Metrologia Aplicada e Instrumentação e Controle

Transcrição

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2 Metrologia Aplicada e Instrumentação e Controle A disciplina de Metrologia Aplicada e Instrumentação e Controle, com 40 horas/aulas, será dividida em 2 (duas) partes, sendo : Metrologia Aplicada 22 horas; Instrumentação e Controle 18 horas. 25/11/2012 2

3 Instrumentação e Controle 25/11/

4 Introdução INSTRUMENTAÇÃO é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicas em equipamentos nos processos industriais. Nas indústrias de processos a instrumentação é responsável pelo rendimento máximo de um processo, fazendo com que toda energia cedida, seja transformada em trabalho na elaboração do produto desejado. As principais grandezas que traduzem transferências de energia no processo são: PRESSÃO, NÍVEL, VAZÃO, TEMPERATURA, ph, VIBRAÇÃO, etc; as quais denominamos de variáveis de um processo. 25/11/2012 4

5 Definições e Conceitos Telemetria: tecnologia que permite a medição e comunicação de informações de interesse do operador, ou desenvolvedor de sistemas. A palavra é de origem grega onde tele = remoto e metron = medida. Sistemas que necessitam de instruções e dados enviados a eles para que sejam operados, requerem o correspondente a telemetria, o telecomando. Planta: Uma planta é um conjunto de equipamentos que funcionam conjuntamente objetivando um produto final. Pode ser anda entendido como instalação, unidade de processo ou parque fabril Processo: É uma operação que evolui progressivamente caracterizada por uma série de mudanças graduais que se sucedem, onde há um inicio, um meio e fim. É caracterizado por uma série de ações controladas ou movimentos sistematicamente dirigidos objetivando um particular resultado. Qualquer operação a ser controlada é um processo 25/11/2012 5

6 Definições e Conceitos Sistemas: É uma combinação de componentes que atuam conjuntamente e realizam um certo objetivo. Distúrbios: Um distúrbio é um sinal que tende a afetar adversamente o valor da saída de um sistema. Instrumento mostrador / indicador: instrumento de medição que apresenta uma indicação. A indicação pode ser analógica ou digital. Valores de mais de uma grandeza podem ser apresentados simultaneamente. Um instrumento de medição indicador pode, também, fornecer um registro. Instrumento registrador: instrumento de medição que fornece um registro da indicação. A indicação pode ser analógica ou digital. Valores de mais de uma grandeza podem ser apresentados simultaneamente. Um instrumento de registrador pode, também, fornecer um registro. 25/11/2012 6

7 Definições e Conceitos Instrumento totalizador: instrumento de medição que determina o valor de um mensurado, por meio da soma dos valores parciais desta grandeza, obtidos, simultânea ou consecutivamente, de uma ou mais fontes. Instrumento integrador: instrumento de medição que determina o valor de um mensurado por integração de uma grandeza em função de uma outra. Instrumento analógico: instrumento de medição no qual o sinal de saída ou a indicação é uma função contínua do mensurado ou do sinal de entrada. Instrumento digital: instrumento de medição que fornece um sinal de saída ou uma indicação em forma digital. Dispositivo mostrador: parte de um instrumento de medição que apresenta uma indicação. 25/11/2012 7

8 Erro (de medição) (Error) É a diferença entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento em relação ao valor real da variável medida. Repetitividade Grau de concordância entre os resultados de medições sucessivas sob as mesmas condições de medição. Faixa Nominal (faixa de medida -Range) Conjunto de valores da grandeza medida que pode ser fornecido por um instrumento de medir, consideradas todas as suas faixas nominais de escala. A faixa nominal é expressa em unidades da grandeza a medir, qualquer que seja a unidade marcada sobre a escala e é normalmente especificada por seus limites inferior e superior, como por exemplo 100 C a 200 C. Amplitude da Faixa Nominal (alcance - SPAN) Módulo da diferença entre os dois limites de uma faixa nominal de um instrumento de medir. Exemplo: faixa nominal: -10 V a 10 V amplitude da faixa nominal: 20 V Definições e Conceitos 25/11/2012 8

9 Definições e Conceitos Rangeabilidade (Largura de Faixa) É a relação entre os valores máximos e os valores mínimos, lidos com a mesma exatidão na escala de um instrumento. Exemplo: Para um sensor de vazão cuja escala é 0 a 300 GPM (galões por minuto), com exatidão de 1% do span e rangeabilidade 10:1, significa que a exatidão será respeitada entre 30 e 300GPM Zona Morta (Dead Zone) Intervalo máximo no qual um estímulo pode variar em ambos os sentidos, sem produzir variação na resposta de um instrumento de medição. Exemplo: Um instrumento com range de 0 a 200ºC e com zona morta de 0,1% representa ± 0,2 C Sensibilidade (Sensibility) Variação da resposta de um instrumento de medição dividida pela correspondente variação do estímulo. 25/11/2012 9

10 Definições e Conceitos URL (Upper Range Limit) Limite superior da faixa nominal - máximo valor de medida que pode ser ajustado para a indicação de um instrumento de medir. URV (Upper Range Value) Valor superior da faixa nominal - máximo valor que pode ser indicado por um instrumento de medir. O URV ajustado num instrumento é sempre menor ou igual ao URL do instrumento. LRL (Lower Range Limit) Limite inferior da faixa nominal - mínimo valor de medida que pode ser ajustado para a indicação de um instrumento de medir. LRV (Lower Range Value) Valor inferior da faixa nominal - mínimo valor que pode ser indicado por um instrumento de medir. O LRV ajustado num instrumento é sempre maior ou igual ao LRL do instrumento. 25/11/

11 Definições e Conceitos Exemplo de um processo industrial típico 25/11/

12 Tipos de Malhas de Controle Na MALHA ABERTA, a informação sobre a variável controlada não é utilizada para ajustar qualquer entrada do sistema para compensar. 25/11/

13 Tipos de Malhas de Controle Na MALHA FECHADA, a informação sobre a variável controlada, é comparada com o valor pré estabelecido (chamado SET POINT), é utilizada para manipular uma ou mais variáveis do processo. No exemplo, a informação acerca da temperatura do fluido da água aquecida (fluido de saída), acarreta uma mudança no valor a variável do processo, no caso, a entrada de vapor. Se a temperatura da água aquecida estiver com o valor abaixo do valor do set point, a válvula abre, aumentando a vazão de vapor para aquecer a água. Se a temperatura da água estiver com um valor abaixo do set point, a válvula fecha, diminuindo a vazão de vapor para esfriar a água. 25/11/

14 Classificação de Instrumentos de Medição e Controle Há vários métodos de classificação dos instrumentos de medição. A seguir está demonstrado os 3 (três) métodos mais utilizados na classificação das malhas de instrumentação. Função no processo; Sinal transmitido ou suprimento; Tipo de sinal. 25/11/

15 Classificação por Função Conforme será visto posteriormente, os instrumentos podem estar interligados entre si para realizar uma determinada tarefa nos processos industriais. A associação desses instrumentos chama-se malha e em uma malha cada instrumento executa uma função. Os instrumentos que podem compor uma malha são então classificados por função cuja descrição sucinta pode ser lida na tabela a seguir. 25/11/

16 Classificação por Função 25/11/

17 Classificação por Função a) Indicador: Instrumento que indica o valor da quantidade medida enviado pelo detector, transmissor, etc. 25/11/

18 Classificação por Função b) Registrador: Instrumento que registra a (s) variável (is) através de um traço contínuo ou pontos em um gráfico, Figura /11/

19 Classificação por Função c) Transmissor: Instrumento que tem a função de converter sinais do detector em outra forma capaz de ser enviada à distância para um instrumento receptor, normalmente localizado no painel. 25/11/

20 Classificação por Função d) Transdutor: Instrumento que recebe informações na forma de uma ou mais quantidades físicas, modifica, caso necessário, essas informações e fornece um sinal de saída resultante. 25/11/

21 Classificação por Função e) Controlador: Instrumento que compara o valor medido com o desejado e, baseado na diferença entre eles, emite sinal de correção para a variável manipulada a fim de que essa diferença seja igual a zero. 25/11/

22 Classificação por Função f) Elemento Final de Controle: Instrumento que modifica diretamente o valor da variável manipulada de uma malha de controle, Figura /11/

23 Classificação por Função 25/11/

24 Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento Os instrumentos podem ser agrupados conforme o tipo de sinal (telemetria) transmitido ou o seu suprimento. Os tipos de sinais mais comuns são: Pneumático; Hidráulico; Elétrico; Eletrônico digital; Via rádio; Via modem (WAN/LAN); Ethernet; Etc... 25/11/

25 Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento Sinal Tipo pneumático Nesse tipo é utilizado um gás comprimido, cuja pressão é alterada conforme o valor que se deseja representar. Nesse caso a variação da pressão do gás é linearmente manipulada numa faixa específica, padronizada internacionalmente, para representar a variação de uma grandeza desde seu limite inferior até seu limite superior. O padrão de transmissão ou recepção de instrumentos pneumáticos mais utilizado é de 0,2 a 1,0 kgf/cm² (aproximadamente 3 a 15 psi no Sistema Inglês). 25/11/

26 Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento A tecnologia pneumática usa um sinal de pressão de ar ( 3 ~ 15 psi) como elemento de comunicação entre seus elementos. Instrumentação Pneumática 25/11/

27 Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento Sobre a telemetria pneumática: Vantagens A grande e única vantagem em seu utilizar os instrumentos pneumáticos está no fato de se poder operá-los com segurança em áreas onde existe risco de explosão (centrais de gás, por exemplo). Desvantagens a) Necessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e funcionamento. b) Necessita de uma unidade de condicionamento de ar para fornecer aos instrumentos, um ar seco e sem partículas sólidas. c) Devido ao atraso que ocorre na transmissão do sinal, este não pode ser enviado à longa distância, sem uso de reforçadores. Normalmente a transmissão é limitada a aproximadamente 100 m. d) Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos são difíceis de serem detectados. e) Não permite conexão direta aos computadores. 25/11/

28 Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento Sinal Tipo Hidráulico Similar ao tipo pneumático e com desvantagens equivalentes, o tipo hidráulico utiliza-se da variação de pressão exercida em óleos hidráulicos para transmissão de sinal. É especialmente utilizado em aplicações onde torque elevado é necessário ou quando o processo envolve pressões elevadas. 25/11/

29 Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento Sobre a telemetria hidráulica: Vantagens a) Podem gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grande peso e dimensão; b) Resposta rápida. Desvantagens a) Necessita de tubulações de óleo para transmissão e suprimento. b) Necessita de inspeção periódica do nível de óleo bem como sua troca; c) Necessita de equipamentos auxiliares, tais como reservatório, filtros, bombas, etc... 25/11/

30 Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento Sinal Tipo Elétrico Esse tipo de transmissão é feita utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão. Face a tecnologia disponível no mercado em relação a fabricação de instrumentos eletrônicos microprocessados, hoje, é esse tipo de transmissão largamente usado em todas as indústrias, onde praticamente não ocorre risco de explosão. Assim como na transmissão pneumática, o sinal é linearmente modulado em uma faixa padronizada representando o conjunto de valores entre o limite mínimo e máximo de uma variável de um processo qualquer. 25/11/

31 Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento Sinal Tipo Elétrico Como padrão para transmissão a longas distâncias são utilizados sinais em corrente contínua variando de 4 a 20 ma e para distâncias até 15 metros aproximadamente, também utilizam-se sinais em tensão contínua de 1 a 5V. Permite que o mesmo sinal (4~20mA)seja lido por mais de um instrumento, ligando em série os instrumentos. Porém, existe um limite quanto à soma das resistências internas destes instrumentos, que não deve ultrapassar o valor estipulado pelo fabricante do transmissor. 25/11/

32 Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento Sobre a telemetria elétrica: Vantagens a) Permite transmissão para longas distâncias sem perdas; b) A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão; c) Necessita de poucos equipamentos auxiliares; d) Permite fácil conexão aos computadores. e) Fácil instalação; f) Permite de forma mais fácil realização de operações matemáticas. 25/11/

33 Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento Sobre a telemetria elétrica: Desvantagens a) Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalações localizadas em áreas de riscos. b) Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais. c) Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos. 25/11/

34 Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento Sinal Tipo Digital Nesse tipo, pacotes de informações sobre a variável medida são enviados para uma estação receptora, através de sinais digitais modulados e padronizados. Para que a comunicação entre o elemento transmissor receptor seja realizada com êxito é utilizada uma linguagem padrão chamado protocolo de comunicação. 25/11/

35 Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento Sobre a telemetria digital: Vantagens a) Não necessita ligação ponto a ponto por instrumento; b) Pode utilizar um par trançado ou fibra óptica para transmissão dos dados; c) Imune a ruídos externos; d) Permite configuração, diagnósticos de falha e ajuste em qualquer ponto da malha; e) Menor custo final. 25/11/

36 Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento Sobre a telemetria digital: Desvantagens a) Existência de vários protocolos no mercado, o que dificulta a comunicação entre equipamentos de marcas diferentes; b) Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se perder a informação e/ou controle de várias malha. 25/11/

37 Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento Sinal Via Rádio Neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos são enviados à sua estação receptora via ondas de rádio em uma faixa de frequência específica. Vantagens a) Não necessita de cabeamento. b) Pode-se enviar sinais de medição e controle de máquinas em movimento. Desvantagens a) Alto custo inicial. b) Necessidade de técnicos altamente especializados. 25/11/

38 Classificação por Sinal de Transmissão ou Suprimento Sinal Via Modem A transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas telefônicas pela modulação do sinal em frequência, fase ou amplitude. Vantagens a) Baixo custo de instalação; b) Pode-se transmitir dados a longas distâncias. Desvantagens a) Necessita de profissionais especializados; b) Baixa velocidade na transmissão de dados sujeito a interferências externas, inclusive violação de informações. 25/11/

39 Sistema de Controle Sala de Controle Convencional Controle Local 25/11/

40 Sistema de Controle Controle Local 25/11/

41 Sala de Controle Sala de Controle Automatizada Controle Automático 25/11/

42 Sala de Controle Controle Automático 25/11/

43 Simbologia e Terminologia de Instrumentação e Controle 25/11/

44 Simbologia de Instrumentação 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. 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. Há ainda as normas ISA, atreladas a ASME, que rege e regulamenta a simbologia gráfica acerca dos instrumentos de medição e controle: 1. ISA S5.1, Instrumentation Symbols and Identification, 1984; 2. ISA S5.3, Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer Systems, /11/

45 Simbologia de Instrumentação Roteiro da identificação Cada instrumento ou função a ser identificada é designado por um conjunto alfanumérico ou número de tag. A parte de identificação da malha correspondente ao número é comum a todos os instrumentos da mesma malha. O tag pode ainda ter sufixo para completar a identificação. Número de tag típico: TIC Identificação do instrumento ou tag do instrumento; T Identificação da malha (malha de temperatura, número 103); TIC - Identificação funcional Controlador Indicador de temperatura; T - Primeira letra (variável da malha); IC - Letras subsequentes (função do instrumento na malha). O número da malha do instrumento pode incluir o código da informação da área. Por exemplo, o TIC , TIC , aos dois controladores indicadores de temperatura, ambos da área 500 e os números seqüenciais são 103 e /11/

46 Identificação funcional Simbologia de Instrumentação A identificação funcional do instrumento ou seu equivalente funcional consiste de letras da Tab. 1 e inclui uma primeira letra, que é a variável do processo medida ou de2.2 inicialização. A primeira letra pode ter um modificador opcional. Por exemplo, PT é o transmissor de pressão e PDT é o transmissor de pressão diferencial. A identificação funcional do instrumento é feita de acordo com sua função e não de sua construção. Assim, um transmissor de pressão diferencial para medir nível tem o tag LT (transmissor de nível) e não o de PDT, transmissor de pressão diferencial. Embora o transmissor seja construído e realmente meça pressão diferencial, seu tag depende de sua aplicação e por isso pode ser LT, quando mede nível ou FT, quando mede vazão. Outro exemplo, uma chave atuada por pressão ligada à saída de um transmissor pneumático de nível tem tag LS, chave de nível e não PS, chave de pressão. O tag também não depende da variável manipulada, mas sempre da variável inicializada ou medida. Assim, uma válvula que manipula a vazão de saída de um tanque para controlar nível, tem tag de LV ou LCV e não de FV ou FCV. 25/11/

47 Simbologia de Instrumentação 25/11/

48 Simbologia de Instrumentação 25/11/

49 Simbologia de Identificação de Instrumentos de Campo e Painel 25/11/

50 Simbologia de Alguns Arranjos de Instrumentos 25/11/

53 Simbologia Conforme Norma ISA S5.1 Simbologia das Funções para Reles de Computação 25/11/

54 Simbologia Conforme Norma ISA S5.1 Símbolos Gerais de Instrumentos ou de Funções de 25/11/2012 Instrumentos, conforme ISA S5.1 54

55 Simbologia Conforme Norma ISA S5.1 Simbolos para Funções de Transdutores e Conversores, 25/11/ conforme ISA S5.1

56 Simbologia Conforme Norma ISA S5.1 Símbolos Gerais de Sinais de telemetria, 25/11/2012 conforme ISA S5.1 56

57 Simbologia Conforme Norma ISA S5.3 Simbologia Gráfica 25/11/

60 Simbologia Conforme Norma ISA S5.1 Exemplo de uma malha 25/11/

61 Simbologia Conforme Norma ISA S5.1 Exemplo de um Diagrama P & I 25/11/

62 Simbologia Conforme Norma ISA S5.1 Malha de instrumentação de um sistema de destilação 25/11/