Instrumentação e Controle

Transcrição

1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO PÓS-GRADUAÇÃO LATU-SENSU EM ENGENHARIA MECATRÔNICA (ESPECIALIZAÇÃO) Instrumentação e Controle Prof. Gil Pinheiro (UERJ/PETROBRAS) Janeiro/2003 Programação Informação sobre o curso Histórico da Instrumentação e Controle na Indústria Instrumentação - Sensores e Atuadores Sistemas de Controle e Automação Industrial Barramentos e Redes Industriais 1

2 Logística do Curso Material do Curso Cópia da Apresentação Apostila Avaliação Final Duração 20 horas Objetivos do Curso Compreender o funcionamento de sistemas de Instrumentação Industrial Conhecer as diferenças entre os principais tipos de sensores e atuadores utilizados na indústria Conhecer os principais sistemas de controle de processos utilizados na indústria Conhecer como são aplicadas a instrumentação e o controle em uma indústria Compreender o funcionamento dos principais sistemas de automação Conhecer as tendências tecnológicas dos sistemas de automação (sistemas em rede) 2

3 Histórico - Instrumentação e Controle na Indústria Instrumentação Mecânica Instrumentação Pneumática Instrumentação Eletrônica Analógica Instrumentação Eletrônica Digital Instrumentação à Microprocessador Instrumentação Baseada em Redes O Papel da Instrumentação, Medição e Controle 3

4 A Instrumentação e Controle na Indústria - Aplicações A Instrumentação e Controle na Indústria - Aplicações Controle (Estabilização) dos Processos Otimização (Econômica) dos Processos Melhoria da Qualidade dos Produtos Segurança das Pessoas Segurança das Instalações Proteção ao Meio Ambiente Sequenciamento (registro) de Eventos Automação Integrada da Produção 4

5 Automação Integrada da Produção Corporate Enterprise Network World Wide Web / Internet Rede Corporativa Conductor NT Routed Client Conductor NT Routed Client Rede de Operações Conductor NT Routed Client Conductor NT Direct Client Conductor NT Server Conductor NT Redundant I90 Server Conductor NT Client Extender Rede de Controle Ethernet F2K Process Station Harmony DCU DCU2000G OPC Data Source (PLC) OPC Data Source (PLC) INFI-NET INFI 90 OPEN PCU Harmony Controller Hierarquia da Automação Industrial Otimização Controle Avançado Controle Avançado Controle Regulatório Controle Regulatório Controle Regulatório Controle Regulatório Controle Regulatório Controle Regulatório Processo 5

6 Tipos de Sistemas Instrumentados na Indústria Sistemas de Malha Aberta (ex.: Sistemas de Aquisição de Dados) Sistemas de Malha Fechada (ex.: Sistemas de Supervisão e Controle, Sistemas de Segurança e Intertravamento) Sistema de Malha Aberta Processo Medidor 1 (Transdutor 1) Medidor 2 (Transdutor 2) Medidor 3 (Transdutor 3) 6

7 Sistema de Malha Fechada Processo Medidor Atuador Processamento Sistema de Malha Fechada 7

8 Sistema de Malha Fechada Exemplo: Sistema de controle tipo Feed-Back Valor Esperado Erro Algoritmo de Controle Atuador Perturbações Medidor (Transdutor) Processo Desempenho do Sistema de Controle Sem controle Com controle 8

9 Características dos Sistemas de Medição Sistemas de Medição Componentes de um Sistema de Medição Apresentação da Variável Aquisição de Dados e/ou Apresentação Variável a ser Medida Transdutor e Condicionador de Sinal Filtragem (Analógica ou Digital) 9

10 Sistemas de Medição - Condicionamento Amplificação Linearização Compensação (T) Filtragem Conversão A/D Sistemas de Medição Caraterísticas de um Sistema de Medição Sistema em Estudo Características Estáticas Características Dinâmicas Linearidade Histerese Resolução Deriva Constantes de Tempo Ressonâncias Resposta ao Transitório Resposta de Frequência 10

11 Sistemas de Medição Sensibilidade (S) e Fator de Escala (F) Variável a ser Medida Transdutor (S) Sinal Analógico (E,I) Sinal Digital (Pulsos) Processador e Apresentação (F) Saída: Variável Apresentada Transdutor Processador Sistemas de Medição Exemplo: medição de nível Indicador Local Tanque h P Transdutor Nível (h) Pressão (P) Sinal Elétrico S F Indicação (metros, litros) Transdutor Processador e Indicador 11

12 Sistemas de Medição Transdutor X Transmissor Variável a ser Medida Transdutor Sinal Analógico (E,I) Sinal Digital (Pulsos) Condicionador e Processador Sinal Padronizado (analógico ou digital) Transmissor Transdutor Sistemas de Medição Representar (converter) a variável a ser medida numa outra variável (elétrica) que possa ser processada Transmissor Possui um Transdutor Representar (converter) o sinal do Transdutor num formato padrão de sinal analógico ou digital Ser capaz de enviar o sinal a uma certa distância Transmissores de 2 e 4 fios 12

13 Análise de Sistemas Físicos Análise de Sistemas Físicos Modelagem de Sistemas Físicos Resposta ao Degrau Tempo de Resposta, Tempo Morto Resposta ao Impulso Resposta no Domínio da Frequência 13

14 Sensores e Transdutores Sensores e Transdutores Temperatura Pressão Vazão Nível Deslocamento Força Outros 14

15 Medição de Temperatura Medição de Temperatura Termopar Termoresistência Termistor 15

16 Termopares Junção de dois materiais (ligas) metálicas Diversos tipos (T, J, K, E, R, S, B) Baseia-se no efeito Thompson Geram tensão CC, função da temperatura Termopares 16

17 Termopares Termopar de Isolação Mineral Termopares Sensibilidade termelétrica de alguns materiais em relação a Platina Material uv/ºc Material uv/ºc Constantan Níquel Alumel Carbono Alumínio Prata , ,5 +6,5 Cobre Ouro Tungstênio Ferro Chromel Silício +6,5 +6,5 +7,5 +18,5 +25,

18 Termopares Termopar Junta 1 T 1 Metal A Metal B V Metal A Junta 2 T 2 Circuito Elétrico Equivalente (V = E 1 E 2 ) V E 1 E 2 Termopares Tensão V é função do T = T 1 - T 2 V = E 2 - E 1 V é da ordem de dezenas de milivolts para T de centenas de graus centígrados 18

19 Termopar Junta 1 T 1 Termopares Metal A Metal C Junta 2 (T 2 ) Metal B Metal C V Circuito Equivalente (V = E 1 E 2 ) V E 1 E 2 Exemplo: Termopares Junta 1 T 1 Metal A Metal B Metal C Junta 2 (T 2 ) Metal C V Termopar tipo K (Chromel/Alumel), tensão medida em V de 12,4 mv e a temperatura ambiente (T 2 ) é 37ºC. Quanto vale a temperatura T 1? 19

20 Termoresistência Resistor metálico de prata ou platina Curva de resistência padronizada (ex.: Pt-100) Resistência aumenta com T Para medidas de precisão De tres e de quatro fios Termoresistência Termoresistência de 3 fios Termoresistência de 4 fios 20

21 Termoresistência Curvas de Resposta (Pt-100) Termoresistência Circuitos de Medição a 2, 3 e 4 fios 21

22 Instalação no Processo Poço de conexão flangeada e caixa de conexão Poço de conexão roscada, caixa de conexão e caixa de selagem Transmissor de Temperatura Utiliza termopar ou RTD Saída 4/20 ma ou field-bus Instalação mais barata, não requer cabos de compensação Permite utilizar entradas com redundância de um SDCD 22

23 Termistor Composição Curva de resposta Tipos NTC e PTC Aplicações Medição de Pressão 23

24 Medidor de Pressão - Tubo de Bourdon O tubo (de Bourdon) tende a se endireitar sob pressão, causando a rotação do ponteiro Entrada de Pressão Manômetro de Tubo de Bourdon Medidor de Pressão - Tubo de Bourdon Outros formatos de Tubo de Bourdon Existem transdutores de pressão constituídos de um Tubo de Bourdon acoplado a um sensor elétrico de deslocamento angular ou linear 24

25 Medidor de Pressão - Capacitivo Corte de Transmissor Capacitivo Medidor de Pressão - Capacitivo 1-Diafragma Sensor 2-Diafragma Isolador 3-Fluido de Enchimento Cerâmica 4-Superfície Metalizada Vidro Aço Inox 25

26 Medidor de Pressão - Capacitivo (Diagrama Interno) C 1 R 1 Amplificador Detector Sinal de P Sinal de Saída C 2 R 2 Microcontrolador R T Sinal de Temperatura Medidor de Pressão - Capacitivo (Aplicações) Pressão Diferencial ( P) Pressões do processo (P1 e P2) aplicadas em cada câmara Em medição de vazão, a saída 4 a 20 ma é proporcional ao quadrado da vazão (ex.: P de uma placa ou de um venturi) Medição de densidade 26

27 Medidor de Pressão - Capacitivo (Aplicações) Pressão Manométrica Pressão do processo é aplicada em uma câmara Outra câmara aberta para atmosfera Medidor de Pressão - Capacitivo (Aplicações) Pressão Absoluta Pressão do processo é aplicada em uma câmara Outra câmara é evacuada e selada 27

28 Medidor de Pressão - Capacitivo (Aplicações) Nível de Produto Uma câmara é conectada a uma extensão com diafragma repetidor, e sujeita a pressão na base do tanque A outra câmara é ligada à parte superior do tanque Medidor de Pressão - Strain Gage Diafragma Pressão Strain Gage A pressão deforma um diafragma dotado de um medidor de força (strain gage) 28

29 Medição de Vazão Medidor de Vazão - Placa de Orifício Fluxo Medidor de vazão mais difundido na indústria de processo Consiste numa placa metálica com um orifício calculado A placa produz uma perda de carga ( P) proporcional ao quadrado da vazão Usada em conjunto com um transmissor de pressão diferencial com extração de raiz (transmissor de vazão) 29

30 Medidor de Vazão - Placa de Orifício (instalação) Instalação tipo Flange Taps Instalação tipo Vena Contracta Taps Medidor de Vazão - Placa de Orifício (instalação) 30

31 Medidor de Vazão - Turbina Rotação é aproximadamente proporcional a Vazão Volumétrica Sinal de saída tipo analógico, onde a frequência é proporcional a rotação da turbina Fator da Turbina = Pulsos / Volume Para líquidos pouco viscosos é muito precisa, repetibilidade: 0,02%, linearidade 0,15% Medidor de Vazão - Turbina Geração de pulsos através de captador de relutância variável Turbina de pequeno porte 31

32 Medidor de Vazão - Turbina Curva de performance, repetibilidade e linearidade Curva de perormance em regime laminar e turbulento Medidor de Vazão - Turbina Efeito de acidentes na tubulação Influência de rotação da massa fluida 32

33 Medidor de Vazão - Turbina Trecho de medição Aferidor (microprover) Medidor de Vazão Ultrassônico A T D = L p / (C+V p ) Fluxo (V) ϕ B T U = L p / (C V p ) (T U T D ) L p cos ϕ V = 2 T U T D Onde: T D = Tempo de trânsito Downstream (A B) T U = Tempo de trânsito Upstream (B A) L p = Distância de percurso AB C = Velocidade do som no fluido V p = Velocidade do fluido na direção AB 33

34 Medidor de Vazão Ultrassônico Medidor de Vazão Ultrassônico 4 FEIXES ULTRASÔNICOS 8 TRANSDUTORES ULTRASÔNICOS Conceito de Corda Trecho de Medição em linha de 30 pol 34

35 Medidor de Vazão Ultrassônico Montagem para Medição Externa Trecho de Medição de 32 pol. Medidor de Vazão Magnético Baseia-se na Lei de Faraday e = Blv B = intensidade de Campo magnético l = distância entre sensores (=D) v = velocidade do fluido Medidor magnético industrial 35

36 Medição de Nível Medidores de Nível - de Empuxo Transmissor de Nível Eletrônico Transmissor de Nível Pneumático 36

37 Medidores de Nível - de Empuxo E Sensor de Força (F) h γ W F = K (W E) E = γah Princípio de Funcionamento Medidores de Nível - de Empuxo 37

38 Medidores de Nível - de Pressão Hidrostática Uma câmara é conectada a uma extensão com diafragma repetidor, e sujeita a pressão na base do tanque A outra câmara é ligada à parte superior do tanque Medidores de Nível - Outros Tipos Radar Servo Operado Ultrassom Capacitivo 38

39 Medição de Posição Medidores de Posição - Angular (Ótico) Arranjo de um sensor angular ótico Disco Codificador Absoluto Disco Codificador Relativo 39

40 Medidores de Posição - Distância (Indutivo) Medidor de distâncias pequenas (gap), usado em máquinas (compressores, bombas, etc) Princípio de funcionamento Medidores de Posição - Distância (LVDT) Linear Variable Differential Transformer Princípio de funcionamento 40

41 Medidores de Posição - Distância (LVDT) Circuito de processamento de sinal Medição de Força 41

42 Medidores de Força - Strain Gage Sensor resistivo de deformação Composição E R 1 R 3 E 1 E 2 R 2 R 4 Ponte de 1, 2 e 4 braços Circuito amplificador Medidores de Força - Strain Gage Célula de Carga Tipo S Medição de Torque 42

43 Medidores de Força - Fio Vibrante L Bobina Sensor T Fio vibrante Sinal (f) f T L Outros Medidores 43

44 Transdutores de ph Sensores de medição de ph (potencial de hidrogênio) Outros Transdutores Sensores de Gás Condutivímetros Densímetros 44

45 Atuadores Atuadores Objetivo Atuadores Motorizados Atuadores Pneumáticos Outros Atuadores 45

46 Atuadores - Objetivo Alimentação Suprimento Sinal Servo Amplificador Estágio de Potência Módulo Atuador Ação Realimentação) Gerar uma ação em função do sinal Atuadores Motorizados 46

47 Atuadores Motorizados Volante Motor Cartões Eletrônicos Caixa de Conexões Atuador de Válvula Motorizado Painel Local Atuadores Motorizados Rede (Fieldbus) de Atuadores Motorizados 47

48 Atuadores Motorizados Cartão de Comunicação (Field-Bus) e Configurador (PC) Atuadores Motorizados Conexão do Cartão Field-Bus ao Atuador Elétrico Motorizado 48

49 Atuadores Motorizados Rede Redundante de Atuadores Motorizados Atuadores Pneumáticos 49

50 Atuadores Pneumáticos Válvula de Controle com Posicionador Eletropneumático Atuadores Pneumáticos Posicionador de Válvula Eletropneumático 50

51 Atuadores Pneumáticos Posicionador de Válvula Eletropneumático Atuadores Pneumáticos Válvula de Controle com Posicionador Pneumático 51

52 Atuadores Pneumáticos Válvula de Controle tipo Borboleta, Atuador Pneumático Atuadores Pneumáticos Válvula tipo Globo com Conversor I/P Internos de Válvula tipo Globo 52

53 Características de Válvulas de Controle Curvas características (Vazão x Abertura) de válvulas de controle Linear Igual Percentagem Abertura Rápida Aplicação Split Range Atuadores Pneumáticos 15 P (psi) 9 3 I (ma) Conversor I/P 53

54 Outro Tipos de Atuadores Motores de Passo Controlador de Velocidade (Inversor) Válvulas Solenóide Sistemas de Controle 54

55 Sistemas de Controle Algoritmos de Controle Tecnologia de Controladores Single Loop CLP SDCD Pneumático Transmissão de Sinal e Comunicação Sistemas de Controle - Algoritmos Algoritmo de Controle 55

56 Sistemas de Controle - Algoritmos Algoritmos de Controle ON/OFF PID (P, P+I, P+I+D) PID razão Controle Antecipativo (Feed-Forward) Sistemas de Controle Controlador Single/Multi Loop Controlador e módulo programador 56

57 Sistemas de Controle - CLP CPU: Clock: 15 Mhz Leds de estado da UCP; Circuito Watch dog Timer ; Memória: 16K RAM e 16K E2PROM. Pontos de E/S: Entradas: 24Vdc Saidas: Relé e/ou Transistor Pontos Analógicos (E/S configurável) Entrada de contagem rápida (até 10kHz) Expansível até 128 E/S PL 101 PL 102 PL103 8I + 6O 14I + 10O 16I + 16O 2 I/O analg 2 I/O analg 2 count. 2 count. RS 232 RS 232 RS 232/485 Dimensões (AxLxP): 117 x 92 x 98 mm Interface: IHM local, ou Rede ALNET-I Sistemas de Controle - SDCD Fabricante: ABB (ex-bailey) Modelo: INFI-90 Características Básicas Conceito de Controladores de Processo DISTRIBUIDOS Redes redundantes de comunicação Ferramentas de configuração no ambiente MSDOS e Windows Ferramentas de Auto-Diagnose e Auto-Documentação Redes de alta velocidade, proprietárias e abertas (ETHERNET) Estações de Operação baseadas em X-WINDOWS Pacotes para aplicações de controle avançado 57

58 Sistemas de Controle - SDCD Sistemas de Controle - SDCD UERJ Arquitetura - Prof. Gil Pinheiro Unidade Controle Processos 58

59 Controlador PID Pneumático Controlador PID Pneumático Transmissão de Sinal e Comunicação Padrão 4 a 20 ma Protocolo Hart Fieldbus Protocolo Modbus 59

60 Níveis de Rede Rede Corporativa Gateway Interface Humano- IHM 1 Máquina IHM 2 Estações PC Windows-NT Rede de Planta Rede de Controle Para outras IHM Para outros Controladores Controladores Controladores E/S 1 E/S 2 Rede de Campo E/S 1 E/S 2 Módulos de E/S Local Remoto E/S n E/S n Protocolo Hart Rede de comunicação com transmissor Meio físico: cabo de sinal/alimentação Sinal modulado superposto ao 4 a 20 ma Modulação FSK Utiliza programador portátil Mais de um instrumento no mesmo par 60

61 Protocolo Hart Transmissor (Hart) Programador Hart Protocolo Hart - exemplo de parâmetros Range do transmissor Compensação de zero Filtragem (amortecimento) Parâmetros do indicador local Calibração do sensor Tag (identificador) 61

62 FIM!!!! Obrigado 62