada um deles.

Para realizar a medio de nvel nos tanques de mistura, sero utilizados dois

transmissores inteligentes de presso. No diagrama P&ID, so identificados pelo TAGLIT103 A tecnologia escolhida para a rede desses instrumentos foi a PROFIBUS,

dessa maneira foi selecionado o modelo LD303 fabricado pela Smar, representado na

figura 23 pelo seu modelo 3D.

Figura 23: Modelo 3D do transmissor de presso PROFIBUS-PA(Smar).


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Na malha de controle de fluxo foi utilizado um transmissor volumtrico. Esse

uns dos equipamentos existentes no laboratrio. O modelo CVM-01 da METROVAL

ilustrado na figura 24 pelo seu modelo 3D. Esse instrumento utiliza como elemento

sensor um conjunto de engrenagens ovais, e o transmissor possui tecnologia de

comunicao HART. Ele identificado no diagrama P&ID com o TAGFIT101.

Figura 24: Modelo 3D transmissor volumtrico HART. (Metroval).

Dois transmissores de temperatura modelo 248 da Rosemount foram

selecionados para realizar o monitoramento de temperatura. Ambos atuaro em

conjunto com o elemento sensor do tipo RTD (Resistance Temperature Detector)

modelo 0078. Os dois elementos sero alojados em caixas de conexo tipo 79 do

mesmo fabricante. O conjunto representado pelo seu modelo 3D na figura 25.

Esses instrumentos sero utilizados tanto para monitorar a temperatura da

caldeira TE102 como tambm a temperatura de mistura no tanque dois de acrlico

TE105.


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Para realizar o controle de velocidade das duas bombas dgua, dois inversores

de frequncia WEG CFW08 de 1/2CV foram aproveitados do estoque do laboratrio,

sua foto pode ser vista na figura 27. Os mesmos so identificados no diagrama de fluxo

de processo pela TAG YC101 e YC103 ambos com a notao tipo I1.

Com o uso de inversores eliminamos a necessidade de adicionar vlvulas de

controle proporcional ao conjunto, isso diminui consideravelmente o custo final da

planta.

Figura 27: Inversor de frequncia CFW08 (Weg).

As duas bombas dgua responsveis pela movimentao da gua so do tipo

perifricas fabricadas pela Ferrari, modelo IDB com potncia nominal de 1/3CV. Seu

modelo 3D apresentado na figura 28. Esse item dever integrar a planta como teste,

pois o mesmo foi selecionado devido a estar disponvel no laboratrio e no por ser o

mais indicado para a funo. Isso se deve ao fato de alm de ser uma bomba monofsica

(no indicada ao inversor), sua caracterstica construtiva no capaz de bombear gua

em baixas rotaes nem de manter uma vazo constante. Aps a montagem dever ser

verificada a eficcia no controle de fluxo proporcionado por essa bomba conjuntamente

com o inversor.

Por essa razo fica como sugesto futura o uso de bombas de cavidade

progressiva, conhecidas por possurem fluxo constante e estvel, ideal para aplicaes

de dosagens.


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31

Figura 28: Modelo 3D da bomba d'gua (Ferrari).

Para gerenciar os nveis dos tanques reservatrios um e dois, duas chaves-boia

Margirius CB-2000 foram adotadas. Por serem constitudas de apenas de um contato

simples, o sinal de monitoramento ser discreto, ou seja, nvel alto ou nvel baixo. So

respectivamente identificadas no diagrama P&ID como LSHL104-1 e LSHL104-2

Abaixo, na figura 29 mostrada sua representao atravs do seu modelo 3D.

Figura 29: Modelo 3D da chave boia (Margirius).


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As chaves-boia atuaro diretamente sobre o funcionamento de outro

equipamento, a eletrobomba. Essa bomba ser responsvel por transferir a gua de um

tanque reservatrio para outro. De acordo com a comutao das vlvulas solenoides, a

gua transferida poder ou no passar pelo radiador. Esse componente largamente

usado em eletrodomsticos como mquinas de lavar, tanquinhos, etc.

O modelo selecionado foi o EBE da fabricante Emicol, representado pelo seu

modelo 3D na figura 30.

Figura 30: Modelo 3D da eletrobomba (Emicol).

Atuando em conjunto com o radiador como j mencionado existir um mini

ventilador fornecido pea Elgin. O ventilador selecionado possui hlices de 200

milmetros de dimetro, alimentao em 220V e 7VA de potncia. O acionamento do

ventilador ser feito via CLP, podendo assim ser customizado por programao.

Sua foto pode ser vista na figura 31.

Figura 31: Mini ventilador 1/40 (Elgin).


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Para possibilitar o uso simultneo, cada rede ser controlada por um CLP

diferente, assim o download em uma rede, no interferir na outra. Alm dos trs

controladores especficos para cada rede, ser adicionado outro, para controlar a

automao e intertravamentos da planta.

O gerenciador da rede HART ser o CLP modular CITRINO, produzido pela

FERTRON. Abaixo na figura 32 mostrada a foto do conjunto com seus quatro

mdulos, seguindo da esquerda para direita: fonte, CPU, sadas analgicas e entradas

analgicas. No diagrama identificado pelo TAGYC101 (tipo C3).

Figura 32: CLP Citrino com tecnologia HART (Fertron).

O CLP que far o gerenciamento da rede FF ser o DF51 da Smar mostrado

abaixo na figura 33. Da esquerda para direita v-se: fonte, CPU, fonte FF e casador de

impedncia FF. Esse controlador identificado no diagrama P&ID como YC102 (tipo

C2).

Figura 33: CLP DF51 com mdulos FF (Smar).


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34

Outros dois controladores que integraro a planta fazem parte da linha S7-1200

da Siemens, o modelo de CPU selecionado foi o 1214C para ambos. O controlador

responsvel por gerenciar a rede PROFIBUS-DP mostrado na figura 34 juntamente

com o mdulo mestre PROFIBUS acoplado. Esse controlador identificado no

diagrama P&ID como YC103 (tipo: C1).

O segundo, mostrado na figura 35 acoplado ao mdulo de expanso de entradas

e sadas digitais, ser responsvel por controlar a automao e intertravamentos da

planta. No diagrama P&ID identificado como YC104 (tipo C4).

No apndice C apresentado o diagrama completo do painel, onde possvel

visualizar todas as conexes de entrada e sadas dos quatro controladores.

Figura 34: CLP S7-1200, CPU e mdulo mestre PROFIBUS-DP (Siemens).

Figura 35: CLP S7-1200, CPU e mdulo de expanso (Siemens).


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35

Para realizar a acoplamento entre a rede PROFIBUS-DP e PA, necessrio o

uso de um acoplador de segmento, o equipamento definido foi o KFD2 da Pepperl

Fuchs, que se encontra no laboratrio. Sua foto mostrada na figura 36.

Figura 36: Acoplador de segmento DP-PA (Pepperl Fuchs).

O painel responsvel por abrigar os equipamentos possuir as dimenses

800x500x250 (milmetros) e ser fornecido pela Cemar Legrand. Ser fixado

diretamente nos perfis de alumnio. A figura 38 mostra o modelo 3D do painel j comseus componentes instalados.

Internamente o painel alojar os equipamentos bsicos de proteo, suprimento,

conexo e acionamento, tais como: disjuntor, rels, rel de estado slido, fonte 24VCC,

inversores de frequncia, fusveis e bornes.

Externamente o painel conter: torre de sinalizao, comutadora com chave,

boto de emergncia tipo soco, chave geral, conector industrial de potncia, conectores

RJ45, sinalizadores luminosos e comutadores de duas posies.A torre de sinalizao ser utilizada para mostrar o statusda planta como, por

exemplo, se esta energizada, se possui algum alarme acionado ou se esta em modo

automtico.

A comutadora com chave agrega segurana ao equipamento, assim s o detentor

da chave poder colocar a planta em funcionamento.

O boto de emergncia, como o prprio nome j expe, ser utilizado para

paralisar os componentes da planta em caso de anormalidade.


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36

A chave seccionadora geral, localizada na lateral do painel, outro item de

segurana. Caso seja necessrio realizar alguma manuteno interna ao painel, basta

deslig-la para todo o sistema ser desenergizado. Isso evita o manuseio frequente da

tomada de alimentao geral.

O conjunto de comutadores e sinaleiros utilizado para alterar o modo de

operao entre manual e automtico, para habilitar ou no os mdulos da planta e

acionar manualmente alguns equipamentos. Esta ltima funo ser habilitada quando

selecionado o modo manual.

O suprimento de energia principal ser feito atravs de tomada industrial (Steck)

fixada na lateral do painel, facilitando a conexo e desconexo da planta rede eltrica.

Para conectar os computadores aos controladores e possibilitar sua configurao,

sero usadas tomadas com conectores RJ45, posicionadas logo acima do conector

industrial.

Excetuando o cabo de alimentao e os cabos de comunicao dos

controladores, todo o restante do cabeamento da planta que necessita passar para o

interior do painel, o faz atravs de prensa cabos de nylon fixados no fundo do painel

conforme figura 37.

Figura 37: Modelo 3D Vista dos prensa cabos na parte inferior do painel.


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37

Figura 38: Modelo do painel eltrico e seus equipamentos (Cemar Legrand).


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3.3.3.Dimensionamento dos componentes eltricos

Para realizar o dimensionamento dos componentes utilizados, foram adotadas as

prticas recomendadas pela NBR5410 a fim de garantir o perfeito funcionamento e

proteo do sistema.

A lista com o consumo mximo informado por cada fabricante mostrada

abaixo:

Componentes 220VCA a serem alimentados pela rede eltrica local:

Um aquecedor de 2kW;

Dois motores de 1/3CV (245VA)

Um mini ventilador de 7VA;

Eletrobomba de 34VA;

Cinco fontes dos controladores de 70VA cada.

Uma fonte 24Vcc de 11

Componentes alimentados pela fonte 24VCC:

Dois rels de interface de 5,3W cada;

Onze sinalizadores luminosos de 0,25W cada;

Um Couplerde 2,4W;

Cinco vlvulas solenoides de campo de 20W;

Sete sensores indutivos de 0,36W;

Com base nos valores acima e respeitando as normas vigentes foi realizado o

dimensionamento tanto dos itens de acionamento quanto os itens de proteo que

integram a planta. A seguir itens principais.

3.3.3.1. Acionamento:

Uma chave seccionadora tripolar de 32A para acionamento geral;

Dois inversores de frequncia de 2,6A para alimentar cada bomba.

Dois rels de interface com capacidade de conduo de 5A para acionamento do

ventilador e eletrobomba;


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39

Um rel de estado slido com capacidade de conduo de 20A para acionamento

do aquecedor;

Uma fonte de 24VCC e 11A para alimentar vlvulas solenoides, sensores,

sinaleiros, rels de interface e coupler;

Uma tomada e plugue industrial de trs polos e capacidade de conduo de 32A.

3.3.3.2. Proteo

Dois disjuntores bipolares de 4A para proteo da cada bomba dgua;

Um disjuntor bipolar de 10A para proteo da resistncia de aquecimento;

Oito fusveis de vidro de 1,25A para proteo de cada controlador

individualmente;

Dois fusveis de vidro de 1A para proteo do ventilador e eletrobomba;

Dois fusveis de vidro de 1,5A para proteo da entrada da fonte 24VCC;

3.3.4.Estrutura completa

Aps todos os itens definidos e modelados, iniciou-se o projeto e modelagem daestrutura fsica completa para acomodar todos os equipamentos. Esse processo de

modelagem atualmente vem sendo extensamente utilizado pela rea de engenharia, visto

que proporciona uma viso completa do produto ou pea a ser desenvolvida, evitando

dessa maneira o gasto com fabricao de prottipos.

No desenvolvimento da planta, foram gastas muitas horas para definir uma

estrutura satisfatria para a planta, por fim chegou-se ao designapresentado na figura

39. Para garantir a segurana dos usurios, todas as peas da estrutura sero conectadasentre si por cabos, possibilitando o aterramento de toda a estrutura.

Para facilitar a realizao dos cortes e furaes dos perfis necessrios, foi

elaborado um plano de cortes e furaes mostrado na figura 40.

A seguir so mostradas as diversas vistas do modelo 3D da planta

completamente montada com seus componentes. Na figura 41 mostrada a vista frontal,

na figura 42(a) mostrada a vista lateral esquerda, na figura 42(b) a vista lateral direita,

na figura 43 tem-se a vista superior e nas figuras 44, 45 e 46 apresentada a planta em

diferentes perspectivas.


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40

Figura 39: Modelo 3D da estrutura de perfis (dimenses em cm).

Figura 40: Plano de corte dos perfis.


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41

Figura 41: Modelo 3D da planta montada (vista frontal).

Figura 42: Modelo 3D da planta montada; (a) lateral esquerda, (b) lateral direita.


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42

Figura 43: Modelo 3D da planta montada (vista superior).

Figura 44: Modelo 3D da planta montada (perspectiva frontal).


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43

Figura 45: Modelo 3D da planta montada (perspectiva posterior A).


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44

Figura 46: Modelo 3D da planta montada (perspectiva posterior B).


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45

3.4.Topologia das redes propostas

Para que a comunicao entre os dispositivos acontea de forma correta os

mesmos devem ser devidamente conectados entre si. A forma como a rede de campo

interliga os componentes chamada topologia de rede. A seguir esplanada a topologia

de cada rede proposta.

3.4.1. Rede PROFIBUS

A rede PROFIBUS ser usada nas malhas de controle de nveis. O controladormestre ser o S7-1200 da Siemens. A estrutura da rede separada em dois

seguimentos, o DP e o PA. Sua estrutura ilustrada na figura 47. O segmento DP

formado apenas pelo ramal entre o controlador e o coupler,j o segmento PA, utiliza a

topologia em rvore, conectando diretamente os transmissores de presso ao coupler.

Figura 47: Topologia proposta para a rede PROFIBUS.


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3.4.2. Rede Foundation Fieldbus

A estrutura da rede FF mostrada na figura 48. A rede FF ser utilizada pelas

malhas de temperatura, e o controlador mestre ser o DF51 da Smar.

Figura 48: Topologia proposta para a rede FF.

3.4.3. Rede HART

O controlador CITRINO da Fertron ser o responsvel pela malha de fluxo e secomunicar utilizando o protocolo HART. Como essa malha possui apenas um

instrumento, sua topologia muito simples, como mostra a figura 49 a seguir.

Figura 49: Topologia proposta para a rede HART.


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4. PROPOSTA DE UTILIZAO E FUNCIONALIDADES

Como j citado anteriormente, esse trabalho prev a utilizao da planta por

mais de um aluno simultaneamente. O conceito da proposta visa que o controle de cadamalha seja feito mesmo com a interferncia causada pelo processo da malha vizinha.

Por exemplo, o controle de temperatura da caldeira deve ser realizado independente do

controle de fluxo (que alimenta a caldeira). O mesmo princpio aplicado malha de

nvel nos tanques de mistura.

Porm essa integrao entre as malhas acaba possibilitando trabalhar com outros

tipos de estratgia de controle. Como cada processo gera uma perturbao no seguinte,

e como a planta possui monitoramento das grandezas em cada seguimento, alm do

tradicional controle por realimentao, pode-se trabalhar com tcnicas avanadas de

controle como, por exemplo, o controle antecipatrio mostrado anteriormente na figura

4, onde o controlador toma suas decises tambm levando em considerao uma

perturbao de entrada do sistema para corrigir sua sada, antes mesmo dela sofrer

alteraes.

Alm disso, com pequenas mudanas no cabeamento de rede o instrutor tambm

pode alterar os tipos redes de cada malha e suas topologias, j que os instrumentos

suportam mais de um nico protocolo.

Outra funo possvel da planta no estudo de automao, j que necessrio

programar o CLP para realizar de maneira satisfatria todos os inter-travamentos de

segurana e lgica de acionamento das vlvulas solenoides, ventilador, sinalizadores e

ativao dos controles de cada malha.

A seguir sero apresentadas quatro propostas didticas para realizao de

experimentos utilizando a planta.

4.1.Proposta didtica para malha de nvel.

Fazendo o uso dosoftwareSTEP 7 o aluno dever configurar a rede PROFIBUS

possibilitando a comunicao correta entre mestre e escravos e implementar o controle

de nvel nos tanques de acrlico (tanque um ou tanque dois). O controle dever ser

satisfatrio mesmo com a perturbao (varivel ou no) que chega ao tanque um


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proveniente da caldeira. Outra variao que pode ser introduzida no processo a

alterao da vazo dos tanques atravs das vlvulas manuais.

Conforme exigncia do professor, os nveis de desempenho do controle podem

ser incrementados a cada sucesso do aluno (ou grupo), incentivando os alunos a

buscarem novas tcnicas de controle.

4.2.Proposta didtica para malha de temperatura.

Nessa malha o aluno ser cobrado pela configurao da rede FF e

implementao do controle de temperatura viasoftwareLogic ViewforFFB da Smar.

Esta malha possibilita uma variao maior de tcnicas de controles e opes devariveis controladas.

A planta permite realizar o controle de temperatura com vrios nveis de

dificuldade. O primeiro seria o controle por realimentao simples da temperatura na

caldeira com um fluxo de gua constante. O segundo nvel seria com o fluxo variante.

Outra opo o controle antecipatrio, onde o sinal do medidor de fluxo

utilizado para antecipar as variaes antes mesmo da temperatura da caldeira variar.

Alm dessas opes, pode-se realizar o controle de temperatura no tanque deacrlico nmero dois. Para isso, possvel integrar as malhas de fluxo e temperatura

para que o controlador fornea tanto o fluxo de gua quanto a temperatura necessria

para atingir a temperatura no tanque dois. Vale lembrar que oset point,nesse caso, no

deve serajustado em valores elevados, visto que a temperatura necessria na caldeira

ser bem mais elevada que a temperatura controlada no tanque dois, visto que os

tanques um e dois, alm de serem alimentados pela caldeira, tambm recebem gua do

reservatrio um, que reduz a temperatura final da gua.

4.3.Proposta didtica para malha de controle de fluxo.

O controle de fluxo da planta ser realizado apenas pela tcnica de

realimentao simples. Para configurar a malha e a rede HART, o aluno dever fazer

uso do software de programao Citrino Tools. Para inserir uma variao durante o


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processo, podem-se alterar as posies das vlvulas manuais seis e sete (vide diagrama

P&ID, apndice A), causando assim uma maior ou menor obstruo na tubulao..

4.4.Proposta didtica para automao da planta

A quarta funo da planta proporcionar o estudo de automao e programao

lgica. Essa funo ser executada pelo segundo controlador SiemensS7-1200.

O aluno dever elaborar o programa do CLP para acionar corretamente as

vlvulas solenoides, eletrobomba, ventilador, sinaleiros e tambm enviar sinais de

monitoramento aos outros controladores de acordo com os sinais de entrada que so

provenientes das chaves de nveis dos reservatrios, da chave de nvel da caldeira, dossensores indutivos acoplados s vlvulas e dos comutadores e botes do painel.

Essa programao dever garantir que no aconteam transbordamentos, que

nenhum equipamento seja acionado indevidamente e que no acontea o bloqueio do

circuito fechado da planta. Para situaes de anormalidade, o aluno dever utilizar o

sinalizador vermelho da torre.

Para guiar o estudante, foi criado o diagrama binrio de segurana para a planta.

Com ele o aluno poder programar corretamente os intertravamentos e acionamentos daplanta. Ele apresentado em detalhes no apndice D.


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5. CONCLUSO

Neste trabalho foi descrito todo o processo de criao da proposta de construo

de uma planta didtica multitarefa, desde a escolha de requisitos iniciais, definio dosprocessos, malhas de controle, sistema de tubulaes, at a seleo de todos os

componentes necessrios para sua construo.

Com a proposta elaborada, conseguiu-se atingir os objetivos principais inseridos

no ttulo desse trabalho, ou seja, de criar uma planta capaz de ser utilizada por quatro

alunos (ou grupos de alunos) tornando-a assim multitarefa, e de possuir trs processos

distintos, nvel, temperatura e fluxo, definindo-a como multiprocesso. Alm disso, outro

requisito inicial importante que foi atendido, foi a utilizao de trs redes distintas,

PROFIBUS,Foundation Fieldbuse HART.

Para execuo desse trabalho foram necessrios os ensinamentos de mltiplas

disciplinas assistidas durante o curso de engenharia, cada uma colaborando com uma

pequena quota dos conhecimentos utilizados. Pode-se citar as seguintes: redes

industriais, automao, laboratrio de automao, redes de computadores, laboratrio de

controle de processos industriais, redes de comunicao industrial, fundamentos de

controle, laboratrio de fundamentos de controle, transdutores, sistemas digitais e

gerenciamento de projetos.

Foi possvel evidenciar que uma importante ferramenta no desenvolvimento de

um produto ou prottipo so os softwares CAD com recursos 3D. A modelagem de

todos os componentes do projeto torna o desenvolvimento da estrutura e da disposio

de montagem dos componentes precisa, gerando assim menos imprevistos no momento

de realmente realizar a construo e evitando gastos desnecessrios.

Uma observao que no pode deixar de ser feita sobre o enorme ganho que as

instalaes do Departamento tero com a construo dessa planta, tornando o

seguimento desse trabalho essencial.


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6. SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS

A primeira sugesto j mencionada anteriormente nos objetivos deste trabalho

a posterior construo da planta didtica, para que a mesma posa ser utilizada noslaboratrios de ensino do Departamento de Engenharia eltrica EESC-USP.

A segunda, relacionada rea didtica, seria o a elaborao de ensaios pr-

determinados para serem aplicados durante o semestre na disciplina SEL0431 -

Laboratrio de controle de processos industriais.

Aps sua construo, a gama de possibilidades de estudo enorme. possvel

realizar estudos dos seguintes aspectos:

Modelar matematicamente o comportamento dinmico da planta;

Avaliar as diferentes tcnicas de controle de cada malha;

Incorporar um sistema de superviso SCADA, atravs de uma rede Ethernet;

Gerenciar a planta e alterar parmetros via supervisrio.


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7. BIBLIOGRAFIA

1. COBENGE: Congresso Brasileiro de Educao em Engenharia trabalho

apresentado em 2012: Utilizao de uma planta didtica Smar paracomplementao do ensino de engenharia de controle e automao Disponvel

em: < http://www.abenge.org.br/cobenges-anteriores/2012/artigos-2012/artigos-

publicados_13> Acesso em 20/Ago. 2013

2. SMITH, C. A. e CORRIPIO, A. B. Principles and Practice of Automatic Process

Control, 2 ed., Wiley, New York (1997).

3. BRANDO, D. Notas de aula. Escola de Engenharia de So Carlos USP,

Departamento de Engenharia eltrica SEL432 Redes Industriais, 2010.

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Disponvel em:

Acesso em: 18 Ago. 2013.

5. Foundation Fieldbus.org Our Technologies.

Disponvel em:


6. Hartcomm - Apresentao sobre o protocolo HART.

Disponvel em:


7. MASSA DE CAMPO, M. C. M. e TEIXEIRA, H. C. G. Controles tpicos de

equipamentos e processos industriais. 1. ed. So Paulo: Blucher, 2006. 416 p.

8. ALBUQUERQUE, P. U.; ALEXANDRIA, A. R., Redes Industriais: aplicaes

em sistemas digitais de controle distribudo. So Paulo: Ensino Profissional,

2009.


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9. CAPELLI, A., Automao Industrial, controle do movimento de processos

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10. MENDES, R.S, Engenharia de automao Industrial. Sba Controle &

Automao, vol.13, n.1, 2002.

11. MORAES, C.C.; CASREUCCI, P.L. Engenharia de Automao Industrial.So

Paulo, Livros Tcnicos e Cientficos, Editora S.A., 1979.

12.Norma ISA 5.1 (R1992) - Instrumentation Symbols and Identification.

13.Norma ISA 5.3 (1983) Graphic Symbols for Distributed Control/Shared

Display Instrumentation, Logic and Computer Systems.

14. Boschrexroth rea de produtos

Disponvel em:

Acesso em: 10 Jun. 2013.

15.Norma ISA 5.2 (R1992) - Binary Logic Diagrams for Process Operations.


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APNDICE B: LISTA COMPLETA DE COMPONENTES

C AA A ABCA C AB.

1 ABAAA ACA AA AA (1727 ) 4 . 1927

2 ABAAA ACA AA AA (1938 ) 4 . 2538

3 ABAAA 153,60 100 . A 30

4 AAA BACA 1" 8 . A A 22000322

5 AAA BACA 1/2' 35 . A A 22000209

6 A AC AA C B 75 2 . 53001009

7 BBA 'A A 1/3 2 . B A B35

8 B CA C (A AA) 1 . C B

9 BC CA A AB 8 . C BC0110 BC CA A CA 8 . C BC10

11 BCA A C 1" AA 1/2" 8 . A A 22076752

12 CAB A A C 0,5 (BAC) 50

13 CAB A A C 1,5 () 20

14 CAB A A C 2,5 () 2

15 CAB A BA A C 1,0 10

16 CAB A BA A C 2,5 1

17 CAB A 20,50 10 BC300 A BC300

18 CAB AA 3 C 20 CB0503 55090180

19 CAB 32,50 6 CBC

20 CAB 41,50 15 CBC

21 CAB B 2 B 3079A

22 CAB BA 4 B 3076

23 CAA 'A CAACA 100 2 .

24 CAA 1 .

25 CAAA CA C C AB 3050 () 4 AC A 3

26 CA BA 2 . CB A CB2000

27 CA (CAA) 1 .

28 CA CCAA 32A 1 . 5 53 0321

29 C A + A. 1 . 51 A 51525354

30 C C C A + (A A) 1 . C C

31 C + B 1 . 71200 71214C //

32 C + 16 AA 16 AA A 1 . 71200 71214C //

33 CA 2 A 9 . C C290

34 CA C CA 1 . C C290

35 CC 1/2" CAA 6 . A A 22002406

36 CC B 12 . A 1/35 C 474560000

37 CC B 1,5 73 . 1,5 C 1031400000

38 CC B A 2,5 6 . A2,5 C C021556.01

39 CC B A 4,0 2 . A4 C 443660000

40 CC B A 2,5 3 . 2,5/35 C 66106000041 CC B A 4,0 1 . C 6/35

42 C C 1/2" 15 . A A 22200208

43 C A > 420A 1 . A 302

44 C C 45 1/2" 1 . A A 22140205

45 C C 90 1/2" 26 . A A 22150200

46 C A 1 . C 2B1.3A.93

47 BA 4A CA C 2 . 51 51 2047

48 BA 10A CA C 1 . 51 51 2107

49 BBA 14/ 1 . B C B0221214

50 220AC / 24C 11A 1 . 2410 5000002357

51 (21A 81,25A 21,5A) 12 .

52 CA CA CAA 1 50 8 . CA C 473460001

53 CA 220 1/2 C 2,6A 2 . C08 10413493

54 C 1/2'' 16 . A A 22220209

55 AA BACA 1 1/4'' 0,5 A 56 A 1'' > 1/2'' 1 . A

57 CA AA AA 1/40 1 . 1/40

58 A 800500250 1 . C CA A 902322

59 AA A A 520 30 .

60 AA AA 850 18 .

61 AA A (A 10) 77 . BC 3 842 535 466

62 A 26,5 BC 3 842 993 120/

63 ACA AA CA 1 . A

64 A 3 32A 1 . C 3276

65 45 A 4 .

66 A CAB 9 17 . A 00086

67 A CAB 13,5 5 . A 00086

68 CA A 5 AC 30 . BC 3 842 530 283

69 AA CC B AC 9 . A C

70 AA CA A 19972000 1 . C 1253471 A 10A 1 . 3 323101.AA02

72 AC BBA 24C 2 . 3 C 38.52.7.024.0050

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C AA A ABCA C AB.

73 CA AC BAA 220 / 2 1 . A50 A A50

74 100 6 . CA 412

75 C 7 . 2 212502

76 A A 1 . C01 A C01

77 A 2 . 400 A

78 A AA 2 . 248

79 AA 24 8 . C226 10046541

80 AA 7 .

81 A 40 2 . 82 A BA A 2 . A B302

83 A BA 1,00 100 . 1/14 C 9019080000

84 A BA 2,50 50 . 2.5/14 C 9019160000

85 A BA 1,00 50 . 1/15 C 9037440000

86 A BA 1,50 50 . 1,5/14 C 9019120000

87 AA A B 3 32A 1 . C 3206

88 AA AA C A 45 2 . CAC 1653016

89 A (BA+ 3 ) 24 1 . B C

90 1,5 35 C C038340.00

91 B C 1" 1 A A 10121817

92 B C 1/2" 8 A A 10121744

93 A A BC 1/2" 14 . CA 1552.B.012

94 A 1/2" BBA 24 5 . 1335 1335BA4

95 A CA 50 1 . A A 54501951

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Ramos Mario Bertt de Arruda

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