Slides3 Sistemas de Instrumentação

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Curso ENGENHARIA MECÂNICA
Disciplina AUTOMAÇÃO e INFORMÁTICA INDUSTRIAL
Prof. Dr. Júlio Cesar Braz de Queiroz
jqueiroz@pucminas.br
mailto:jqueiroz@pucminas.br
Sistemas de Gestão Corporativa
Sistemas de Execução da Manufatura
Sistemas de Gestão da Informação
Sistemas de Otimização
Sistemas de Supervisão
Sistemas de Controle
Sistemas de Instrumentação
ESTRUTURA DOS
SISTEMAS
INTEGRADOS
Tecnologia da 
Informação
Tecnologia da
Automação
Sistemas de Gestão Corporativa
Sistemas de Execução da Manufatura
Sistemas de Gestão da Informação
Sistemas de Otimização
Sistemas de Supervisão
Sistemas de Controle
Sistemas de Instrumentação
Sistemas Integrados
1
2
3
4
Sistemas Integrados
SISTEMAS 
DE
INSTRUMENTAÇÃO
Sistemas de Instrumentação
Connvell, 1988:
"Todo controle começa com a medição 
e a Qualidade do Controle não será 
maior que a Qualidade da Medição"
Sistemas de Instrumentação
Sensores que realizam as medidas do processo com base em
fenômenos físicos (variações de temperatura, pressão, vazão,
densidade, velocidade, etc.);
Transdutores que traduzem estas medidas em sinais elétricos 
ou conjunto de bits para que possam ser transmitidos 
(circuitos eletrônicos conversores);
Atuadores que agem sobre o processo sob o comando de 
controladores (dispositivos capazes de reduzir ou aumenetar o 
fluxo de variáveis do processo).
Sistemas de Instrumentação
TECNOLOGIA do INSTRUMENTO
ANALÓGICA  Instrumento sem microprocessador, convencional
DIGITAL  Instrumento com microprocessador, digitalizada
Sistemas de Instrumentação
VARIÁVEL de PROCESSO
ANALÓGICA  Sinal Contínuo
DISCRETA  Sinal Discreto
Sistemas de Instrumentação
ATUAÇÃO sobre a VARIÁVEL de PROCESSO
ANALÓGICA  Controle Contínuo
DISCRETA  Controle Discreto
Sistemas de Instrumentação
TECNOLOGIA do INSTRUMENTO
ANALÓGICA  Instrumento sem microprocessador, convencional
DIGITAL  Instrumento com microprocessador, digitalizado
VARIÁVEL de PROCESSO
ANALÓGICA  Sinal Contínuo
DISCRETA  Sinal Discreto
ATUAÇÃO sobre a VARIÁVEL de PROCESSO
CONTÍNUA  Controle Analógico
DISCRETA  Controle Discreto
Sistemas de Instrumentação
SENSOR ANALÓGICO (NÃO MICROPROCESSADO)
PODE MEDIR VARIÁVEIS DISCRETAS e VARIÁVEIS ANALÓGICAS
SENSOR DIGITAL (MICROPROCESSADO)
PODE MEDIR VARIÁVEIS DISCRETAS e VARIÁVEIS ANALÓGICAS
ATUADOR ANALÓGICO (NÃO MICROPROCESSADO)
PODE ATUAR SOBRE VARIÁVEIS DISCRETAS e VARIÁVEIS ANALÓGICAS
ATUADOR DIGITAL (MICROPROCESSADO)
PODE ATUAR SOBRE VARIÁVEIS DISCRETAS e VARIÁVEIS ANALÓGICAS
Sistemas de Instrumentação
Tecnologia Analógica
 Instrumentos sem microprocessador
 Ligação ao controlador via condutores convencionais:
 4 condutores (2 alimentação + 2 sinal de controle)
 3 condutores (1 comum + 1 alimentação + 1 sinal de controle)
 2 condutores (2 alimentação e sinal de controle)
Sistemas de Instrumentação
Tecnologia Analógica
 Alimentação dos instrumentos 
 Fonte de alimentação: 24 Vcc (mais utilizado)
 Rede Elétrica: 127/220 Vca
 Sinal de controle
4 a 20mA (mais utilizado)
 Variáveis analógicas 0 a 24 Vcc
0 a Vca Rede
0 ou 24 Vcc (mais utilizado)
 Variáveis discretas
0 a Vca Rede 
Sistemas de Instrumentação
Nos próximos slides serão considerados os valores mais utilizados:
 Alimentação dos instrumentos: 24 Vcc
 Sinal de controle
 Variáveis analógicas: 4 a 20mA
 Variáveis discretas: 0 ou 24 Vcc
Sistemas de Instrumentação
Características da tecnologia analógica (convencional)
 Utiliza muitos condutores
 Necessita de cartões de entrada/saída
para realizar a interligação dos 
instrumentos com o controlador
 Maior vulnerabilidade a desgaste, 
interferência eletromagnética e mau
contato
 Demanda maior tempo de instalação 
Requer mais manutenção
SENSOR ANALÓGICO para VARIÁVEL DISCRETA
a) Chave Aberta 0 Vcc
b) Chave Fechada 24 Vcc
CHAVE FIM DE CURSO 
Contato Normalmente 
Aberto (NA)
A/D
CARTÃO DE ENTRADA DISCRETA DO CLP
(Conversão do sinal Analógico para Digital)
Sistemas de Instrumentação
SINAL de CONTROLE
a) Nível Lógico 0
b) Nível Lógico 1
CONTROLADOR PROGRAMÁVEL
SENSOR ANALÓGICO para VARIÁVEL DISCRETA
a) Chave Aberta 24 Vcc
b) Chave Fechada 0 Vcc
CHAVE FIM DE CURSO 
Contato Normalmente 
Fechado (NF)
A/D
CARTÃO DE ENTRADA DISCRETA DO CLP
(Conversão do sinal Analógico para Digital)
Sistemas de Instrumentação
SINAL de CONTROLE
a) Nível Lógico 1
b) Nível Lógico 0
CONTROLADOR PROGRAMÁVEL
TERMOPAR
SENSOR ANALÓGICO para VARIÁVEL ANALÓGICA
a) Sem sinal  0 mA
b) Início da faixa de medição  4 mA
c) Fim da faixa de medição  20 mA
A/D
CARTÃO DE ENTRADA ANALÓGICA DO CLP
(Conversão do sinal Analógico para Digital)
Sistemas de Instrumentação
SINAL de CONTROLE
a) Falha ou Defeito
b) Mínimo da UE*
c) Máximo da UE*
CONTROLADOR PROGRAMÁVEL
*UE é Unidade de Engenharia
VÁLVULA SOLENÓIDE
Normalmente Aberta (NA)
D/A
CARTÃO DE SAÍDA DISCRETA DO CLP
(Conversão do sinal Digital para Analógico)
Sistemas de Instrumentação
SINAL de CONTROLE
a) Nível Lógico 0
b) Nível Lógico 1
CONTROLADOR PROGRAMÁVEL
ATUADOR ANALÓGICO para ATUAÇÃO DISCRETA
a) 0 Vcc Desenergizada (Aberta) 
b) 24 Vcc Energizada (Fechada)
VÁLVULA SOLENÓIDE
Normalmente Fechada (NF)
D/A
CARTÃO DE SAÍDA DISCRETA DO CLP
(Conversão do sinal Digital para Analógico)
Sistemas de Instrumentação
SINAL de CONTROLE
a) Nível Lógico 0
b) Nível Lógico 1
CONTROLADOR PROGRAMÁVEL
ATUADOR ANALÓGICO para ATUAÇÃO DISCRETA
a) 0 Vcc Desenergizada (Fechada)
b) 24 Vcc Energizada (Aberta)
VÁLVULA CONTROLADA
Normalmente Aberta (NA)
D/A
Sistemas de Instrumentação
SINAL de CONTROLE
CONTROLADOR PROGRAMÁVEL
ATUADOR ANALÓGICO para ATUAÇÃO CONTÍNUA
a) Aberta 0 mA
b) Início da faixa de atuação  4 mA
c) Fim da faixa de atuação  20 mA
a) Sem Sinal
b) Mínimo UE
c) Máximo UE
CARTÃO DE SAÍDA ANALÓGICA DO CLP
(Conversão do sinal Digital para Analógico)
VÁLVULA CONTROLADA
Normalmente Fechada (NF)
D/A
Sistemas de Instrumentação
SINAL de CONTROLE
CONTROLADOR PROGRAMÁVEL
ATUADOR ANALÓGICO para ATUAÇÃO CONTÍNUA
a) Fechada  0 mA
b) Início da faixa de atuação  4 mA
c) Fim da faixa de atuação  20 mA
a) Sem Sinal
b) Mínimo UE
c) Máximo UE
CARTÃO DE SAÍDA ANALÓGICA DO CLP
(Conversão do sinal Digital para Analógico)
Sistemas de Instrumentação
Tecnologia digital (microprocessada)
 Instrumento com microprocessador
 Interligação e alimentação via cabo de rede
 Sinal de controle via pacote de dados
Sistemas de Instrumentação
Interligação de instrumentos microprocessados
Sistemas de Instrumentação
 Interligação dos instrumentos em redes
de campo industriais
 Redução drástica da necessidade de 
cabos e cartões de controladores
 Menor tempo de instalação
 Realização de diagnósticos dos
instrumentos e emissão de alarmes e
mensagens
Características da tecnologia 
digital (microprocessada)
Sistema de 
Supervisão
Controlador
Redes de Campo
Possibilidades de interligação
Sistemas de Instrumentação
SENSOR DISCRETO MICROPROCESSADO NA ou NF
Pacote de Dados
Sistemas de Instrumentação
CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
CARTÃO
DE REDE
SINAL de CONTROLE
CHAVE FIM DE CURSO
Conjunto de bits
SENSOR ANALÓGICO MICROPROCESSADO
Pacote de Dados
Sistemas de Instrumentação
CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
Conjunto de bits
CARTÃO
DE REDE
SINAL de CONTROLE
SENSOR DE 
TEMPERATURA
Sistemas de Instrumentação
CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
ATUADOR DISCRETO MICROPROCESSADO NA ou NF
Pacote de Dados CARTÃO
DE REDE
VÁLVULA SOLENÓIDE
SINAL de CONTROLE
Conjunto de bits
ATUADOR ANALÓGICO MICROPROCESSADO NA ou NF
Pacote de Dados
Sistemas de Instrumentação
CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
CARTÃO
DE REDE
VÁLVULA CONTROLADA
SINAL de CONTROLE
Conjunto de bits
 Facilidade de programação e 
configuração de instrumentos
através de qualquer ponto da
rede
 Linguagem de programação 
gráfica, com blocos funcionais
pré-programados
 Permite download e upload de 
esquemas de configuração
 Facilidades de monitoramentoe 
gerenciamento da rede via
software
Sistemas de Instrumentação
Tecnologia microprocessada
• Implementação e execução de 
tarefas via software
• Realização de diagnósticos nos 
próprios instrumentos (qualidade 
da medida, qualidade da 
comunicação, etc.)
• Emissão de alarmes em situações
de funcionamento indevido 
(benefício significativo)
• Emissão de mensagens para fins 
de programação da manutenção
(benefício significativo)
Tecnologia microprocessada
Sistemas de Instrumentação
 Desenvolvimento de estratégias de 
controle no próprio instrumento
 Possibilidade de distribuição de tarefas 
e conseqüentemente redução da carga 
de processamento nos controladores
programáveis
 Possibilidade de utilização de CPU de 
controladores de menor porte (verificar 
aumento de custo com unidades de 
reposição e capacitação da mão de 
obra de manutenção)
Tecnologia microprocessada
Sistemas de Instrumentação
Sistemas de Instrumentação
A especificação dos instrumentos é realizada a partir da análise 
do Diagrama de Fluxo de Processo (PFD)
Sistemas de Instrumentação
A partir do PFD e das particularidades do processo, devem ser 
analisados:
- O tipo de variável associada;
- Os limites da variável;
- O princípio de funcionamento;
- A precisão necessária;
- A velocidade de resposta;
- As funcionalidades necessárias;
- O local de instalação;
- O grau de risco associado;
- A tecnologia do instrumento;
- O tipo de comunicação;
- Outros.
Sistemas de Instrumentação
Os instrumentos são então alocados sobre o PFD, dando origem 
ao P&ID (Diagrama de Processo e Instrumentação)
Sistemas de Instrumentação
Para cada instrumento é gerada uma Folha de Dados (FD) que 
será utilizada para a aquisição dos mesmos
Sistemas de Instrumentação
Simbologia ISA