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apostila sobre plc
Tipologia: Notas de estudo
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A automação industrial na Bacia de Campos se refere a todos os meios de supervisionar, controlar e atuar equipamentos em uma plataforma de produção.
Os objetivos principais da Automação industrial são:
Sala de controle de uma plataforma de produção
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A Automação das Unidades de Produção pode ser dividida nos seguintes sistemas : Controle, Medição, Intertravamento de Segurança, Fogo & Gás, Geração e Distribuição de energia elétrica, Lastro ( para plataformas semi-submersíveis ), Turret ( para plataformas tipo FPSO e FSOs ) e Unidades Pacotes.
Sistema de Controle
Este Sistema tem como objetivo a execução das malhas de controle PID e a indicação das variáveis de processos (pressão, nível, temperatura, etc. ). O Sistema de controle é o responsável pelo dia a dia normal das plataformas.
Sistema de Medição
Devido a exigências da agencia reguladora ( ANP ) foi necessário a criação deste sistema. Este Sistema realiza a totalização das vazões de óleo e gás, emissão de relatórios e a configuração dos medidores. Este sistema está em fase de implantação, portanto, não é difícil encontra-lo ainda integrado ao sistema de controle.
Sistema de Intertravamento de Segurança
O Sistema de Intertravamento de Segurança da Planta de Processos (ESD - Emergency ShutDown) é composto por chaves de processo ( pressão, temperatura, nível, vazão, etc. ), transmissores , válvulas de bloqueio ( SDV ) e válvulas de despressurização ( BDV ), interligadas aos painéis de intertravamento de segurança. No caso de uma situação anormal, como por exemplo a falha de um equipamento ou de uma de suas malhas de controle, as chaves de processo ou os transmissores detectam a anormalidade e o intertravamento de segurança provoca a parada do equipamento, o fechamento das válvulas de bloqueio, e a abertura das válvulas de despressurização, conforme uma matriz de Causa versus Efeito preestabelecida pelos projetistas. Este sistema visa garantir na Unidade de Produção a integridade das pessoas, dos equipamentos, e a preservação do meio ambiente quando o Sistema de controle não é mais capaz de realizar esta tarefa.
Este sistema recebe e envia sinais para vários outros sistemas da plataforma através de rede proprietária ou ligações “hardwire” no caso de outros CLPs que não sejam do mesmo fabricante.
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Sistema de Lastro
Presente apenas nos sistemas flutuantes de produção (plataformas semi-submersíveis e navios), este sistema é o responsável pela supervisão e controle do nível dos tanques de lastro e da estabilidade da embarcação. É um sistema independente que tem que estar disponível sempre, isto é , ele não é desligado pelo Sistema de ESD ou outro qualquer por ser considerado essencial.
Sistema de Turret
Presente apenas nos FPSOs e FSOs ( navios adaptados a produção e armazenamento de petróleo) devido as características de construção do Turret, os equipamentos que o compõem são isolados do resto da plataforma, por isto, foi criado um sistema especial instalado no próprio Turret que recebe e trata todos os sinais do próprio Turret. Este sistema tem um pouco de todos os outros e gera sinais que são compartilhados com os outros sistemas através de rede proprietária.
Outros Sistemas - Unidades Pacotes
Alguns equipamentos possuem painel próprio para realização de intertravamento e controle, e são denominados Unidades Pacotes.
Como exemplo destas Unidades Pacotes temos :
Bombas de incêndio, Compressores de gás, Bombas de injeção de água, Bombas de transferência de óleo, Turbogeradores
Estas unidades pacotes são interligadas ao sistema de automação da plataforma por meio de sinais básicos de intertravamento. Estes sinais tem como objetivo colocar as unidades pacotes em sintonia com o estado do sistema de ESD da plataforma.
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A Bacia Petrolífera de Campos está situada no Norte do estado do Rio de Janeiro à leste do cabo de São Tomé, a aproximadamente 50 Km da costa. Os campos de óleo e gás estão divididos gerencialmente em 6 ativos : Norte, Centro, Sul, Nordeste, Marlim e Albacora.
Plataformas e Campos de petróleo da Bacia de Campos
Nos ativos Norte, Centro e Sul estão localizadas as Unidades de Produção Offshore da primeira geração de plataformas da Bacia de Campos, implantadas no período de 1980 a
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Unidades de produção de última geração
Nas plataformas mais modernas, os sistemas de automação industrial ganharam novas tecnologias. As principais melhorias foram:
Com os ganhos apresentados pelas plataformas de ultima geração, foram implantados vários projetos de modernização nas plataformas de gerações anteriores.
Ganhos obtidos com a Modernização dos Sistemas de Automação:
Como conseqüência desta demanda por automação foi criado um grupo de projetos e outro grupo para suporte de automação industrial. Estes grupos atualmente estão unidos na UNBC, na gerencia de Suporte Técnico, e Gerencia Setorial de Automação.
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Controle contínuo – PID
Um sistema de controle automático tem como objetivo manter as variáveis de um processo, tais como: temperatura, pressão, nível e vazão, em um valor de operação desejado. Os processos industriais são dinâmicos por natureza e mudanças estão sempre ocorrendo, se ações não são tomadas, as variáveis importantes, relacionadas com segurança, qualidade do produto e produtividade não se manterão nas condições de projeto. Na figura acima é mostrado um exemplo de controle de processo em que um aquecedor é utilizado para aquecer o produto a determinada temperatura através do controle da vazão de vapor.
O estudo do controle requer um vocabulário próprio. Na tabela abaixo estão definidos os termos mais utilizados e que podem ser identificados na figura anterior.
Processo, Sistema ou Planta
Conjunto de equipamentos (vasos, válvulas, tubulação, bombas, compressores, etc) em que se deseja controlar alguma grandeza física, tal como, temperatura, pressão, nível, vazão, etc.
Variável controlada ou de processo
Grandeza física que deve ser mantida ou controlada em um valor desejado (Tpo).
Sensor Instrumento que mede a variável controlada (TE).
Transmissor Instrumento que transmite o valor medido pelo sensor para o controlador. Nos instrumentos mais modernos o sensor e o transmissor estão no mesmo invólucro, podendo ser considerado um único instrumento ( TT). Referência ou Set-point O valor desejado da variável controlada (valor desejado de Tpo).
Variável manipulada Grandeza física que é ajustada para manter a variável controlada no valor de referência (Qai).
misturador
aquecedor H
vapor
produto
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Controle PID
O principal método de controle empregado é o controle PID, neste controle o objetivo é ajustar a variável manipulada de forma a manter a variável controlada igual a uma referência ( SET-POINT ), apesar de variações que possam ocorrer na variável controlada, devido a distúrbios externos ou a própria variação da referência. A principal característica desejada de um sistema de controle é a estabilidade. O sistema deverá ser estável em malha fechada, ou seja, para qualquer sinal limitado que entre no sistema, todas as variáveis do sistema deverão atingir valores limitados.
Abaixo a representação de um controlador PID em malha fechada.
Variável Manipulada (MV) PID
Referencia (SET-POINT)
+
Desvio
PID=P + I + D= Proporcional + Integral + Derivativo
-
Variável Controlada (PV)
Nível
PID (^) Válvula Processo
Sensor/ Transm.
mA
mA
mA
Vazão
Ref
Controlador
+
erro Variável controlada
-
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Ação Proporcional
Esta ação de controle estabelece uma relação linear entre a entrada (erro (e) = referência ( r) - variável controlada (y)) e a saída (variável manipulada ) do controlador. O parâmetro
é proporcional ao erro. O modo proporcional apenas calcula o erro instantâneo e multiplica por um fator constante que é o ganho do controlador. O erro de regime é denominado desvio (off-set). Com o aumento do ganho proporcional o erro diminuirá porém nunca será cancelado. Para alguns sistemas o aumento do ganho proporcional do controlador pode provocar instabilidade da sua malha, fazendo que seu processo perca o controle.
Ação Integral
A ação de controle integral, também é chamada de modo RESET porque, para alguns tipo de processo, após uma alteração na carga do processo ou na referência, ele retorna a variável controlada para a referência e elimina o valor residual do erro gerado pelo modo proporcional. Este modo estabelece uma relação linear entre a saída do controlador (u ) e a integral do erro, ou seja, a velocidade de correção do sinal de saída é proporcional ao valor do erro.
Na prática utiliza-se controladores integrais associados com controladores proporcionais.
Ação Derivativa
Ao contrário do modo integral que atua sobre os valores passados do erro, o modo derivativo antecipa o estado futuro e atua na predição do erro. Quando o processo possui termos armazenadores de massa ou energia em grandes proporções o modo derivativo torna-se necessário pela capacidade de agir sobre a tendência da variável controlada, antecipando ações corretivas sobre efeitos enquanto esses ainda são pequenos, caso contrário, seria mais dispendioso cancelar ou reverter esses efeitos depois deles já terem se desenvolvido. O modo derivativo estabelece uma relação linear entre a saída e a derivada da entrada do controlador(erro) ,ou seja, o sinal de saída do controlador é proporcional a velocidade de variação do erro.
Sintonia de um controlador é a escolha dos parâmetros do controlador (Kp, Ti e Td) de forma que a variável controlada apresente um determinado comportamento (forma de resposta) após uma variação da referência ou da carga. Existem vários métodos de sintonia para o controlador PID. Alguns métodos são analíticos e requerem o conhecimento do modelo dinâmico da planta. Outros métodos são empíricos, e estabelecem regras baseadas no resultado de estímulos aplicados na planta. Trataremos nesta apostila apenas de algumas regras práticas. Grande parte da literatura de controle de processo recomenda que em um controlador bem sintonizado, a variável controlada, após uma mudança da referência em degrau, deve obter uma taxa de amortecimento de 1 / 4 , bom compromisso entre uma rápida subida e um curto tempo de acomodação, considerando apenas os critérios de estabilidade e sem falar em otimização.
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A figura abaixo mostra o comportamento de um sensor do tipo discreto em relação a sua variável controlada.
Com o acionamento do sensor o controlador, normalmente um CLP, pode tomar as ações necessárias, no exemplo de nível ele pode acionar uma bomba para esgotar o vaso ou em caso de emergência pode acionar o sistema de intertravamento de emergência para colocar a planta em uma condição segura paralisando todo o processo. É neste tipo de controle que é baseado todo o sistema de ESD da plataforma.
VARIÁVEL DISCRETA VARIÁVEL DISCRETA
tt
24 Vcc24 Vcc
0 Vcc0 Vcc
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Em 1968 a General Motors solicitou aos fabricantes de instrumentos de controle o desenvolvimento um novo tipo de controlador mais fácil de configurar para substituir os painéis a relês usados na fabricação de automóveis. Naquele tempo os painéis de automação das fábricas da GM eram compostos de diversas salas com reles e cabos que executavam a lógica necessária a execução dos trabalhos. Quando acontecia a troca de modelo de carro a ser fabricado, era necessário um grande tempo de paralisação da fabrica para a alteração da lógica adequada ao novo modelo.
PLC 5 em configuração HOT STANDBY O que é um CLP?
O CLP é um microcomputador dedicado a automação de maquinas e processos, onde informações provenientes do processo ( entradas) são processadas em um programa ( processamento ) que geram respostas para atuar no processo ( saídas ).
Os CLPs também são conhecidos por sua sigla em inglês, PLC, Programable Logic Controler.
E Processamento S