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Luiz Affonso Guedes 1
Automação da Medição na
Indústria do Petróleo
Luiz Affonso Guedes www.dca.ufrn.br/~affonso [email protected]
Luiz Affonso Guedes 2
Apresentação
Disciplina da ênfase de Automação Carga-horária: 60h teóricas Automação da Medição (affonso) Processamento e transmissão de sinais (Adrião) Teoria de Controle (Maitelli) Horário e Local: 23456M LAMP - Auditório Avaliação: A definir
Luiz Affonso Guedes 3
Objetivo da Disciplina
Apresentar os conceitos associados com os
procedimentos de automação na indústria
de petróleo e gás
Luiz Affonso Guedes 4
Ementa da Disciplina
Definição de automação.
Sensores e Atuadores.
Condicionamento e transmissão de sinais
Teoria de controle
Redes Industriais
Gerência de Informação
Luiz Affonso Guedes 5
Referências Bibliográfica
Instrumentação Industrial, Egídio Alberto Bega e Alli, Eitora Interciência, 2003.
Luiz Affonso Guedes 6
Conteúdo desta Fase
Definição de automação Instrumentação industrial Sensores e atuadores Hardware e software de controle Redes Industrias Inter-travamento e Sistema de Segurança Gerência de Informação
Automação da Medição
Luiz Affonso Guedes 7
Automação – Visão Geral
Estudo sistêmico de sistemas de automação
industrial.
Caracterização dos elementos constituintes
da automação industrial.
Evolução da automação industrial.
Caracterizar os requisitos demandados
pelas aplicações em Automação Industrial.
Luiz Affonso Guedes 8
Desafio de integração de informação
Visão Geral da Automação Industrial
Luiz Affonso Guedes 9
Objetivos da Automação Industrial
Aumento da segurança
Diminuição dos custos operacionais
Melhoria das condições de operação
Simplificação das instalações
Aumento dos níveis de controle
Aumento dos níveis de acompanhamento
Luiz Affonso Guedes 10
Vantagens da Automação
Qualidade do Produto
Qualidade do produto
Tolerância de suas propriedade
Necessidade de Instrumentos mais precisos
Teste em diferentes pontos da linha
Luiz Affonso Guedes 11
Vantagens da Automação
Qualidade do Produto
Processo
Quantidade de
matéria prima
Material de
Produtos finais
Determinação de
custo de rendimento
Luiz Affonso Guedes 12
Vantagens da Automação
Economia do Processo
Controlando a temperatura de fornos e secadores
Utilizando sensores de temperatura tais como
Termopares ou Termistores
Luiz Affonso Guedes 19
Sub-sistema envolvidos
Elemento sensor Condicionador de sinal Transmissor Indicador Registrador Computador de vazão Válvula de controle
Exemplo de Processo Automatizado
Luiz Affonso Guedes 20
Exemplo de Processo Automatizado
Luiz Affonso Guedes 21
Disciplinas Envolvidas
Sistemas de Controle
Instrumentação
Informática
Processo
Comunicações
Luiz Affonso Guedes 22
Níveis de Abstração do Problema
Nível de Processos Físicos
Nível de Sensores e Atuadores
Nível de Controle Direto: PC, CLP
Nível de Supervisão
Nível de Gerência
Nível de Rede de Comunicação
Motores, robôs, caldeiras, etc.
Eletrônica de potência, transdutores, acio. pneumático, etc
Algoritmos PID, fuzzy, lógica de relé,etc
Tecnologias e protocolos de comunicação
Visualização, configuração e armazenamento e variáveis
Geração de informação estratégica
Luiz Affonso Guedes 23
Níveis de Tecnologias do Problema
Luiz Affonso Guedes 24
Automação: Industrial + Gerencial
VENDASVENDAS
PLANEJAMENTOPLANEJAMENTO
BANCO DE DADOS CORPORATIVOSBANCO DE DADOS CORPORATIVOS
INFORMAINFORMAÇÇÃO E SIMULAÃO E SIMULAÇÇÃOÃO
INTEGRAINTEGRAÇÇÃO DE CAMPOÃO DE CAMPO OPERAOPERAÇÇÃO E SUPERVISÃO(OTIMIZA(OTIMIZAÇÃO E SUPERVISÃOÇÃO)ÃO)
CONTROLE E SEGURANCONTROLE E SEGURANÇÇAA
CAMPOCAMPO
Sistema GerencialSistema Gerencial
AUTOMAAUTOMAÇÇÃO INDUSTRIALÃO INDUSTRIAL
Elementos Sensores e Atuadores
PLC’s Controladores
Estações de Trabalho
Servidores
Estações deTrabalho
Luiz Affonso Guedes 25
O Nível de Processos Físicos
Nível de Processos Físicos
Nível de Sensores e Atuadores
Nível de Controle Direto: PC, CLP
Nível de Supervisão
Nível de Gerência
Luiz Affonso Guedes 26
Elementos Básicos
Processos Sensores Atuadores Calibração Segurança Economia de energia Condicionamento de sinais Conversão de sinais Hardware computacional Sistemas operacionais Linguagem de programação Estratégias de controle Estratégias de segurança: inter-travamento Estratégias de supervisão
Luiz Affonso Guedes 27
Processos
Sistemas físicos a serem monitorados, controlados, supervisionados,gerenciados Processos Contínuos As variáveis manipuladas têm natureza contínua Processos químicos e robótica Processos Discretos As variáveis manipuladas têm natureza discreta Políticas de inter-travamento e manufatura Sistemas Híbridos Variáveis contínuas + Variáveis discretas
Luiz Affonso Guedes 28
Processo Contínuo
TT^ LT^ LC
MISTURADOR
AQUECEDOR H
TC
vapor
Produto B
Produto A
Luiz Affonso Guedes 29
Processos contínuos: variáveis
analógicas
ní nívelvel
mAmA
tt Luiz Affonso Guedes 30
Processo Discreto
LSLL (^) SDV
VASO DE PROCESSO
PSLL
CLP
SDV
Luiz Affonso Guedes 37
Terminologias de Sensores
A norma ISA 37.1 (1982):Electrical Transducer Nomenclature and Terminology padroniza a terminologia e recomenda o seguinte:
elemento sensor ouelemento transdutor para o dispositivo onde a entrada e a saída são ambas não-padronizadas e de naturezas iguais ou diferentes.
transmissor para o instrumento onde a entrada é não-padronizada e a saída é padronizada e de naturezas iguais ou diferentes.
transdutor para o instrumento onde a entrada e a saída são ambas padronizadas e de naturezas diferentes.
conversor para o instrumento onde a entrada e a saída são ambas de natureza elétrica, mas com características diferentes, como o conversor A/D (analógico para digital), D/A (digital para analógico), conversor I/F (corrente para freqüência), conversor i/v (corrente para voltagem).
Luiz Affonso Guedes 38
Embora as principais variáveis de processo sejam nível, pressão, temperatura e vazão, as possíveis variáveis medidas são:
- Aceleração
- Análise (composição, pH)
- Atitude
- Condutividade elétrica
- Corrente elétrica
- Deslocamento
- Densidade
- Força (peso)
- Fluxo de calor
- Freqüência
- Luz
- Nível de líquido
- Número de Mach (velocidade relativa)
- Posição
- Potência
- Pressão e vácuo
- Queima (combustão)
- Radiação nuclear
- Temperatura
- Tempo
- Tensão elétrica
- Torque
- Umidade
- Vazão
- Velocidade
- Vibração
- Viscosidade
Luiz Affonso Guedes 39
Sensores - Princípios de Transdução
Conforme a natureza do sinal de saída, os sensores podem ser classificados como:
- Mecânicos
- Eletrônicos
Praticamente, toda variável de processo pode ser medida eletronicamente, porém nem toda variável pode ser medida mecanicamente.
Por exemplo, o pH só pode ser medido por meio elétrico. As principais vantagens do sinal eletrônico sobre o mecânico são: não há efeitos de inércia e atrito a amplificação é mais fácil de ser obtida a indicação e o registro à distância são mais fáceis.
Luiz Affonso Guedes 40
Sensores Mecânicos
O elemento sensor mecânico recebe naentrada a variável de processo e gera na saída uma grandeza mecânica, como movimento, força ou deslocamento, proporcional à variável medida.
O elemento sensor mecânico nãonecessita de nenhuma fonte de alimentação externa para funcionar; ele é acionado pela própria energia do processo ao qual está ligado. Exemplos de elementos sensores mecânicos: Espiral, para a medição de pressão; Enchimento termal, para temperatura; Placa de orifício, para a vazão
Luiz Affonso Guedes 41
Sensores de Pressão
Luiz Affonso Guedes 42
Mediç Medição de Não de Níívelvel
Luiz Affonso Guedes 43
VariVariáável Nvel Níívelvel
Altura da coluna líquida ou de sólidos
granulados em um tanque ou reservatório
Unidades
comprimento; volume; ou massa.
Símbolos: LG, LI, LR, LSL, LSH, LSLL, LSHH
Luiz Affonso Guedes 44
Medidores de Nível
Medição Direta Visor Bóia Fita Trena Medição Indireta Pressão diferencial Borbulhamento, Deslocamento Radar Ultra-sônico Eletrodos (condutividade)
Luiz Affonso Guedes 45
Cilindro Vertical
Luiz Affonso Guedes 46
Medição de Nível por Visor
O visor de nível é uma parede de vidro ou
outro material transparente com uma escala
graduada
É frágil, por ser construído de vidro
Pode-se usar armaduras e proteção metálicas,
para aumentar a resistência mecânica do visor
Pode-se usar paredes mais grossas ou
materiais transparentes mais resistentes,
como fibra de vidro e plásticos
Luiz Affonso Guedes 47
Visor de Nível
Luiz Affonso Guedes 48
Medição de Nível por Bóia
Sistema de medição direta de nível;
extremamente simples, usado em tanque
aberto para a atmosfera;
Requer manutenção freqüente, por se tratar
de sistema mecânico;
A bóia, ou flutuador, fica em contato direto
com o líquido do processo, sendo ligado por
um sistema de polias e contrapesos.
Luiz Affonso Guedes 55
Medição de Nível por Borbulhamento
Também se baseia na pressão diferencial medida; Injeta-se ar ou gás inerte (nitrogênio) através de tubo de vidro; Aumenta-se lenta e continuamente a pressão de suprimento do gás, até que se comece a borbulhar o gás No momento limite que começa o borbulhamento, a pressão aplicada é exatamente igual à pressão exercida pela coluna liquida. A pressão aplicada para borbulhar o gás é proporcional ao nível que se quer medir
Luiz Affonso Guedes 56
Sistema de Nível com Borbulhamento
Luiz Affonso Guedes 57
Vantagens e Desvantagens
¾ VantagensVantagens
¾ pode medir nível de fluidos sujos e corrosivos ¾ a temperatura do processo é limitada apenas pelo material do vidro
¾ (^) DesvantagensDesvantagens
¾ dificuldade de medição de nível em tanque fechado pressurizado ¾ sistema é frágil e exige muito cuidado de manuseio
Medição de Nível por Borbulhamento
Luiz Affonso Guedes 58
Medição de Nível por Radar
O tempo de propagação do sinal refletido é
medido pelo controle do oscilador (sensor);
Ele envia um sinal em uma freqüência fixa;
O detector radar é exposto simultaneamente à
varredura enviada pelo radar e ao sinal de
retorno refletido;
A saída do detector é um sinal de freqüência
que é igual à diferença entre os sinais enviado e
o refletido.
Luiz Affonso Guedes 59
Medição de Nível por Radar
Esta diferença de freqüência é diretamente proporcional ao tempo de propagação e à distância entre o sensor e o nível do líquido; O sinal de freqüência modulada (FM) varia entre 0 e 200 Hz, quando a distância varia 0 e 60 m; Uma vantagem desta técnica é que a informação da variável de processo está no domínio da freqüência em vez do domínio da amplitude modulada ou da diferença de tempo, o que permite uma conversão mais precisa.
Luiz Affonso Guedes 60
Medidor de Nível por Radar
Luiz Affonso Guedes 61
Medição de Nível por Ultra-som
Sistema de detecção de nível sônico (9500 Hz)
e ultra-sônico operam pela absorção da energia
acústica, quando ela se propaga da fonte para o
receptor ou pela atenuação (mudança de
freqüência) de um dispositivo vibrante,
oscilando em 35 a 40 kHz;
O transmissor de nível ultra-sônico opera
gerando um pulso e medindo o tempo que o eco
leva para voltar.
Luiz Affonso Guedes 62
Medição de Nível por Ultra-som
Transmissor pode ser montado no
topo do tanque e o tempo de propagação é uma indicação do espaço vazio acima do nível do líquido no tanque; fundo do tanque, o tempo de propagação reflete a altura de líquido no tanque e a velocidade do pulso é função deste líquido.
Luiz Affonso Guedes 63
Medidor de Nível Ultra-sônico
Luiz Affonso Guedes 64
Transmissor de Nível
Luiz Affonso Guedes 65
Sistema de Nível Tomada Lateral
Luiz Affonso Guedes 66
Sistema de Nível Tomada de Topo
Luiz Affonso Guedes 73
Sensor Resistivo
O sensor resistivo converte a variável de processo medida em uma variação de resistência elétrica. As variações de resistência podem ser causadas em condutores ou semicondutores (termistores) por meio de aquecimento, resfriamento, aplicação de tensão mecânica, molhação, secagem de certos sais eletrolíticos ou pelo movimento de um braço de reostato.
∆R ∆R
∆R ∆R
Luiz Affonso Guedes 74
E (^) x
Sensor Potenciométrico
O sensor potenciométrico converte a variável de processo medida em uma variação de relação de voltagens pela variação da posição de um contato móvel (wiper) em um elemento resistivo, através do qual é aplicada uma excitação.
A relação dada pela posição do elemento móvel é basicamente uma relação de resistências
E (^) w L
E (^) x
Ex
Ew Ex
Luiz Affonso Guedes 75
Sensor Strain-gage
O sensor strain-gage converte a variável de
processo medida em uma variação de
resistência em dois ou quatro braços da
ponte de Wheatstone.
D
B
C
A Link sensor
E x ∆E
A B
B
C D
A
Luiz Affonso Guedes 76
Sensor Fotocondutivo
O sensor fotocondutivo converte a variável de processo medida em uma variação de resistência elétrica (ou condutância) de um material semicondutor devido à variação da quantidade de luz incidente neste material
LuzLuz^ ∆RR
Luiz Affonso Guedes 77
Sensor Fotovoltáico
O sensor fotovoltáico converte a variável de processo medida em uma variação de tensão elétrica de um material semicondutor devido à variação da quantidade de luz incidente em junções de certos materiais semicondutores
Luz ∆ E
Luiz Affonso Guedes 78
Sensor Termoelétrico O sensor termoelétrico converte a variável de processo medida em uma variação de força eletromotriz gerada pela diferença de temperatura entre duas junções de dois materiais diferentes, devido ao efeito Seebeck Æ termopar
T^ ∆ E 1 T^2
Luiz Affonso Guedes 79
Termopares
Sensores de Temperatura
Luiz Affonso Guedes 80
Sensor Iônico
O sensor iônico converte a variável de processo medida em uma variação da corrente de ionização existente entre dois eletrodos.
Luiz Affonso Guedes 81
Escolha do Sensor
É muito importante entender os princípios físicos que permitem o sensor converter a variável do processo em uma grandeza elétrica ou mecânica. É fundamental estabelecer a exatidão, precisão, resolução, linearidade, repetibilidade e tempo de resposta do sensor para as necessidades do sistema. É fundamental se ater ao limites físicos de operação do sensor. Um sensor especificado com precisão insuficiente pode comprometer o desempenho de todo o sistema.
Luiz Affonso Guedes 82
Características Desejáveis do Sensor
I. insensível aos outros sinais presentes na medição. II. o sensor não deve alterar a variável a ser medida. III. o sinal do sensor deve ser facilmente modificado IV. deve ter boa exatidão , conseguida por fácil calibração. V. deve ter linearidade, repetibilidade e reprodutibilidade. VI. deve ter linearidade de amplitude VII. deve ter boa resposta dinâmica, VIII. não deve induzir atraso entre os sinais entrada/saída, IX. deve suportar o ambiente hostil do processo sem se danificar e manter suas características. X. deve ser facilmente disponível e de preço razoável.
Luiz Affonso Guedes 83
Instrumentos de Leitura
Luiz Affonso Guedes 84
Indicadores
¾ Instrumento que sente a variável e apresenta o seu valor instantâneo ¾ Analógico: escala + ponteiro (um móvel, outro fixo) ¾ Digital: números em LED, LCD ¾ Precisão (resolução) ¾ Maior escala e número de divisões ¾ Maior número de dígitos.
Indicador
Luiz Affonso Guedes 91
Registrador
¾Instrumento que sente a variável e imprime valor histórico ou de tendência da variável em um gráfico através de uma “pena” ¾Especificações ¾Numero de penas ¾Registro contínuo ou ponto ¾Enrolamento do gráfico ¾Tipo de pena ¾Acionamento do gráfico
Luiz Affonso Guedes 92
Registrador Eletrônico e Mecânico
Luiz Affonso Guedes 93
Registrador Eletrônico e Mecânico
Luiz Affonso Guedes 94
Telemetria
Os sistemas conforme o tipo de energia
podem ser:
Transmissão pneumática (3-15PSI) Transmissão eletrônica (4-20mA, 1-5Vcc) Transmissão digital ( RS-485 protocolo modbus, RS-232 protocolo HART, RS-422, “FoundationTM^ Fieldbus”. Transmissão hidráulica
Luiz Affonso Guedes 95
Sistemas de Comandos: Atuadores
Amplificadores de energia
Transformadores de energia elétrica (sinal
de controle) em outras formas de energia
Saída Sistema de comando
Sinal de comando Processo
Atuador
Luiz Affonso Guedes 96
Exemplos de Atuadores
Válvulas
Pistões
Inversores (eletrônica de potência)
Resistências
Luiz Affonso Guedes 97
Exemplos de Atuadores
Válvula de controle (Fisher) (^) Transmissor eletrônico
Luiz Affonso Guedes 98
Exemplos de Atuadores
Luiz Affonso Guedes 99
Transmissor
Rigorosamente, o transmissor
não é necessário.
A transmissão serve somente
como uma conveniência de
operação para tornar disponíveis
os dados do processo em uma
sala de controle centralizada,
num formato padronizado.
Luiz Affonso Guedes 100
Justificativas Para o Uso do Transmissor
- eliminam a presença de fluidos inflamáveis, corrosivos, tóxicos mal cheirosos e de alta pressão na sala de controle.
- as salas de controle tornam-se mais práticas
- padronização dos instrumentos receptores do painel; os indicadores, os registradores e os controladores recebem o mesmo sinal padrão dos transmissores de campo
Luiz Affonso Guedes 101
Transmissão de Sinal
Em conformidade com a norma ANSI/ISA SP 50.1 - 1982 ( Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments )
- a faixa de 4 a 20 mA, corrente contínua, com largura de faixa de 16 mA, que corresponde a uma tensão de 1 a 5 V cc, com largura de faixa de 4 V
- a impedância de carga deve estar entre 0 e um mínimo de 600 Ώ.
- o número de fios de transmissão de 2, 3 ou 4.
- a instalação elétrica
- o conteúdo de ruído e ripple
- as características do resistor de conversão de corrente para tensão, que deve ser de (250,00 ± 0,25) Ώ
- quando a entrada for de 10 V ou de 40 mA. Luiz Affonso Guedes 102
Transmissor
Fonte
Receptor
Transmissor
Fonte
Receptor
Transmissor
Fonte
Receptor
Consideração do tipo de transmissor
Luiz Affonso Guedes 109
As principais vantagens são:
- a robustez e a precisão da operação, praticamente sem movimento e desgaste das peças,
- a opção da supressão ou da elevação do zero, necessária medições de nível.
As suas desvantagens são:
1. não há indicação local da
variável transmitida,
2. a velocidade da resposta é lenta
Luiz Affonso Guedes 110
Balanço de Movimento
As principais vantagens do transmissor a balanço de movimentos são: apresenta a indicação da medida, no local de transmissão opera com grande variedade de elementos primários, pois a força necessária para atua-lo é pequena (cerca de 2 gramas).
As suas desvantagens são: não apresenta a opção de abaixamento e elevação de zero. sua operação é mais delicada e sua calibração é mais difícil e menos estável, por causa dos elos mecânicos e das partes moveis..
Luiz Affonso Guedes 111
Transmissor Eletrônico
O transmissor eletrônico mede a variável do
processo e transmite o sinal padrão de
corrente de 4 a 20 mA cc proporcional ao
valor da medição.
Ele requer a alimentação, geralmente a
tensão contínua. Normalmente esta
alimentação é feita da sala de controle,
através do instrumento receptor (indicador,
controlador ou registrador), onde está a
fonte de alimentação.
A alimentação é feita pelo mesmo fio que
porta o sinal transmitido de 4 a 20 mA.
Luiz Affonso Guedes 112
Transmissor Indutivo
Luiz Affonso Guedes 113
Transmissor Capacitivo
No início dos anos 80, a Rosemount lançou o transmissor eletrônico capacitivo, que se tornou um dos tipos de instrumentos mais vendidos na instrumentação. O elemento elástico mais usado é um diafragma de aço inoxidável ou de Inconel, ou Ni-Span C. Dependendo da referência, pode-se medir pressão absoluta (vácuo), manométrica (atmosférica) ou diferencial. A capacitância de um capacitor de placas paralelas, é dada simplificadamente por:
Sendo: C Æ capacitância e Æ constante dielétrica do isolante entre as placas A Æ área das placas d Æ distância entre as placas. Como a pressão pode provocar um deslocamento, ela pode ser inferida através da capacitância, que também depende de um deslocamento.
C
A d
= ε
Luiz Affonso Guedes 114
O sensor capacitivo tem precisão típica de 0,1 a 0,2% da largura de faixa e com a seleção de diafragmas, pode medir faixas de 0, kPa a 35 MPa (3 in H a 5000 psi).
Transmissor Capacitivo Transmissor Capacitivo
Luiz Affonso Guedes 115
vantagens alta robustez grande estabilidade excelente linearidade resposta rápida deslocamento volumétrico menor que 0,16 cm3 elimina a necessidade de câmaras de condensação e potes de nível
Transmissor CapacitivoTransmissor Capacitivo
Limitações:
- sensitividade à temperatura
- alta impedância de saída
- sensitividade à capacitância parasita
- sensitividade a vibração
- pequena capacidade de resistir à sobre pressão
Luiz Affonso Guedes 116
Simbologia
Letras subseqüentes (função do instrumento IC na malha
T^ Primeira letra (variável da malha)
Identificação funcional (Controlador TIC Indicador de temperatura)
Identificação da malha (malha de T (^103) temperatura, número 103)
Identificação do instrumento ou tag do TIC 103 instrumento
Luiz Affonso Guedes 117
Simbologia
TE-301 sensor de temperatura TT – 301 transmissor de temperatura TIC-301 controlador de temperatura TCV-301 válvula controladora de temperatura
Luiz Affonso Guedes 118
Simbologia
PIC 211
Exemplo de uma malha de controle de Pressão
Luiz Affonso Guedes 119
Nível de Controle Direto
Nível de Processos Físicos
Nível de Sensores e Atuadores
Nível de Controle Direto: PC, CLP
Nível de Supervisão
Nível de Gerência
Luiz Affonso Guedes 120
Esquema de Controle Automático
Alarmes e guias para operador
Processo
Sistema de controle com computador
material energia
produto
Informação do Sinais de produto controle
Informação do processo
Registros e relatórios
Informação de entrada
Objetivos e informação de gerenciamento
