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THIAGO ASTUN CIRINO
CONTROLE AUTOMÁTICO DO COZIMENTO NA FABRICAÇÃO DE AÇÚCAR
NO SETOR SUCROALCOOLEIRO.
Sorocaba
2016
THIAGO ASTUN CIRINO
CONTROLE AUTOMÁTICO DO COZIMENTO NA FABRICAÇÃO DE AÇÚCAR
NO SETOR SUCROALCOOLEIRO.
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao
Campus de Sorocaba, universidade Estadual
Paulista (UNESP), como parte dos requisitos para a
obtenção do grau de Bacharel em Engenharia de
Controle e Automação.
Orientador: Prof. Dr. Galdenoro Botura Jr.
Sorocaba
2016
Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca da Unesp
Instituto de Ciência e Tecnologia de Sorocaba
Cirino,Thiago Astun.
Controle automático do cozimento na fabricação de açúcar no setor sucroalcooleiro / Thiago Astun Cirino, 2016. 64 f.: il. Orientador: Galdenoro Botura Junior.
Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) – Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho". Instituto de Ciência e Tecnologia (Câmpus de Sorocaba), 2016.
1. Cana-de-açúcar. 2. Automação. 3. Cozimento. Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho". Instituto de Ciência e Tecnologia (Câmpus de Sorocaba). II. Título.
AGRADECIMENTOS
Ao meu amado pai Sebastião, que com empenho, tranquilidade e amor teve um
papel importante na estrutura, ação e conclusão desse trabalho e também de todas as
aventuras que tive o prazer de viver.
Especialmente a minha querida mãe Tânia, que com todo cuidado, carinho,
firmeza, amor e cobrança foi a responsável por eu ter a experiência mais incrível da
minha vida.
Aos meus irmãos, Daniel e Mateus, que são e sempre serão meus primeiros
amigos.
A todos da minha família, que me apoiaram nas escolhas para a melhor
formação como pessoa.
Ao professor Dr. Galdenoro. Companheiro de caminhada ao longo do Curso de
Engenharia de Controle e Automação que se dispôs a me orientar e instruir para uma
excelente conduta nos trabalhos do programa de estágio e de conclusão de curso.
Ao amigo Clodoaldo Paviani. Um dos precursores do trabalho realizado que
além de muito conhecimento e auxilio, esbanja bom humor e seriedade.
Ao mais novo amigo Bruno Paviani, que soube me ensinar e sanar muitas
dúvidas, ao meio dia e também a meia noite.
A todo o time da Usina Lins, que com dedicação e tempo soube me mostrar os
melhores caminhos.
Aos irmãos da República Magnatas que compartilharam os melhores momentos
da minha vida.
Aos irmãos da Goomer que me receberam de braços abertos e com uma amizade
infinita.
A todos os amigos e amigas da UNESP e da vida.
A Sociedade brasileira pela confiança em doar um pouco aos meus estudos e
formação.
As incríveis oportunidades, tanto pessoal quanto profissional.
Ao mundo e todos os seres que, indiretamente ou diretamente, forneceram a
chance de poder a cada dia ser uma pessoa melhor.
“A experiência nunca falha, apenas as nossas opiniões
falham, ao esperar da experiência aquilo que ela não é capaz
de oferecer.”
Leonardo da Vinci.
RESUMO
A cana-de-açúcar é uma das principais culturas do mundo. É cultivada em mais
de 100 países e gera uma grande mão-de-obra (Nova Cana, 2011). Também é principal
matéria-prima para a indústria sucroalcooleira brasileira que envolve etapas, como:
produção e abastecimento da indústria com matéria-prima, gerenciamento dos insumos,
resíduos, subprodutos e da versatilidade da produção, de açúcar ou álcool,
armazenamento e comercialização dos produtos finais.
Estas etapas devem ser executadas com o emprego de técnicas eficientes de
manuseio, automação e gerenciamento. Assim, neste trabalho de graduação foi estudada
toda a teoria da produção do açúcar, focando na etapa de cozimento com o intuito de
melhorar a eficiência e a qualidade do produto final. Com o trabalho conjunto com uma
usina do setor, foi desenvolvido um controle automático de um cozedor a partir dos
softwares RS Logix 5000 e Factory Talk. A partir de dados reais de entrada, a etapa da
transformação do xarope em cristais, ou seja, o cozimento do açúcar foi amplamente
abordado e colocado em pratica. Profissionais especializados do setor sucroalcooleiro
foram consultados de forma a obter o conhecimento a ser embutido na aplicação de
controle do cozedor.
O estudo demonstrou viabilidade econômica com essa automação, ou seja. A
partir de um gasto de R$ 200.000,00 para implantação, a Usina obteve um retorno de
R$ 270.000,00 em menos de um mês. Além de facilitar a rotina diária dos envolvidos na
produção do açúcar, principalmente na fase de cozimento, o trabalho envolveu base
teórica e aplicação de um novo sistema no mercado sucroalcooleiro.
Palavras Chave: Cana-de-açúcar, Automação, Cozimento.
I
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Exemplo de automação no setor sulcroalcooleiro. 2
Figura 2. Fluxograma da Produção de Açúcar. 5
Figura 3. Terminal IHM em um Cozedor. 7
Figura 4. Recursos por tipo de Terminal. 8
Figura 5. Indicação e Representação dos Componentes Modulares Separados. 9
Figura 6. Janela Principal FactoryTalk View. 11
Figura 7. Representação de Comunicação. 12
Figura 8. Área do ambiente de trabalho do RSLogix 5000. 13
Figura 9. Representação da Linguagem Ladder. 13
Figura 10. Esquema conceitual de um CLP. 14
Figura 11. Elementos Gráficos do RSLogix 5000. 14
Figura 12. Condição de linha da lógica Ladder. 15
Figura 13. Condições dos blocos de função. 15
Figura 14. Representação Malha Fechada. 17
Figura 15. Representação controle PID. 17
Figura 16. Transmissor série LD300. 18
Figura 17. Medição pela Sonda Microondas. 20
Figura 18. Princípio da Medição por Microondas. 20
Figura 19. Anel da Automação Industrial da Usina. 23
Figura 20. Instrução PID no RSLogix 5000. 24
Figura 21. Instrução MOV no RSLogix 5000. 25
Figura 22. Temporizador TON no RSLogix 5000. 25
Figura 23. Conexões do Hardware. 26
Figura 24. Terminal conectado ao Switch. 27
Figura 25. Configuração para Montagem. 27
Figura 26. Rack de Configuração. 29
Figura 27. Espelhamento das Entradas Analógicas. 30
Figura 28. Espelhamento das Saídas Analógicas. 31
Figura 29. Subrotinas utilizadas. 31
Figura 30. Controle de pressão do corpo do cozedor (Controle do Vácuo). 32
Figura 31. Controle de Pressão da Calandra. 33
Figura 32. Controle de Concentração do Cozedor. 34
Figura 33. Geração da Curva de Cozimento. 35
Figura 34. Atuação do bloco SQO. 36
Figura 35. Machine Edition. 37
II
Figura 36. Servidor OPC Server. 37
Figura 37. Link OPC Server. 38
Figura 38. Tags do CLP. 39
Figura 39. Tela de Status Cozedor massa A. 42
Figura 40. Aba Parâmetros do Cozedor massa A. 43
Figura 41. Formação do vácuo no Cozedor A. 44
Figura 42. Formação pé do Cozedor A. 45
Figura 43. Início do Cozimento A. 46
Figura 44. Reta de Cozimento gerada pela Sonda Microondas. 46
Figura 45. Final do Cozimento A. 47
Figura 46. Quebrando o Vácuo do Cozedor. 47
Figura 47. Descarga da massa A. 48
Figura 48. Representação do Processo de Embebição. 57
Figura 49. Conjunto de Evaporação na Produção de açúcar. 59
Figura 50. Representação Interna do Evaporador. 60
Figura 51. Etapas Finais da Produção de Açúcar. 61
Figura 52. Cozedores utilizados na Produção Açúcar 61
Figura 53. Sólidos totais em soluções saturadas de açúcar a diversas purezas e temperaturas. 63
Figura 54. Curvas de Saturação e Supersaturação da Sacarose. 66
Figura 55. Relação entre Coeficiente de Supersaturação e a Pureza. 67
Figura 56. Cozedor de Calandra. 69
Figura 57. Representação interna de um Cozedor de Calandra. 70
Figura 58. Válvula Multijato para controle de Vácuo 71
Figura 59. Sonda Microondas no Cozedor 71
Figura 60. Cozimento em duas massas para produção de açúcar. 74
Figura 61. Açúcar pronto para comercialização. 75
III
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Componentes Modulares. 9
Tabela 2. Operandos de Lógica Ladder no PID. 24
Tabela 3. Operandos de Lógica Ladder no MOV. 25
Tabela 4. Operandos de Lógica Ladder no TON. 26
Tabela 5. Arrays e Bits setados nas determinadas etapas. 36
Tabela 6. Solubilidade de Sacarose por 100 gramas de água a Pressão Normal. 62
Tabela 7. Condições para cálculo de Solubilidade. 64
Tabela 8. Relação entre Pureza e CSS 67
Tabela 9. Valores de Supersaturação para diversos CSS e Temperatura. 68
IV
Sumário1 JUSTIFICATIVA ...................................................................................................... 1 2 OBJETIVOS .............................................................................................................. 3 3 REVISÃO CONCEITUAL ....................................................................................... 5 4 MATERIAIS E MÉTODOS ...................................................................................... 7
4.1. Terminal IHM .................................................................................................... 7 4.2. Software FactoryTalk ....................................................................................... 10 4.3. Software RSLogix 5000 ................................................................................... 12
4.3.1. Programação em Ladder ........................................................................... 13 4.3.2. Instrumentação e Controle ........................................................................ 16
4.4. Sonda Microondas ............................................................................................ 19 4.4.1. Sonda Microondas x Sonda Resistiva ....................................................... 21
5. DESENVOLVIMENTO .......................................................................................... 23 5.1. CLP .................................................................................................................. 23 5.2. Instrução PID .................................................................................................... 24 5.3. Instrução MOV ................................................................................................. 25 5.4. Temporizador TON .......................................................................................... 25 5.5. Adicionando terminal RSLogix 5000 ao Terminal IHM. ................................ 26 5.6. Projeto em Ladder ............................................................................................ 28
6. RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................... 41 6.1. Anteriormente ao Cozimento da massa A ........................................................ 41 6.2. Formação da Massa Cozida A .......................................................................... 41 6.3. Descarga de Massa para o Cristalizador A. ...................................................... 47 6.4. Açúcar Produzido e a Automação Realizada ................................................... 48
7. CONCLUSÃO ......................................................................................................... 51 8. BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................ 53 APÊNDICE A - Conceitos Básicos do Setor Sucroalcooleiro ....................................... 55 APÊNDICE B - Primeiras etapas no processo açucareiro. ............................................. 57 APÊNDICE C - Cozimento do açúcar. ........................................................................... 61 APÊNDICE D - Programação Desenvolvida ................................................................. 75
1
1 JUSTIFICATIVA
Processos automatizados são investimentos de melhoria de desempenho operacional nos
mais diversos ramos da sociedade. Assim, esta reforma na engenharia moderna se faz cada
vez mais presente no nosso cotidiano. Desde pequenas a grandes indústrias, a automação foi
introduzida com a principal finalidade de melhoria dos processos, garantindo qualidade no
produto final juntamente com alta produtividade. Obviamente houve um forte aumento na
qualidade dos produtos resultantes, impactando nos negócios de quem ainda se limita a
utilizar esses novos recursos. Os investimentos em automação são variados ao longo da cadeia
produtiva, porém em qualquer parte da produção, pode ser empregado para facilitar
procedimentos.
O trabalho aqui estudado teve seu principio em um estágio realizado em uma empresa
de automação para usinas do setor sucroalcooleiro. Além de o açúcar estar presente
diariamente na vida das pessoas, e principalmente na minha, pois morei durante toda minha
infância em uma vila situada dentro de uma usina de produção de açúcar e álcool, um bom
produto final, feito com dedicação e estudo, resulta em uma melhora na qualidade de vida das
pessoas. Portanto o empenho na produção pode ajudar a transformar vidas, tanto na indústria
e em todas as fases envolvidas, quanto na casa de cada pessoa do mundo.
Após um bom aprendizado e realizações com pessoas envolvidas na melhoria do
processo de produção do açúcar e do álcool por meio da cana-de-açúcar, apareceu à
oportunidade de colocar em prática alguns dos assuntos tratados e aprendidos, assim o
trabalho, juntamente com uma equipe, foi à base de tudo realizado e descrito.
A produção de açúcar com elevado padrão de qualidade e com uma boa recuperação de
sacarose é o objetivo de todas as usinas de açúcar (Albuquerque, 2011). Assim, a automação
do setor sucroalcooleiro (Figura 1) deve ocorrer de forma gradual e contínua nos parques
industriais já instalados. Por sua vez, as novas usinas já estão sendo implantadas, com
recursos de planejamento e controle automatizados modernos, que permitem o controle de
todo o processo. Contudo, para uma total e eficiente automação das etapas de produção de
açúcar, e também do álcool, é necessário, ainda, muitos conhecimentos do campo da ciência e
da tecnologia (Vian, 2012), que aguardam, ainda, novas soluções para viabilizar sua
incorporação nas indústrias.
2
Figura 1. Exemplo de automação no setor sulcroalcooleiro.
Atualmente, a utilização de Controladores Lógicos Programáveis centralizam os
processos e seus operadores, o que facilita a comunicação e possibilita em tempo real, o ajuste
e a correção de qualquer problema que possa acontecer. O uso desses sistemas, na maior parte
da produção do açúcar, facilita o acompanhamento da produção durante a safra.
Com isso, a partir de uma linguagem de programação em Ladder e sua interatividade
com um terminal IHM da empresa Rockwell Automation, a automação que se está
implantando, desde a elaboração de um supervisório até a definição dos materiais físicos
envolveram pessoas da indústria, com bastante trabalho em equipe, e estudos teóricos da
produção açucareira.
3
2 OBJETIVOS
Osprincipaisobjetivosaserematingidoscomestetrabalhodegraduaçãosão:
Extrair e documentar conhecimento na realização de um ótimo cozimento e
fabricaçãodeaçúcardeboaqualidade,dentrodasespecificações;
DesenvolverumcontroleautomáticoparaocozimentodamassacozidaAaplicadoa
umausina;
AplicarocontroledesenvolvidoparaumbomcozimentodamassaA.
4
5
3 REVISÃO CONCEITUAL
Para se garantir a excelente qualidade no produto final e redução da perda de
açúcar, definição de termos utilizados na produção está no apêndice, um bom processo
em cada etapa da fabricação, representado pela Figura 2 é essencial.
Percebe-se que substanciais progressos foram alcançados a partir de pesquisas nos
melhores centros especializados mundiais da agroindústria (Albuquerque, 2011), assim quatro
fatores foram definidos como essenciais a um bom processo de fabricação do açúcar. Matéria-
prima de qualidade, um sistema eficiente de tratamento do caldo da cana, semente de boa
qualidade e um bom sistema de cristalização são os maiores objetivos que se desejam alcançar
para um ótimo açúcar.
A matéria-prima é o mais importante fator de maximização da rentabilidade da
empresa (Albuquerque, 2011), pois no custo final do produto corresponde de 65% a 70% do
valor apresentado. Uma boa qualidade resulta em um processamento até o final desejado
muito mais rápido, gerando alto rendimento e reduzindo o custo por unidade do produto.
No Brasil, o açúcar é produzido a partir da cana-de-açúcar, que possui 90% de caldo,
solução liquida, e 10% de fibra, parte sólida, em sua composição, e seu transporte acontece
predominantemente por caminhões (Cesar, 2007). Esses são pesados antes e após o
descarregamento, obtendo assim o peso real da matéria prima pela diferença entre as duas
medidas.
Para uma melhor compreensão de todo o processo, fez-se um estudo intenso do
processo, desde a chegada da cana-de-açúcar na usina até o ensaque do produto resultante.
Esse estudo está apresentado no apêndice.
Extração Tratamentodecaldo Evaporação Cozimento Centrifugação Secagem
Figura 2. Fluxograma da Produção de Açúcar.
6
7
4 MATERIAIS E MÉTODOS
4.1. Terminal IHM
O terminal gráfico IHM PanelView da Rockwell Automation, Figura 3, permite
monitorar, controlar e exibir graficamente informações de status das aplicações em ambiente
industrial. Esses terminais oferecem a flexibilidade de plataforma aberta do sistema
operacional Windows e estão disponíveis em telas com tamanho padrão de 4 a 15 polegadas
(terminal 400 a terminal 1500). O software utilizado para programar e mostrar toda essa
interatividade é o FactoryTalk View Studio Machine Edition juntamente com o RSLogix
5000, que permitem programar todos os terminais gráficos desse tipo (Automation).
Figura 3. Terminal IHM em um Cozedor.
A mobilidade e facilidade de implantação em qualquer planta industrial fez com que a
usina optasse por essa automação na etapa de cozimento do açúcar, assim o supervisório e a
programação foram desenvolvidos para esse hardware. Anteriormente as usinas em geral
utilizavam um processo manual, ou seja, um responsável, operador de cozimento,
acompanhando os pontos importantes e de mudança de status na produção.
As funções diferem nos diversos tamanhos de telas dos terminais, como representados
na Erro! Fonte de referência não encontrada..
8
Figura 4. Recursos por tipo de Terminal.
Fonte: (Automation)
Para o projeto utilizou-se do terminal PanelView Plus 6 1000 (10,4 polegadas), código
da categoria 2711P-T10C4D8, com tela colorida, resolução mínima de 640x480, 18 bits e
alimentação CC, além de aceitar entrada do operador via touchscreen (Automation).
Esses terminais, quando encomendados, consistem em módulos separados divididos
em três tipos, Erro! Fonte de referência não encontrada., Módulo de tela, módulo de lógica
e módulo de comunicação com redes, sendo esse último opcional se a aplicação exigir.
9
Figura 5. Indicação e Representação dos Componentes Modulares Separados.
Fonte: (Automation)
Já a Erro!Fontedereferêncianãoencontrada. indica a descrição de cada componente.
Tabela 1. Componentes Modulares.
Componente Modular Descrição Módulo de Tela (1) 1000 (10,4 pol.)
Módulo de Lógica (2)
Entrada Alimentação CC Porta Serial para transferências de arquivos
Porta Ethernet para comunicação CLP 2 portas USB 2.0 de alta velocidade para conectar
equipamentos periféricos e 1 porta USB 2.0 de alta de velocidade para conectar computador host
Interface de rede para módulo de comunicação opcional Memória não volátil de 512 MB e Memória 512 MB RAM
Slot cartão SD Chave de Reset do terminal
Indicador de status (possível falha)
Módulo de Comunicação com redes
(Opcional) (3)
DH+/DH-485;
ControlNET programável e não programável; Ethernet
Fonte: (Automation)
As aplicações típicas para esse tipo de terminal são das mais variadas possíveis, ou
seja, para registro de dados, animação, navegação direta dos endereços dos controladores
10
Logix5000 a partir do software, comunicações com vários fornecedores e expressões. Nesse
ponto percebe-se como sua aplicação e implantação são totalmente cabíveis e satisfatórios
para o projeto em questão.
Os terminais podem trabalhar em configuração aberta ou fechada para a área de
trabalho. No projeto, por se tratar de uma aplicação em campo, escolheu-se a configuração
fechada, restringindo assim o acesso a área de trabalho do Windows Explorer e a aplicação do
controle do cozedor por meio do FactoryTalk View Studio (Automation).
4.2. Software FactoryTalk
O Software FactoryTalk® View Machine Edition ( FactoryTalk View ME) é uma
aplicação para terminais IHM desenvolvido pela Rockwell Automation e oferece uma solução
dedicada e poderosa para dispositivos de aplicação interface homem-máquina. Foi
desenvolvido para monitorar e controlar processos automáticos e máquinas. Como elemento
integrante da solução de visualização da Rockwell Automation, proporciona gráficos
superiores, gerenciamento de usuários em tempo de execução, comutação de linguagem e
tempo mais rápido através de um ambiente de desenvolvimento fácil e comum. O software
suporta o sistema operacional Windows CE 6.0 utilizado no terminal IHM PanelView Plus 6,
descrito anteriormente (Automation).
O FactoryTalk View ME possui em sua arquitetura:
1. Servidor de Dados: Responsável pela comunicação via OPC Server;
2. Servidor de Telas: Onde são armazenadas as telas do supervisório;
Servidor de Alarmes: Onde são configurados os alarmes para as diversas etapas do projeto.
A janela principal do FactoryTalk View Studio está representado na Erro!Fontede
referêncianãoencontrada..
11
Figura 6. Janela Principal FactoryTalk View.
Fonte: (Controladores Logix5000)
O Software oferece aos usuarios recursos que reduzem o tempo de desenvolvimento,
melhorado a experiência do operador e mantendo uma boa visibilidade da planta, além de ser
totalmente compativel com o terminal IHM utilizado e o programa RSLogix 5000.
Possui um processo de instalação simplificado, além de reduzir o tamanho do
projeto. As aplicações tem a possibilidade de trocarem de língua padrão facilmente, ou seja,
não causa problema para a aplicação caso seja necessário uma mudança.
12
4.3. Software RSLogix 5000
A família RSLogix de pacotes para programação lógica ajuda a maximizar o
desempenho, poupar tempo de desenvolvimento e melhorar a produtividade. Utilizado para
desenvolvimento de aplicações em linguagem Ladder e Blocos de Função para os CLP´s da
empresa Rockwell Automation, o software RSLogix 5000, atua como o esquema representado
na Figura 7, ou seja, a partir da programação desenvolvida, consegue-se passar para um
Controlador lógico programável e controlar via um terminal IHM (Manual de Controladores
Logix5000, 2001).
Figura 7. Representação de Comunicação.
Fonte: (Mendes, 2011)
O ambiente combina desenvolvimento e engenharia de elementos em uma estrutura
padrão. Aperfeiçoa a produtividade, reduz os ciclos de design e também o tempo para o
mercado. Responde rapidamente às mudanças nas necessidades e reduz os custos totais de
propriedade, além de possuir um start-up de fácil aplicação, representado na Figura 8.
13
Figura 8. Área do ambiente de trabalho do RSLogix 5000.
4.3.1. Programação em Ladder
O nome linguagem Ladder vem da sua representação que se parece uma escada, na
qual duas barras verticais paralelas são interligadas pela lógica de controle, formando os
degraus (rungs) da escada (CEFET/BA, 2009). Portanto, a cada lógica de controle existente
no programa de aplicação dá-se o nome de degrau, a qual é composta por colunas e linhas,
conforme a Figura 9.
Figura 9. Representação da Linguagem Ladder.
Fonte: (CEFET/BA, 2009)
14
A Linguagem Ladder mantém ainda como a mais utilizada, estando presente
praticamente em todos os CLPs disponíveis no mercado (Mendes, 2011). Por ser uma
linguagem gráfica, baseada em símbolos semelhantes aos encontrados nos esquemas elétricos
(contatos e bobinas), as possíveis diferenças existentes entre os fabricantes de CLPs, quanto à
representação das instruções, são facilmente assimiladas pelos usuários.
Verifique por exemplo o esquema conceitual de um sistema PLC, mostrado na Figura
10. As entradas físicas reais estão fixadas a um módulo de entrada (esquerda) enquanto as
saídas estão fixadas a um módulo de saída (direita). No centro, vê-se a representação lógica
que a CPU deve processar na linguagem Ladder. Neste caso, se o Input 1 (interruptor
normalmente aberto) for fechado, a Output 1 (campainha) é ligada.
Figura 10. Esquema conceitual de um CLP.
Fonte: (CEFET/BA, 2009)
Para o Software RSLogix 5000, o ladder possui os elementos gráficos representados
na Figura 11, sendo os contatos, inputs e as bobinas os outputs.
Figura 11. Elementos Gráficos do RSLogix 5000.
Fonte: (Manual de Controladores Logix5000, 2001)
15
O controlador avalia as instruções de lógica Ladder com base na condição da linha que
antecede a instrução, assim a definição da condição da linha afeta qualquer instrução
subsequente. Esse formato do RSLogix 5000 está representado na Figura 12.
Figura 12. Condição de linha da lógica Ladder.
Fonte: (Manual Controladores Logix 5000)
Portanto, se a condição da entrada da linha for verdadeira, o controlador avalia e
energiza a condição de saída da linha com base nos resultados da instrução. Se for verdadeira,
a condição de saída será verdadeira, se for falsa, a condição será falsa.
O controlador também efetua a pré-varredura das instruções. A pré-varredura é uma
varredura especial de todas as rotinas no controlador que reseta todas as entradas e saídas não
retentivas (com memória) e os valores internos. Isso ocorre quando o programa passa para a
condição de operação e uma entrada automática no modo de operação de uma condição
energizada (Manual de Controladores Logix5000, 2001).
Também, além da condição de linha lógica, têm-se os Estados dos blocos de função no
software RSLogix 5000 (Controladores Logix5000). O controlador avalia as instruções do
bloco de função baseado no estado de diferentes condições como representados na Figura 13.
Figura 13. Condições dos blocos de função.
Fonte: (Manual de Controladores Logix5000, 2001)
16
Todo bloco de função possui o parâmetro EnableIn e EnableOut, ou seja, as instruções
do bloco são executadas quando o EnableIn é energizado e quando ele é desenergizado a
instrução executa a lógica de pré-varredura. O EnableOut espelha o EnableIn, porém se é
detectado uma condição de overflow, o EnableOut também é desenergizado. A execução do
bloco continua de onde parou quando o EnableIn passa da condição de desenergizado para
energizado, porém algumas instruções de blocos especificam condição especial e assim essa
mudança pode afetar de uma maneira diferente.
4.3.2. Instrumentação e Controle
A instrumentação é utilizada para se referir à área de trabalho dos técnicos e
engenheiros que lidam com processos industriais, mas também pode estar relacionada aos
vários métodos e técnicas possíveis aplicadas aos instrumentos. Para controlar um processo
industrial é necessária à medição e o controle de uma série de variáveis físicas e/ou químicas,
além de definir qual variável é importante para dado momento de medição. Portanto alguns
conceitos são necessários para o entendimento do trabalho (Mollenkamp, 1988).
PV (Variável de Processo): É o valor atual de uma grandeza (Pressão, Temperatura,
Vazão, BRIX etc.) controlada no processo (Mollenkamp, 1988);
SP (Set Point): É o valor desejado no controle de uma grandeza no processo
(Mollenkamp, 1988);
Erro ou Desvio: É a diferença entre o valor atual (PV) e o valor desejado (SP) da
grandeza controlada no processo (Mollenkamp, 1988);
MV (Variável Manipulada): É o valor enviado pelo controlador para a correção do erro
entre a variável do processo e o set point desejado (Mollenkamp, 1988);
Malha Aberta: O controle é feito de modo empírico, ou seja, controlador envia sinal de
controle, porém não verifica se o processo reagiu de acordo (Mollenkamp, 1988);
Malha Fechada: Neste caso o controlador envia sinal de controle e recebe o retorno do
processo para verificar se o processo reagiu de acordo (Mollenkamp, 1988), Figura 14.
17
Figura 14. Representação Malha Fechada.
Fonte: (Mollenkamp, 1988)
4.3.2.1. Controlador PID
O controle Proporcional-Integral-Derivativo (PID), representado na Figura 15, é o
algoritmo de controle mais usado na indústria e tem sido utilizado em todo o mundo para
sistemas de controle industrial (National Instruments, 2011). A popularidade de controladores
PID pode ser atribuída em parte ao seu desempenho robusto em uma ampla gama de
condições de funcionamento e em parte à sua simplicidade funcional, que permite aos
engenheiros operá-los de uma forma simples e direta.
Como o nome sugere, o algoritmo PID é composto por três coeficientes: proporcional,
integral e derivativo, que são variados para obter a resposta ideal, ou seja, procura-se melhorar
simultaneamente o regime permanente e a dinâmica do processo.
Figura 15. Representação controle PID.
Fonte: (National Instruments, 2011)
No controle Proporcional, o erro é multiplicado por uma constante Kp. A saída real é
subtraída da saída desejada, set point, e se calcula o erro. Esse valor é inserido no controlador
PID como entrada, e os termos P, I, e D comandam o sistema na tentativa de eliminá-lo,
garantindo assim o ganho necessário para chegar próximo do sinal de saída desejado o mais
rápido possível e com a melhor estabilidade (Mollenkamp, 1988)
18
O termo Integral multiplica o erro corrente e sua duração por uma constante Ki,
fazendo um somatório de toda essa informação. Esse termo quando somado ao termo
Proporcional, acelera o processo de chegar ao estado estacionário, além de proporcional um
sinal mais próximo da saída desejada, ou seja, do sistema, além de proporcionar um sinal mais
próximo da saída desejada, ele também elimina a parcela residual de erro e chega mais rápido
ao resultado (Mollenkamp, 1988).
O termo Derivativo, faz com que a razão de mudança do sinal de erro seja
multiplicada por uma constante Kd. A intensão é predizer o erro e assim diminuir a taxa com
que eles produzam mudança no sistema (Mollenkamp, 1988).
Portanto usando o PID remove-se a razão de erro do sistema e diminuí o tempo da
resposta com uma resposta transitória razoável (sem oscilações ou instabilidades).
4.3.2.2. Transmissor de Pressão Capacitivo
A medição e controle de pressão é a variável de processo mais usada na indústria de
controle de processos nos seus mais diversos segmentos. Além disso, através da pressão é
facilmente possível inferir uma série de outras variáveis de processo, tais como nível, volume,
vazão e densidade (Cassiolato, 2010).
O sensor capacitivo é a peça chave na medição de pressão, sendo essa tecnologia a
mais largamente utilizada no mundo para se analisar a pressão nos equipamentos de
cozimento. Com excelente linearidade, repetibilidade e estabilidade (Cassiolato, 2010) foi
escolhido e utilizado o modelo LD301 (Usina Lins, 2015), representado por sua série na
Figura 16.
Figura 16. Transmissor série LD300.
Fonte: (Cassiolato, 2010)
19
4.4. Sonda Microondas
A Sonda Microondas chegou ao Brasil recentemente, antes já bem difundido no
mercado Europeu, principalmente na Alemanha onde estão situadas as duas maiores fábricas
do produto. Utilizado para medição de diversas variáveis além de muito preciso, sua
calibração não se altera em função da mudança de pureza do açúcar. A base de uma boa
configuração consiste nas medições de processos e analítica. Através desses processos
elabora-se uma curva que fornece o coeficiente angular como o sinal de concentração da
massa cozida. Esse é enviado e utilizado pelo algoritmo de controle do cozimento.
Dentre os modelos mais utilizados no Brasil pode-se destacar a do fabricante Alpina,
que detém mais de 80% das sondas de microondas instaladas no setor. O medidor de
concentração Alpina Orion é próprio para a medição da concentração e do conteúdo de
sólidos de inúmeras soluções, entre as quais se destacam as várias soluções açucaradas em
usinas de álcool e açúcar. Caldo extraído e suas misturas podem ter a medição do conteúdo de
sólidos feita com muita precisão e repetitividade de resultado (Alpina Orion).
O sucesso operacional do medidor, Figura 17, decorre do princípio de funcionamento,
Figura 18, que faz uma onda eletromagnética, na frequência das microondas, atravessar uma
distância pré-definidas entre duas antenas e imersas no meio do teor de sólidos que se deseja
determinar. De fato, este medidor não mede a quantidade de sólidos, mas sim a quantidade de
água presente no meio. Uma leitura de referência inicial estabelece a correspondência entre a
água medida e o teor de sólidos. Na sequência, uma calibragem do equipamento a partir de
algumas amostras sucessivas e que cubram a faixa de leitura estabelecida, promoverá o ajuste
operacional do medidor.
20
Figura 17. Medição pela Sonda Microondas.
Fonte: (Medição por Microondas, 2014)
Figura 18. Princípio da Medição por Microondas.
Fonte: (Medição por Microondas, 2014)
O fato de medir a quantidade de água no meio torna a medição imune á influência
nociva das frequentes variações de pureza do produto, decorrentes de outros aspectos
industriais e principalmente do campo, pois a presença do sólido num meio aquoso não exerce
ação no fluxo da onda eletromagnética (Alpina Orion).
O princípio de medição de concentração por microondas afasta-se dos vários outros
sistemas de medição disponíveis, tais como a medição por condutividade, os quais sofrem
forte influência da variação da pureza do sólido presente na solução.
21
A microonda é a frequência mais adequada para a medição da quantidade de água em
uma solução açucarada, pois tem a melhor resposta proporcional e linear (Usina Lins, 2015).
Para não ocorrer dano mecânico à sonda é necessário manter o equipamento no
mesmo local e a calibragem deve ser feita apenas uma vez durante a instalação, porém ela se
manterá por muito tempo, até mesmo nas entre safras de produção (Alpina Orion).
4.4.1. Sonda Microondas x Sonda Resistiva
Anteriormente a implantação na usina da Sonda Microondas utilizava-se de Sondas
Resistivas (Usina Lins, 2015). Apesar de realizar sua função, as Sondas Resistivas não
apresentavam boa repetibilidade no processo, gerando erros não previsíveis e com valores
bastante diferentes. Além de o trabalho ser mais pesado, pois o operador tinha de sempre
conferir o estado do açúcar, a medição por Sonda Resistiva sofria influência do sólido
presente na solução. Um bom resultado significava muita experiência e destreza do operador.
A Sonda Microondas trouxe como resultado um açúcar mais padronizado, com boa
repetibilidade de processo e assim maior controle.
22
23
5. DESENVOLVIMENTO
Com a parte teórica estudada e sabendo dos pontos que o equipamento necessita para
um bom procedimento, fez-se a instalação do hardware utilizado.
5.1. CLP
Os diversos CLP´s da indústria sucroalcooleira, situados nas várias partes estudadas,
são interligados para o total controle na produção de açúcar e do álcool. Formam um anel de
conexão, fazendo com que o BRIX da massa cozida B, que chegará ao Cozimento A seja
conhecido pelo Cozedor A.
O anel de interligação dos equipamentos de comunicação, representado na Erro!Fonte
de referência não encontrada., foi feito de fibras óticas (F.O.), que é constituída de fio de
quartzo muito fino revestido de duas camadas, uma de vidro e outra de plástico (polímeros), e
por meio da reflexão ocorre o transporte da luz em seu interior.
A partir de Remotas com I/O analógicas e digitais, ligadas ao cartão Ethernet do Rack
central e também de outro cartão Ethernet desse mesmo Rack ligado ao Switch que se conecta
a IHM, por intermédio de Conversores, tem-se a aplicação na usina (Usina Lins, 2015).
Figura 19. Anel da Automação Industrial da Usina.
Tratamento Caldo
Fábrica de Açúcar
Destilaria
Moenda
Anel da Automação
Industrial da Usina
F.O.
F.O. F.O.
F.O.
24
5.2. Instrução PID
Primeiramente, estudou-se a instrução especial que controla uma malha PID no
RSLogix 5000. Essa instrução, representada na Figura 20 e pela Erro!Fontedereferêncianão
encontrada., controla um Tag de processo como nível, BRIX e pressão.
Figura 20. Instrução PID no RSLogix 5000.
Fonte: (Controladores Logix5000)
Tabela 2. Operandos de Lógica Ladder no PID.
Operando Tipo Formato Descrição PID PID Estrutura Estrutura PID Process Variable
SINT/INT/ DINT/REAL
tag Valor a ser controlado
Tieback SINT/INT/ DINT/REAL
Imediato tag
(Opcional). saída de uma estação manual/automática de hardware que está realizando bypass da saída do controlador. Insira 0 se você não quiser usar esse parâmetro.
Control Variable
SINT/INT/ DINT/REAL
tag Valor que vai para o dispositivo de controle final (válvula, amortecedor, etc.). Se estiver usando a zona morta, Control Variable deve ser do tipo REAL ou o mesmo será forçado em 0 quando houver um erro dentro da zona morta.
PID master loop
PID Estrutura (Opcional). tag PID para o PID mestre. Se estiver realizando o controle em cascata e esse PID for uma malha escrava, insira o nome do PID mestre. Insira 0 se você não quiser usar esse parâmetro.
Inhold bit BOOL tag (Opcional). status atual do bit inhold de um canal de saída analógico 1756 para suportar uma reinicialização ininterrupta. Insira 0 se não quiser usar esse parâmetro.
Inhold value SINT/INT/ DINT/REAL
tag (Opcional). valor de nova leitura de dados de um canal de saída analógico 1756 para suportar uma reinicialização ininterrupta.
Set point Somente display. Valor atual do set point. Process Variable
Somente display. Valor atual de PV convertido em escala.
Output (%) Somente display. Valor de porcentagem da saída da corrente.
25
A função PID recebe a variável de processo (PV) de um módulo de entrada analógica
e modula uma saída variável de controle (também chamada variável manipulada MV) em um
módulo de saída analógica a fim de manter a variável de processo no set point desejado.
5.3. Instrução MOV
Instrução de movimentação lógica, utilizada para copiar um valor. A instrução MOV
copia Source em Destination sem se alterar e está representado na Figura 21 e na Tabela 3.
Figura 21. Instrução MOV no RSLogix 5000.
Fonte: (Controladores Logix5000)
Tabela 3. Operandos de Lógica Ladder no MOV.
Operando Tipo Formato Descrição Source SINT/INT/DINT/REAL tag
imediato Valor a ser copiado
Destination SINT/INT/DINT/REAL tag tag para armazenar o resultado Fonte: (Controladores Logix5000)
5.4. Temporizador TON
A instrução TON, representada na Figura 22 e na Tabela 4, é um temporizador não
retentivo que acumula tempo quando a instrução é habilitada (entrada da condição da linha é
verdadeira). A função TON está disponível no bloco de função também, porém como TONR.
Figura 22. Temporizador TON no RSLogix 5000.
Fonte: (Controladores Logix5000)
26
Tabela 4. Operandos de Lógica Ladder no TON.
Operando Tipo Formato Descrição Temporizador TIMER tag estrutura do temporizador Preset DINT imediato Quanto tempo acumulado Accum DINT imediato totalizar os ms que o temporizador
conto. Valor inicial é normalmente 0.
Fonte: (Controladores Logix5000)
Com esses conhecimentos e auxilio de um time, montou-se a programação em Ladder
para a realização do controle no cozimento da massa A.
5.5. Adicionando terminal RSLogix 5000 ao Terminal IHM.
As tarefas que se deve previamente realizar para um bom sucesso nessa parte, estão
descritas a seguir:
1. O hardware do sistema de controle Logix5000 foi preparado: Montar os componentes,
o controlador, a fonte de alimentação e o modulo de comunicação de rede;
2. O software RSLogix 5000 foi instalado no computador para realização do projeto;
3. A rede foi configurada atribuindo-se o endereço IP.
O Hardware foi conectado de acordo com a Figura 23.
Figura 23. Conexões do Hardware.
Fonte: (PLC HMI SCADAS, 2010)
27
Os materiais utilizados foram
1. PanelView Plus 1000 com porta EtherNet/IP incorporada;
2. Fonte de alimentação CC para o terminal;
3. Painel para montar o terminal, ou seja, ao lado dos cozedores;
4. Módulo de saída I/O;
5. Cabos Ethernet;
O terminal PanelView Plus foi instalado em um painel, depois de acopladas as partes
avulsas e ligou-se a fonte de alimentação. Um cabo foi conectado na porta EtherNet/IP no
terminal e em um switch EtherNet, como representado na Figura 24. Por fim, um endereço IP
foi atribuído ao terminal.
Figura 24. Terminal conectado ao Switch.
Fonte: (PLC HMI SCADAS, 2010)
Após, um módulo de E/S foi instalado e seguiram-se os passos:
1. Instalou-se o software FactoryTalk View;
2. Logo em seguida, automaticamente instalou-se o RSLinx Enterprise;
3. Criou-se uma configuração RSLinx Enterprise / OPC Server no FactoryTalk
ME;
Nessa etapa, definiram-se os caminhos do computador até o controlador e do
PanelView até o controlador, representado na Figura 25.
Figura 25. Configuração para Montagem.
Fonte: (PLC HMI SCADAS, 2010)
28
4. Com o controlador online, o projeto em Ladder para o controle do Cozimento
foi descarregado;
5. Foram feitas as ligações com os diversos tags criados entre o RSLogix 5000 e
o FactoryTalk;
6. O supervisório que foi utilizado pelos diversos funcionários foi estruturado;
7. Transferiu-se para o Terminal PanelView Plus;
8. O programa foi testado e foram feitas as modificações necessárias nas linhas
do Ladder para uma boa apresentação na tela que será operada.
5.6. Projeto em Ladder
O projeto partiu do aprofundamento na teoria do Cozimento na produção de açúcar.
As variáveis controladas são o Nível nos tachos de Cozimento da massa cozida A, a pressão e
também, a concentração (BRIX) que será feito por meio da sonda microondas.
Foi feito um espelhamento das entradas analógicas e digitais com os tags utilizados na
lógica de controle. Essa lógica visa controlar o processo de todo o cozimento, porém a massa
A foi o foco do trabalho. Para um melhor entendimento de todo o trabalho desenvolvido,
mostrou-se as telas que englobam os passos mais importantes do Cozimento A.
Como melhoria tem-se o controle do BRIX feito a partir de uma linearização nível por
concentração que gera um set point remoto de concentração (BRIX) para o algoritmo PID de
controle de cozimento, visando aperfeiçoar a produção do açúcar final. O projeto
desenvolvido em sua totalidade encontra-se no apêndice.
Após o dimensionamento do hardware de automação e da infraestrutura a ser aplicada,
configurou-se o rack de automação na programação, representado na Figura 26.
29
Figura 26. Rack de Configuração.
Após a confecção do projeto elétrico de automação e configuração do rack,
espelharam-se todos os endereços de entradas e saídas analógicas e digitais com os tags
internos do programa, representados pelas Figura 27 e Figura 28.
30
Figura 27. Espelhamento das Entradas Analógicas.
31
Figura 28. Espelhamento das Saídas Analógicas.
Declaram-seassubrotinasdoprogramaqueserãoutilizadasnaMainRoutine,assimpodem
servarridapelaCPUeexecutadas,Figura29.
Figura 29. Subrotinas utilizadas.
32
Desenvolveu-se o programa de controle dividido em etapas, representadas a seguir:
Etapa 1. Controle de pressão do corpo do cozedor (Controle do Vácuo).
Este controle, Figura 30, utiliza como variável de processo a pressão do copro do
cozedor e atua sobre a variável manipulada na válvula de controle do multijato do cozedor
referente.
Figura 30. Controle de pressão do corpo do cozedor (Controle do Vácuo).
Etapa 2. Controle de Pressão da Calandra.
Este controle, Figura 31, utiliza como variável de processo a pressão de vapor da
calandra no cozedor. Atua sobre a variável manipulada na válvula de vapor na entrada da
calandra do cozedor referente.
33
Figura 31. Controle de Pressão da Calandra.
Etapa 3. Controle de Concentração do Cozedor.
Este controle, Figura 32, trabalha com a variável concentração da massa dentro do
cozedor. Esse valor é fornecido pela sonda Brix responsável. A variável manipulada é a
válvula de controle da alimentação da matéria prima, trabalhando em ação reversa, ou seja,
para se aumentar o Brix fecha-se a alimentação e para se diminuir, abre-se.
34
Figura 32. Controle de Concentração do Cozedor.
O set point do PID é gerado remotamente de acordo com a curva de cozimento Nível /
Brix, conforme a programação representada na Figura 33.
35
Figura 33. Geração da Curva de Cozimento.
A entrada do bloco é alimentada pelo nível do cozedor, assim de acordo com a
variação, uma linearização do set point remoto para o PID ocorrerá.
Com as etapas definidas, construi-se a sequência de cozimento automático.
Com a utilização do bloco de saída sequencial SQO (Figura 34), conseguiu-se criar a
sequencia do processo de conzimento. Através de Arrays pré-configurados, Tabela 5, com uma
máscara irá acionar determinados bits e tomar as devidas ações para cada etapa do processo.
36
Figura 34. Atuação do bloco SQO.
Tabela 5. Arrays e Bits setados nas determinadas etapas.
PROCESSO ARRAY SQOPARADO 0 NFORMARVÁCUO 1 0(startformarvácuo)
FORMARPÉ 2 1(pédasementeira),2(pédamagmeira),3(pédocozedor1massaa)COZIMENTO 3 4(startcozimento),11(abreválvulaxarope),12(abreválvulamelrico)QUEBRARVÁCUO 4 5(quebrarvácuo),13(fechaválvulaxarope),14(fechaválvulamelrico)
DESCARGACORTE 5
6(descargacrist.1a),7(descargacrist.2a),8(cortesementea,9(cortemagmeira),10(cortecoz.2massaa)
Deve-se criar o link entre o supervisório e o CLP, assim consegue-se exprimir todas as
informações necessárias da CPU na tela do supervisório, bem como escrever informações
nela. Para isso, deve-se criar aplicação de supervisório tipo IHM machine edition, Figura 35.
37
Figura 35. Machine Edition.
Para se coletar as informações do CLP, foi criado um servidor OPC Server, Figura 36,
dentro do Software do FactoryTalk.
Figura 36. Servidor OPC Server.
38
Criou-se o link da CPU com o servidor OPC dentro do software de comunicação da
Rockwell RS Link, representada na Figura 37.
Figura 37. Link OPC Server.
Por fim, é após todas as construções realizadas e com a programação pronta em sua
totalidade, podem-se localizar todos os Tags do CLP, Figura 38, nas telas gráficas de uso,
leitura e escrita.
39
Figura 38. Tags do CLP.
40
41
6. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Primeiramente cumpriram-se os objetivos de estudo e entendimento da parte teórica
do processo de fabricação do açúcar. Uma ampla compreensão de todas as etapas, juntamente
com funcionários da usina, acompanhando a rotina diária dos colaboradores responsáveis nas
diversas fases, desde o corte da cana-de-açúcar até a cristalização do açúcar, ensaque e
separação para venda. Por se tratar de um trabalho conjunto com a equipe aliou-se o
conhecimento na prática, com comentários e entrevistas dos mais diversos postos na usina,
com os estudos em diversas bibliografias, resultando em toda a revisão conceitual estruturada
já apresentada.
Após um amplo entendimento das várias etapas para resultar em um produto de
qualidade, e também em efetuar a ligação entre os diversos materiais utilizados, focou-se na
parte especifica do trabalho, o cozimento do açúcar. Além dos pontos importantes de
temperatura, níveis, pressão e BRIX entendidos para um bom açúcar comercializável pela
usina, projetou-se, com auxilio de técnicos responsáveis, a programação em Ladder, no
software RSLogix 5000, que está apresentada por meio de um supervisório, elaborado pelo
software FactoryTalk, no terminal IHM e também toda a rede com as novas ligações entre os
CLPs. Além do controle diretamente no cozedor, ou seja, em campo, gerentes e supervisores
tem, em seus computadores, total acesso as variáveis, podendo alterar caso seja necessário
para uma boa produção final. A programação referente ao cozimento de massa A será
apresentada no apêndice.
6.1. Anteriormente ao Cozimento da massa A
Inicialmente, no Cozimento, é necessária a formação da massa cozida B a partir do
primeiro cozimento da massa cristalizada no Cozedor de Cristalização. Com os devidos
cuidados e preparação dos equipamentos envolvidos, produziu-se a massa B. Por fim,
posteriormente após a Centrifugação B dessa massa gerou-se o mel final e o Magma.
6.2. Formação da Massa Cozida A
O Magma é bombeado para um reservatório chamado Magmeira que é interligado ao
Cozedor de massa cozida A. A necessidade de se formar essa nova massa cozida é porque o
42
tamanho dos cristais ainda não são adequados, assim a indústria açucareira vai mais uma vez
reutilizar dos seus vários produtos para aumentar a eficiência e diminuir perdas.
Inicialmente necessita-se definir os parâmetros do Cozimento A. Na Figura 39,
primeiramente o operador deixa programado quais valores, origem e destino de produtos o
processo necessita no momento.
Figura 39. Tela de Status Cozedor massa A.
Origem do pé significa de onde sairá o Magma ou a massa A. Na indústria, o Magma
fica armazenado em um equipamento chamado Magmeira. Já a massa A anteriormente
formada, pode ser sofrer um corte para um reservatório chamado Sementeira de massa A.
Como a usina em questão tem dois Cozedores massa A, o possível corte para o outro também
é utilizado pelos operadores. Portanto têm-se três opções para a origem do produto que será
utilizado para a formação da massa A. No caso aqui descrito para exemplificar o projeto,
escolheu-se pelo operador a origem “Pé da Magmeira”.
Como se está simulando a formação de massa Cozida A, tem-se duas matérias primas
disponíveis, Xarope e o Mel Rico. Usualmente na indústria, utilizasse o Xarope e será a
escolha para o caso aqui abordado.
Para o campo “Seleção de Descarga / Corte” tem-se as opções de Corte para outro
Cozedor A, Sementeira A, Magmeira ou Descarregar no Cristalizador A. Escolheu-se uma
descarga no Cristalizador 1A.
43
Após, selecionando a aba “Parâmetros” representada na Figura 39, definiu-se os dados
para cada campo representado na Figura 40.
Figura 40. Aba Parâmetros do Cozedor massa A.
No campo “Nível Pé Gran./Lav.C/Água”, deve-se digitar o valor desejado do pé, em
porcentagem, ou seja, o total de Magma que formará o pé de cozimento A no Cozedor A.
Geralmente, como comentado na revisão conceitual, esse valor gira em torno de 1/3 do
volume total do Cozedor, ou seja, digitar 34 no campo.
O “Nível Corte” é utilizado para armazenamento de matéria já cozida. Essa massa é
em parte transferida ao “pulmão” que futuramente retornará ao cozedor para ser processada
novamente. O parâmetro também serve para enviar a massa para outro Cozedor, corte, assim
dependendo dos níveis e da análise pela Sonda microondas, o Cozedor ou a Sementeira será
selecionado. Esse processo é utilizado para melhorar a eficiência no Cozimento, fazendo com
que os tanques estejam o maior tempo possível trabalhando. O valor digitado será o nível de
massa que irá restar dentro do cozedor controlado quando for realizado esse processo. Como
para o exemplo escolheu-se realizar uma descarga e não um corte, esse parâmetro não afetará
a demonstração.
O “Nível Desc. Massa”, em porcentagem, definirá a quantidade que restará dentro do
Cozedor A quando chegar o momento de descarregamento da massa para o Cristalizador A.
44
No campo “Tempo Lavagem c/ Vapor” o operador vai definir o tempo desejado em
segundos para a lavagem com vapor que ocorrerá após o descarregamento da massa A.
Os campos “Nível início cozimento” e “Nível fim de cozimento” estipulam as
porcentagens do volume no Cozedor A para início e fim respectivamente do processo. O
início deve ser um valor próximo do “Nível Pé Gran./Lav.C/Água”.
O “Início Concentração cozimento” define a concentração desejada para o inicio da
curva de cozimento. Já o “Fim Concentração cozimento” é o oposto, ou seja, a concentração
para o fim da mesma curva. Esses valores são em BRIX.
O campo “Concentração Fim Aperto” serve para o operador digitar o BRIX para
finalizar a etapa de aperto do cozedor, obtendo assim uma massa cada vez mais pura.
Após essas escolhas, pode-se começar o processo clicando no botão “Start Sequencia”
representado na Figura 39.
Inicialmente para o processo ocorrer é necessária à formação do vácuo no Cozedor,
assim, na Figura 41, a variável PV do Vácuo precisa atingir o valor do set point, ou seja,
24,10. O valor de PV vai aumentando, o que significa uma mudança no valor de MV, ou seja,
a válvula do multijato automaticamente vai abrindo ou fechando de acordo com a
aproximação do valor de PV ao valor de SP.
Figura 41. Formação do vácuo no Cozedor A.
45
Assim que o vácuo atingir o SP, o Cozedor A começa a receber o Magma, para
formação do pé, a partir das aberturas da válvula “pé/corte magmeir” no cozedor A e da
válvula na Magmeira que são ativadas ao mesmo tempo. Esse processo está representado na
Figura 42.
Figura 42. Formação pé do Cozedor A.
O valor do nível dentro do Cozedor começa a aumentar, indicando que o Cozedor está
recebendo Magma da Magmeira. Caso fosse escolhida a origem como a Sementeira ou outro
Cozedor, a válvula com status ON seria a válvula “pe/corte Sement.”.
Logo que o nível de pé estipulado for alcançado, 34, a etapa de Cozimento se inicia
Figura 43. Percebe-se que para manter a pressão na calandra do cozedor constante, a válvula
abre e fecha de acordo com o controle estipulado, mantendo-se em torno do set point.
Também, como o Xarope foi escolhido no início, nessa etapa a válvula “Tanque Xarope” abre
automaticamente.
46
Figura 43. Início do Cozimento A.
A PV do cozimento será o BRIX, e o SP será gerado remotamente pela Sonda
Microondas. Uma reta de cozimento (nível x brix), Figura 44 demonstrada a seguir, é
utilizada pelo instrumento melhorando o processo e a repetibilidade nos diferentes
cozimentos. Portanto, a MV do cozimento será controlada a partir desse SP.
Figura 44. Reta de Cozimento gerada pela Sonda Microondas.
Controlando-se o BRIX até o valor final estipulado de 89 chega-se a etapa de aperto,
Figura 45, onde se deseja concentrar mais a massa cozida A até um valor de 92º BRIX
definido anteriormente.
8687888990
34 99
Nív
el
BRIX
Reta de Cozimento
47
Figura 45. Final do Cozimento A.
6.3. Descarga de Massa para o Cristalizador A.
Após a massa cozida A estar preparada, pode-se descarregar para o Cristalizador.
Como opções para o operador e o processo, pode-se também realizar o Corte, tanto para outro
Cozedor de massa A, quanto para uma Sementeira de massa A.
Iniciado, o sistema “quebra” o vácuo. Essa ação está representada na Figura 46.
Figura 46. Quebrando o Vácuo do Cozedor.
48
Abre-se a válvula de descarga da massa para o Cristalizador A conforme a Figura 47.
O Cozedor realiza essa etapa até o nível de Descarga anteriormente definido for atingido.
Figura 47. Descarga da massa A.
Nesse ponto, a massa A já está no Cristalizador A e praticamente pronta para se
transformar no açúcar comercializável.
Após, a massa vai para o Centrifugador A onde são gerados três novos produtos, o mel
pobre, o mel rico e o açúcar úmido. O mel pobre, utilizado nas várias etapas já estudadas, é o
primeiro a ser gerado na centrifugação, possuindo uma pureza de 65% a 70%. O mel rico,
pureza de 75% a 80%, também utilizado nas varias fases explicadas, começa a ser formado
um tempo após o mel pobre. Após a lavagem da massa nas centrifugas, faz-se uma mudança
na separação de méis e assim separa-se o mel rico do mel pobre. Por fim, o açúcar úmido vai
para a etapa de Secagem, pois nesse processo ele é formado contendo umidade em torno de
0,2%.
6.4. Açúcar Produzido e a Automação Realizada
A Automação do processo gerou diversos benefícios. Possibilitou garantir a qualidade
do açúcar, dentro das especificações de um açúcar de Qualidade Superior: A classificação do
produto é feita considerando uma especificação para cada tipo. As referencias dos tipos de
açúcar são baseado na Especificação Copersucar, ou seja, classificação 1A, 2A, 3A, 4A e
49
VHP. Portanto a qualidade e o valor a faturar por saca do produto dependem dessa
classificação.
A usina onde foi implementada a automação com a Sonda Microondas, tinha como
meta produzir um açúcar tipo 2A. E quando algum parâmetro dessa especificação não é
atingido, o produto é desclassificado para o tipo 3A ou VHP afetando assim no faturamento.
Os pontos principais de especificação são: Cor, CV (coeficiente de variação), AM
(tamanho do açúcar). Em um cozimento manual ou com automação incompleta, que depende
mais do operador, não se consegue uma uniformidade no tamanho dos cristais, assim o item
AM não sendo uniforme, resultará em tamanho muito variado dos cristais implicando
diretamente no CV e também na cor, pois um cozimento irregular permite sobrar mel entre os
grãos do açúcar, elevando a cor e o tamanho. Um ponto importante nessa análise é que o
açúcar puro não tem cor, mas toda impureza, principalmente méis, geram cor.
Para produzir um açúcar tipo 1A ou 2A, com AM entre 0,65 a 0,75 mm e CV entre 25
e 30, consomem-se mais produtos químicos no tratamento, e no cozimento exige-se uma
condução com um desempenho mais uniforme, evitando desvios. Comparando os períodos
anteriores, ano de 2014 e de 2013 da usina quando não se tinha a sonda microondas, com o
ano de 2015, sonda sendo instalada, a desclassificação do Açúcar 2A para um tipo inferior
diminuiu muito, ou seja, a desclassificação passou de 30% para um valor inferior a 15%.
Colocando os números de produção mensal, tem-se:
Produção diária de açúcar: 12 000 sacas/dia;
Diminuição Percentual na perda mensal após automação total implantada: (30 % - 15
%) x 30 dias;
Diferença entre os preços de venda entre açúcar 2A e 3A: (R$ 65,00/saca - R$
60,00/saca);
Investimento para se adquirir e instalar a automação (Quatro Sondas Microondas, uma
por Cozedor, mais o restante dos equipamentos e automação): ordem de R$ 200.000,00;
50
Portanto, 12.000 sacas/dia x (30 % - 15 %) x 30 dias x (R$ 65,00 - R$ 60,00),
resultando em R$ 270.000,00 por mês, ou seja, em menos de um mês o investimento é
revertido em lucro na produção.
Um segundo benefício está no rendimento, onde na usina, o cozimento se expressa em
Recuperação de Sacarose na Fábrica. Esse índice oscila entre 70% a 80%, para um cozimento
de duas massas, que é o caso do projeto. Portanto com a utilização da automação e
consequente uniformidade do processo, obtém-se um mel de pureza mais baixa, ou seja, uma
maior produção de açúcar devido a melhor retenção da Sacarose na Fábrica.
Uma Fábrica de Açúcar, com o Cozimento bem conduzido e automação adequada
(Sonda Microondas), consegue produzir 10 a 15% a mais (1.200 a 1.800 sacas/dia), com a
qualidade desejada, gerando um ganho considerado a empresa, com retorno muito rápido do
investimento. Antes da instalação da Sonda Microondas, a produção era menor devido à
alimentação com xarope e méis nos cozedores serem manuais e dessa forma a operação não
oferecer repetibilidade em todas as produções.
51
7. CONCLUSÃO
Para obter um bom açúcar, dentro dos padrões de qualidade exigidos pelas empresas
compradoras, necessita-se de controles rigorosos e um estudo profundo do processo de
fabricação. Mesmo com uma boa base teórica, o trabalho mostrou que bons instrumentos,
como caso da utilização da Sonda Microondas são totalmente necessários para se obter um
bom rendimento. Anteriormente, muito esforço humano era empregado em etapas complexas,
como o Cozimento, e os resultados obtidos eram bastante diferentes, resultando em um açúcar
sem padrão pela usina e com pouca repetibilidade. A automatização dos processos está
melhorando cada vez a qualidade, tamanho, cor e todas as demais características do cristal de
açúcar, além de o retorno financeiro vir rapidamente justificando o emprego do controle
criado.
Os diversos reaproveitamentos da indústria sucroalcooleira mostram claramente como
se tenta manter a máxima eficiência. No caso da etapa Cozimento, um dos produtos iniciais
utilizados, o mel pobre, é gerado no final dessa etapa, ou seja, uma nova produção dependerá
sempre da anterior. Esse processo é também bem observado durante a embebição na Extração
do caldo.
Os materiais utilizados, por se tratarem de quase serem em sua totalidade projetados
por um mesmo fabricante, a Rockwell Automation, tem boa conectividade e trouxeram um
bom resultado no desenvolvimento do projeto homem-máquina para controle automático do
Cozimento na produção de açúcar. Além do apoio e auxilio dos funcionários da usina, com
um bom trabalho em equipe, conseguiu-se colocar em prática o projeto. Uma relação de
amizade e companheirismo, do início ao fim do projeto, foi construída e aumentada com
muita dedicação e participação de todos. Os funcionários demonstraram sempre abertos a
ajudas externas.
Por envolver uma automação e assim um CLP, a utilização da programação em Ladder
foi totalmente satisfatória para o projeto, visto também que a escolha baseou-se nos hardwares
que seriam utilizados e já previamente adquiridos pela usina.
Algumas melhoras gradualmente estão sendo feitas e ajustadas pelos próprios
funcionários na medida em que utilizam o terminal, assim o projeto não termina aqui e ficará
para mudança continua pelas diversas futuras gerações de cooperadores, com o aumento do
desempenho e também do conhecimento teórico no processo de produção de açúcar.
52
53
8. BIBLIOGRAFIA Albuquerque,F.M.(2011).ProcessodeFabricaçãodoAçúcar.Recife:EditoraUniversitáriaUFPE.
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55
APÊNDICE A - Conceitos Básicos do Setor Sucroalcooleiro
Alguns termos utilizados na rotina da produção de açúcar são essenciais para um bom
entendimento de todo o processo e do trabalho realizado, assim alguns conceitos são
mencionados aqui juntamente com sua definição.
Cana-de-açúcar: Planta composta de folhas, colmos, raízes e, eventualmente flores
(Carlos Ribeiro, 1999);
Caldo: O caldo da cana é constituído pela água contida nos tecidos dos colmos
juntamente com todos os sólidos solúveis (Carlos Ribeiro, 1999);
Fibra: É a matéria insolúvel em água contida na cana. A fibra da cana é formada
principalmente por celulose (Albuquerque, 2011);
Açúcar: Sólido cristalino, orgânico, constituído basicamente por cristais de sacarose
envolvidos, ou não, por uma película de mel de alta ou baixa pureza (Albuquerque, 2011);
BRIX: Expressa a porcentagem (peso/peso) dos sólidos solúveis contidos em uma
solução pura de sacarose, ou seja, mede o teor de sacarose. Na indústria sucroalcooleira,
admite-se o BRIX como porcentagem de sólidos solúveis em solução impura, por exemplo, o
caldo extraído da cana-de-açúcar (Albuquerque, 2011);
Pureza: Representa a porcentagem de sacarose contida nos sólidos de uma solução
sacarina (Albuquerque, 2011);
𝑃𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎 % = (𝑆𝑎𝑐𝑎𝑟𝑜𝑠𝑒𝐵𝑅𝐼𝑋
).100
Caldo Primário: É o caldo produzido na extração do 1º terno da moagem
(Albuquerque, 2011).
Embebição: Processo na qual a água ou caldo é aplicado ao bagaço em beneficio da
extração (Albuquerque, 2011);
Bagacinho ou Bagacilho: Fração de partículas muito fina separada do bagaço e
utilizada como auxiliar de filtração do lodo nos filtros para separação do caldo filtrado nos
filtros (Albuquerque, 2011);
56
Bagaço: É o subproduto da moagem da cana, e se utiliza como combustível no
processo de geração de vapor (Albuquerque, 2011);
Caldo Sulfitado: Caldo que contém certa quantidade de anidrido sulfuroso (SO2)
integrado ao caldo misto, após passar por uma coluna de sulfitação (Albuquerque, 2011);
Caldo Caleado: Caldo que contém adição de hidróxido de cálcio Ca(OH)2
(Albuquerque, 2011);
Caldo Clarificado: Caldo após o processo de clarificação (Albuquerque, 2011);
Lodo: Material insolúvel sedimentado no processo de decantação para purificação do
caldo da cana antes da entrada nos (Albuquerque, 2011);
Xarope: Líquido resultante da evaporação parcial do caldo clarificado (Albuquerque,
2011);
Massa Cozida: Produto resultante da concentração da mistura entre xarope, meís, rico
e/ou pobre, constituído de cristais de açúcar (Carlos Ribeiro, 1999);
Cristalização: Conhecido por Granagem ou Nucleação é o processo de se iniciar a
formação do grão dos cristais de açúcar (Albuquerque, 2011);
Pé de Cozimento: É a quantidade utilizada para cobrir a calandra na elaboração de
cada cozimento (Albuquerque, 2011);
Magma: Mistura de cristais de açúcar oriundo da centrifugação da massa cozida B
(Albuquerque, 2011);
Corte: É a transferência de massa cozida de um tacho de cozimento a outro
(Albuquerque, 2011);
Mel Final ou Melaço: Mel obtido na centrifugação da massa cozida B, ou seja, o mel
que vai para a Destilaria e assim para a produção de álcool (Albuquerque, 2011);
Mel Pobre: Mel de baixa pureza, em torno de 68%, obtido da massa cozida A (Usina
Lins, 2015);
Mel Rico: Mel de alta pureza, em torno de 80%, obtido da massa cozida A (Usina
Lins, 2015);
57
Sacarose: É o principal parâmetro de qualidade da cana-de-açúcar. É o açúcar
cristalizável no processo de fabricação (Albuquerque, 2011);
Semente para Granagem: Suspensão em álcool anidro de partículas de açúcar
moído, utilizada para granagem (Albuquerque, 2011);
Sonda Microondas: Sistema de medição relativamente novo no mundo que promete e
já comprovou um sinal preciso de Brix, Supersaturação e tamanho ideal de cristais
independente da variação de pureza (Albuquerque, 2011).
APÊNDICE B - Primeiras etapas no processo açucareiro.
A cana colhida passa por uma esteira que a leva por todo o processo de moagem, que é
basicamente um exercício de separação de materiais (Albuquerque, 2011), ou seja, separar a
fibra do caldo. Para se recuperar o maior volume de caldo possível, a moenda possui,
geralmente, seis ternos de moagem. Para usinas que produzem álcool além do açúcar, o caldo
resultante do segundo terno (caldo secundário, BRIX em torno de 14º), vai por meio de
bombas para a linha de produção do álcool. A partir do segundo terno, acontece a chamada
“Embebição”, onde cada terno subsequente terá duas entradas, uma resultante do terno
anterior, o bagaço, e a outra do terno posterior, caldo resultante, representado na Erro! Fonte
de referência não encontrada., ou seja, o caldo secundário será uma mistura de todos os
caldos, do segundo ao sexto terno. Adiciona-se água (à 60ºC) no último terno (sexto terno),
sendo assim possível obter um aumento significativo na eficiência de extração.
Figura 48. Representação do Processo de Embebição.
Fonte: (Martins)
58
Após a Extração, o caldo primário resultante (BRIX 18º à 30ºC pH 5,2 a 5,5) (Cesar,
2007) é bombeado para a fase de tratamento. O tratamento do caldo tem por objetivo, além
de corrigir o valor do pH, produzir um caldo limpo, ou seja, um produto com o mínimo
possível de impurezas e com cor adequada. Portanto canas “sadias”, de qualidade, são
essenciais para um bom resultado nessa etapa de clarificação. A primeira fase dessa etapa é
destinada ao aquecimento até uma temperatura de 65ºC com posterior Sulfitação, caso se
deseja o açúcar branco, como representado pela equação química a seguir:
𝐶𝑎𝑙𝑑𝑜1ª 𝑝𝐻5,2𝑎5,5 + 𝑆𝑂B → 𝐶𝑎𝑙𝑑𝑜𝑆𝑢𝑙𝑓𝑖𝑡𝑎𝑑𝑜(𝑝𝐻3.8𝑎4,2) (Cesar, 2007)
SulfitaçãonoTratamentodoCaldo.
É importante mencionar nesse ponto, que existem dois tipos de açucares produzidos a
partir da cana de açúcar, o branco e o VHP (Very Hight Polarization), açúcar marrom claro
bruto (Usina Atena, 2010). A diferença está na ocorrência do processo de Sulfitação durante o
tratamento do caldo para produção de açúcar branco, pois a adição do 𝑆𝑂B elimina os corantes
do caldo.
Após, inicia-se o processo de Calagem para se produzir qualquer tipo de açúcar, ou
seja, adição de hidróxido de Cálcio, representado na equação química a seguir, para se
neutralizar o pH do novo produto.
𝐶𝑎𝑙𝑑𝑜𝑆𝑢𝑙𝑓𝑖𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑝𝐻3,8𝑎4,2 + 𝐶𝑎(𝑂𝐻)B → 𝐶𝑎𝑙𝑑𝑜𝐶𝑎𝑙𝑒𝑎𝑑𝑜(𝑝𝐻7,0𝑎7,2)
(Cesar, 2007)
CalagemnoTratamentodoCaldo.
Na fase final do tratamento desse caldo, logo após o caldo caleado ser formado e
aquecido, em torno de 105ºC (Cesar, 2007), passa por um processo de decantação, onde o
caldo limpo é bombeado para a terceira etapa, o processo de Evaporação. As impurezas que
são separadas nesse processo é o chamado Lodo. Esse será filtrado e o caldo filtrado,
resultante desse processo, retorna ao caldo primário.
Nesse ponto, percebe-se como a indústria sucroalcooleira reutiliza muitos dos
subprodutos, ou seja, tenta cumprir aquele segundo ponto importante e fundamental em uma
59
boa produção de açúcar. Quando a clarificação é ineficiente, o caldo retém impurezas que vão
se acumulando à medida que o caldo é concentrado, incorporando-se ao açúcar e prejudicando
a qualidade (Albuquerque, 2011).
A Evaporação, representado na Erro! Fonte de referência não encontrada. tem como
objetivo eliminar a água contida no caldo clarificado. Com consequência dessa remoção, tem-
se a geração de vapor vegetal, que será utilizado em outras etapas da produção. Essa seção do
processo realiza a primeira etapa no processo de recuperação de açúcar do caldo.
Figura 49. Conjunto de Evaporação na Produção de açúcar.
Fonte: (FA Service)
A prática usual é a concentração do caldo clarificado até cerca de 65º BRIX e isso
requer a remoção da água de aproximadamente 75% (Cesar, 2007). Quando o BRIX é baixo,
após a evaporação completa, durante o cozimento o açúcar pode crescer além do tamanho
programado e alterar a cor. Diversos estudos indicam que na Evaporação é possível ter os
maiores ganhos em eficiência energética (Albuquerque, 2011).
Logo após o tratamento, o caldo passa por um conjunto de evaporação de múltiplo
efeito (Magalhães, 2011), resultando no Xarope, que é o caldo concentrado (em torno de 65º
BRIX). A evaporação é realizada em evaporadores de múltiplo efeito por questão de
economia (Magalhães, 2011). A Erro! Fonte de referência não encontrada. representa o
esquema de um evaporador.
60
Figura 50. Representação Interna do Evaporador.
Fonte: (Carlos Ribeiro, 1999)
O nível ideal caldo no interior de um evaporador é de 1/3 da altura dos tubos. Além
disso, uma alimentação estável de caldo limpo é essencial para se obter o máximo da
capacidade de evaporação, ou seja, uma melhor transformação em xarope. Por fim, após a
formação do Xarope dá-se inicio as fases, Erro! Fonte de referência não encontrada., onde é possível encontrar os primeiros sólidos cristalinos da produção.
61
Figura 51. Etapas Finais da Produção de Açúcar.
Fonte: (Albuquerque, 2011)
APÊNDICE C - Cozimento do açúcar.
A próxima etapa na produção de açúcar é o objeto principal do estudo. O cozimento, Erro!
Fonte de referência não encontrada., começa pela etapa de cristalização do xarope, ou seja,
separar a sacarose das impurezas restantes e transformá-lo em massa cozida, na qual a
sacarose apresenta-se parcialmente cristalizada. Essa etapa, diferentemente da fase anterior, é
realizada em evaporadores de simples efeito, aquecidos a vapor, gerado pela própria produção
de açúcar, denominados cozedores (Magalhães, 2011).
Figura 52. Cozedores utilizados na Produção Açúcar
Fonte: (Usina Atena, 2010)
62
A massa cozida é uma mistura entre um produto meio no estado sólido e meio no estado
liquido (Magalhães, 2011). Essa redução de fluidez torna claro uma necessidade de mudança
na manipulação da produção. A consistência não permite mais ferver o novo produto em
tubos com pequenos diâmetros, nem circular com facilidade de um evaporador a outro, ou
seja, a grande diferença entre a evaporação e o cozimento está no produto a ser trabalhado.
Para que ocorra a formação e crescimento dos cristais do açúcar, é condição essencial à
supersaturação (Albuquerque, 2011). A Pureza das soluções de açúcar afeta diretamente o
nível de supersaturação para um bom desempenho no cozimento, ou seja, quanto mais baixa a
pureza, maior deverá ser a supersaturação (Albuquerque, 2011). A sacarose é muito solúvel
em água, ou seja, sua solubilidade no xarope aumenta muito com a queda da pureza, causando
a diminuição da taxa de cristalização (Cesar, 2007). Em efeito de comparação, 1 g de água a
30°C consegue dissolver em torno de 2,19 g de sacarose, já a glicose possui 1,2 g dissolvidos
em 1 g de água nessa mesma temperatura (Hong, 1974).
Sabe-se que em cada temperatura temos uma quantidade máxima maior de açúcar que é
possível se solubilizar em uma determinada quantidade de água (Langen, 1974). A essa
quantidade máxima dá-se o nome de coeficiente de solubilidade.
Coeficiente de Solubilidade do Açúcar
O coeficiente de solubilidade é representado pela quantidade máxima de soluto que pode
ser dissolvida numa quantidade padrão de solvente, em determinadas condições de
temperatura e pressão. A Erro! Fontede referêncianãoencontrada. mostra a Solubilidade de
Sacarose em relação a 100 gramas de solução pura.
Tabela 6. Solubilidade de Sacarose por 100 gramas de água a Pressão Normal.
T [°C] S [g] 0 179,2 20 203,9 40 238,1 60 287,3 80 362,2 100 487,2
Fonte: (Carlos Ribeiro, 1999)
63
Percebe-se que com o aumento da temperatura é possível se dissolver mais sacarose,
ou seja, o coeficiente de solubilidade do açúcar aumenta com o aumento da temperatura.
De acordo com o ponto de saturação, as soluções são classificadas em:
1. Insaturadas (ou não saturadas) – quando contêm uma quantidade de soluto menor do
que a estabelecida pelo coeficiente de solubilidade;
2. Saturadas – quando atingem o coeficiente de solubilidade;
3. Supersaturadas – quando a quantidade de soluto ultrapassa o coeficiente de
solubilidade.
Para se obter o coeficiente de solubilidade de uma dada solução de açúcar é necessário
a Pureza da solução, o BRIX e a temperatura que se deseja obter as informações, como se
demonstra no exemplo a seguir:
A partir da Erro!Fontedereferêncianãoencontrada., tem-se os pontos “A” e “B”.
Figura 53. Sólidos totais em soluções saturadas de açúcar a diversas purezas e temperaturas.
Fonte: (Langen, 1974)
As condições são representadas na Erro!Fontedereferêncianãoencontrada..
64
Tabela 7. Condições para cálculo de Solubilidade.
Condições[Pontos] A BPureza[%] 50 100BRIX[°] 77 69,1
Temperatura[°C] 35 35 Fonte: (Langen, 1974)
Para o Ponto “A”, tem-se:
a) Teor de água: 100 % - 77 % = 23 %
b) % de Sacarose: 𝑆𝑎𝑐𝑎𝑟𝑜𝑠𝑒𝑥100 = 𝑃𝑢𝑟𝑒𝑧𝑎𝑥𝐵𝑅𝐼𝑋
Logo,
Sacarose = STUVVWTT
= 38,5%
Portanto,asolubilidadedaSacarosenoPonto“A”por100gramasdeáguaserá:
23partesdeágua38,5partesdesacarose
100gdeáguaS
S = WTTUXY,SBX
= 167,4 g de Sacarose
Já para o Ponto “B”, tem-se:
a) Teor de água: 100 % - 69,1 % = 30,9 %
b) % de Sacarose: 69,1 %, pois a Pureza é 100%
Portanto, a solubilidade da Sacarose no Ponto “B” por 100 gramas de água
será:
30,9partesdeágua69,1partesdesacarose
100gdeáguaS’
S′ = WTTU\],WXT,]
= 223,6g de Sacarose
Por fim, de acordo com a definição do coeficiente de solubilidade, no ponto “A” tem-
se:
65
CS =167,4223,6
= 0,749
Como mencionado anteriormente, para um bom processo de produção do açúcar, ou seja,
para que ocorra a formação e crescimento dos cristais do açúcar é necessário à supersaturação.
Supersaturação do Açúcar
Essa condição é representada, em soluções açucaradas, por meio do chamado coeficiente
de supersaturação (CSS), representado pela equação a seguir:
𝑆′′𝑆′= 𝐶𝑆𝑆
O termo S’’ representa a quantidade de sacarose (partes) dissolvido em 100 partes de
água, de uma solução supersaturada, de pureza R e à temperatura t° C. Já o termo S’
representa a quantidade da sacarose (partes) dissolvido em 100 partes de água, de uma
solução saturada, pura e à mesma temperatura t° C.
Assim, pela definição, percebe-se claramente que as soluções açucaradas serão:
a) CSS = 1, a solução pode ser enquadrada como sendo saturada;
b) CSS < 1, a solução é tida como não saturada ou diluída;
c) CSS > 1, a solução é supersaturada.
Na prática industrial, para que ocorra a formação e o crescimento dos cristais é necessário
que a supersaturação tenha o CSS nível entre 1,1 e 1,5 (Cesar, 2007). Também, à medida que
a água é evaporada, necessita-se que seja acrescentado xarope ou mel para que continue a
ocorrer todo esse processo.
Na Supersaturação, representado na Erro!Fontedereferêncianãoencontrada., encontram-
se três zonas distintas:
66
Figura 54. Curvas de Saturação e Supersaturação da Sacarose.
Fonte: (Paulino, 2010)
1. Zona Metaestável: é a que mais se aproxima da linha de saturação da
sacarose, ou seja, o limite numérico inferior é 1,00 e o superior de 1,20.
Nessa faixa ocorre apenas o crescimento dos cristais já existentes. (Carlos
Ribeiro, 1999)
2. Zona Intermediária: zona limitada por pequena diferença de coeficiente de
supersaturação. Os limites de CSS variam apenas de 1,20 a 1,30 onde ocorre
formação de novos e desenvolvimento de já existentes cristais. (Carlos
Ribeiro, 1999)
3. Zona Lábil (Zona de Supersaturação): nessa zona, CSS a cima de 1,30,
acontece à formação de cristais de forma espontânea. (Carlos Ribeiro, 1999)
Apresençadeimpurezasnosxaropesindustriaisalteraoslimitesdesupersaturação
que passam a variar, assim como os coeficientes de pureza dos materiais em
processamento.DavieseYearwooddefiniramummodeloderepresentaçãodadivisãoentre
as zonas de supersaturação com relação à pureza da solução (Langen, 1974) e por
considerarem a zona intermediária muito estreita não a representaram na relação final
(Erro!Fontedereferêncianãoencontrada.).
67
Figura 55. Relação entre Coeficiente de Supersaturação e a Pureza.
Fonte: (Langen, 1974)
Ou seja, tem-se a relação como demonstrado na Erro! Fonte de referência não
encontrada..
Tabela 8. Relação entre Pureza e CSS
Pureza [%] CSS 80 1,25 70 1,30 60 1,55
Fonte: (Langen, 1974)
Para um cozimento com um valor definido de CSS e também de S’ (gramas de
sacarose por 100 gramas de água de uma solução saturada), o valor de S’’, referente à
supersaturação de sacarose na solução, torna-se imediatamente conhecido. Para
exemplificar, tem-se:
`aa`a= CSS CSS = 1,1 e S’ = 288,56 g
Portanto: 𝑆′′ = S′xCSS = 288,56x1,1 = 317,41g
68
De forma similar, calcularam-se para diversos CSS e Temperaturas, definidos valores
de S’, os valores de supersaturação correspondentes (S’’), representados na Erro!Fontede
referêncianãoencontrada..
Tabela 9. Valores de Supersaturação para diversos CSS e Temperatura.
CSS T [°C] S' [g] S'' [g]
1,1 60 288,56 317,41 70 325,15 357,66 80 368,99 405,89
1,3 60 288,56 375,13 70 325,15 422,69 80 368,99 479,6
1,5 60 288,56 432,84 70 325,15 487,72 80 368,99 553,48
Fonte: Autoria Própria
Formação de Falsos Grãos.
O falso grão, falso cristal ou poeira pode aparecer no cozimento durante a produção de
açúcar quando CSS está próximo do limite superior da zona metaestável e também na zona
lábil, onde ocorre a espontânea cristalização (Langen, 1974).
O aparecimento está atrelado ao processo de produção do Xarope no procedimento de
Evaporação e com o desempenho dos cozedores. A agitação excessiva da massa cozida é o
fator principal do surgimento desses grãos, porém para um bom processo uma pequena
agitação é necessária para evitar aglomeração nos cozedores (Cesar, 2007).
O falso cristal poderá prejudicar as fases posteriores resultando em um açúcar de má
qualidade, assim a eliminação é inevitável. Para realizar esse procedimento, injeta-se agua nos
cozedores, diluindo e minimizando danos.
Cozimento do Xarope
A concentração do caldo é feito em duas etapas consecutivas, como já foi mencionado, a
primeira, a Evaporação, onde se obtém o Xarope com aproximadamente 60°Brix, e a segunda,
onde se produz a massa cozida nos cozedores, de natureza semi-sólida e altamente viscosa
(Carlos Ribeiro, 1999).
69
Os vapores resultantes da etapa de Evaporação vão direto para o Cozimento. Os
Cozedores operam de forma intermitente, sob vácuo e baixa temperatura, exigindo assim um
controle bem rigoroso e constante supervisão durante toda a operação.
Nos aparelhos de cozimento, os elementos de aquecimento podem ser as Serpentinas, as
Calandras (tubulações verticais), as associações entre Serpentinas e Calandras e por Placas
horizontais. Nas usinas brasileiras o sistema predominante é o formado por Calandras (Cesar,
2007), assim será o objeto de estudo visto que a usina onde foi feito todo o trabalho utiliza
esse tipo de cozedor, representado na Erro!Fontedereferêncianãoencontrada..
Figura 56. Cozedor de Calandra.
Fonte: (Cesar, 2007)
O cozimento é feito a vácuo para baixar o ponto de ebulição, o que evita a decomposição
dos açúcares e melhora o coeficiente de transmissão de calor.
O Cozedor de Calandra é dotado de tubos curtos e de maior diâmetro, e de um tubo
central ou periférico destinado a facilitar a circulação da massa cozida (Albuquerque, 2011),
representado na Erro!Fontedereferêncianãoencontrada..
70
Figura 57. Representação interna de um Cozedor de Calandra.
O funcionamento do Cozedor na usina de açúcar é um dos trabalhos mais importantes
dessa indústria (Albuquerque, 2011). A obtenção de um cozimento completo compreende,
simplificando o máximo possível, a formação inicial de núcleos de sacarose e o posterior
crescimento desses cristais até um ponto que a carga do cozedor é atingida. Pode-se dividir
em quatro partes principais todo o trabalho nessa fase, ou seja, concentração inicial,
cristalização da sacarose, crescimento dos cristais e aperto e descarregamento da massa
cozida.
Concentração Inicial
Nas usinas, os Cozedores se situam próximos dos tanques para recepção do Xarope
proveniente da Evaporação e também de tanques onde ficam armazenados os méis, rico e
pobre.
Inicialmente o sistema de vácuo é colocado em funcionamento através dos multijatos,
representado na Erro!Fontedereferêncianãoencontrada..
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Figura 58. Válvula Multijato para controle de Vácuo
Em sequencia, aspira-se para os cozedores, sob condições de vácuo, o Xarope
resultado da etapa de Evaporação junto dos méis ricos e pobres, já anteriormente produzidos,
em quantidade suficiente para cobrir o espelho da calandra, ou seja, depende do tipo de pé de
cozimento desejado. Esse controle é feito por diversas formas, porém na usina em questão um
novo processo está sendo implantado para melhorar toda a produção, ou seja, utilizando a
chamada Sonda Microondas que está representada na Erro! Fonte de referência não
encontrada.. Nesse ponto é importante notar novamente, como a fabricação de açúcar na
indústria sucroalcooleira sempre reutiliza seus produtos na tentativa de maximizar a
eficiência.
Figura 59. Sonda Microondas no Cozedor
Logo após, abre-se a válvula de alimentação de vapor, assim quando a mistura xarope
mais méis entram em ebulição, regula-se o vácuo para uma pressão de 64 cm de Hg, fazendo
com que o material fique e torno de 65°C (Cesar, 2007). À medida que a mistura vai se
concentrando, mais Xarope e méis são admitidos no Cozedor para se evitar alguma
possibilidade de caramelização (Albuquerque, 2011). Esse processo é feito de forma continua,
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ou seja, mantem-se o nível constante dentro do aparelho, portanto a água que vai evaporando
é trocada pela mistura, tornando cada vez mais a solução saturada.
Um importante fator é que um maior volume inicial e mistura empregado para a
cristalização aumenta a possibilidade de se ter uma grande quantidade de cristais na massa,
melhorando a qualidade do produto. Já quanto menor o volume inicial utilizado, menor será a
quantidade de pé, ou seja, maiores serão os cristais, resultando assim em um açúcar de má
qualidade (Carlos Ribeiro, 1999).
Cristalização da Sacarose
Na medida em que a mistura vai se concentrando, a solução vai se tornando saturada, e
posteriormente, atinge o coeficiente de supersaturação (CSS). A produção de uma massa
cozida de boa qualidade depende dessa fase inicial, chamado também de Nucleação ou
Granagem, que pode ser de quatro tipos: Espera, Choque, Indução ou Semeadura. Para o
estudo e aplicação na usina do trabalho, a Granagem por Semeadura é o empregado na
produção do açúcar (Usina Lins, 2015).
A Granagem por Semeadura é o tipo de cristalização mais técnico dentre todos (Cesar,
2007). Nele existe um moinho de bola, que fica próximo aos Cozedores, onde se armazena
uma mistura na proporção de 1 kg de açúcar para 2 l de álcool anidro. O preparo se dá por
uma técnica em que se fica batendo a mistura por 72 horas no moinho, logo após, em agitação
lenta, se matura de 7 a 15 dias finalizando o processo de formação da solução de semente que
será armazenada em um recipiente em agitação lenta e constante. É de extrema importância
utilizar semente de boa qualidade no processo, ou seja, seu preparo deve ser feito com muito
cuidado e controle, pois como já foi dito anteriormente, uma boa semente é um dos princípios
básicos para um açúcar final de qualidade (Albuquerque, 2011).
Dentro do Cozedor de Cristalização, quando se atinge um CSS em torno de 1,1, zona
metaestável, e uma pureza em torno de 75%, reduz-se o vácuo para uma pressão de 60 cm de
Hg e adicionam-se pelo funil de drogas do cozedor, as sementes produzidas (Usina Lins,
2015). Adiciona-se aproximadamente 1 l da solução de semente para cada 100 hectolitros da
capacidade do cozedor. A zona metaestável é a ideal para essa etapa, pois nela não existe
formação de novos cristais e sim somente o aumento do tamanho dos já existentes, como
anteriormente descrito.
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Crescimento dos Cristais
A mistura que já passou pelo Cozedor de Cristalização é bombeada para o Cozedor de
massa B ou para a Sementeira B dependendo da análise feita pelo controle da Sonda
Microondas em cada tanque.
O Cozedor de massa B será o responsável pela produção da massa cozida B. Já a
Sementeira B é um tanque pulmão que armazena massa cozida B ou cristalizado do Cozedor
de Cristalização. Ela existe com a finalidade, a partir de estudos da produção, para melhorar o
rendimento do processo. O produto ai armazenado, voltará para o cozimento de massa B.
Na produção industrial, geralmente a quantidade transferida para o Cozedor de massa B
será igual a 1/3 do volume total desse novo recipiente, isso é equivalente a cobrir os espelhos
visíveis da calandra e dar segurança aos operadores e funcionários responsáveis do processo.
Após a transferência, pode-se ter demasiado ou insuficiente quantidade de cristais, assim
para o primeiro caso, facilmente corrigido, pode-se ou inserir maior quantidade de mel pobre
nesse novo Cozedor, ou aquecer a massa cozida B (diminuindo o vácuo). Já para a
insuficiência de cristais gerados, um novo cozimento traria a formação de cristais
heterogêneos, com purezas e tamanhos diferentes e também a formação de falsos grãos.
Porém, o método de Cristalização por semeadura é ótimo nesse caso, pois ele permite um
maior controle na quantidade necessária e ideal para a cristalização em processo.
Aperto e Descarregamento da Massa Cozida
Com o produto no Cozedor de massa B tem-se massa cozida B pronta, uma mistura
gerada a partir do Cozedor de Cristalização e da adição de mel pobre diretamente nesse novo
equipamento. Nesse ponto, a massa B tem em torno de 93° BRIX, com uma temperatura
65°C e pureza em torno de 70% e é descarregada para o Cristalizador B. Após, a massa B é
centrifugada.
Para o projeto e usina em questão, foi utilizado um processo de Cozimento de duas
massas, Erro! Fonte de referência não encontrada., ou seja, formação de massa cozida A e a
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formação de massa cozida B. Na Centrifugação da massa gerada até o momento é separado a
parte sólida, Magma, da parte liquida, Mel Final ou Melaço. O primeiro produto será
bombeado para o Cozedor de massa A até o volume de 1/3 do total desse Cozedor e em
seguida receberá o Xarope e o mel rico para alimentar o Magma. Já o segundo produto, o Mel
Final, será bombeado para a destilaria e utilizado na produção de álcool.
Figura 60. Cozimento em duas massas para produção de açúcar.
Fonte: (Lopes, 2009)
O Cozedor de massa A é o inicio do final do Cozimento e geração do açúcar cristalino
como se conhece nos supermercados. Nesse equipamento, a nova massa gerada, massa cozida
A, em torno de 93° BRIX (Cesar, 2007), será enviada ao Cristalizador A. Após, a massa será
centrifugada gerando o produto açúcar úmido e os méis pobre e rico. O mel pobre, utilizado
nas várias etapas já estudadas, é o primeiro a ser gerado na centrifugação, possuindo uma
pureza de 65% a 70%. O mel rico, pureza de 75% a 80%, também utilizado nas varias fases
explicadas, começa a ser formado um tempo após o mel pobre. Após a lavagem da massa nas
centrifugas, faz-se uma cambiação na separação de méis e assim separa-se o mel rico do mel
pobre. Por fim, o açúcar úmido vai para a etapa de Secagem, pois nesse processo ele é
formado contendo umidade em torno de 0,2% (Cesar, 2007). Para a comercialização do
açúcar branco é necessário uma umidade em torno de 0,03%, já para o açúcar VHP é
necessário umidade em torno de 0,1%, assim após a secagem, o açúcar final vai para a fase de
ensaque e armazenamento e estará pronto para comercialização, representado na Erro! Fonte
dereferêncianãoencontrada..
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Figura 61. Açúcar pronto para comercialização.
Fonte: (Usina Atena, 2010)
APÊNDICE D - Programação Desenvolvida