Instrumentação e Controle de Processos: Uma Abordagem Detalhada, Slides de Medição Eletrônica e Instrumentação

Baixe Instrumentação e Controle de Processos: Uma Abordagem Detalhada e outras Slides em PDF para Medição Eletrônica e Instrumentação, somente na Docsity!

INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL

MÓDULO1 – INTRODUÇÃO AO CONTROLE DE

PROCESSOS INDUSTRIAIS

SUMÁRIO

• 1 - INTRODUÇÃO ......................................................................................................
• 1.1 - HISTÓRICO .......................................................................................................
• 1.2 - DEFINIÇÕES EM CONTROLE ...........................................................................
  • 1.2.1 - Terminologia ................................................................................................
• 1.3 - INTRODUÇÃO AO CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS
  • 1.3.1 - Introdução ao Controle de Processos
  • 1.3.2 - Classes de Instrumentos
  • 1.3.3 - Terminologia Normalizada
  • 1.3.4 - Símbolos Utilizados nos Fluxogramas de Processo...................................
  • 1.3.5 - Simbologia Geral em Instrumentação
• 1.4 - ANÁLISE DE UMA MALHA DE CONTROLE
  • 1.4.1 - Diagrama Unifilar
• 1.5 - PRINCIPAIS SISTEMAS DE MEDIDA
  • 1.5.1 - Sistema Métrico Decimal
  • 1.5.2 - Sistema Físico
  • 1.5.3 - Sistema Industrial Francês
  • 1.5.4 - Sistema Prático..........................................................................................
  • 1.5.5 - Sistemas Ingleses......................................................................................
• 2 - TELEMETRIA
• 2.1 - TRANSMISSORES
  • 2.1.1 - Transmissão Pneumática
  • 2.1.2 - Transmissão Eletrônica
  • 2.1.3 - Protocolo HART
  • 2.1.4 - Fieldbus

atitude de correção de acordo com o desvio existente sem que a operação intervenha. Para que se possa fazer esta comparação e conseqüentemente a correção, é necessário que se tenha uma unidade de medida, uma unidade de controle e um elemento final de controle no processo.

Este conjunto de unidades forma uma malha de controle. A malha de controle pode ser aberta ou fechada. No exemplo anterior vimos uma malha

fechada e no exemplo abaixo veremos uma malha aberta.

Unidade de Controle

Elemento final de controle

Unidade de Medição

Processo

Elemento final de controle

Processo

Controle Manual (^) Unidade de Indicação

1.2 - DEFINIÇÕES EM CONTROLE

Os instrumentos de controle empregados na indústria de processos tais como, química, siderúrgica, papel, etc. tem sua própria terminologia. Os termos utilizados definem as características próprias de medida e controle dos diversos instrumentos utilizados: indicadores, registradores, controladores, transmissores e válvulas de controle. A terminologia empregada é unificada entre os fabricantes e os usuários e os organismos que intervém diretamente ou indiretamente no campo da instrumentação industrial.

1.2.1 - Terminologia

1. Ação Direta : Ação de um dispositivo qualquer cuja resposta varia em proporção direta com o sinal de entrada (o sinal de saída cresce com o sinal de entrada crescente). Nas válvulas de controle, a ação direta corresponde à construção “fecha para baixo”: o movimento descendente da haste move o obturador da posição aberta para a posição fechada.
2. Ação Reversa : Ação de um dispositivo qualquer cuja resposta varia em proporção inversa ao sinal de entrada (o sinal de saída decresce com o sinal de entrada crescente). Nas válvulas de controle, a ação reversa corresponde à construção “abre para baixo”: o movimento descendente da haste move o obturador da posição fechada para a posição aberta.
3. Ação Reversível : Construção típica que permite a um dispositivo qualquer operar com ação direta ou reversa, conforme a aplicação particular desejada. Nas válvulas de controle, a ação reversível é obtida invertendo a posição do corpo, no caso das válvulas globo; as válvulas do tipo rotativo são essencialmente reversíveis, bastando inverter a posição da articulação do atuador. No caso dos atuadores, a construção reversível é obtida alterando a aplicação da pressão de atuação, da tampa superior para a tampa inferior do diafragma.

10. Controlador : Dispositivo que opera de um modo automático, executando uma ação de comando, de forma a regular uma variável controlada.
11. Controle Automático : Sistema de controle que opera sem intervenção humana.
12. Controle de Processo : Operação que permite manter dentro dos valores desejados as condições e as variáveis do processo.
13. Controle Biestável (Controle “on-off”) : Sistema de controle automático que opera entre duas condições de equilíbrio estável (o elemento de controle assume duas posições apenas: ligado ou desligado, aberto ou fechado).
14. Derivação (“BYPASS, Desvio”) : Ligação paralela que permite uma passagem lateral do fluxo ou do sinal considerado (contorno da válvula é a ligação paralela que permite desviar o fluxo, isolando a válvula de controle. Contorno do posicionador é a ligação paralela que permite aplicar o sinal de controle diretamente ao atuador da válvula, isolando o posicionador). Também chamado de desvio ou derivação.
15. Distúrbio : Variações que provocam desequilíbrio (SP=PV) no processo.
16. Diagrama em Blocos : Esquema representativo das funções de transferência de um sistema.
17. Elemento Final de Controle : Dispositivo que recebe o sinal final de controle e age proporcionalmente sobre a variável manipulada.
18. Elemento Primário de Controle (Transdutor de medição) : Parte do sistema de medição, que utiliza a energia do meio controlado

produzindo uma condição que representa o valor da variável controlada (geralmente pressão, força ou movimento, resistência, tensão etc.).

19. Erro : veja sinal de erro.
20. Erro de Controle (OFF-SET) : Afastamento entre o valor real e o valor desejado da variável controlada, na condição de estado de equilíbrio.
21. Exatidão : Grau de conformidade entre o valor numérico atribuído a uma grandeza qualquer e o valor real dessa mesma grandeza, expressa em termos do limite de erro permissível.
22. Faixa de Medição (Range): Conjunto de valores da variável medida que estão compreendidos dentro do limite superior e inferior da capacidade de medida ou de transmissão do instrumento. Normalmente se expressa determinando os valores extremos. Exemplo: 100 à 500^0 C 0 à 20 PSI
23. Ganho : Relação numérica entre o incremento do sinal de saída de um dispositivo qualquer e a variação correspondente do sinal de entrada (fornece a medida da sensibilidade do dispositivo em relação ao sinal de entrada considerado).
24. Ganho em Malha Aberta : Ganho de um sistema de controle em malha aberta, expresso pelo ganho conjugado de todos os elementos do sistema (o ganho de malha aberta é determinado pelo produto dos ganhos individuais de cada elemento que compõem a malha de controle).
25. Ganho em Malha Fechada : Ganho de um sistema de controle em malha fechada, expresso como a relação entre a variação do sinal

34. Realimentação (FEEDBACK) : Ramo reativo de uma malha fechada de controle que fornece ao controlador a informação necessária para gerar a ação corretiva desejada.
35. Sinal (SIGNAL ): Variável física cujos parâmetros fornecem informações a respeito de uma segunda variável (o sinal fornece a representação quantitativa da segunda variável).
36. Sinal de Controle : Sinal fornecido pelo controlador que age sobre a variável manipulada de um sistema de controle, diretamente ou através de dispositivos ou auxiliares de controle.
37. Sinal de Entrada : Sinal aplicado a um dispositivo ou sistema qualquer, capaz de fazer variar o seu estado de equilíbrio.
38. Sinal de Erro : É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento em relação ao valor real da variável medida. Se tivermos o processo em regime permanente chamaremos de erro estático que poderá ser positivo ou negativo dependente da indicação do instrumento o qual poderá estar indicando a mais ou menos. Quando tivermos a variável teremos um atraso na transferência de energia do meio para o medidor. O valor medido estará geralmente atrasado em relação ao valor real da variável. Esta diferença entre o valor real e o valor medido é chamado de erro dinâmico.
39. Sinal de Medida : Sinal fornecido pelo elemento sensor, diretamente ou através de transdutor ou transmissor apropriado, que mede o valor de uma variável de processo.
40. Sinal de Realimentação (FEEDBACK SIGNAL) : Sinal de retorno que compõe o ramo reativo de um sistema de controle em malha fechada, fornecido pela medição da variável controlada aplicada na entrada do sistema.

41. Sinal de Saída : Sinal fornecido por um dispositivo ou sistema qualquer, em resposta a um determinado sinal de entrada.
42. Sistema de Controle Automático : Conjunto de dispositivos que compõem um sistema de controle capaz de operar sem a intervenção do homem.
43. Transmissor : Instrumento que transmite o valor de uma variável do processo medida por um elemento primário, tendo o mesmo um sinal de saída cujo valor varia em função da variável do processo.
44. Valor Desejado (SET POINT) : Variável de entrada no controlador que estabelece o valor desejado da variável controlada (o valor desejado e a variável controlada devem ser expressos nas mesmas unidades).
45. Válvula de Ação Direta : Construção típica de válvula globo, na qual o obturador fica situado entre o atuador e o anel da sede: o movimento descendente da haste aproxima o obturador da sede, fechando a válvula (válvulas deste tipo são também chamadas de “ação direta”). O termo pode também ser aplicado às válvulas de tipo rotativo, quando do movimento descendente do atuador move a esfera ou o disco no sentido da posição fechada.
46. Válvula de Ação Reversa : Construção típica das válvulas globo, na qual o anel da sede fica situado entre o atuador e o obturador: o movimento descendente da haste afasta o obturador da sede, abrindo a válvula (válvulas deste tipo são também chamadas de “ação reversa”). O termo pode também ser aplicado às válvulas de tipo rotativo, quando do movimento descendente do atuador move a esfera ou o disco no sentido da posição aberta.
47. Válvula de Controle : Elemento final de controle destinado a regular a vazão do fluído que a percorre, modificando a área de passagem

1.3 - INTRODUÇÃO AO CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS

Dentre os objetivos de um sistema de controle podemos destacar: estabelecer condições estáveis em um processo para que obtenha o maior lucro possível, maior produtividade, e ainda prevenir condições instáveis que poderiam colocar em risco pessoas e equipamentos do processo fabril. Um sistema de controle é formado por uma série de instrumentos e mecanismos de controle que recebem e fornecem informações por meio de sinais elétricos ou pneumáticos, interligados sobre a forma de malha de controle (loop), de modo a produzir resultados úteis com o mínimo de supervisão humana. Os sistemas podem ser classificados em abertos ou fechados. Denomina-se de sistema de controle aberto aquele no qual a variável de saída do processo não exerce algum efeito sobre a entrada, enquanto que, numa malha fechada com retroalimentação negativa, a variável de saída medida interfere no valor da variável de entrada. O diagrama seguinte mostra os principais blocos que compõem um sistema de controle de processos com retroalimentação negativa ou simplesmente realimentação negativa.

Elemento final decontrole Processo

Transmissor^ Elemento primáriode medição

Ações de controlePID

Controlador Variável Manipulada -MV^ Distúrbios

PV

ou de processo -PVVariável controlada

Normalmente qualquer sistema pode ser representado por um diagrama em blocos como o anterior, onde podemos distinguir os seguintes blocos:

Processo : parte que representa a equação matemática, geralmente no domínio da freqüência, que relaciona a variável de saída (PV) em função da variável de entrada ou manipulada (MV). Elemento primário de medição : sensor responsável pela medição da variável controlada (PV), transformando o sinal físico de processo em sinal de pressão, elétrico ou outro qualquer. Transmissor : instrumento que recebe na planta (chão de fábrica) o sinal do elemento primário de medição e o transmite para a sala de controle (distante do chão de fábrica). Ele também pode ter a função de linearizar o sinal do sensor, filtrar e até mesmo de controle. Controlador : é neste instrumento que o sinal da PV é comparado com o Set point (SP, valor desejado ou referência) gerando um sinal de erro. Em função deste erro o controlador, através do algoritmo de controle PID (proporcional- integral-derivativo), determina o quanto de sinal a ser enviado para o elemento final de controle para fazer com que a PV retorne ao valor de SP. Na situação onde não há erro, o controlador manter o último sinal na saída, mantendo constante a variável manipulada (MV). Elemento Final de Controle : Recebe o sinal de saída do controlador e atua numa variável de entrada (MV) do processo capaz de provocar alterações na controlada (PV). Este dispositivo pode ser uma válvula eletropneumática, um banco de resistores, um inversor de freqüência, etc.

mentalmente com a temperatura desejada (SP) e com base na diferença entre estes valores (erro), o operador toma a decisão (ação de controle PID) se deve atuar no elemento final de controle (válvula de vapor) e de quanto atuar para corrigir o erro. Note que as ações realizadas pelo controle manual são as mesmas do controle automático: medir, comparar, controlar e corrigir.

1.3.2 - Classes de Instrumentos

Podemos classificar os instrumentos e dispositivos utilizados em instrumentação de acordo com a função que o mesmo desempenha no processo.

a) Indicador : Instrumento que dispõe de um ponteiro e de uma escala graduada na qual podemos ler o valor da variável. Existem também indicadores digitais que indicam a variável em forma numérica com dígitos ou barras gráficas.

b) Registrador : Instrumento que registra a(s) variável(s) através de um traço contínuo ou pontos em um gráfico.

c) Transmissor : Instrumento que determina o valor de uma variável no processo através de um elemento primário, tendo o mesmo sinal de saída (pneumático ou eletrônico) cujo valor varia apenas em função da variável do processo.

d) Transdutor : Instrumento que recebe informações na forma de uma ou mais quantidades físicas, modifica caso necessário as informações e fornece um sinal de saída resultante. Dependendo da aplicação, o transdutor pode ser um elemento primário, um transmissor ou outro dispositivo.

e) Controlador : Instrumento que compara a variável controlada com um valor desejado e fornece um sinal de saída a fim de manter a variável controlada em um valor específico ou entre valores determinados. A variável pode ser medida, diretamente pelo controlador ou indiretamente através do sinal de um transmissor ou transdutor.

f) Elemento Final de Controle : Instrumento que modifica diretamente o valor da variável manipulada de uma malha de controle.

OBS.: Também são classificados em instrumentos de painel, campo, à prova de explosão, poeira, líquido, etc. Combinações dessas classificações são efetuadas formando instrumentos conforme necessidades.

1.3.3.2 - Formato do Tagname

De acordo com a Instrument Society of America norma ISA -S5.1 e a ABNT norma NBR-8190 , é sugerido o seguinte formato:

1.3.3.3 – Procedimentos para a Formação das letras de Prefixo do Tagname de Instrumentos

A identificação funcional é formada por um conjunto de letras cujo significado é dado na tabela 1. A primeira letra identifica qual a variável medida, indicada ou iniciadora. Assim um controle de temperatura inicia com a letra “ T ", de pressão com “ P ", de nível com “L”, etc. Outras letras identificadoras são mostradas na primeira coluna da Tabela 1 e seu significado na segunda coluna “Variável Medida” As letras subsequentes indicam a função do instrumento na malha de controle, podendo apresentar função ativa, que intervém no processo como um controlador, ou função passiva como indicação, sinalização e etc. Por exemplo, um instrumento identificado como TE , significa que ele é um elemento primário de temperatura, pois a primeira letra T identifica a variável temperatura e a segunda letra E , chamada de subsequente informa a função de sensor ou elemento primário de medição de temperatura, não importando o princípio de medição. Outro exemplo é um instrumento FI = Indicador de Vazão, onde a primeira letra mostra a variável medida (F = vazão) e a segunda a função do instrumento: Indicador. Ao acrescentarmos a letra Q ,

como “Modificadora”, esta altera o nome original do FI para FQI, pois acrescenta ao instrumento a atribuição de Totalização. A identificação funcional é estabelecida de acordo com a função do instrumento e não de acordo com sua construção. De maneira que um registrador de pressão diferencial quando usado para registrar a vazão é identificado por FR. Se forem conectados um indicador de pressão e um pressostato num tanque onde deseja-se indicar nível e um alarme de nível por chave , estes serão identificados com LI e LS, respectivamente. A primeira letra da identificação funcional é selecionada de acordo com a variável medida e não a variável manipulada. A variável manipulada é a variável controlada em função da variável medida. Logo, uma válvula de controle que varia a vazão para controlar um nível, comandada por um controlador de nível , é identificada como LV e não FV.

As letras subsequentes identificam as funções do instrumento, podendo ser:

• Funções passivas - elemento primário, orifício de restrição, poço;
• Funções de informação - indicador, registrador, visor, ;
• Funções ativas ou de saída - controlador, transmissor, chave e outros;
• Funções modificadoras - alarmes ou indicação de instrumento multifunção. As letras subsequentes usadas como modificadoras podem atuar ou complementar o significado da letra precedente. Como no caso de um LILL, onde deseja-se explicar que o instrumento está indicando um nível muito baixo, utiliza-se uma quarta letra, um “ L " de " low “. Se o instrumento indicasse apenas um alarme de nível baixo, teríamos : LIL. O caso acima mostra que é possível incluir uma quarta letra na identificação intencional do instrumento, sendo que esta opção deve ser apenas utilizadas em casos de extrema necessidade. A seqüência de formação da identificação Intencional de um instrumento é a seguinte: