Universidade Federal de Minas Gerais
Visita técnica à
Frederico Spagnol de Miranda
Lucas Costa Oliveira Santos
Índice
4.Controle de processos na Aracruz
1.Prefácio
Por incentivo do Colegiado do curso de engenharia de controle e automação da Universidade Federal de Minas Gerais, foi requerido, através do nosso coordenador, à empresa Aracruz Celulose permissão para fazermos um estágio de uma semana (40 horas) na mesma.
O objetivo dessa visita técnica foi de proporcionar um primeiro contato com o ambiente de trabalho de uma indústria e receber noções sobre o controle de processos. Tais objetivos foram plenamente alcançados devido à boa receptividade e orientação dadas pelos funcionários da Aracruz.
Foram cinco dias em contato com ambiente de trabalho da indústria nos quais nos foram passadas noções gerais sobre o processo de fabricação de celulose, informações sobre válvulas (através da empresa Neles Controls), sistemas de controle, instrumentação e também sobre a estrutura administrativa da empresa.
O controle de processos se dá por muitas razões, dentre elas podemos citar: segurança, especificação de produtos, regulamentações ambientais, restrições operacionais e otimização econômica. Um sistema de controle tem como objetivos suprimir a influência de perturbações externas, garantir a estabilidade do processo e otimizar o desempenho do mesmo.
A Aracruz Celulose, por ser uma empresa química, necessita fazer um preciso controle da especificação de produto, uma vez que o produto químico é vendido por sua faixa de pureza (ou de outra característica associada). Se o produto final se encontrar fora desta faixa, ele pode ser comercializado com um preço abaixo de seu valor de mercado, pode ser usado para funções menos nobres ou ainda pode ser reprocessado.
O ideal seria que o produto tivesse exatamente as características mínimas exigidas pela faixa, uma vez que características mais elaboradas podem ser sinônimo de maior gasto energético ou menor rendimento de processo.
Como esta exatidão não é possível, procura-se dar uma pequena folga e trabalha-se com o set-point da operação um pouco acima da especificação (o set-point é o valor fornecido para o controlador). Deve-se ressaltar que esse "pouco" depende da qualidade do controle.
Com um controle pouco eficiente tem-se um maior desvio padrão na saída, uma menor proximidade entre o set-point e a especificação além de uma menor otimização.
Variável de controle de processo ao longo da tempo (controle pouco eficiente)
Com um controle mais eficiente tem-se um menor desvio padrão na saída, uma maior proximidade entre o set-point e a especificação, obtendo, portanto, uma maior otimização.
Variável de processo ao longo do tempo (controle eficiente)
A empresa Aracruz Celulose S.A., localizada no município de Aracruz, é uma indústria que produz celulose a partir do eucalipto. Sua base territorial é de 213 mil ha, dos quais 132 mil são de plantio de eucalipto e 61 mil de reservas nativas. Seu raio operacional médio é de 150 km.
Os 4 milhões de m3 de madeira consumidos por ano pela empresa geram uma produção média de mais de 1 milhão de toneladas de celulose. Em 96 esse número atingiu 1.080.000 ton e em 97, 1.058.000 ton.
As exportações correspondem a aproximadamente 94% do total de celulose comercializada, destinando 39% à Europa, 36% à América do Norte, 17% à Ásia e 8% à América do Sul.
Apesar da atual redução de pessoal vigente na empresa, ela ainda possui 2.180 empregados, sem mencionar os setores terceirizados, como manutenção, transporte e alimentação.
A empresa começou, no início da década de 90, um projeto de modernização que foi responsável por um aumento do volume produzido e uma significativa redução dos custos de produção. Essa modernização se baseou num grande investimento na área de controle e automação industrial, fazendo da Aracruz uma das empresas mais automatizadas do país.
Os principais constituintes da madeira são: celulose, lignina e extrativos. O objetivo da Aracruz é separar a celulose desses demais componentes se danificá-la.
A madeira é extraída das reservas da Aracruz e, ao chegar na indústria, são descascadas e picadas através de um processo mecânico formando pequenos pedaços de madeira chamados cavacos.
Num primeiro estágio é acrescentado ao cavaco um licor branco constituído por soda caústica (NaOH) e sulfeto de sódio (Na2S). Essa mistura vai para um digestor onde é feito um cozimento. Durante este estágio a celulose é separada quimicamente de parte da lignina e de todos os extrativos, formando uma pasta marrom.
Num segundo estágio esta pasta é lavada, ocorrendo a separação mecânica da celulose de quase todos os outros componentes. Tal lavagem ocorre no difusor e dela resulta uma pasta marrom claro formada por celulose e resíduos de lignina.
Já no terceiro estágio ocorre o branqueamento da pasta resultante da lavagem através de sucessivas adições alternadas de cloro e soda cáustica. Neste processo os resíduos são totalmente retirados, resultando numa pasta branca constituída de celulose.
No último estágio é feita a secagem da pasta branca obtendo folhas de celulose que são empacotadas e encaminhadas para o depósito da fábrica.
Abaixo é mostrado um esquema mais detalhado do processo.
No esquema acima está incluída a parte energética da indústria, na qual através de caldeiras de recuperação a Aracruz obtém cerca de 80% da energia que consome.
4.Controle de processos na Aracruz
Elementos primários são aqueles que estão em contato com a variável e utilizam ou absorvem energia do meio controlado para dar ao sistema de medição uma resposta em função da variação da variável controlada. É a parte do centro de medição que produz um efeito em resposta a mudança do valor da variável controlada.
Na Aracruz os principais elementos primários constituintes da malha de controle são sensores (medidores) de vazão, temperatura, pressão, densidade, umidade, Ph e viscosidade, pois essas são as variáveis mais importantes a serem controladas no processo. Existem três gerações desses elementos: os pneumáticos (pressão-20 a 100kPa), o eletrônico analógico (4 a 20 mA) e os eletrônicos digitais (fieldbus).
Um dos sensores utilizado para medir umidade da pilha de cavaco, que vai para o digestor, faz essa medição através de um emissor de ondas eletromagnéticas que, dependendo da quantidade de água no cavaco, terão sua intensidade modificada.
Recebem o sinal do controlador e modificam a variável controlada ou o agente de controle. É a parte do sistema de controle que muda diretamente o valor da variável manipulada. O elemento final de controle mais importante encontrado na Aracruz é a válvula.
Válvulas são instrumentos que controlam a vazão de fluidos. Na página seguinte está o esquema de válvula, com seus principais componentes. Entre estes está o obturador, que é o componente responsável pelo fechamento mecânico da válvula. As válvulas se classificam pelo tipo de obturador em:
Nas válvulas, o atuador pode ser controlado ou não. Na Aracruz Celulose estão sendo implementados posicionador inteligentes ND800 (Neles Controls) que proporcionam um controle rápido e mais preciso. Isto ocorre porque este atuador faz um controle preventivo, não deixando que a performance da válvula ultrapasse um nível de alerta, gerando uma mínima variabilidade no processo.
Juntamente com o ND800, está sendo implantado na empresa um software chamado Valve Manager, que atua junto com o atuador permitindo um diagnóstico completo da válvula tanto para fins de monitoração quanto para teste.
Esquema estrutural de uma válvula
Ao contrário dos demais dispositivos, que se encontram no "campo" próximos dos equipamentos do processo, o controlador é usualmente localizado na sala de controle, a uma certa distância do processo. Ele é conectado com o campo através de fios, que trazem os sinais dos transmissores e levam os sinais do controlador para o elemento de controle.
Na Aracruz estão implementados atualmente uma arquitetura de controle SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído) conjugada com controlador CLP (Controlador Lógico Programável). O SDCD faz o controle de processos através de cálculos PID, além de lógicas de controle de processos e motores. Já o CLP é mais veloz por que não faz os cálculos de processo, trabalha apenas com lógica boleada e, por isso, é utilizado em equipamentos elétricos (motores).
Um controlador, para ter sua performance estabilizada, precisa estar adequadamente ajustado. Este processo de ajuste é chamado sintonia.
Sintonia é a combinação das funções de ganho e tempo do controlador com o restante dos elementos na malha de controle (processo, transmissor, válvula, etc.). Existe um número de formas teóricas e praticas para se conseguir a sintonia de um controlador. Muitas equações matemáticas podem ser usadas para predizerem os ajustes ideais: proporcional, integral e derivativo para um dado processo. A prática predominante na industria de polpa e papel, é sintonizar os controladores pôr experiência prática e/ou pôr método erro-tentativa (teste). Outra maneira existente na Aracruz é a auto sintonia feita por um PC através do software chamado Intune, que está ligado em paralelo com a rede SDCD e sugere valores para correção de PID. Atualmente está atuando apenas na área de branqueamento, pois esta é área que define a qualidade do produto, portanto precisa de uma sintonia mais eficiente. Existem projetos para implantação desse software em outras áreas da indústria.
Como mencionado anteriormente, esta visita superou as expectativas. Conforme está explicado no relatório, ampliamos nossos conhecimentos no que se refere a um processo industrial, principalmente da celulose, pois tivemos uma visão completa do mesmo através da instrução de vários profissionais da Aracruz Celulose.
Além da noção de processo, outro fato talvez mais importante foram os conhecimentos que adquirimos na área de controle e automação da empresa, pois nos foram passadas as noções gerais que constam nesse relatório.
Portanto, consideramos a experiência muito válida e esperamos repeti-la assim que obtivermos maiores conhecimentos acadêmicos para podermos aprofundarmos nas áreas de nosso interesse.