Controle e Instrumentação em Processos Industriais: Sistemas de Malha Aberta e Fechada, Notas de aula de Física

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CONCEITOS BÁSICOS DE

INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL

CONCEITOS BÁSICOS DE INSTRUMENTAÇÃO PARA

CONTROLE DE PROCESSOS

Os processos industriais são variados, englobam diversos tipos de produtos e exigem controle preciso dos produtos gerados. Usualmente, os maiores usuários de instrumentação são as indústrias.

Em todos esses processos, é indispensável controlar e manter constantes as principais variáveis, tais como pressão, nível, vazão, temperatura, pH, condutividade, velocidade, umidade etc. Os instrumentos de medição e controle permitem manter e controlar essas variáveis em condições mais adequadas/precisas do que se elas fossem controladas manualmente por um operador.

Os sistemas de controle mantêm a variável controlada no valor específico, comparando o valor da variável medida, ou a condição a controlar, com o valor desejado (ponto de ajuste ou set point ), e fazendo as correções em função do desvio existente entre esses dois valores (erro ou offset ), sem a necessidade de intervenção do operador.

Os diversos aspectos de instrumentação e de controle automático de processos podem ser mostrados mais apropriadamente através de um exemplo prático.

Para ilustrar os diversos aspectos, como processo típico, tem-se o trocador de calor mostrado na figura a seguir, que é utilizado para aquecer um fluido com vapor. No caso da figura em questão, o termo processo significa a operação de adição de energia calórica ao fluido frio (fluido a ser aquecido).

No exemplo mostrado na figura a seguir, a temperatura do fluido na saída do trocador é influenciada por vários fatores, sendo os principais: vazão e temperatura de entrada do fluido a ser aquecido; vazão e característica do vapor utilizado no aquecimento; capacidade calorífica dos fluidos; perda térmica do trocador para o ambiente; entre outros.

SISTEMA DE MALHA FECHADA

No processo típico de troca de calor em análise, bem como nos demais casos de controle de processos, a função fundamental do sistema de controle em malha fechada, ou sistema de controle com realimentação, é manipular a relação entrada/saída de energia ou material, de maneira que a variável controlada do processo seja mantida dentro dos limites estabelecidos, ou seja, o sistema de controle em malha fechada regula a variável controlada (temperatura do fluido aquecido na saída do trocador), fazendo correções em outra variável do processo (vazão do vapor adicionada ao trocador), que é chamada de variável manipulada.

O controle em malha fechada pode ser realizado por um operador humano (controle manual) ou mediante a utilização de instrumentação (controle automático).

Conforme mostrado na figura a seguir, num processo utilizando controle manual, o operador terá como função medir a temperatura do fluido aquecido (variável controlada) e corrigir a vazão do vapor adicionado ao trocador (variável manipulada), de forma a manter a temperatura da variável controlada no valor desejado (ponto de ajuste ou set point ). Em outras palavras, o operador irá medir a temperatura do fluido aquecido através do tato, e este sinal será comparado mentalmente com a temperatura desejada (ponto de ajuste ou set point ), que está armazenada em seu cérebro. Com base na diferença entre esses dois valores (erro ou offset ), o operador fará a computação (definirá como e quando irá atuar) e, em seguida, atuará na válvula de admissão de vapor, fazendo a correção.

Fluido aquecido

Condensado

Fluido a ser aquecido

Vapor

Operador

Figura 3 - Medição de temperatura utilizando o controle manual Fonte: Adaptado de BEGA (2011)

Caso o processo típico de troca de calor seja controlado utilizando-se controle automático, as ações executadas pelo sistema de controle automático serão as mesmas que as executadas pelo operador quando fazendo controle manual (medir, comparar, computar e corrigir).

Na figura a seguir, a medição é feita pelo transmissor de temperatura (TT); a comparação do valor medido pelo transmissor (TT) com o ponto de ajuste dado pelo operador ( set point ) para obtenção do valor do erro (valor do erro = valor do ponto de ajuste – valor medido da variável controlada) e a computação (que irá considerar os ajustes e tipos de ações de controle utilizadas) são executadas pelo controlador de temperatura (TRC), enquanto a correção será efetivada pela válvula de controle (TV), com base no sinal recebido do TRC.

Fluido aquecido

Ponto de Ajuste

Condensado

Fluido a ser aquecido

Vapor

TRC (^) TT

TY

I P

Figura 4 - Medição realizada pelo transmissor de temperatura (TT) Fonte: Adaptado de BEGA (2011)

CARACTERÍSTICAS GERAIS DE INSTRUMENTOS

Nas instalações industriais de processo contínuo, como refinarias de petróleo, empresas petroquímicas e indústrias de celulose e papel, são utilizados diferentes tipos de instrumentos para monitorar, indicar e controlar as funções que cada equipamento (bombas, tanques, vasos, permutadores) executa em cada uma das etapas dos processos.

Para controlar a produção das empresas, as informações sobre as variáveis principais do processo (temperatura, nível, vazão) precisam ser transmitidas para uma sala de controle, mas algumas delas também podem ser utilizadas pelos trabalhadores que ficam na área junto dos equipamentos.

Nível Temperatura Pressão Vazão

Figura 6 - Instrumentos analógicos Fonte: Do Autor (2022)

Digitais – Instrumentos digitais que indicam a variável em forma numérica com dígitos ou barras gráficas, como nos exemplos a seguir:

Nível Temperatura Pressão Vazão Figura 7 - Instrumentos digitais Fonte: Do Autor (2022)

b) Instrumentos cegos

São instrumentos que não têm indicação visível do valor da variável medida. Os instrumentos de alarme, tais como pressostatos e termostatos (chaves de pressão e temperatura), que só possuem uma escala exterior com um índice de seleção para ajuste do ponto de atuação, são instrumentos cegos. Os transmissores de vazão, pressão, nível e temperatura sem indicação local também são instrumentos cegos.

Figura 8 - Instrumentos cegos Fonte: Mérito Comercial (2022)

c) Registrador: instrumento que registra a(s) variável(is) através de um traço contínuo ou pontos em um gráfico. Os registradores podem ser divididos em analógicos e digitais.

Na imagem, está sendo apresentado um registrador analógico de temperatura que utiliza papel. Os registradores analógicos são instrumentos cuja função é registrar o valor das variáveis de processo em função do tempo, só que esses instrumentos registram em cartas de papel graduadas com escalas iguais às utilizadas pelos indicadores, porém, com uma coordenada adicional, que é o tempo.

Figura 9 - Registrador analógico Fonte: Directindustry (2022)

Os registradores também sofreram muitas transformações em seus projetos construtivos e, qual o estágio atual de desenvolvimento dos microprocessadores, migraram para registradores digitais, apresentando uma capacidade muito maior de registro de dados sobre o processo do que os registradores convencionais.

Outro exemplo de elemento primário é a placa de orifício, que está representada na figura que segue. A placa de orifício é apenas um disco metálico com um furo.

Figura 12 - Placa de orifício Fonte: SENAI/DN (2021)

e) Transdutor: instrumento que recebe informações na forma de uma ou mais quantidades físicas, modifica, caso necessário, às informações e fornece um sinal de saída resultante. Dependendo da aplicação, o transdutor pode ser um elemento primário, um transmissor ou outro dispositivo.

Pressão Vazão Nível Temperatura

Figura 13 - Transdutor Fonte: Do Autor (2022)

Em certos casos, na instrumentação industrial, é muito comum o uso dos termos sensor e transdutor como tendo o mesmo significado.

Muitas vezes, os transdutores e os sensores são tratados como se tivessem a mesma função, mas, na verdade, eles têm papéis diferentes. O sensor detecta uma variável física e o transdutor converte essa informação (sentida pelo sensor) em um sinal mensurável (normalizado).

Em resumo, o transdutor é o dispositivo completo, englobando o sensor e o circuito condicionador (amplificador, filtro, linearizador etc.).

f) Transmissor: instrumento que tem a função de converter e amplificar o sinal produzido por um transdutor em um sinal apropriado para transmissão, capaz de ser enviado a longas distâncias, com nenhuma ou o mínimo de perda da informação para um instrumento receptor.

Os transmissores podem ser cegos (sem indicação local) ou dotados de indicação local analógica ou digital. Os três tipos, respectivamente, são vistos na figura.

Figura 14 - transmissor cego, analógica e digital Fonte: Do Autor (2022)

g) Conversor: instrumento utilizado para receber um tipo de sinal e convertê-lo em outro. É um tipo de transdutor que trabalha apenas com sinais de entrada e saída padronizados.

A maior aplicação desses conversores está associada ao acionamento de válvulas de controle, seja na entrada de posicionadores pneumáticos ou diretamente nos atuadores das válvulas.

Atuador

Castelo

Corpo

Figura 17 - Válvula de controle Fonte: IMD (2016)

Em muitos sistemas, a válvula de controle está sujeita a severas condições de pressão, temperatura, corrosão e contaminação. Ainda assim, deve trabalhar satisfatoriamente. Uma válvula de controle funciona como uma resistência variável na tubulação e é definida por alguns autores como um orifício de dimensões variáveis.

A válvula de controle compõe-se basicamente dos três conjuntos principais: o atuador, o corpo e o castelo.

O atuador é o responsável pelo movimento da parte móvel de uma válvula para abri-la ou fechá-la, de forma total ou parcial, tendo a finalidade de localizar com precisão o seu obturador (parte móvel) em uma posição estabelecida pelo sinal de controle recebido. O controlador, por sua vez, processa esse sinal e envia uma ação (sinal) de controle para o atuador da válvula, «dizendo» para ela fechar um pouco – ficar, por exemplo, com 10% de sua abertura. Então, o atuador interpreta esse comando e desloca a parte móvel para que a abertura desejada seja alcançada.

O corpo é a parte da válvula conectada à tubulação e que possui o orifício (variável) por onde o fluido passa. No corpo, estão incluídas a sede, o obturador, a haste, a guia da haste, o engaxetamento e a selagem de vedação.

O castelo é a parte que liga o atuador da válvula ao corpo. Pode-se afirmar que o castelo serve como base para a montagem do atuador. Além disso, em alguns casos, o castelo serve como uma “tampa” para fechar a abertura do corpo da válvula, ou seja, o castelo pode fornecer a principal abertura para que se tenha acesso às partes internas do corpo. Assim, em casos de manutenção dessas válvulas, é necessário remover o castelo para ter acesso à sede e ao obturador da válvula.

REFERÊNCIAS

BEGA, E. A. (Org.). Instrumentação industrial. 3. ed. Rio de Janeiro (RJ): Interciência,

2011. xxv, 668 p.

Direct Industry. Disponível: https://www.directindustry.es/prod/yokogawa-europe/ product-19033-1158015.html. Acesso em: 13 set. 2022.

FIALHO, A. B. Instrumentação industrial: conceitos, aplicações e análises. 6. ed. São Paulo (SP): Érica, 2007. 278 p.

IMD – Instituto Metrópole Digital. Automação Industrial. Material Didático – Cursos/ Disciplina. Natal (RN), s.d. Disponível em: https://materialpublic.imd.ufrn.br/curso/ disciplina/1/52. Acesso em: 23 ago. 2022.

ISA - International Society of Automation. ISA S5.1 , Instrumentation Symbols and Identification (Símbolos de instrumentação e identificação). ISA Standards, Research Triangle, NC/USA, 2009.

ISA – International Society of Automation. ISA S5.3 , Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer Systems (Símbolos gráficos para controle distribuído/instrumentação de exibição compartilhada, lógica e sistemas de computador). ISA Standards, Research Triangle, NC/USA, 1983.

Merito comercial. Disponível: https://www.meritocomercial.com.br/pressostato-danfoss- 0-a-8-bar-kpi-35-4001001008821-p1032597 Acesso em: 13 set. 2022.

OLIVEIRA, M. T. Glossário de Instrumentação industrial. Rio de Janeiro (RJ): SENAI/DN,

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SAMAR Technology Company. Disponível: https://www.smar.com/pt/produto/fy302- posicionador-de-valvula-fieldbus-foundation. Acesso em: 13 set. 2022.

SENAI. Departamento Nacional. Fundamentos da Instrumentação. Brasília (DF): SENAI/ DN, 2021. 470 p.

SENAI. Departamento Nacional. Instrumentação e controle. Brasília (DF): SENAI/DN,

2012. 235 p.