Departamento de Engenharia Química e de Petróleo TEQ 102 Controle de Processos

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1 Departamento de Engenharia Química e de Petróleo TEQ 102 Controle de Processos Nomenclatura, Simbologia de Malha de Controle Álgebra de Diagramas de Blocos Prof a Ninoska Bojorge Introdução Em instrumentação e controle, se emprega um sistema especial de símbolos com o objeto de transmitir de uma forma más fácil e específica a informação. Isto é indispensável no projeto, seleção, operação e manutenção dos sistemas de controle. 2 Um sistema de símbolos tem sido padronizado pela ISA (Sociedade de Instrumentistas de América). A seguinte informação é da norma: ANSI/ISA-S (R1992). Profª Ninoska Bojorge

2 Introdução As necessidades e vários usuários para seus processos são diferentes. A norma reconhece estas necessidades, proporcionando métodos de simbolismo alternativos. Se mantêm vários exemplos agregando a informação ou simplificando o simbolismo, segundo se deseje. 3 Os símbolos de equipamento no processo não são parte de esta norma, mas se incluem para ilustrar aplicações de símbolos da instrumentação. Profª Ninoska Bojorge Tipos de Diagramas Um diagrama de fluxo de um processo químico reflexa o movimento de matéria que tem lugar no mesmo e os principais equipamento implicados no processo. Adicionalmente, podem aparecer detalhes referidos aos balanços de matéria e de energia e ao detalhe da instrumentação Tipos: Block flow diagram - (BFD) / Diagramas de blocos Process and flow diagrams - (PFD) / Diagramas de fluxo Process and Instrument Drawings (P&ID) / Diagramas de Processos e instrumentação Plant layout & elevation drawing / Diagrama de distribução de equipos

3 Tipos de Diagramas Diagrama de Blocos (Block Flow Diagram - BFD) Fluxograma de processos (PFD) Diagrama de Processos e Instrumentação (P&ID) Complexidade aumenta Entendimento conceitual aumenta Como engenheiros químicos, nos familiarizamos mais com BFD e PFD, desde o inicio do curso. Sequencia do projeto de um processo Estequiometria Diagrama entrada - saída Condições preliminares do proc. Diagrama geral de blocos Balanço de materiais preliminar Diagramas de Blocos (BFD) Balanço Material, Energia + Especificações do equipamento Fluxograma de Processo(PFD) Informação das malhas e instrum. Process and Instrument Diagram (PI&D)

4 Fluxograma de Blocos - BFD BFD mostra uma imagem de processamento geral de um complexo processo químico. Fluxo de matérias-primas e produtos que podem ser incluídos em um BFD BFD é uma visão superficial da instalação - informação química não é apresentada tb. Fluxograma de blocos (BFD) 8 carvão coqueria coque calcário moagem peneiramento calcário alto forno gusa liquido aciaria minério do ferro beneficiamento minério beneficiado escória gusa sólido fundicação de ferro fundido Diagrama de blocos do processo de obtenção siderúrgica do ferro. Profª Ninoska Bojorge - TEQ/UFF

5 Diagrama de Blocos - BFD 9 Fluxograma de Processos - PFD Consiste numa topologia do processo - que mostra a conectividade de todos os fluxos e os equipamentos principais As informações das correntes que devem estar no PFD, usualmente (não cabem no PFD) são apresentadas em tabelas. Emprega convenções (simbólicas) apropriadas - a consistência é importante na comunicação de informações do processo. 10 Profª Ninoska Bojorge

6 11 Profª Ninoska Bojorge Fluxograma de Processos - PFD 12 PFD mostra todas as informações de engenharia de processo Diagrama desenvolvido em projetos Junior (especialmente no segundo semestre do curso ) Muitas vezes PFD é desenhado em papel tamanho A1/A3 Em livros usualmente apresenta-se as informações num diagrama acompanhado de tabelas. Profª Ninoska Bojorge

7 Profª Ninoska Bojorge - TEQ/UFF 13 Símbolos empregados no PFD

8 Símbolos empregados no PFD

9 Heat exchangers

10 Reactors Tag no PFD Tabela 1: Convenções utilizados para identificar Equipamento de Processos 20 Equipamento de Processos Informação adicional General Format XX-YZZ A/B XX are the identification letters for the equipment classification C - Compressor or Turbine E - Heat Exchanger H - Fired Heater P - Pump R - Reactor T - Tower TK - Storage Tank V - Vessel Y designates an area within the plant ZZ are the number designation for each item in an equipment class A/B identifies parallel units or backup units not shown on a PFD Additional description of equipment given on top of PFD Profª Ninoska Bojorge

11 Fluxograma de Processos - PFD Tabela 2: Resumo de informação contida no PFD Essential Information Stream Number Temperature ( C) Pressure (bar, PSI, etc) Vapor Fraction Total Mass Flow Rate (kg/h) Total Mole Flow Rate (kmol/h) Individual Component Flow Rates (kmol/h) Optional Information Component Mole Fractions Component Mass Fractions Individual Component Flow Rates (kg/h) Volumetric Flow Rates (m 3 /h) Significant Physical Properties Density Viscosity Other Thermodynamic Data Heat Capacity Stream Enthalpy K-values Stream Name Diagrama de Fluxo de Processos (PFD) FLUXOGRAMA DO PROCESSO 22 contêm os principais equipamentos Profª Ninoska Bojorge - TEQ/UFF

12 Diagrama de Processo e Instrumentação (P&ID) O P&ID (Process and Instrument Diagram) 23 Profª Ninoska Bojorge - TEQ/UFF Símbolos comuns para a instrumentação:

13 Tabela 3 Símbolos gerais de instrumentos Primeira Letra Variável medida ou inicial Modificadora Função de informação ou Passiva A Analisador -- Alarme B Chama de queimador Letras subsequentes Função Final Modificadora -- Indefinida Indefinida Indefinida C Condutividade elétrica Controlador (12) -- D Densidade ou massa específica (Density) Diferencial E Tensão elétrica -- Elemento primário F Vazão (Flow) Razão (fração) G Medida dimensional -- Visor H Comando Manual (Hand) I Corrente Elétrica Indicador J Potência Varredura ou seletor L Nível (Level) -- Lâmpada piloto M Umidade (Moisture) N Indefinida -- Indefinida Indefinida Indefinida Tabela 3 Símbolos gerais de instrumentos (cont.) Primeira Letra Letras subsequentes Variável medida ou inicial Modificadora Função de informação ou Passiva Função Final Modificadora O Indefinida -- Orifício de restrição P Pressão ou Vácuo Ponto de teste -- Q Quantidade ou Evento Integrador ou totalizador R Radioatividade Registrador ou Impressor S Velocidade ou frequência (Speed) Segurança -- Chave -- T Temperatura Transmissor -- U Multivariável -- Multifunção Multifunção Multifunção V Viscosidade Válvula -- W Peso ou Força (weigh) -- Poço X Não classificada -- Não classificada Não classificada Não classificada Y Indefinida -- Relé ou cálculo computacional Z Posição Elemento final de controle não Classifi

14 Tabela 4 Símbolos gerais de instrumentos Tipo Localização No Campo No painel principal de controle Atrás do painel principal de controle Painel local ou do equipamento 27 Instrumentos Discretos Diâmetro 12 mm Instrumento compartilhado (Panel view) Computador do Processo Controlador programável (CLP) Interface CLP/Campo/CLP Interface CLP/Supervisório/CLP Interface Interna (lógica) Interface CLP/Panel View/CLP Tabela5 Símbolos e Funções de Processamento de Sinais

15 Instrumentação para um sistema de destilação 30 Profª Ninoska Bojorge - TEQ/UFF

16 Alarme de temperatura alta, instalado na sala de controle acessível ao operador, malha 8, instrumento 2 Cálculo de função no tempo, instalado na sala de controle não acessível ao operador, malha 3, instrumento A Instrumento compartilhado: chave com varredura de nível alto de Temperat. e registrador com varredura de temperat., instalado na sala de controle acessível ao operador, malha 8 instrumento 2 Válvula borboleta com atuador pneumático, malha de pressão 11, falha aberta Indicador de temperatura, instalado no campo, malha 9, instrumento 3 Alarme de temperatura alta, instalado na sala de controle acessível ao operador, malha 8, instrumento 3 Instrumento compartilhado: chave com varredura de nível alto de temperatura e registrador com varredura de temperatura, instalado na sala de controle acessível ao operador, malha 8, instrumento 3 Registrador com varredura de temperatura, instalado no painel, malha 8, instrumento 1 Válvula com atuador pneumático, falha fechada, malha 4 Controlador registrador de vazão, instalado no painel, malha 4 Transmissor de vazão, instalado no campo, malha 4 Controlador registrador de pressão, instalado na sala de controle acessível ao operador, malha 11 Registrador de vazão, instalado na sala de controle acessível ao operador, malha 3 Transmissor de pressão, malha de pressão 11, falha aberta Alarme de nível alto e baixo, instalado no painel, malha 9 Chave de nível alto e baixo, instalado na sala de controle acessível ao operador, malha 9 Transmissor de vazão, instalado no campo, malha 3 Transmissor de nível, instalado no campo, malha 7 Placa de orifício com flange na linha de processo, malha 3 Ganho ou atenuação, malha de vazão, instalado atrás do painel, malha 3, instrumento B Válvula com atuador pneumático, falha aberta, malha de nível 7 Controlador indicador de nível, instalado no painel, malha 7 Placa de orifício com flange na linha de processo, malha 4 Registrador com varredura de temperatura, instalado na sala de controle acessível ao operador, malha 8, instrumento 4

17 Controle Automático de Processo 33 Representação do Sistema (Processos): Variáveis de Entrada perturbação variável manipulada VM Processo VC variável controlada Variável de saída ou variável de processo a controlar Profª Ninoska Bojorge Elementos típicos da Malha de Controle Feedback 34 Controlador de Temperatura e Registrador 3 2 Transmissor de Temperatura 4 Válvula Pneumática de Controle Vapor sensor 1 Trocador de calor Profª Ninoska Bojorge - TEQ/UFF

18 Elementos típicos da Malha de Controle Feedback Termopar como sensor temperature, sinal mv Transmission do sinal Analogico (4-20 ma) Conversão de analógica a digital Número Digital transmissor Transmissão do sinal pneumatico (3-15 psig) E A/D n MV = SP CV n n = K C n En + TI Controlador Digital ( CVn CVn t n 1 1 Ei ti + Td 0 n ) + I fc i/p D/A Número Digital Posicionador da valvula 0-100%) Agente de aquecimento Transmissão do sinal Analog (4-20 ma) Conversão de Digital para analog. Diagrama de Blocos da Malha de Controle Feedback 36 Setpoint SP Resposta desejada da CV Comparação Sinal de controle Variável manipulada e c u + - Perturbação Controlador Atuator Processo Var. Saída CV Variável controlada Sensor Transmissor Dispositivo de medição e transmissão Profª Ninoska Bojorge

19 Diagrama de Blocos de Controle 37 O diagrama de blocos é construído a partir das equações que descrevem um determinado sistema. Um diagrama de blocos de um sistema é uma representação das funções desempenhadas por cada componente e de fluxo de sinais. Este diagrama indica a interrelação que existe entre os vários componentes, onde todas as variáveis do sistema são ligadas às outras através da relação entre a entrada e saída dos blocos. Esta relação é a chamada função de transferência. Diagrama de Blocos de Controle 38 x Variável de entrada G y Variável de saída Função de Transferência G = y x

20 Álgebra de Diagramas de Blocos Para analisar o comportamento de um sistema estabelecese relações entre as varias variáveis deste sistema, pela substituição das variáveis intermediarias, nas equações que descrevem o sistema, de forma que resulte uma expressão que relacione diretamente as variáveis de interesse. Ou através da simplificação do diagrama de blocos. 39 Regra Principal: Não alterar a relação entre as variáveis de entrada e saída dos blocos que se quer simplificar. Álgebra de de Diagramas de Blocos 1) Y = A B C A B C - B - - Y + C - A + Y A + B - C - Y 40 2) Y = G 1 G 2 A A Y Y G 1 G 2 G 2 G 1 A A G 1 G 2 Y

21 Álgebra de Diagramas de Blocos 3) Y = G 1 (A B) 41 A + B - Y G 1 A G 1 + _ Y 4) Y = G 1 A + G 2 B B G 1 Profa. Ninoska Bojorge A + B G 1 + Y G 2 41 Álgebra de Diagramas de Blocos 5) Y = (G 1 + G 2 )A A G 2 + G 1 /G 2 + Y A + Y G G1 + G 2

22 Álgebra de Diagramas de Blocos 6) Conexão de blocos em malha fechada 43 Álgebra de Diagramas de Blocos 7) Movimento de blocos em relação a um somador 44

23 Álgebra de Diagramas de Blocos 8) Movimento de bloco em relação a ponto de junção 45 Álgebra de Diagramas de Blocos 46 9) Movimento de bloco para dentro do ponto de junção