Instrumentação e Controle

Instrumentação e Controle

(Parte 1 de 7)

eng. Paulo Vicente Correa rev. julho/2002

1. Conceitos4
Controladores Lógicos Programáveis PLC8
PLC no Controle e Processos8
Sistemas SCADA8
2. Pressão12
Unidades de Medida de Pressão15
Manômetros17
Pressostatos21
Transmissores de Pressão23
Instalação de Transmissores25
3. Temperatura29
Termômetros30
Termopares31
Termo-Resistências37
4. Nível38
5. Vazão41
Placas de Orifício4
Tubo de Venturi52
Cone em V53
Medidores Magnéticos54
Medidores Vórtex56
Medidores de Turbina57
Medidores Mássico ou Coriolis58
Medidores de Rodas Ovais59
6. Válvulas de Controle60
Dimensionamento de Válvulas de Controle63
7. Simbologia6
8. Controle69
Controle Tudo-ou-Nada (On-Off)69
Controlador Proporcional (P)71
Controlador Integral (PI)75
Controlador Proporcional, Integral e Derivativo (PID)78
Estrutura de Controladores80
9. Estratégias de Controle85
Controle em Feed-back86
Controle em Cascata87
Razão ou Proporção8
Limites Cruzados89
Feed-Forward93
Controle em Split-Range (faixa dividida)96
Controle Preferencial97
10. Sintonia de Controladores98
Processos estáveis e instáveis - Identificação98
Determinação da ordem de grandeza dos Parâmetros9
Escolha da estrutura do controlador102
Métodos de Sintonia de Controladores103
Método da identificação do processo através da resposta a um degrau104
Método de Ziegler e Nichols108
Um Método de Identificação110
Processo Estável110
Processo Instável1
O Programa1
1. Simulação de Processos13
O Modelo114
O Programa116

INDICE O Interpretador de Equações .................................................................................................... ........117

O Processo121
O Bloco de Cálculo123
O Registrador124
Os Textos Animados124
O Ruído124
O Registrador X-Y124
Exercícios125
Exercício 2125
Exercício 3127
Exercício 4129
Exercício 5130
Exercício 6131
Exercício 7133
Exercício 8134
Importando Um Processo Real135
Exercício 9136
Exercício 10138
Exercício 1141
Exercicio 12145
12. Metrologia146
Sistema Internacional146
Nomenclatura Oficial148
A Rastreabilidade Metrológica153
A Incerteza da Medição154
Incerteza tipo A154
Incertezas tipo B156
Incerteza Combinada159
Incerteza Expandida159
Expressão da Incerteza da Medição160
13. Uso de Instrumentos Elétricos em Áreas Perigosas161
Classificação de Área161
Prova de Explosão161
Segurança Intrínseca162

Instrumentação e Controle pag. 4

1. Conceitos

Instrumentação é o ramo da engenharia que trata do projeto, fabricação, especificação, montagem, operação e manutenção dos instrumentos para medição e controle das variáveis de processo industrial.

Um processo é, em geral, uma instalação ou um local onde são introduzidos material, energia e insumos, que são processados para se obter um produto final de qualidade, além de resíduos e efluentes a serem descartados, tratados ou reciclados por outro processo. Interessa-nos especialmente o processo contínuo, ou seja, onde essas coisas acontecem continuamente.

As informações do processo precisam ser adquiridas e transmitidas até um local confortável, normalmente uma sala de controle, onde o elemento humano possa tomar as decisões e interferir no processo para atingir o seu objetivo, além de consultar dados históricos e executar quaisquer ações sobre o sistema.

A qualidade do produto inclui, não só as suas características intrínsecas para consumo, mas também outros aspectos, como custo, quantidade, prazos de entrega, segurança do homem e do equipamento, preservação do meio ambiente e qualidade de vida das pessoas que ali trabalham ou vivem na comunidade onde o processo está inserido.

As principais funções da instrumentação estão relacionadas com a qualidade e quantidade de produtos, fabricados com segurança e sem subprodutos nocivos. O controle automático possibilita a existência de processos extremamente complexos, impossíveis de existirem apenas com controles manuais.

Quanto melhor a qualidade do produto desejado, menores devem ser as tolerâncias de suas propriedades. Quanto menor a tolerância, maior a necessidade de instrumentos para medição e controle automático.

As quantidades das matérias primas, utilidades e produtos finais devem ser medidas e controladas para fins de qualidade, balanço de custo e do rendimento do processo. Os instrumentos devem fazer a indicação, registro, e controle de modo contínuo e repetitivo.

O Controle automático economiza energia, pois elimina o superaquecimento de fornos, fornalhas, secadores, e permite operar equipamentos com o mínimo de desperdício.

Os instrumentos garantem efluentes limpos e inofensivos.

Entradas:

Sensores de pressão, temperatura, nível, vazão, pressotatos, temostatos, chaves, etc.

Saídas:

Atuadores, válvulas de controle, válvulas solenóide, variadores de velocidade, posicionadores, contatores, etc.

Sistema de Controle Indicação, Registro, Controle

Processo

Interface com o Operador

MaterialEnergia Produto Resíduos e Efluentes figura 1.1

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Os instrumentos protegem equipamentos e vidas.

Medir é um conceito muito amplo. Todas as ações de máquinas ou dos homens com objetivo de obter um produto final adequado à qualidade desejada, partem da medição.

Medimos para conhecer variáveis, e a partir desse conhecimento executarmos ou não ações corretivas. Em geral, medimos variáveis no nosso processo para Indicar, Controlar ou Registrar.

As funções mais importantes dos instrumentos são: O sensor, a transmissão, a conversão, a indicação, o registro, o controle, o alarme, a computação analógica e a atuação manual.

A grande maioria da instrumentação se concentra em quatro variáveis: Pressão, Temperatura, Nível e Vazão. Uma pequena parte se preocupa com outras variáveis, especialmente as analíticas (PH, umidade, condutividade, densidade, posição, movimento, análise, etc.).

Em geral, não é possível conhecer a variável a ser medida, que não através de algum fenômeno físico ou químico associado. Daí o conceito de Sensores, transdutores e transmissores.

Sensores são elementos básicos de interface entre o processo e a medição, também chamados de elementos primários.

Transdutores e Transmissores são conceitos semelhantes. Transdutores são elementos capazes de transformar uma determinada variável em outra, de outra natureza. Os transmissores são casos especiais de transdutores cuja natureza e forma do sinal gerado é padronizada.

Quanto à função dos instrumentos podemos classificá-los como:

Indicadores, são instrumentos que sentem a variável do processo apresentam seu valor instantâneo. Um manômetro é um indicador local. Temos indicadores de painel, analógicos ou digitais.

Registradores são instrumentos que sentem uma ou várias variáveis de processo e armazenam seus valores em papel ou em memória mecânica ou eletrônica, ao longo do tempo. Os totalizadores são considerados registradores.

Transmissores que sentem as variáveis de processo através de elementos primários e enviam sinais padronizados para outros instrumentos como controladores e registradores.

Computadores analógicos, que executam funções de cálculo com as variáveis, tais como extratores de raiz quadrada, linearizadores, integradores, etc.

Elementos finais de controle, que manipulam variáveis, tais como válvulas de controle, válvulas solenóide, variadores de velocidade, etc.

Controladores são instrumentos que, baseados num set-point (valor desejado), enviam sinais a elementos finais de controle com objetivo de fazer com que a variável se iguale ou aproxime dele. Não necessariamente de forma automática: estações manuais são também controladores.

Comparadores são um grupo de instrumentos que emitem sinais digitais (tudo ou nada) quando suas variáveis medidas estiverem acima ou abaixo de valores pré-determinados. Como exemplo, os pressostatos, as chaves de nível, as chaves de fluxo e os termostatos.

Os sinais elétricos enviados pelos elementos de campo obedecem uma determinada padronização, que tem as suas vantagens.

Campo Painel

4-20 mA Fonte 24V

Transmissor a

2 fios Instrumento Receptor

Fig. 1.2

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Os sinais analógicos (pressão, vazão, nível, etc.) são transmitidos do campo sob a forma de corrente. O padrão dos sinais de corrente é 4-20 mA, isto é, quando a variável está no seu limite inferior, a corrente vale 4 mA, e quando está no seu limite superior, 20 mA.

O uso da corrente ao invés da tensão proporciona maior imunidade a ruídos.

O valor inferior não é zero por alguns motivos:

• A informação de zero de sinal não pode ser confundida com a condição de condutores partidos ou ausência de energia elétrica no transmissor.

• Os transmissores a 2 fios necessitam de uma corrente mínima para alimentá-los, mesmo com a variável igual a zero.

Transmissores a 2 fios utilizam os mesmos condutores que os alimentam para enviar o sinal ao painel ou sistema de controle. Ou seja, são instrumentos elétricos que se comportam como carga: consomem corrente que varia de 4 a 20 mA, em função do valor da variável medida.

Os transmissores a 4 fios recebem alimentação externa (por exemplo, 110 Volts) e enviam o sinal da variável através de outro par de fios.

Os transmissores que necessitam de grande potência elétrica para funcionar são sempre a 4 fios. Como por exemplo, os transmissores de vazão magnéticos e os transmissores de PH e condutividade.

Os sinais enviados pelos transmissores não tem seu valor alterado quando há variação de tensão de alimentação dentro de limites pré-definidos. Em geral, os transmissores a 2 fios são alimentados com tensão que pode variar de 12 a 36 Volts. Da tensão da fonte, deve ser descontada a queda de tensão nos cabos e na impedância de entrada do receptor.

Atualmente estão em desuso os instrumentos chamados “de painel” ou discretos. Para executar as funções dos instrumentos citadas são utilizados equipamentos eletrônicos de processamento de dados como Controladores Programáveis e computadores de processo, onde as funções são implementadas como programas (software) e não fisicamente.

Também a comunicação entre os instrumentos e o sistema de controle está evoluindo da forma analógica para a forma de comunicação digital, utilizando um protocolo (rede de campo) serial, que permite a sua conexão em rede, economizando cabos elétricos.

Mas o protocolo de comunicação ainda mais usado ainda é o analógico (em corrente 4-20 mA, mV, etc.), pois é um sistema padronizado que torna compatíveis instrumentos e equipamentos de diversos fabricantes.

A comunicação digital (redes de campo) ainda está se iniciando e esbarrando exatamente no problema da padronização. Vários fabricantes tem seu próprio sistema, o que torna difícil interligar equipamentos de diversos fabricantes sem gastar tempo e dinheiro na integração e compatibilização, ou seja fazê-los conversar entre si.

Uma solução intermediária ainda é a mais usada: Uma unidade remota de aquisição de dados é instalada no campo, próximo aos grupos de instrumentos, recebem seus sinais analógicos convencionais e transmitem ao sistema de controle longínquo através de um único par de fios ou fibra ótica em protocolo serial.

Campo Painel a 4 fios Instrumento Receptor

110 Vac

Fig. 1.3

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Fonte de Alimentação

Controlador

PAINEL Figura 1.4 – Interligação de Instrumentos

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Controladores Lógicos Programáveis PLC

Um dos equipamentos mais difundidos hoje para realizar as tarefas relacionadas com o controle automático são os PLC (Controladores Lógicos Programáveis)

Os PLC são microcomputadores de propósitos específicos dedicados inicialmente para o controle de sistemas com entradas e saídas binárias (de dois estados apenas: ligado - desligado, alto - baixo, etc.); porém, hoje, devido a seu sucesso em todas as indústrias, têm adquirido muita mais força para tratar de outras funções com alta confiabilidade, como é o caso de tratamento de sinais analógicas, controle continuo multi-variáveis, controle de posição de alta precisão, etc.

O caráter modular dos PLC permite adequar o controlador para qualquer aplicação, já que o projetista especifica só o número de módulos e acessórios que precisa de acordo com o número de entradas e saídas , e funções especificas, que requer o processo a ser controlado, tendo que pagar o preço justo para cada aplicação.

Outra característica importante dos PLC consiste na flexibilidade dada pela programação, que permite ser aplicado em qualquer tipo de processo e mudar rapidamente as funções através do programa, sem mexer na instalação.

figura 1.5

PLC no Controle e Processos

As linguagens de programação desenvolvidas para os PLC são fundamentalmente representados de três formas: redes de contatos (similar aos esquemas elétricos de reles e contatores), blocos funcionais (similares aos esquemas de circuitos digitais: AND, OR, XOR, etc.) e em lista de instruções mnemônicas (similares aos programas escritos em assembler); sendo assim foram bem aceitos por técnicos em manutenção não envolvidos nem treinados com técnicas de programação avançada de computadores.

manutenção

Cabe destacar a vantagem que introduzem os PLCs com a redução do tamanho dos armários de controle e a diminuição de falhas, permitindo mudar os sistemas de controle a reles e contatores com um menor custo de instalação e

O uso de Sistemas de Controle Distribuído com Supervisão Digital Centralizada ( SCADA) , hoje constitui a técnica mais atraente para a maioria dos sistemas de controle industrial.

Sistemas SCADA

Os sistemas do tipo SCADA possuem vários níveis para o tratamento da informação do processo, cujo número e complexidade da estrutura depende da aplicação e grau de automação desejada para cada caso.

A estrutura dos Sistemas SCADA é concebida em forma piramidal, como se mostra na figura 1.6.

controle recebidos

No Primeiro nível (mais próximo do processo) aparecem os dispositivos de campo (transmissores, válvulas automáticas, etc.). Eles tem a missão de elaborar os sinais representativos das medições de diversas variáveis do processo, para ser enviadas a distância, ou atuam sobre os mecanismos e equipamentos do processo, segundo os sinais de

Os PLCs ou controladores digitais, situados no segundo nível de automação, são encarregados de efetuar o controle das variáveis do processo e trocar informações, através de redes de comunicação, entre eles e com o computador.

O computador monitora o comportamento do sistema usando um software de supervisão e controle, dedicado a atualizar em tempo real as Informações na tela, emitir relatórios periódicos para a operação, modificar parâmetros dos controladores, avisar da existência de falhas e recomendar o que fazer. Desta maneira, o computador realiza a função de supervisor – assessor.

Instrumentação e Controle pag. 9 fig. 1.6 SISTEMA DE CONTROLE DISTRIBUIDO TIPO SCADA

Em indústrias de grande porte precisa-se de níveis superiores para o gerenciamento total do processo, onde se enlaçam através de redes de alta velocidade de comunicação os supervisores das diferentes áreas do processo (exemplo: caldeiras, compressores, geradores, etc.), levando as Informações vitais até os diversos setores de gestão, enlaçando-se com as áreas de projetos, compras, vendas,etc; no novo conceito de Sistemas de Gestão Empresarial Integrados.

Na atualidade está sendo muito aplicado o conceito de fieldbus, que consiste na utilização de dispositivos inteligentes enlaçados através de um meio físico (fios, fibra ótica ou rádio comunicação) que conduzem a informação digitalizada formando uma verdadeira rede de campo.

A utilização da tecnologia Fieldbus permite diminuir os custos de fiação, instalação e manutenção.

Existem duas variantes de sistemas na implantação de redes de campo, que podem ser distinguidas como: comunicação entre unidades remotas e de comunicação direta entre dispositivos.

Na figura 1.7 aparecem representadas as diferencias entre a fiação paralela tradicional (4 a 20 mA ), onde precisa de um par de fios para unir cada dispositivo de campo com o controlador (a), e a comunicação através de uma rede de campo com comunicação direta entre dispositivos (b).

Observe que, no caso da tecnologia tradicional, é preciso a utilização de um par de fios para ligar cada dispositivo de campo ( válvulas, conversores, transmissor, etc) com o painel de controle; sendo o painel de controle centralizado, instalado normalmente próximo da sala de controle, pode-se encontrar a algumas centenas de metros de muitos dispositivos de campo, o que implica em um emaranhado sistema de galerias, bandejas, eletrocalhas e eletrodutos para acomodar a fiação .

No caso da tecnologia de comunicação direta com os dispositivos podemos encontrar vários dispositivos ( transmissores, conversores, válvulas de controle proporcional, inversores de freqüência, etc) ligados através de um único par de fios trançado, se comunicando, através de um protocolo de comunicação digital preparado para esta finalidade, entre eles e com a CPU do PLC. Neste último caso, encontramos cartões de comunicação no rack do PLC, no lugar de cartões de entradas e saídas analógicas. Os sinais digitais podem ser ligados através de cartões de entrada e saída digital instalados no rack do PLC, em unidades remotas de comunicação de I/O ( entradas e saídas) ou em PLCs instalados em outros painéis próximos dos equipamentos de campo.

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