Instrumentação E Controle

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UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Instrumentação e
Controle
Prof. Gil Pinheiro (UERJ/PETROBRAS)
Janeiro/2003
UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO
PÓS-GRADUAÇÃO “LATU-SENSU” EM ENGENHARIA
MECATRÔNICA (ESPECIALIZAÇÃO)
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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
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Logística do Curso
• Material do Curso
– Cópia da Apresentação
– Apostila
– Avaliação Final
• Duração
– 20 horas
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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)
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Histórico - Instrumentação e
Controle na Indústria
• Instrumentação Mecânica
• Instrumentação Pneumática
• Instrumentação Eletrônica Analógica
• Instrumentação Eletrônica Digital
• Instrumentação à Microprocessador
• Instrumentação Baseada em Redes
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O Papel da Instrumentação,
Medição e Controle
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A Instrumentação e Controle
na Indústria - Aplicações
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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
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Automação Integrada da Produção
Conductor
NT Server
Rede de Controle
Conductor NT
Direct Client
Rede de Operações
Corporate Enterprise
Network
World Wide Web /
Internet
Rede Corporativa
DCU2000GHarmony
DCU
INFI 90
OPEN
PCU
F2K
Process
Station
Conductor NT
Redundant
I90 Server
Conductor NT
Routed Client
Conductor NT
Routed Client
Conductor NT
Client
Extender
Conductor NT
Routed Client
Ethernet
INFI-NET
OPC Data
Source
(PLC)
OPC Data
Source
(PLC) Harmony
Controller
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Hierarquia da Automação
Industrial
Processo
Controle
Regulatório
Controle
Regulatório
Controle
Regulatório
Controle
Regulatório
Controle
Regulatório
Controle
Regulatório
Controle
Avançado
Controle
Avançado
Otimização
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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)
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Sistema de Malha Aberta
Processo
Medidor 2
(Transdutor 2)
Medidor 3
(Transdutor 3)
Medidor 1
(Transdutor 1)
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Medidor
Sistema de Malha Fechada
Atuador
Processo
Processamento
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Sistema de Malha Fechada
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Sistema de Malha Fechada
Medidor
(Transdutor)
Algoritmo de
Controle
Valor
Esperado
Erro
Processo
Atuador
Perturbações
Exemplo: Sistema de controle tipo Feed-Back
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Desempenho do Sistema
de Controle
Sem controle
Com controle
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Características dos
Sistemas de Medição
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Sistemas de Medição
• Componentes de um Sistema de Medição
Variável a
ser Medida
Transdutor e
Condicionador
de Sinal
Filtragem
(Analógica ou
Digital)
Aquisição de Dados
e/ou Apresentação
Apresentação da
Variável
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Sistemas de Medição -
Condicionamento
• Linearização
• Amplificação
• Compensação (T)
• Filtragem
• Conversão A/D
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Caraterísticas de um Sistema de Medição
Sistema em Estudo
Características
Estáticas
Linearidade
Histerese
Resolução
Deriva
Características
Dinâmicas
Constantes de Tempo
Ressonâncias
Resposta ao Transitório
Resposta de Frequência
Sistemas de Medição
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Sistemas de Medição
Transdutor (S)
Sinal
Analógico
(E,I)
Sinal Digital
(Pulsos)
Processador e
Apresentação
(F)
Saída:
Variável
Apresentada
Transdutor
Sensibilidade (S) e Fator de Escala (F)
Variável a
ser Medida
Processador
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Sistemas de Medição
P
Tanque
h
Exemplo: medição de nível
Nível (h) Pressão (P) Sinal Elétrico Indicação(metros, litros)
Transdutor Processador
e Indicador
S F
Transdutor
Indicador Local
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Sistemas de Medição
Transdutor
Sinal
Analógico
(E,I)
Sinal Digital
(Pulsos)
Condicionador
e Processador
Sinal
Padronizado
(analógico
ou digital)
Transmissor
Transdutor X Transmissor
Variável a
ser Medida
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Sistemas de Medição
• Transdutor
– 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
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Análise de Sistemas Físicos
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Análise de Sistemas Físicos
• Resposta ao Degrau
• Tempo de Resposta, Tempo Morto
• Resposta no Domínio da Frequência
• Modelagem de Sistemas Físicos
• Resposta ao Impulso
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Sensores e Transdutores
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Sensores e Transdutores
•Temperatura
•Pressão
•Vazão
•Nível
•Deslocamento
•Força
•Outros
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Medição de Temperatura
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Medição de Temperatura
•Termopar
•Termoresistência
•Termistor
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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
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Termopares
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Termopares
Termopar de Isolação Mineral
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Termopares
• Sensibilidade termelétrica de alguns materiais
em relação a Platina
Constantan
Níquel
Alumel
Carbono
Prata
Alumínio
-35
-15
-13,6
+3
+6,5
+3,5
uV/ºCMaterial
Cobre
Ouro
Tungstênio
Ferro
Silício
Chromel
+6,5
+6,5
+7,5
+18,5
+440
+25,8
uV/ºCMaterial
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Termopares
T1
Metal A
T2
V Junta 2Junta 1
Metal B
Metal A
• Termopar
E2E1
V
• Circuito Elétrico Equivalente (V = E1 – E2)
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Termopares
• Tensão V é função do DT = T1 - T2
• V = E2 - E1
• V é da ordem de dezenas de milivolts para
DT de centenas de graus centígrados
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Termopares
•Termopar
•Circuito Equivalente (V = E1 – E2)
E2E1
V
T1
Metal A
V
Junta 2
(T2)
Junta 1
Metal B
Metal C
Metal C
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Termopares
T1
Metal A
V
Junta 2
(T2)
Junta 1
Metal B
Metal C
Metal C
Exemplo:
Termopar tipo K (Chromel/Alumel),tensão medida
em V de 12,4 mV e a temperatura ambiente (T2) é
37ºC. Quanto vale a temperatura T1?
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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
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Termoresistência
Termoresistência de 3 fios
Termoresistência de 4 fios
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Termoresistência
Curvas de Resposta (Pt-100)
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Termoresistência
Circuitos de Medição a 2, 3 e 4 fios
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Instalação no Processo
Poço de conexão flangeada
e caixa de conexão
Poço de conexão roscada,
caixa de conexão e 
caixa de selagem
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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
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Termistor
• Composição
• Curva de resposta
• Tipos NTC e PTC
• Aplicações
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Medição de Pressão
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Medidor de Pressão -
Tubo de Bourdon
Manômetro de Tubo de Bourdon
Entrada de Pressão
O tubo (de Bourdon) tende a se
endireitar sob pressão, causando a
rotação do ponteiro
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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
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Medidor de Pressão -
Capacitivo
Corte de Transmissor Capacitivo
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Medidor de Pressão -
Capacitivo
1-Diafragma Sensor
2-Diafragma Isolador
3-Fluido de Enchimento
4-Superfície Metalizada
Cerâmica
Vidro
Aço Inox
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Medidor de Pressão -
Capacitivo (Diagrama Interno)
R1C1
C2 R2
Sinal 
de DP
Amplificador
RT Sinal de 
Temperatura
Microcontrolador
Sinal 
de Saída
Detector
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Medidor de Pressão -
Capacitivo (Aplicações)
Pressão
Diferencial (DP)
• 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.: DP de uma placa ou de um venturi)
• Medição de densidade
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Medidor de Pressão -
Capacitivo (Aplicações)
Pressão
Manométrica
• Pressão do processo é aplicada em uma câmara
• Outra câmara aberta para atmosfera
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Medidor de Pressão -
Capacitivo (Aplicações)
Pressão
Absoluta
• Pressão do processo é aplicada em uma câmara
• Outra câmara é evacuada e selada
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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
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Medidor de Pressão -
Strain Gage
• A pressão deforma um diafragma dotado de um medidor
de força (strain gage)
Pressão
Diafragma
Strain Gage
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Medição de Vazão
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Medidor de Vazão -
Placa de Orifício
• Medidor de vazão mais difundido
na indústria de processo
• Consiste numa placa metálica com
um orifício calculado
• Usada em conjunto com um transmissor de
pressão diferencial com extração de raiz
(transmissor de vazão)
Fluxo
• A placa produz uma perda de carga
(DP) proporcional ao quadrado da
vazão
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Medidor de Vazão -
Placa de Orifício (instalação)
• Instalação tipo Flange Taps
• Instalação tipo Vena Contracta
Taps
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Medidor de Vazão -
Placa de Orifício (instalação)
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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%
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Medidor de Vazão - Turbina
• Geração de pulsos através de
captador de relutância
variável
• Turbina de pequeno porte
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Medidor de Vazão - Turbina
• Curva de performance,
repetibilidade e linearidade
• Curva de perormance em
regime laminar e turbulento
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Medidor de Vazão - Turbina
• Efeito de acidentes
na tubulação
• Influência de rotação
da massa fluida
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Medidor de Vazão - Turbina
• Trecho de medição
• Aferidor (microprover)
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Medidor de Vazão Ultrassônico
TD = Tempo de trânsito Downstream (A®B)
TU = Tempo de trânsito Upstream (B®A)
Lp = Distância de percurso AB
C = Velocidade do som no fluido
Vp = Velocidade do fluido na direção AB
Onde:
(TU –TD) Lp cos j
2 TU TD
V =
TU = Lp / (C–Vp)Fluxo
(V)
A
B
TD = Lp / (C+Vp)
j
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Medidor de Vazão Ultrassônico
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Medidor de Vazão Ultrassônico
Trecho de Medição
em linha de 30 pol
4 FEIXES
ULTRASÔNICOS
8 TRANSDUTORES
ULTRASÔNICOS
Conceito de Corda
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Medidor de Vazão Ultrassônico
Trecho de Medição de 32 pol.
Montagem para Medição Externa
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Medidor de Vazão Magnético
• Baseia-se na Lei de Faraday
• Medidor magnético industrial
B = intensidade de Campo magnético
l = distância entre sensores (=D)
v = velocidade do fluido
e = Blv
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Medição de Nível
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Medidores de Nível -
de Empuxo
Transmissor de Nível
Eletrônico
Transmissor de Nível
Pneumático
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Medidores de Nível -
de Empuxo
Sensor de
Força (F)
Princípio de Funcionamento
F = K (W – E)
E
W
E = gAh
h
g
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Medidores de Nível -
de Empuxo
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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
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Medidores de Nível -
Outros Tipos
• Radar
• Servo Operado
• Ultrassom
• Capacitivo
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Medição de Posição
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Medidores de Posição -
Angular (Ótico)
• Arranjo de um sensor
angular ótico
• Disco Codificador Absoluto • Disco Codificador Relativo
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Medidores de Posição -
Distância (Indutivo)
• Medidor de distâncias
pequenas (gap), usado em
máquinas (compressores,
bombas, etc)
• Princípio de
funcionamento
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Medidores de Posição -
Distância (LVDT)
• Linear Variable
Differential Transformer
• Princípio de
funcionamento
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Medidores de Posição -
Distância (LVDT)
• Circuito de processamento de sinal
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Medição de Força
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UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidores de Força -
Strain Gage
• Sensor resistivo de deformação
• Composição
E
R1
R2
E1 E2
R3
R4
• Ponte de 1, 2 e 4 braços
• Circuito amplificador
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Medidores de Força -
Strain Gage
• Célula de Carga Tipo S
• Medição de Torque
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Medidores de Força -
Fio Vibrantef µ
Ö T
L
T
L Sensor
Bobina
Sinal (f)
Fio vibrante
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Outros Medidores
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UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Transdutores de pH
• Sensores de medição
de pH (potencial de
hidrogênio)
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Outros Transdutores
• Sensores de Gás
• Condutivímetros
• Densímetros
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Atuadores
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Atuadores
• Atuadores Motorizados
• Atuadores Pneumáticos
• Outros Atuadores
• Objetivo
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Atuadores - Objetivo
Realimentação)
Sinal
Suprimento
Servo
Amplificador
Módulo
Atuador
Estágio de
Potência
Alimentação
Ação
• Gerar uma ação em função do sinal
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Atuadores Motorizados
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Atuadores Motorizados
Atuador de Válvula Motorizado
Motor
Caixa de
Conexões
Painel
Local
Cartões
Eletrônicos
Volante
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Atuadores Motorizados
Rede (Fieldbus) de Atuadores Motorizados
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UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Cartão de Comunicação (Field-Bus) e Configurador (PC)
Atuadores Motorizados
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Conexão do Cartão Field-Bus ao Atuador Elétrico Motorizado
Atuadores Motorizados
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UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Rede Redundante de Atuadores Motorizados
Atuadores Motorizados
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Atuadores Pneumáticos
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UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Atuadores Pneumáticos
Válvula de Controle com Posicionador Eletropneumático
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Atuadores Pneumáticos
Posicionador de Válvula Eletropneumático
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UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Atuadores Pneumáticos
Posicionador de Válvula Eletropneumático
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Atuadores Pneumáticos
Válvula de Controle com Posicionador Pneumático
52
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Válvula de Controle tipo 
Borboleta, Atuador Pneumático 
Atuadores Pneumáticos
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Válvula tipo Globo 
com Conversor I/P
Internos de Válvula tipo
Globo
Atuadores Pneumáticos
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UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Características de Válvulas
de Controle
• Curvas características (Vazão x
Abertura) de válvulas de controle
• Linear
• Igual Percentagem
• Abertura Rápida
• Aplicação
• Split Range
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Conversor I/P
4 20
I (mA) 
12
P (psi) 
3 
9 
15
Atuadores Pneumáticos
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UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Outro Tipos de Atuadores
• Motores de Passo
• Controlador de Velocidade (Inversor)
• Válvulas Solenóide
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Sistemas de Controle
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Sistemas de Controle
• Tecnologia de Controladores
– Single Loop
– SDCD
• Algoritmos de Controle
– CLP
– Pneumático
• Transmissão de Sinal e Comunicação
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Sistemas de Controle -
Algoritmos
Algoritmo de 
Controle
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UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Sistemas de Controle -
Algoritmos
• Algoritmos de Controle
– ON/OFF
– PID (P, P+I, P+I+D)
– PID razão
– Controle Antecipativo (Feed-Forward)
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Sistemas de Controle
• Controlador Single/Multi Loop
Controlador e módulo programador
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UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Sistemas de Controle - CLP
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
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
Dimensões (AxLxP):
117 x 92 x 98 mm
CPU:
•Clock: 15 Mhz
•Leds de estado da UCP;
•Circuito “Watch dog Timer”;
•Memória: 16K RAM e 16K E2PROM.
Interface:
•IHM local, ou
•Rede ALNET-I
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Fabricante: ABB (ex-Bailey) 
Modelo: INFI-90
• 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
Características Básicas
Sistemas de Controle - SDCD
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Sistemas de Controle - SDCD
UERJ - Prof. Gil PinheiroArquitetura Unidade Controle Processos
Sistemas de Controle - SDCD
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UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Controlador PID Pneumático
Controlador PID Pneumático
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Transmissão de Sinal
e Comunicação
• Padrão 4 a 20 mA
• Fieldbus
• Protocolo Hart
• Protocolo Modbus
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UERJ - Prof. Gil Pinheiro
E/S 1
E/S 2
E/S n
Controladores
Rede de Campo
Gateway
E/S 1
E/S 2
E/S n
IHM 1 IHM 2
Módulos de E/S
• Local
• Remoto
Estações PC
Windows-NT
Interface Humano-
Máquina
Para outras IHM
Para outros
Controladores
Rede Corporativa
Controladores
Rede de Planta
Rede de Controle
Níveis de Rede
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Protocolo Hart
• 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
• Rede de comunicação com transmissor
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UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Protocolo Hart
Transmissor
(Hart)
Programador
Hart
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Protocolo Hart -
exemplo de parâmetros
• Range do transmissor
• Compensação de zero
• Filtragem (amortecimento)
• Parâmetros do indicador local
• Calibração do sensor
• Tag (identificador)
62
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
FIM !!!!
Obrigado