NOTAS 02- DIAGRAMAS DE INSTRUMENTAÇÃO E ÁREAS CLASSIFICADAS Identificação, simbologia e diagramas de Instrumentação O nível de detalhamento na representação de um sistema de instrumentação pode variar com um enorme grau de complexidade. Esquemas simplificados ou conceituais, freqüentemente denominados diagramas de fluxo, provêm muito menos detalhes que os diagramas de tubulações e instrumentação (P&IDs) bem desenvolvidos. A norma ANSI/ISA S5.1-1984 (R1992) de Identificação e Simbologia de Instrumentação define como cada símbolo é construído usando elementos gráficos, códigos alfanuméricos, abreviações, blocos de funções e linhas de conexão. Este sistema foi desenvolvido principalmente para o uso na indústria química, petrolífera, energia, condicionamento de ar, siderurgia e numerosas outras indústrias de processo. Outros campos, tais como astronomia, navegação e medicina, usam instrumentos muito especializados que são diferentes dos usados na indústria convencional de processos. No entanto, o sistema é flexível o suficiente para atender as necessidades de campos específicos. Além de símbolos de identificação a serem usados em diagramas, a norma também traz diretrizes sobre a identificação dos equipamentos dentro dos sistemas de instrumentação (tag e numbers). O sistema de identificação Cada instrumento ou função a ser definida é designado por um código alfanumérico ou etiqueta de identificação (tag numbers). A identificação do laço, parte do número de identificação, geralmente, é comum para todos os instrumentos do mesmo laço. Um sufixo ou prefixo pode ser adicionado para completar a identificação, como mostrado a seguir. Existem dois sistemas de numeração de laços, série e paralelo. O sistema de numeração paralelo consiste em iniciar uma seqüência numérica para cada nova primeira letra, ex.: TIC-100, FRC-100, LIC-100, AI-100 etc. A este código pode-se adicionar um sufixo caso em um laço possua mais de um instrumento com a mesma identificação funcional, ex.: FV-2A, FV-2B, FV-2C, ou TE25-1, TE25-2, TE25-3, etc. O sistema série usa uma única seqüência de números para uma planta ou seção, independentemente da primeira letra de identificação do loop, i.e.: TIC-100, FRC-101,LIC-102, AI-103, etc. 1
O número do laço onde o instrumento está inserido deve incluir códigos que descrevam a área a que pertence. Podem-se usar números para designar funções especiais, como por exemplo, a série 900 a 999 pode ser usada para laços cuja função primária está relacionada à segurança. Também, nos diagramas, o símbolo do instrumento deve ser acompanhado do seu número de identificação. A identificação funcional de um instrumento ou sua função equivalente consiste na combinação de letras: uma primeira letra designando o mensurando ou a inicial da variável, tais como Análise (A), Flow (F), Temperatura (T), etc., e uma segunda ou mais letras subseqüentes, que definem as funções desempenhadas ou tipos de saídas, tais como Indicação (I), Record (R), Transmissor (T), e assim por diante. Um instrumento com uma ou mais funções de medidas deve ser designado por todas as suas funções, por exemplo: FR-2/PR-4 quando possui duas funções, ou PR-7/8 quando tiver duas saídas. A identificação funcional de um instrumento é feita de acordo com a sua função e não de acordo com a sua construção. Assim, um registrador de pressão diferencial usado para medir vazão é identificado por FR; um indicador de pressão e um pressostato conectado à saída de um transmissor de nível pneumático são identificados por LI e LS, respectivamente. Em um laço de instrumentação, a primeira letra da identificação funcional é escolhida de acordo com a variável inicial ou medida, e não de acordo com a variável manipulada. Dessa forma, uma válvula que controla vazão em função de um regulador de nível é identificada por LV e não por FV. As letras subseqüentes do sistema de identificação designam um ou mais meios de saída, funções passivas e ou funções de saída. Uma letra modificadora pode ser usada, se necessário, adicionalmente a uma ou mais letras subseqüentes. Como exemplo, o código TDAL contém duas letras modificadoras. A letra D transforma o mensurando T (temperatura) em uma nova variável: temperatura diferencial. A letra L restringe a função de saída A, alarme, em apenas alarme baixo (/RZ). As tabelas a seguir mostram um resumo das letras mais utilizadas seguidas de seu significado, em função da posição em que se encontram na identificação do instrumento, assim como algumas combinações típicas de letras. 2
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Símbolos e elementos gráficos A norma ISA S 5.1 define quatro elementos gráficos instrumentos discretos, funções de controle distribuído e indicação, função computacional, e controlador lógico programável e os agrupa em três categorias segundo a sua localização localização primária, localização auxiliar e montagem em campo. Os instrumentos discretos são indicados por elementos circulares. Elementos de controle e indicadores são representados por um círculo inscrito em um quadrado. Funções computacionais são indicadas por um hexágono, enquanto os controladores lógicos são representados por um losango dentro de um quadrado. Cruzando-se uma única barra horizontal em qualquer dos quatro elementos gráficos descritos, indica que as funções residem na categoria de localização principal. Uma linha dupla indica uma localização auxiliar, enquanto a inexistência de linhas indica que o dispositivo ou função é instalado em campo. Dispositivos localizados atrás de um painel ou em algum outro lugar inacessível são representados com uma linha horizontal tracejada. 4
A conexão entre elementos de um sistema de instrumentação e controle é representada através de linhas. Tais conexões podem ser elétricas, pneumáticas, rádio ou outras. A tabela a seguir mostra alguns exemplos de representação de linhas de conexão. 5
A próxima tabela apresenta a descrição de blocos funcionais. Tais símbolos podem ser usados de duas formas: Como um bloco de função isolado em diagramas ou como indicadores de funções executadas por elementos em diagramas mais detalhados. Um terceiro uso é a combinação dos anteriores, encontrados em sistemas de controle distribuído, quando, por exemplo, um sinal da variável medida entra em um bloco extrator de raiz quadrada, é desenhado em uma posição adjacente ao controlador distribuído. 6
Além da simbologia apresentada anteriormente, uma série de outros símbolos é usada para representar componentes de processos. A seguir são apresentados apenas alguns deles. 7
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Alguns softwares comerciais atualmente disponíveis no mercado já trazem uma biblioteca de símbolos próprios para diagramas de tubulações e instrumentação, compatíveis com o AutoCAD, facilitando sobremaneira a construção de diagramas e atualização de bases de dados. A figura a seguir ilustra uma interface destes aplicativos. Exemplos de aplicação Com relação ao diagrama P&ID da figura a seguir, o elemento FT 101 representa um transmissor de vazão montado em campo conectado via sinal elétrico (linha tracejada) ao indicador controlador de fluxo FIC 101 localizado em um dispositivo de indicação e controle distribuído. A extração de raiz quadrada do sinal de entrada é uma parte da funcionalidade do FIC 101. A saída deste dispositivo é um sinal elétrico para TY 101 localizado em um cubículo inacessível. O sinal de saída do TY 101 é um sinal pneumático (linha com barra dupla inclinada), o que o caracteriza como um conversor I/P (transdutor corrente para peneumático). TT 101 e TIC 101 são similares a FT 101 e FIC 101, estando, porém, medindo, indicando e controlando temperatura. A saída do TIC 101 é conectada através de um barramento de dados (linha com bolinhas) ao setpoint (SP) de FIC 101, formando uma estratégia de controle em cascata. 9
O exemplo conta com um módulo denominado YIC. Isto mostra que em alguns casos, alguns sistemas menos complexos podem ser resumidos em um único bloco. Neste caso, este sistema é detalhadamente mostrado na figura ao lado. Este sistema consta de uma válvula do tipo liga/desliga é controlada por uma válvula soleinóide. Seus limites são ajustados para indicar se a mesma está na posição aberta (ZSH) e fechada (ZSL). Todas entradas e saídas são ligadas a um PLC acessível pelo operador (losango em um quadrado com uma linha horizontal sólida). A letra Y indica um evento, estado ou presença. A letra I mostra que há uma indicação visual disponível, e a letra C significa que o dispositivo é submetido a um controle. 10
Fundamentos e Princípios de Áreas Classificadas/Segurança Intrínseca INTRODUÇÃO Após a II Guerra Mundial, o uso de derivados de petróleo estimulou o aparecimento de plantas industriais para extração, transformação e refino de substâncias químicas necessárias para o desenvolvimento tecnológico e industrial. Nos processos industriais, surgiram áreas consideradas de risco, devido à presença de substâncias potencialmente explosivas, que confinavam a instrumentação à técnica pneumática, pois os instrumentos eletrônicos eram baseados na época em válvulas elétricas e grandes resistores de potência que propiciavam o risco de incêndio devido à possibilidade de faíscas elétricas e temperaturas elevadas destes componentes. Somente com o advento dos semicondutores (transistores e circuitos integrados) é que se pode reduzir as potências dissipadas e tensões nos circuitos eletrônicos e viabilizar-se a aplicação de técnicas de limitação de energia, que simplificadamente podem ser implantadas nos equipamentos de instrumentação, dando origem assim a Segurança Intrínseca utilizadas em áreas classificadas. POSSIBILIDADE DE EXPLOSÃO O risco de ignição de uma atmosfera existe se ocorrer simultaneamente: A presença de um material inflamável, em condições de operação normal ou anormal. O material inflamável encontra-se em um estado tal e em quantidade suficiente para formar uma atmosfera explosiva. Existe uma fonte de ignição com energia elétrica ou térmica suficiente para causar a ignição da atmosfera explosiva. Existe a possibilidade de a atmosfera alcançar a fonte de ignição. 11
DEFINIÇÕES A seguir estão alguns termos utilizados na identificação e classificação das áreas de risco, potencialmente explosivas: Atmosfera Explosiva Em processos industriais, especialmente em petroquímicas e químicas, onde manipulam-se substâncias inflamáveis, podem ocorrer em determinadas áreas a mistura de gases, vapores ou poeiras inflamáveis com o ar que, em proporções adequadas, formam a atmosfera potencialmente explosiva. Área Classificada Pode-se entender como um local aberto ou fechado, onde existe a possibilidade de formação de uma atmosfera explosiva, podendo ser dividido em zonas de diferentes riscos, sem que haja nenhuma barreira física. Explosão Do ponto de vista da química a explosão são reações exotérmicas de diferentes velocidades de reação, sendo iniciadas por uma detonação ou ignição. Ignição É ocasionada por uma onda de choque, que tem sua origem em uma faísca ou arco elétrico ou por efeito térmico. Temperatura de ignição espontânea A temperatura de ignição de um gás é a temperatura em que a mistura alto detona-se, sem que seja necessário adicionar energia. Este parâmetro é muito importante, pois limita a máxima temperatura de superfície que pode ser desenvolvida por um equipamento que deve ser instalado em uma atmosfera potencialmente explosiva. Temperatura de Superfície Todo equipamento para instalação em áreas classificadas, independente do tipo de proteção, deve ser projetado e certificado por uma determinada categoria de temperatura de superfície, analisando-se sob condições normais ou não de operação, e deve ser menor que a temperatura de ignição espontânea do gás. 12
CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO AS NORMAS EUROPÉIAS (IEC) A idéia de classificação das áreas de risco visa agrupar as diversas áreas que possuem graus de riscos semelhantes, tornando possível utilizar equipamentos elétricos projetados especialmente para cada área. A classificação baseia-se no grau de periculosidade da substância combustível manipulada e na frequência de formação da atmosfera potencialmente explosiva. Visando a padronização dos procedimentos de classificação das áreas de risco, cada País adota as recomendações de Normas Técnicas. No Brasil a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) utiliza a coletânea de Normas Técnicas da IEC (International Electrical Commicion), que trata da classificação das áreas no volume IEC-79-10. Na classificação em GRUPOS os diversos materiais são agrupados pelo grau de periculosidade que proporcionam, conforme ilustra a tabela a seguir: 13
MÉTODOS DE PROTEÇÃO Existem vários métodos de proteção, que permitem a instalação de equipamentos elétricos geradores de faíscas elétricas e temperaturas de superfícies capazes de detonar a atmosfera potencialmente explosiva. Estes métodos de proteção baseiam-se em um dos princípios: Confinamento: este método evita a detonação da atmosfera, confinando a explosão em um compartimento capaz de resistir a pressão desenvolvida durante uma possível explosão, não permitindo a propagação para as áreas vizinhas. (exemplo: equipamentos à prova de explosão). (Ex d) Segregação: é a técnica que visa separar fisicamente a atmosfera potencialmente explosiva da fonte de ignição. (exemplo: equipamentos pressurizados, imersos e encapsulados). (Ex p) (Ex o) (Ex m) Prevenção: neste método controla-se a fonte de ignição de forma a não possuir energia elétrica e térmica suficiente para detonar a atmosfera explosiva. Como exemplo Segurança Aumentada e Segurança Intrínsica. Ex: Segurança Aumentada (Elevados fatores de segurança e proteção sob condições de sobrecargas previsíveis) (Ex e) 14
SEGURANÇA INTRINSECA (Ex i) Princípios O princípio básico de segurança intrínseca é manipular e armazenar baixa energia, de forma que o circuito instalado na área classificada nunca possua energia suficiente (manipulada e armazenada) capaz de provocar a ignição da atmosfera potencialmente explosiva. Energia de Ignição Toda mistura possui uma energia mínima de ignição (MIE - Minimum Ignition Energy) que abaixo deste valor é impossível se provocar a detonação; em função da concentração da mistura, ou seja: da quantidade de combustível em relação a quantidade de ar. A figura abaixo compara a curva do Hidrogênio com o Propano, ilustrando a energia da fonte de ignição, que efetivamente provoca a detonação em função da concentração de mistura, ou seja, da quantidade de combustível em relação a quantidade de ar. 15
O ponto que requer menor energia para provocar a detonação é chamado de MIE (Minimum Ignition Energie), sendo também o ponto onde a explosão desenvolve maior pressão, ou seja, a explosão é maior. Fora do ponto de menor energia MIE, a mistura necessita de maiores quantidades de energia para provocar a ignição, ou seja: a energia de ignição é função da concentração da mistura. As concentrações abaixo do limite mínimo de explosividade LEL (Lower Explosive Limit) não ocorrem mais a explosão, pois a mistura está muito pobre, ou seja, muito oxigênio para pouco combustível. Analogamente quando a concentração aumenta muito, acima do limite máximo de explosividade UEL (Upper Explosive Limit), também não ocorre mais a explosão devido ao excesso de combustível, mistura muito rica. Os circuitos de Segurança Intrínseca sempre manipulam e armazenam energias, abaixo do limite mínimo de explosividade dos gases representativos da cada família, considerando assim as concentrações mais perigosas. Desta forma mesmo em condições anormais de funcionamento dos equipamentos os circuitos de Segurança Intrínseca não provocam a ignição, pois não possui energia suficiente para isto, tornando a instalação segura permitindo montagens até mesmo na Zona 0. Energia Elétrica Dentro deste princípio, a energia total que o circuito intrinsecamente pode conter deve ser menor que a mínima energia de ignição MIE. Transportando a energia em potência elétrica, obtemos a curva ao lado, que ilustra as máximas tensões versus as máximas correntes de um circuito Exi. Existem três curvas, uma para cada grupo, pois quanto maior a periculosidade da mistura menor será a energia necessária para a ignição e menor a potência que pode ser seguramente manipulada, desta forma notamos que um equipamento projetado para IIC pode ser utilizado em IIB. Analisando a curva podemos notar que a segurança intrínseca pode ser aplicada com sucesso a equipamentos que consomem pouca energia, tornando-se uma opção para a instrumentação. 16
Categorias de Proteção Os equipamentos intrinsecamente seguros são classificados em duas categorias: Categoria ia Esta categoria é mais rigorosa e prevê que o equipamento possa sofrer até dois defeitos consecutivos e simultâneos mantendo com um fator de segurança 1,5 aplicado sobre as tensões e correntes, visando a incapacidade de provocar a ignição. Motivo pelo qual se assegura a utilização desses equipamentos até nas zonas de risco prolongados (Zona 0). Categoria ib A categoria é menos rigorosa, possibilitando a instalação dos equipamentos apenas nas Zonas 1 e 2 devendo assim assegurar a incapacidade de provocar a detonação da atmosfera quando houver um defeito no circuito, mantendo também o fator de segurança como 1,5. A aplicação dos fatores de segurança são objetos de estudo aprofundado para os projetistas dos circuitos intrinsecamente seguros, não sendo um fator importante para os usuários dos instrumentos, que devem preocupar-se apenas em utilizar os equipamentos em zonas adequadas. 17
EXERCÍCIOS 1) Descreva o principio básico de segurança intrínseca baseado na figura abaixo. 2) Qual é a definição de: a) Explosão b) Ignição c) Área Classificada d) Atmosfera Explosiva 3) Quais são as classificações das áreas de risco segundo Norma IEC? Defina-as. 4) O que é temperatura de ignição? 5) O que é temperatura de superfície? 6) Quais são os princípios utilizados para proteção de áreas com risco de explosão? 7) Quais são as condições necessárias e suficientes para que haja uma explosão? 8) Defina quais são os métodos utilizados para proteção de equipamentos em atmosferas explosivas. Cite exemplos de cada método. 9) O que é e energia mínima de ignição (MIE)? 10) Cite a função de cada componente do diagrama de instrumentação representado pela figura a seguir: 18