Prévia do material em texto
1 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) UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 2 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Logística do Curso • Material do Curso – Cópia da Apresentação – Apostila – Avaliação Final • Duração – 20 horas UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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) 3 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Histórico - Instrumentação e Controle na Indústria • Instrumentação Mecânica • Instrumentação Pneumática • Instrumentação Eletrônica Analógica • Instrumentação Eletrônica Digital • Instrumentação à Microprocessador • Instrumentação Baseada em Redes UERJ - Prof. Gil Pinheiro O Papel da Instrumentação, Medição e Controle 4 UERJ - Prof. Gil Pinheiro A Instrumentação e Controle na Indústria - Aplicações UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 5 UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Hierarquia da Automação Industrial Processo Controle Regulatório Controle Regulatório Controle Regulatório Controle Regulatório Controle Regulatório Controle Regulatório Controle Avançado Controle Avançado Otimização 6 UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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) UERJ - Prof. Gil Pinheiro Sistema de Malha Aberta Processo Medidor 2 (Transdutor 2) Medidor 3 (Transdutor 3) Medidor 1 (Transdutor 1) 7 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidor Sistema de Malha Fechada Atuador Processo Processamento UERJ - Prof. Gil Pinheiro Sistema de Malha Fechada 8 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Sistema de Malha Fechada Medidor (Transdutor) Algoritmo de Controle Valor Esperado Erro Processo Atuador Perturbações Exemplo: Sistema de controle tipo Feed-Back UERJ - Prof. Gil Pinheiro Desempenho do Sistema de Controle Sem controle Com controle 9 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Características dos Sistemas de Medição UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 10 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Sistemas de Medição - Condicionamento • Linearização • Amplificação • Compensação (T) • Filtragem • Conversão A/D UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 11 UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 12 UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 13 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Análise de Sistemas Físicos UERJ - Prof. Gil Pinheiro Análise de Sistemas Físicos • Resposta ao Degrau • Tempo de Resposta, Tempo Morto • Resposta no Domínio da Frequência • Modelagem de Sistemas Físicos • Resposta ao Impulso 14 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Sensores e Transdutores UERJ - Prof. Gil Pinheiro Sensores e Transdutores •Temperatura •Pressão •Vazão •Nível •Deslocamento •Força •Outros 15 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medição de Temperatura UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medição de Temperatura •Termopar •Termoresistência •Termistor 16 UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Termopares 17 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Termopares Termopar de Isolação Mineral UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 18 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Termopares T1 Metal A T2 V Junta 2Junta 1 Metal B Metal A • Termopar E2E1 V • Circuito Elétrico Equivalente (V = E1 – E2) UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 19 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Termopares •Termopar •Circuito Equivalente (V = E1 – E2) E2E1 V T1 Metal A V Junta 2 (T2) Junta 1 Metal B Metal C Metal C UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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? 20 UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Termoresistência Termoresistência de 3 fios Termoresistência de 4 fios 21 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Termoresistência Curvas de Resposta (Pt-100) UERJ - Prof. Gil Pinheiro Termoresistência Circuitos de Medição a 2, 3 e 4 fios 22 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Instalação no Processo Poço de conexão flangeada e caixa de conexão Poço de conexão roscada, caixa de conexão e caixa de selagem UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 23 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Termistor • Composição • Curva de resposta • Tipos NTC e PTC • Aplicações UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medição de Pressão 24 UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 25 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidor de Pressão - Capacitivo Corte de Transmissor Capacitivo UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidor de Pressão - Capacitivo 1-Diafragma Sensor 2-Diafragma Isolador 3-Fluido de Enchimento 4-Superfície Metalizada Cerâmica Vidro Aço Inox 26 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidor de Pressão - Capacitivo (Diagrama Interno) R1C1 C2 R2 Sinal de DP Amplificador RT Sinal de Temperatura Microcontrolador Sinal de Saída Detector UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 27 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidor de Pressão - Capacitivo (Aplicações) Pressão Manométrica • Pressão do processo é aplicada em uma câmara • Outra câmara aberta para atmosfera UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidor de Pressão - Capacitivo (Aplicações) Pressão Absoluta • Pressão do processo é aplicada em uma câmara • Outra câmara é evacuada e selada 28 UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidor de Pressão - Strain Gage • A pressão deforma um diafragma dotado de um medidor de força (strain gage) Pressão Diafragma Strain Gage 29 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medição de Vazão UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 30 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidor de Vazão - Placa de Orifício (instalação) • Instalação tipo Flange Taps • Instalação tipo Vena Contracta Taps UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidor de Vazão - Placa de Orifício (instalação) 31 UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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% UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidor de Vazão - Turbina • Geração de pulsos através de captador de relutância variável • Turbina de pequeno porte 32 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidor de Vazão - Turbina • Curva de performance, repetibilidade e linearidade • Curva de perormance em regime laminar e turbulento UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidor de Vazão - Turbina • Efeito de acidentes na tubulação • Influência de rotação da massa fluida 33 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidor de Vazão - Turbina • Trecho de medição • Aferidor (microprover) UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 34 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidor de Vazão Ultrassônico UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidor de Vazão Ultrassônico Trecho de Medição em linha de 30 pol 4 FEIXES ULTRASÔNICOS 8 TRANSDUTORES ULTRASÔNICOS Conceito de Corda 35 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidor de Vazão Ultrassônico Trecho de Medição de 32 pol. Montagem para Medição Externa UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 36 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medição de Nível UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidores de Nível - de Empuxo Transmissor de Nível Eletrônico Transmissor de Nível Pneumático 37 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidores de Nível - de Empuxo Sensor de Força (F) Princípio de Funcionamento F = K (W – E) E W E = gAh h g UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidores de Nível - de Empuxo 38 UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidores de Nível - Outros Tipos • Radar • Servo Operado • Ultrassom • Capacitivo 39 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medição de Posição UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidores de Posição - Angular (Ótico) • Arranjo de um sensor angular ótico • Disco Codificador Absoluto • Disco Codificador Relativo 40 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidores de Posição - Distância (Indutivo) • Medidor de distâncias pequenas (gap), usado em máquinas (compressores, bombas, etc) • Princípio de funcionamento UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidores de Posição - Distância (LVDT) • Linear Variable Differential Transformer • Princípio de funcionamento 41 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidores de Posição - Distância (LVDT) • Circuito de processamento de sinal UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medição de Força 42 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 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidores de Força - Strain Gage • Célula de Carga Tipo S • Medição de Torque 43 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Medidores de Força - Fio Vibrantef µ Ö T L T L Sensor Bobina Sinal (f) Fio vibrante UERJ - Prof. Gil Pinheiro Outros Medidores 44 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 45 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Atuadores UERJ - Prof. Gil Pinheiro Atuadores • Atuadores Motorizados • Atuadores Pneumáticos • Outros Atuadores • Objetivo 46 UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 47 UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 48 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 49 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Rede Redundante de Atuadores Motorizados Atuadores Motorizados UERJ - Prof. Gil Pinheiro Atuadores Pneumáticos 50 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Atuadores Pneumáticos Válvula de Controle com Posicionador Eletropneumático UERJ - Prof. Gil Pinheiro Atuadores Pneumáticos Posicionador de Válvula Eletropneumático 51 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 53 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 54 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Outro Tipos de Atuadores • Motores de Passo • Controlador de Velocidade (Inversor) • Válvulas Solenóide UERJ - Prof. Gil Pinheiro Sistemas de Controle 55 UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 56 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 57 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 UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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 58 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Sistemas de Controle - SDCD UERJ - Prof. Gil PinheiroArquitetura Unidade Controle Processos Sistemas de Controle - SDCD 59 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 60 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 61 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Protocolo Hart Transmissor (Hart) Programador Hart UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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