Baixe Automação e outras Notas de estudo em PDF para Tecnologia Industrial, somente na Docsity! 1 Luiz Affonso Guedes 1 Automação da Medição na Indústria do Petróleo Luiz Affonso Guedes www.dca.ufrn.br/~affonso affonso@dca.ufrn.br Luiz Affonso Guedes 2 Apresentação Disciplina da ênfase de Automação Carga-horária: 60h teóricas Automação da Medição (affonso) Processamento e transmissão de sinais (Adrião) Teoria de Controle (Maitelli) Horário e Local: 23456M1234 LAMP - Auditório Avaliação: A definir Luiz Affonso Guedes 3 Objetivo da Disciplina Apresentar os conceitos associados com os procedimentos de automação na indústria de petróleo e gás Luiz Affonso Guedes 4 Ementa da Disciplina Definição de automação. Sensores e Atuadores. Condicionamento e transmissão de sinais Teoria de controle Redes Industriais Gerência de Informação Luiz Affonso Guedes 5 Referências Bibliográfica Instrumentação Industrial, Egídio Alberto Bega e Alli, Eitora Interciência, 2003. Luiz Affonso Guedes 6 Conteúdo desta Fase Definição de automação Instrumentação industrial Sensores e atuadores Hardware e software de controle Redes Industrias Inter-travamento e Sistema de Segurança Gerência de Informação Automação da Medição 2 Luiz Affonso Guedes 7 Automação – Visão Geral Estudo sistêmico de sistemas de automação industrial. Caracterização dos elementos constituintes da automação industrial. Evolução da automação industrial. Caracterizar os requisitos demandados pelas aplicações em Automação Industrial. Luiz Affonso Guedes 8 Desafio de integração de informação Visão Geral da Automação Industrial Luiz Affonso Guedes 9 Objetivos da Automação Industrial Aumento da segurança Diminuição dos custos operacionais Melhoria das condições de operação Simplificação das instalações Aumento dos níveis de controle Aumento dos níveis de acompanhamento Luiz Affonso Guedes 10 Vantagens da Automação Qualidade do Produto Qualidade do produto Tolerância de suas propriedade Necessidade de Instrumentos mais precisos Teste em diferentes pontos da linha Luiz Affonso Guedes 11 Vantagens da Automação Qualidade do Produto Processo Quantidade de matéria prima Material de Produtos finais Determinação de custo de rendimento Luiz Affonso Guedes 12 Vantagens da Automação Economia do Processo Controlando a temperatura de fornos e secadores Utilizando sensores de temperatura tais como Termopares ou Termistores 5 Luiz Affonso Guedes 25 O Nível de Processos Físicos Nível de Processos Físicos Nível de Sensores e Atuadores Nível de Controle Direto: PC, CLP Nível de Supervisão Nível de Gerência Luiz Affonso Guedes 26 Elementos Básicos Processos Sensores Atuadores Calibração Segurança Economia de energia Condicionamento de sinais Conversão de sinais Hardware computacional Sistemas operacionais Linguagem de programação Estratégias de controle Estratégias de segurança: inter-travamento Estratégias de supervisão Luiz Affonso Guedes 27 Processos Sistemas físicos a serem monitorados, controlados, supervisionados,gerenciados Processos Contínuos As variáveis manipuladas têm natureza contínua Processos químicos e robótica Processos Discretos As variáveis manipuladas têm natureza discreta Políticas de inter-travamento e manufatura Sistemas Híbridos Variáveis contínuas + Variáveis discretas Luiz Affonso Guedes 28 Processo Contínuo LT TT LC MISTURADOR AQUECEDOR H1 TC vapor Produto B Produto A Luiz Affonso Guedes 29 Processos contínuos: variáveis analógicas nível mA t Luiz Affonso Guedes 30 Processo Discreto LSLL SDV VASO DE PROCESSO PSLL CLP SDV 6 Luiz Affonso Guedes 31 Variáveis Discretas t nível Vdc alto normal24 Vdc 0 Vdc Set- point Luiz Affonso Guedes 32 Variáveis Discretas nível Vdc alto normal 24 Vdc 0 Vdc t Luiz Affonso Guedes 33 O Nível de Sensores e Atuadores Nível de Processos Físicos Nível de Sensores e Atuadores Nível de Controle Direto: PC, CLP Nível de Supervisão Nível de Gerência Luiz Affonso Guedes 34 Sistemas de medição: Sensores Componentes transdutores de sinais Condicionamento de sinais Calibração de sensores Sistemas de proteção Valor verdadeiro Sistema de medição Processo medido Saída Entrada Valor medido Observador Luiz Affonso Guedes 35 Exemplo de Sensores Típicos Termopares Encoderes Barômetros Potenciômetros Fibras ópticas Ultra-som Luiz Affonso Guedes 36 Elemento Sensor O elemento sensor não é um instrumento, mas faz parte integrante da maioria absoluta dos instrumentos. O elemento sensor é o componente do instrumento que converte a variável física de entrada para outra forma mais usável. A grandeza física da entrada geralmente é diferente grandeza da saída. O elemento sensor depende fundamentalmente da variável sendo medida. O elemento sensor geralmente está em contato direto com o processo e dá a saída que depende da variável a ser medida. Se há mais de um elemento sensor no sistema, o elemento em contato com o processo é chamado de elemento sensor primário, os outros, de elementos sensores secundários. 7 Luiz Affonso Guedes 37 Terminologias de Sensores A norma ISA 37.1 (1982): Electrical Transducer Nomenclature and Terminology padroniza a terminologia e recomenda o seguinte: elemento sensor ou elemento transdutor para o dispositivo onde a entrada e a saída são ambas não-padronizadas e de naturezas iguais ou diferentes. transmissor para o instrumento onde a entrada é não-padronizada e a saída é padronizada e de naturezas iguais ou diferentes. transdutor para o instrumento onde a entrada e a saída são ambas padronizadas e de naturezas diferentes. conversor para o instrumento onde a entrada e a saída são ambas de natureza elétrica, mas com características diferentes, como o conversor A/D (analógico para digital), D/A (digital para analógico), conversor I/F (corrente para freqüência), conversor i/v (corrente para voltagem). Luiz Affonso Guedes 38 Embora as principais variáveis de processo sejam nível, pressão, temperatura e vazão, as possíveis variáveis medidas são: 1. Aceleração 2. Análise (composição, pH) 3. Atitude 4. Condutividade elétrica 5. Corrente elétrica 6. Deslocamento 7. Densidade 8. Força (peso) 9. Fluxo de calor 10. Freqüência 11. Luz 12. Nível de líquido 13. Número de Mach (velocidade relativa) 14. Posição 15. Potência 16. Pressão e vácuo 17. Queima (combustão) 18. Radiação nuclear 19. Temperatura 20. Tempo 21. Tensão elétrica 22. Torque 23. Umidade 24. Vazão 25. Velocidade 26. Vibração 27. Viscosidade Luiz Affonso Guedes 39 Sensores - Princípios de Transdução Conforme a natureza do sinal de saída, os sensores podem ser classificados como: 1. Mecânicos 2. Eletrônicos Praticamente, toda variável de processo pode ser medida eletronicamente, porém nem toda variável pode ser medida mecanicamente. Por exemplo, o pH só pode ser medido por meio elétrico. As principais vantagens do sinal eletrônico sobre o mecânico são: não há efeitos de inércia e atrito a amplificação é mais fácil de ser obtida a indicação e o registro à distância são mais fáceis. Luiz Affonso Guedes 40 Sensores Mecânicos O elemento sensor mecânico recebe na entrada a variável de processo e gera na saída uma grandeza mecânica, como movimento, força ou deslocamento, proporcional à variável medida. O elemento sensor mecânico não necessita de nenhuma fonte de alimentação externa para funcionar; ele é acionado pela própria energia do processo ao qual está ligado. Exemplos de elementos sensores mecânicos: Espiral, para a medição de pressão; Enchimento termal, para temperatura; Placa de orifício, para a vazão Luiz Affonso Guedes 41 Sensores de Pressão Luiz Affonso Guedes 42 Medição de Nível 10 Luiz Affonso Guedes 55 Medição de Nível por Borbulhamento Também se baseia na pressão diferencial medida; Injeta-se ar ou gás inerte (nitrogênio) através de tubo de vidro; Aumenta-se lenta e continuamente a pressão de suprimento do gás, até que se comece a borbulhar o gás No momento limite que começa o borbulhamento, a pressão aplicada é exatamente igual à pressão exercida pela coluna liquida. A pressão aplicada para borbulhar o gás é proporcional ao nível que se quer medir Luiz Affonso Guedes 56 Sistema de Nível com Borbulhamento Luiz Affonso Guedes 57 Vantagens e Desvantagens Vantagens pode medir nível de fluidos sujos e corrosivos a temperatura do processo é limitada apenas pelo material do vidro Desvantagens dificuldade de medição de nível em tanque fechado pressurizado sistema é frágil e exige muito cuidado de manuseio Medição de Nível por Borbulhamento Luiz Affonso Guedes 58 Medição de Nível por Radar O tempo de propagação do sinal refletido é medido pelo controle do oscilador (sensor); Ele envia um sinal em uma freqüência fixa; O detector radar é exposto simultaneamente à varredura enviada pelo radar e ao sinal de retorno refletido; A saída do detector é um sinal de freqüência que é igual à diferença entre os sinais enviado e o refletido. Luiz Affonso Guedes 59 Medição de Nível por Radar Esta diferença de freqüência é diretamente proporcional ao tempo de propagação e à distância entre o sensor e o nível do líquido; O sinal de freqüência modulada (FM) varia entre 0 e 200 Hz, quando a distância varia 0 e 60 m; Uma vantagem desta técnica é que a informação da variável de processo está no domínio da freqüência em vez do domínio da amplitude modulada ou da diferença de tempo, o que permite uma conversão mais precisa. Luiz Affonso Guedes 60 Medidor de Nível por Radar 11 Luiz Affonso Guedes 61 Medição de Nível por Ultra-som Sistema de detecção de nível sônico (9500 Hz) e ultra-sônico operam pela absorção da energia acústica, quando ela se propaga da fonte para o receptor ou pela atenuação (mudança de freqüência) de um dispositivo vibrante, oscilando em 35 a 40 kHz; O transmissor de nível ultra-sônico opera gerando um pulso e medindo o tempo que o eco leva para voltar. Luiz Affonso Guedes 62 Medição de Nível por Ultra-som Transmissor pode ser montado no topo do tanque e o tempo de propagação é uma indicação do espaço vazio acima do nível do líquido no tanque; fundo do tanque, o tempo de propagação reflete a altura de líquido no tanque e a velocidade do pulso é função deste líquido. Luiz Affonso Guedes 63 Medidor de Nível Ultra-sônico Luiz Affonso Guedes 64 Transmissor de Nível Luiz Affonso Guedes 65 Sistema de Nível Tomada Lateral Luiz Affonso Guedes 66 Sistema de Nível Tomada de Topo 12 Luiz Affonso Guedes 67 Tecnologias de Sensores Eletrônicos 1. capacitivo 2. indutivo 3. relutivo 4. eletromagnético 5. piezoelétrico 6. resistivo 7potenciométrico 8. strain-gage 9. fotocondutivo 10. fotovoltáico 11. termelétrico 12. ionizante Luiz Affonso Guedes 68 - Converte a variável de processo medida em uma variação da capacitância elétrica. Um capacitor consiste de duas placas condutoras de área A separadas por um dielétrico (e), pela distância d, conforme a expressão matemática seguinte: A variação de capacitância pode ser causada: pelo movimento de um dos eletrodo (placas), alterando a distancia d pela variação da área das placas pela variação do dielétrico Atualmente, a maioria dos transmissores eletrônicos usa cápsulas capacitivas para a medição de pressão manométrica, absoluta ou diferencial. Sensor Capacitivo ∆C ∆C d AC ε= Luiz Affonso Guedes 69 Sensor Indutivo O sensor indutivo converte a variável de processo medida em uma variação da auto-indutância elétrica de uma bobina. As variações da indutância podem ser causadas: pelo movimento de um núcleo ferromagnético dentro da bobina pelas variações de fluxo introduzidas externamente na bobina com núcleo fixo. Há transmissores eletrônicos que utilizam (ou utilizavam) bobinas detectoras para a medição da pressão. ∆L Luiz Affonso Guedes 70 Sensor Relutivo O sensor relutivo converte a variável de processo medida em uma variação da voltagem devida a uma variação na relutância entre duas ou mais bobinas separadas e excitadas por tensão alternada (ou de duas porções separadas de uma mesma bobina). Esta categoria de sensores inclui relutância variável, transformador diferencial e ponte de indutâncias. A variação na trajetória da relutância é usualmente feita pelo movimento de um núcleo magnético dentro da bobina. ∆E Tap central Luiz Affonso Guedes 71 Sensor Eletromagnético O sensor eletromagnético converte a variável de processo medida em uma força eletromotriz induzida em um condutor pela variação no fluxo magnético, na ausência de excitação. A variação no fluxo é feita usualmente pelo movimento relativo entre um eletromagneto e um magneto ou porção de material magnético. ∆E Luiz Affonso Guedes 72 Sensor Piezoelétrico O sensor piezoelétrico converte uma variável de processo medida em uma variação de carga eletrostática (Q) ou voltagem (E) gerada por certos materiais quando mecanicamente estressados. O estress é tipicamente de forças de compressão ou tração ou por forças de entortamento exercida no cristal diretamente por um elemento sensor ou por um elo mecânico ligado ao elemento sensor. ∆E ou ∆Q ∆E ou ∆Q 15 Luiz Affonso Guedes 85 Indicador analógico Luiz Affonso Guedes 86 Visualizadores digitais Luiz Affonso Guedes 87 Numero de Dígitos e Precisão Número de dígitos e precisão 3 dígitos •0 a 9,99 0 a 10,0 3 ½ dígitos •0 a 10,00 0 a 19,00 •0 a 20,00 4 dígitos •0 a 9,999 0 a 10,00 •0 a 20,00 999 999 9999 1 Luiz Affonso Guedes 88 Erros de Leitura •Analógico erro de paralaxe •Digital : Erro de quantificação 999 ± 1 digito 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 Luiz Affonso Guedes 89 Especificação do Indicador Variável do processo indicado Faixa calibrada de medição Elemento sensor Escala Formato, 0 a 100%, Unidade de Engenharia Plaqueta gravada (para o operador) Identificação da malha (tag) Tipo de montagem Local de montagem Classificação mecânica do invólucro Classificação elétrica do instrumento Opções extras Alarme , acabamento especial, proteção Luiz Affonso Guedes 90 Exemplos de Indicadores 16 Luiz Affonso Guedes 91 Registrador Instrumento que sente a variável e imprime valor histórico ou de tendência da variável em um gráfico através de uma “pena” Especificações Numero de penas Registro contínuo ou ponto Enrolamento do gráfico Tipo de pena Acionamento do gráfico Luiz Affonso Guedes 92 Registrador Eletrônico e Mecânico Luiz Affonso Guedes 93 Registrador Eletrônico e Mecânico Luiz Affonso Guedes 94 Telemetria Os sistemas conforme o tipo de energia podem ser: Transmissão pneumática (3-15PSI) Transmissão eletrônica (4-20mA, 1-5Vcc) Transmissão digital ( RS-485 protocolo modbus, RS-232 protocolo HART, RS-422, “FoundationTM Fieldbus”. Transmissão hidráulica Luiz Affonso Guedes 95 Sistemas de Comandos: Atuadores Amplificadores de energia Transformadores de energia elétrica (sinal de controle) em outras formas de energia Saída Sistema de comando Sinal de comando Processo Atuador Luiz Affonso Guedes 96 Exemplos de Atuadores Válvulas Pistões Inversores (eletrônica de potência) Resistências 17 Luiz Affonso Guedes 97 Exemplos de Atuadores Válvula de controle (Fisher) Transmissor eletrônico Luiz Affonso Guedes 98 Exemplos de Atuadores Luiz Affonso Guedes 99 Transmissor Rigorosamente, o transmissor não é necessário. A transmissão serve somente como uma conveniência de operação para tornar disponíveis os dados do processo em uma sala de controle centralizada, num formato padronizado. Luiz Affonso Guedes 100 Justificativas Para o Uso do Transmissor 1. eliminam a presença de fluidos inflamáveis, corrosivos, tóxicos mal cheirosos e de alta pressão na sala de controle. 2. as salas de controle tornam-se mais práticas 3. padronização dos instrumentos receptores do painel; os indicadores, os registradores e os controladores recebem o mesmo sinal padrão dos transmissores de campo Luiz Affonso Guedes 101 Transmissão de Sinal Em conformidade com a norma ANSI/ISA SP 50.1 - 1982 (Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments) 1. a faixa de 4 a 20 mA, corrente contínua, com largura de faixa de 16 mA, que corresponde a uma tensão de 1 a 5 V cc, com largura de faixa de 4 V 2. a impedância de carga deve estar entre 0 e um mínimo de 600 Ώ. 3. o número de fios de transmissão de 2, 3 ou 4. 4. a instalação elétrica 5. o conteúdo de ruído e ripple 6. as características do resistor de conversão de corrente para tensão, que deve ser de (250,00 ± 0,25) Ώ 7. quando a entrada for de 10 V ou de 40 mA. Luiz Affonso Guedes 102 Transmissor Fonte Receptor - - + + Transmissor Fonte Receptor - - + + Transmissor Fonte Receptor - - + + Consideração do tipo de transmissor 20 Luiz Affonso Guedes 115 vantagens alta robustez grande estabilidade excelente linearidade resposta rápida deslocamento volumétrico menor que 0,16 cm3 elimina a necessidade de câmaras de condensação e potes de nível Transmissor Capacitivo Limitações: • sensitividade à temperatura • alta impedância de saída • sensitividade à capacitância parasita • sensitividade a vibração • pequena capacidade de resistir à sobre pressão Luiz Affonso Guedes 116 Simbologia Letras subseqüentes (função do instrumento na malha IC Primeira letra (variável da malha) T Identificação funcional (Controlador Indicador de temperatura) TIC Identificação da malha (malha de temperatura, número 103) T 103 Identificação do instrumento ou tag do instrumento TIC 103 Luiz Affonso Guedes 117 Simbologia TE-301 sensor de temperatura TT – 301 transmissor de temperatura TIC-301 controlador de temperatura TCV-301 válvula controladora de temperatura Luiz Affonso Guedes 118 Simbologia PIC 211 Exemplo de uma malha de controle de Pressão Luiz Affonso Guedes 119 Nível de Controle Direto Nível de Processos Físicos Nível de Sensores e Atuadores Nível de Controle Direto: PC, CLP Nível de Supervisão Nível de Gerência Luiz Affonso Guedes 120 Esquema de Controle Automático Alarmes e guias para operador Processo Sistema de controle com computador material energia produto Informação do produtoSinais de controle Informação do processo Registros e relatórios Informação de entrada Objetivos e informação de gerenciamento 21 Luiz Affonso Guedes 121 Estrutura do Hardware de Controle Entradas Analógicas Entradas Digitais Canal de Telemetria Outros sistemas Armazenamento trabalho Elementos de controle Lógica e Arimética Memória de massa Impressoras Console Operação Interrupção CPU Luiz Affonso Guedes 122 Estrutura do Hardware do CLP UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO DISPOSITIVOS DE PROGRAMAÇÃO/ COMUNICAÇÃO MEMÓRIA PROGRAMA / DADOS FONTE DE ALIMENTAÇÃO C D I E R C E U N I T T R O A S D A ISOLAMENTO ÓPTICO ISOLAMENTO ÓPTICO I > C D I E R C S U A I Í T D O A S P X Luiz Affonso Guedes 123 Algoritmo de controle Filtragem Lógica de proteção Atuadores Sensores Variáveis do processo Multiplexador entrada Multiplexador saída Conversor D/A Conversor D/A DisplayConsole do Operador Carga e saída do programa Canal de Comunicação Processador com programa DDC Entrada manual de SP, limites, sintonia etc. Computador supervisório (opcional) Luiz Affonso Guedes 124 Instrumento que: Recebe a medição de uma variável Recebe um ponto de ajuste, Compara-os e Gera automaticamente um sinal de saída para autuar o elemento final, para manter a medição igual ou em torno do ponto de ajuste. Atividades do Controlador Luiz Affonso Guedes 125 Tipos de Controles Controle continuo - variáveis analógicas - Controle PID Controle Discreto - variáveis discretas – Inter-travamento Luiz Affonso Guedes 126 Proporcional Integral Derivativo + + + ++ Medição Set point Saída Ações de Controle 22 Luiz Affonso Guedes 127 Controle de Variáveis Contínuas – Estratégia PID PID Válvula Processo SensormA mAmA Vazão Ref Controlador + - erro variável controlada Luiz Affonso Guedes 128 Remoto ou Local Ação direta Ou Inversa Unidade de Controle Automático Unidade Balanço Unidade Controle manual Medição Escala Ponto de ajuste Indicador Componentes do Controlador Luiz Affonso Guedes 129 Variável do processo controlada Faixa calibrada de medição Escalas (principal, saída) Tipo do ponte de ajuste (manual, auto) Ações de controle (P, I, D, on-off) Ação direta ou inversa Tipo do Local de montagem Classificação mecânica do invólucro Classificação elétrica do instrumento. Especificação do Controlador Luiz Affonso Guedes 130 Controle de Processos Discretos A mudança do Estado das variáveis de entrada provoca a mudança das variáveis de saída. Ex: Pressão alta -> abrir válvula de alívio Luiz Affonso Guedes 131 Controle de Processos Discretos Controle de processos discretos é a implementação de uma Operação Lógica e/ou Seqüência de Eventos através do qual o processo é levado a um estado desejado. Ex: nível alto fecha válvula e aciona alarme botoeira acionada liga bomba e acende lâmpada temperatura ou pressão alta abre válvula e desliga aquecedor Luiz Affonso Guedes 132 Estratégia de Controle Discreto Sentenças narrativas Tabela de Causa e Efeito Diagrama Lógico Binário Diagrama Ladder Diagrama de Blocos Funcionais 25 Luiz Affonso Guedes 145 SISTEMA SUPERVISÓRIO PRINCIPAIS FUNÇÕES Alteração de parâmetros de operação : “By-pass” de pontos de entrada; “Override” de pontos de saída; Parametrização de instrumentos; Registro histórico de variáveis de processo; Armazenamento, recuperação de dados de equipamentos; Emissão de relatórios. Luiz Affonso Guedes 146 SISTEMA SUPERVISÓRIO O sistema está estruturado através de uma série de telas e janelas; Tela: Exibem os diversos dados disponibilizados pelo sistema, ocupando todo o espaço disponível do monitor. Janela: Idem à tela, porém ocupando apenas uma parte do espaço disponível do monitor. Luiz Affonso Guedes 147 CLASSIFICAÇÃO DE TELAS Telas e janelas são classificadas segundo o tipo de informação apresentada: - processo/utilidades; - segurança; - instrumentação; - alarmes. Luiz Affonso Guedes 148 Luiz Affonso Guedes 149 Evolução da Estrutura de Automação Controle de set-point Controle Direto Controle Ponto-a-Ponto SDCD (sistemas Digitais de Controle Distribuídos) Redes de Campo Luiz Affonso Guedes 150 Estratégia de Controle Direto 26 Luiz Affonso Guedes 151 Estratégia Ponto-Ponto Luiz Affonso Guedes 152 SDCD –Visão Geral Luiz Affonso Guedes 153 SDCD – Visão Técnica Luiz Affonso Guedes 154 SDCD - Estação de Operação Luiz Affonso Guedes 155 Redes de Barramento de Campo Luiz Affonso Guedes 156 Evolução da Automação Industrial