CENTRO UNIVERSITÁRIO PADRE ANCHIENTA. Curso de Engenharia Química. Instrumentação Industrial e Controle de Processos I
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- Afonso Igrejas Bento
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1 Apostila Instrumentação Industrial I CENTRO UNIVERSITÁRIO PADRE ANCHIENTA Curso de Engenharia Química Instrumentação Industrial e Controle de Processos I Profº Mário Luís Penteado Betioli Profº Edson Anício Duarte Objetivo do Curso: Conhecer e aplicar os conceitos de instrumentação industrial e controle de processo na indústria química, na analise de diagramas P&I, sensores (fluxo, nível, temperatura, pressão e outros), transmissores e transdutores, controladores, registradores. Normatização e projeto de malhas de controle. Estudo de projeto de sistemas de malha de controle de processo e analise do controle. Ementa Fundamentos de eletrotécnica. Diagramas P&I. Controladores de processo. Analise de dados de controle. Projeto de controle de processo. prof. Edson Duarte Página 1
2 2 1. Automação industrial - Instrumentação Transdutor versus Sensor Precisão versus Exatidão Atuadores Condicionador de Sinais Sinais de corrente de 4 a 20mA Modelo de um Processo Contínuo Fluxograma de Engenharia (P&I-Diagram) Etiquetagem Simbologia de Instrumentação Simbologia Conforme Norma ISA Finalidades Informações Gerais: Aplicação na Indústria Aplicação nas atividades de trabalho Aplicação para Classes e Funções de Instrumentos Conteúdo da Identificação da Função Conteúdo de Identificação da Malha Exercícios Referências Bibliográficas prof. Edson Duarte Página 2
3 3 LISTA DE TABELAS Pág Tabela 1.1. Exemplo de etiquetagem Tabela 1.2. Primeiras letras mais utilizadas em Etiquetagem Tabela 1.3. Segundas letras mais utilizadas em Etiquetagem e exemplos prof. Edson Duarte Página 3
4 4 LISTA DE FIGURAS Pág Figura 1.1. Estrutura da Automação Industrial Figura 1.2. Precisão versus Exatidão Figura 1.3. Esquemático válvula de controle instalada no processo Figura 1.4. Sinal do transmissor de pressão de 4 a 20 ma Figura 1.5. Modelo de um processo contínuo Figura 1.6. Fluxograma de processo - Torre de resfriamento Figura 1.7. Fluxograma de processo - Torre de destilação Figura 2.1. Simbologia utilizada nos fluxogramas de processo Figura 2.2. Simbologia de instrumentos Figura 2.3. Identificação funcional de instrumentos Figura 2.4. Alguns símbolos de instrumentos prof. Edson Duarte Página 4
5 5 1. Automação industrial - Instrumentação Para a produção com qualidade os processos de fabricação são monitorados e controlados de forma a garantir a qualidade do produto final. A utilização da instrumentação permite o controle em cada etapa do processo. O processo de fabricação é necessário saber quais dispositivos/instrumentos de medição estão instalados, onde estes instrumentos estão instalados, para que estão sendo utilizados (funcionalidade) e quais são os instrumentos relacionados entre si compondo uma malha de controle. Um processo industrial pode ser controlado e gerido seguindo a estrutura apresentada na figura 1.1. Nesta figura podem ser destacados alguns elementos básicos que são utilizados no controle da automação industrial: Processos, Sensores, Atuadores, Condicionamento de sinais, Conversão de sinais, Hardware computacional, Sistemas operacionais, Linguagem de Programação, Estratégias de controle, Estratégias de segurança: intertravamento e estratégias de supervisão Figura 1.1. Estrutura da Automação Industrial. prof. Edson Duarte Página 5
6 Transdutor versus Sensor A medição correta das variáveis do processo do campo é de suma importância para que as decisões a serem tomadas e estratégias de controle sejam eficazes. As grandezas medidas podem ser Temperatura, Pressão, Vazão, Nível, Umidade, Densidade, entre várias outras. A função dos sensores ou detector é a medição destas variáveis, por exemplo, um termômetro que faz a medição da grandeza temperatura e a apresenta de forma visual para que seja lida pelo usuário, esta informação por sua vez não pode ser utilizado por um CLP (Controlador Lógico Programável) ou por um SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído) que faz o controle do processo. Existe a necessidade que esta grandeza temperatura seja convertida em um sinal elétrico proporcional à grandeza para que o equipamento de controle possa realizar a medição e realizar o controle. O instrumento que faz esta conversão da grandeza a ser medida para um sinal elétrico é o transdutor. Vários instrumentos de medição já têm incorporado o transdutor em seu circuito intero, por exemplo, um termômetro digital, que faz a medida da grandeza temperatura e a converte em um sinal elétrico de tal forma que a eletrônica do instrumento possa fazer esta leitura e apresentar o valor para o usuário. Assim podemos definir Sensor e Transdutor: Sensor: é um dispositivo que realize a medição da grandeza física ou estímulo químico e o converte em um sinal que pode ser mecânico, elétrico ou ótico. Transdutor: é um dispositivo que transforma o sinal (um tipo de energia) para um sinal elétrico (outro tipo de energia). Esta transformação também pode ser de um sinal elétrico para outro tipo de energia. Os sinais elétricos são transmitidos dos instrumentos instalados no campo para os dispositivos de controle que podem ser um Controlador Lógico Programável (CLP) ou um SDCD (Sistema de Digital de Controle Distribuído) estes sinais são transmitidos de forma padronizada. Este envio de sinais é realizado pelo dispositivo chamado de Transmissor. Transmissor: Responde a uma variável medida e a transmite em uma forma padronizada (4a 20mA ou 0 a 10V) A medição das variáveis deve ser precisa e exata, daí a necessidade de conhecermos a diferença entre estes dois termos. prof. Edson Duarte Página 6
7 Precisão versus Exatidão Um cuidado a mais deve ser utilizado ao traduzir termos do inglês para o português, Exatidão e Precisão são distintos um do outro, a figura 1.2 apresenta uma ilustração onde se pode observar e entender a diferença entre estes dois termos. Figura 1.2. Precisão versus Exatidão Atuadores Os atuadores são os elementos ligados diretamente ao processo, estes recebem o sinal de comando do sistema de controle e vão atuar diretamente sobre o processo, são exemplos de atuadores: Motores elétricos acoplados a agitadores, ventiladores, exaustores, resistências elétricas para aquecimento, válvulas pneumáticas, válvulas solenóides, etc. prof. Edson Duarte Página 7
8 8 Estes atuadores podem ser do tipo ON/OFF ou Liga/Desliga, ou podem também ser modulados entre um valor mínimo e máximo. Por exemplo, um determinado processo precisa de uma válvula para abastecer de produto um vaso, neste caso optou-se por utilizar uma válvula tipo ON/OFF acionada eletricamente através de um solenóide. No mesmo circuito deseja dosar o produto final de forma variável, de acordo com a demanda do processo, utiliza-se então uma válvula de controle, modulada por sinal de controle de 4-20mA. Figura 1.3. Esquemático válvula de controle instalada no processo Condicionador de Sinais Os circuitos condicionadores de sinais serão brevemente comentados neste texto, pois seu estudo exige um grau maior de aprofundamento. A seguir serão somente listados os sinais que saem dos condicionadores de sinais. prof. Edson Duarte Página 8
9 Sinais de corrente de 4 a 20mA Os transmissores de corrente de 4mA a 20mA, geralmente denominados transmissores de 4 a 20, são circuitos utilizados em acoplamento de transdutores (sensores) dos mais diversos tipos: tensão, temperatura, nível, pressão, posição, etc. O transmissor de 4 a 20 recebe o sinal do transdutor e o converte em um sinal de corrente da seguinte forma: 4mA para o valor mínimo a ser medido pelo sensor, 20mA para o valor máximo a ser medido pelo sensor. Os valores intermediários normalmente são proporcionais com função de transferência linear (reta). Se este não for o caso, a função de transferência deve ser conhecida (ou ter valores pontuais tabelados), para que se efetue a correta correlação entre a corrente e a grandeza que está sendo medida. Genericamente, podemos dizer que 4ma corresponde a 0% da variável de controle e 20mA corresponde a 100% da variável de controle (grandeza que está sendo medida e convertida em um sinal elétrico). A preferência do sinal de corrente (4 a 20mA) para transmissão dos sinais dos instrumentos em detrimento dos sinais de tensão (0 a 10V) é devido ao fato de não se ter perda do sinal em corrente, já no caso do sinal de tensão dependendo da distância do instrumento do controlador ocorre uma queda de tensão e conseqüentemente uma medição errônea da grandeza a ser medida. Outro motivo é o caso a medida seja 0mA, isto é um sinal de que ocorreu uma falha no circuito de instrumento, por exemplo um cabo rompido!!, o que não seria detectado pelo sinal de tensão. A figura 1.4 mostra um exemplo de um sinal de saída do transmissor (este sinal é enviado ao controlador). O início da escala é 4mA que significa 0% da variável a ser medida ou 0 bar, com o aumento da pressão o sinal de corrente aumenta proporcionalmente até chegar a 20mA, que é o fundo de escala. Da mesma forma podemos entender o sinal de tensão de 0 a 10V, 0V significa início de escala ou 0bar e 10V significa fundo de escala ou 10bar prof. Edson Duarte Página 9
10 10 Figura 1.4. Sinal do transmissor de pressão de 4 a 20 ma Modelo de um Processo Contínuo A figura 1.5 mostra um processo contínuo para a fabricação de certo produto, este processo necessita ser aquecido e para isso é utilizado vapor que passa por um trocador de calor instalado na base do vaso. Também existe a necessidade de dosar os produtos A e B que irão reagir devido a agitação e temperatura. Existe também necessidade de controlar o nível do reservatório de forma a controlar o processo e evitar um eventual transbordo. Ao verificar esta figura existe a necessidade da padronização da simbologia para representar os elementos de controle, esta padronização é chamada de fluxogramas P&I que será visto a seguir. prof. Edson Duarte Página 10
11 11 Figura 1.5. Modelo de um processo contínuo. 2. Fluxograma de Engenharia (P&I-Diagram) Fluxograma de Engenharia é conhecido internacionalmente como P&I Diagrams, já os Fluxogramas de Processo são conhecidos como PFDs (Process Flowsheets Diagrams). Iremos ver as normas que regem a construção de um P&ID, já as Normas para PFDs são vistas em outra disciplina. Fluxogramas de Engenharia, conhecidos internacionalmente como P&I- Diagrams (Piping and Instrumentation or Process and Instrumentation Diagrams), são uma das formas utilizadas de documentar e obter as informações listas acima. Na construção de um P&I são utilizadas uma série de normas amplamente adotadas mundialmente. Estas normas foram desenvolvidas, com objetivo de simplificar e globalizar o entendimento dos documentos utilizados para representar as configurações utilizadas para representar as configurações das malhas de instrumentação, normas foram criadas em diversos países. prof. Edson Duarte Página 11
12 12 Com objetivo de simplificar e globalizar o entendimento dos documentos utilizados para representar as configurações utilizadas para representar as configurações da malhas de instrumentação, normas foram criadas em diversos países. No Brasil Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) através de sua norma NBR 8190 apresenta e sugere o uso de símbolos gráficos para representação dos diversos instrumentos e suas funções ocupadas nas malhas de instrumentação. No entanto, como é dada a liberdade para cada empresa estabelecer/escolher a norma a ser seguida na elaboração dos seus diversos documentos de projeto de instrumentação outras são utilizadas. Assim, devido a sua maior abrangência e atualização, uma das normas mais utilizadas em projetos industriais no Brasil é a estabelecida pela ISA (Instrument Society of America). A seguir será apresentada a norma ISA, de forma resumida, e que será utilizada ao longo do nosso curso. As normas de P&I da ISA (Instumentent Society of America) constituem-se em uma referência internacional e servem de base para a norma brasileira NBR 8190 da ABNT. As figuras 1.6 apresentam um típico P&I. A proposta desta matéria é que ao fim do conteúdo o aluno possa identificar toda a sinalização contida nos diagramas P&I. prof. Edson Duarte Página 12
13 13 Figura 1.6. Fluxograma de processo - Torre de resfriamento. prof. Edson Duarte Página 13
14 14 Figura 1.7. Fluxograma de processo - Torre de destilação. prof. Edson Duarte Página 14
15 Etiquetagem Cada instrumento deve se identificar com um sistema de letras que o classifique funcionalmente e números que servem para identificar a malha de controle na qual o instrumento está inserido. Por exemplo, o tag PDAL B, deve ser lido da seguinte forma: Tabela 1.1. Exemplo de etiquetagem. Identificação Funcional Identificação da Malha Variável PD Pressão/ Diferença Função AL Alarme / Baixo Número da Malha 101 Número seqüencial da malha Área/Unidade 01 Número da unidade ou planta Sufixo B O instrumento PDAL B significa alarme de baixa de diferença de pressão. Os instrumentos de segurança normalmente são instalados com redundância tripla. Desta forma, utiliza-se o sufixo para diferenciar entre os diversos instrumentos com a mesma funcionalidade instalados no processo. A Tabela 1.1 lista as letras utilizadas para estabelecer os identificadores funcionais. O identificador funcional começa com uma primeira letra denotando a variável física que está sendo medida (p.ex., P de pressão). Quando for necessário, a variável é seguida de um modificador (p.ex., D de diferença). O segundo grupo de letras (por exemplo: AL) são responsáveis por qualificar a finalidade /funcionalidade do instrumento. Mais de uma letra poderá ser usada para indicar a funcionalidade, só deve-se tomar o cuidado em se preservar a ordem com que as variáveis aparecem. Por exemplo: o correto é TIRC e não TCRI, assim como TCV e não TVC. A ordem deverá ser mantida da esquerda para direita e de cima para baixo. A identificação funcional é feita de acordo com os objetivos de controle da malha e não com a sua construção. Por exemplo, um medidor/transmissor diferencial de pressão que for usado para medir a queda de pressão em uma placa de orifício objetivando a medição da vazão será representado como FT e não como PDT, da mesma forma que uma válvula que seja utilizada para controlar uma malha de pressão será indicada como PV e não como FV. Cada malha de controle prof. Edson Duarte Página 15
16 16 terá um único número de identificação. Este número é o mesmo para todos os instrumentos da malha. Tabela 1.2. Primeiras letras mais utilizadas em Etiquetagem. Tabela 1.3. Segundas letras mais utilizadas em Etiquetagem e exemplos. prof. Edson Duarte Página 16
17 Simbologia de Instrumentação 2.3. Simbologia Conforme Norma ISA Finalidades Informações Gerais: As necessidades de procedimentos de vários usuários são diferentes. A norma reconhece essas necessidades quando estão de acordo com os objetivos e fornece métodos alternativos de simbolismo. Vários exemplos são indicados para adicionar informações ou simplificar o simbolismo. Os símbolos dos equipamentos de processo não fazem parte desta norma, porém são incluídos apenas para ilustrar as aplicações dos símbolos da instrumentação Aplicação na Indústria A norma é adequada para uso em indústrias químicas, de petróleo, de geração de energia, refrigeração, mineração, refinação de metal, papel e celulose e muitas outras. Algumas áreas, tal como astronomia, navegação e medicina usam instrumentos tão especializados que são diferentes dos convencionais. Não houve esforços para que a norma atendesse às necessidades dessas áreas. Entretanto, espera-se que a mesma seja flexível suficientemente para resolver grande parte desse problema Aplicação nas atividades de trabalho A norma é adequada para uso sempre que qualquer referência a um instrumento ou a uma função de um sistema de controle for necessária com o objetivo de simbolização de identificação. Tais referências podem ser aplicadas para as seguintes utilizações (assim como outras): prof. Edson Duarte Página 17
18 18 Projetos; exemplos didáticos; material técnico - papéis literatura e discussões; diagramas de sistema de instrumentação, diagramas de malha, diagramas lógicos; descrições funcionais; diagrama de fluxo: processo, mecânico, engenharia, sistemas, tubulação (processo) e desenhos/projetos de construção de instrumentação; Especificações, ordens de compra, manifestações e outras listas; Identificação de instrumentos (nomes) e funções de controle; Instalação, instruções de operação e manutenção, desenhos e registros. A norma destina-se a fornecer informações suficientes a fim de permitir que qualquer pessoa, ao revisar qualquer documento sobre medição e controle de processo, possa entender as maneiras de medir e controlar o processo (desde que possua certo conhecimento do assunto). Não constitui pré-requisito para esse entendimento um conhecimento profundo/detalhado de um especialista em instrumentação Aplicação para Classes e Funções de Instrumentos As simbologias e o método de identificação desta norma são aplicáveis para toda classe de processo de medição e instrumentação de controle. Podem ser utilizados não somente para identificar instrumentos discretos e suas funções, mas também para identificar funções analógicas de sistemas que são denominados de várias formas como Shared Display, Shared Control, Distribuided Control e Conputer Control Conteúdo da Identificação da Função A norma é composta de uma chave de funções de instrumentos para sua identificação e simbolização. Detalhes adicionais dos instrumentos são melhor descritos em uma especificação apropriada, folha de dados, ou outro documento utilizado que esses detalhes requerem. prof. Edson Duarte Página 18
19 Conteúdo de Identificação da Malha A norma abrange a identificação de um instrumento e todos outros instrumentos ou funções de controle associados a essa malha. O uso é livre para aplicação de identificação adicional tais como, número de serie, número da unidade, número da área, ou outros significados. Figura 2.1. Simbologia utilizada nos fluxogramas de processo. Figura 2.2. Simbologia de instrumentos. prof. Edson Duarte Página 19
20 20 Figura 2.3. Identificação funcional de instrumentos. prof. Edson Duarte Página 20
21 21 Figura 2.4. Alguns símbolos de instrumentos. NOTAS RELATIVAS 1) As letras indefinidas são próprias para indicação de variáveis não listadas que podem ser repetidas em um projeto particular. Se usada, a letra deverá ter um significado como primeiraletra e outro significado como letra-subsequente. O significado precisará ser definido somente uma vez e uma legenda para aquele respectivo projeto. Por exemplo: a letra N pode ser definida como Módulo de Elasticidade na primeira-letra na letra-subsequente. 2) A letra não-classificada, X, é própria para indicar variáveis que serão usadas uma vez, ou de uso limitado. Se usada, a letra poderá ter qualquer número de significados como primeira-letra e qualquer número de significados como letra-subsequente. Exceto para seu uso como símbolos específicos, seu significado deverá ser definido fora do círculo de identificação no fluxograma. Por prof. Edson Duarte Página 21
22 22 exemplo: XR-3 pode ser um registrador de vibração, XR-2 pode ser um registrador de tensão mecânica e XX4 pode ser um osciloscópio de tensão mecânica. 3) Qualquer primeira-letra, se usada em combinação com as letras modificadoras D (diferencial), F (razão) ou Q (totalização ou integração), ou qualquer combinação, será tratada como uma entidade primeira-letra. Então, instrumentos TDI e TI medem duas diferentes variáveis, que são: temperatura diferencial e temperatura. 4) A primeira-letra A, para análise, cobre todas as análises não listadas na Tabela 1 e não cobertas pelas letras indefinidas. Cada tipo de análise deverá ser definido fora do seu círculo de indefinição no fluxograma. Símbolos tradicionalmente conhecidos como ph, O2, e CO, têm sido usados opcionalmente em lugar da primeira-letra A. Esta prática pode causar confusão particularmente quando as designações são datilografadas por máquinas que usam somente letras maiúsculas. 5) O uso da primeira-letra U para multivariáveis em lugar de uma combinação de primeira letra é opcional. 6) O uso dos termos modificadores alto, baixo, médio ou intermediário e varredura ou seleção é preferido, porém opcional. 7) O termo segurança se aplicará somente para elementos primários de proteção de emergência e elementos finais de controle de proteção de emergência. Então, uma válvula autooperada que previne a operação de um sistema acima da pressão desejada, aliviando a pressão do sistema, será uma PCV, mesmo que a válvula não opere continuamente. Entretanto esta válvula será uma PSV se seu uso for para proteger o sistema contra condições de emergência, isto é, condições que colocam em risco o pessoal e o equipamento, ou ambos e que não se esperam acontecer normalmente. A designação PSV aplica-se para todas as válvulas que são utilizadas para proteger contra condições de emergência em termos de pressão, não importando se a construção e o modo de operação da válvula enquadram-se como válvula de segurança, válvula de alívio ou válvula de segurança e alívio. 8) A função passiva visor aplica-se a instrumentos que dão uma visão direta e não calibrada do processo. 9) O termo indicador é aplicável somente quando houver medição de uma variável. Um ajuste manual, mesmo que tenha uma escala associada, porém desprovido de medição de fato, não deve ser designado indicador. 10) Uma lâmpada-piloto, que é a parte de uma malha de instrumentos, deve ser designada por uma primeira-letra seguida pela letra subsequente. Entretanto, se é desejado identificar uma lâmpada-piloto que não é parte de uma malha de instrumentos, a lâmpada-piloto pode ser designada da mesma maneira ou alternadamente por uma simples letra L. Por exemplo: a prof. Edson Duarte Página 22
23 23 lâmpada que indica a operação de um motor elétrico pode ser designada com EL, assumindo que a tensão é a variável medida ou XL assumindo a lâmpada é atuada por contatos elétricos auxiliares do sistema de partida do motor, ou ainda simplesmente L. A ação de uma lâmpada- piloto pode ser acompanhada por um sinal audível. 11) O uso da letra-subsequente U para multifunção em lugar de uma combinação de outras letras funcionais é opcional. 12) Um dispositivo que conecta, desconecta ou transfere um ou mais circuitos pode ser, dependendo das aplicações, uma chave, um relé, um controlador de duas posições, ou uma válvula de controle. Se o dispositivo manipula uma corrente fluida de processo e não é uma válvula de bloqueio comum atuada manualmente, deve ser designada como uma válvula de controle. Para todas as outras aplicações o equipamento é designado como: a) uma chave, quando é atuado manualmente; b) uma chave ou um controlador de duas posições, se é automático e se é atuado pela variável medida. O termo chave é geralmente atribuído ao dispositivo que é usado para atuar um circuito de alarme, lâmpada piloto, seleção, intertravamento ou segurança. O termo controlador é geralmente atribuído ao equipamento que éusado para operação de controle normal; c) um relé, se é automático e não atuado pela variável medida, isto é, ele é atuado por uma chave ou por um controlador de duas posições. 13) Sempre que necessário as funções associadas como o uso da letra- subsequente Y devem ser definidas fora do círculo de identificação. Não é necessário esse procedimento quando a função é por si só evidente, tal como no caso de uma válvula solenóide. 14) O uso dos termos modificadores alto, baixo, médio ou intermediário, deve corresponder a valores das variáveis medidas e não dos sinais, a menos que de outra maneira seja especificado. Por exemplo: um alarme de nível alto derivado de um transmissor de nível de ação reversa é um LAH, embora o alarme seja atuado quando o sinal alcança um determinado valor baixo. Os termos podem ser usados em combinações apropriadas. 15) Os termos alto e baixo, quando aplicados para designar a posição de válvulas, são definidos como: alto (denota que a válvula está em ou aproxima-se da posição totalmente aberta); baixo (denota que a válvula está em ou aproxima-se da posição totalmente fechada). prof. Edson Duarte Página 23
24 24 3. Exercícios 1) Escreva o significado dos seguintes tags: a) TT: b) TI: c) FT: d) LT: e) LSH: f) LSL: e) PI: f) PDI: g) TIC: h) FIC: i) FSL: j) FSH: l) PIC: m) PCV: n) FY: o) PY: p) FV: q) FR: r) TR: s) FR: t) TAH: prof. Edson Duarte Página 24
25 25 2) Dadas as seguintes malhas de controle apresentadas nos diagramas P&I, indique a função de cada instrumento: Esta malha de controle e indicação de pressão (PIC) é controlada por um sistema de controle distribuído compartilhado (DCS). O setpoint desse controlador é recebido de um computador acima de uma linha de dados compartilhada que provém do software de vínculo entre o computador e o sistema DCS. prof. Edson Duarte Página 25
26 prof. Edson Duarte Página 26 26
27 27 4. Referências Bibliográficas Apostila - GIMSCOP - Grupo de Integração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização de Processos. Departamento de Engenharia Química / UFRGS. Apostila Monitoramento e controle de processos. Marcelo Giglio Gonçalves prof. Edson Duarte Página 27
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