instrumentação e controle

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UERJ - Prof. Gil Pinheiro

Instrumentação eControle

Prof. Gil Pinheiro (UERJ/PETROBRAS)

Janeiro/2003

UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIROPÓS-GRADUAÇÃO “LATU-SENSU” EM ENGENHARIA

MECATRÔNICA (ESPECIALIZAÇÃO)


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


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 eControle na Indústria

• Instrumentação Mecânica

• Instrumentação Pneumática

• Instrumentação Eletrônica Analógica

• Instrumentação Eletrônica Digital

• Instrumentação à Microprocessador

• Instrumentação Baseada em Redes


O Papel da Instrumentação,Medição e Controle

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A Instrumentação e Controlena Indústria - Aplicações


A Instrumentação e Controlena 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

ConductorNT Server

Rede de Controle

Conductor NTDirect Client

Rede de Operações

Corporate EnterpriseNetwork

World Wide Web /Internet

Rede Corporativa

DCU2000GHarmonyDCU

INFI 90OPENPCU

F2KProcessStation

Conductor NTRedundantI90 Server

Conductor NTRouted Client


Conductor NTClientExtender


Ethernet

INFI-NETOPC Data

Source(PLC)

OPC DataSource(PLC) Harmony

Controller


Hierarquia da AutomaçãoIndustrial

Processo

ControleRegulatório






ControleAvançado

ControleAvançado

Otimização

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Tipos de SistemasInstrumentados na Indústria

• Sistemas de Malha Aberta (ex.: Sistemasde Aquisição de Dados)

• Sistemas de Malha Fechada (ex.:Sistemas de Supervisão e Controle, Sistemas deSegurança e Intertravamento)


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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Medidor

(Transdutor)

Algoritmo deControle

ValorEsperado

Erro

Processo

Atuador

Perturbações

Exemplo: Sistema de controle tipo Feed-Back


Desempenho do Sistemade Controle

Sem controle

Com controle

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Características dosSistemas de Medição


Sistemas de Medição

• Componentes de um Sistema de Medição

Variável a

ser Medida

Transdutor eCondicionador

de Sinal

Filtragem(Analógica ou

Digital)

Aquisição de Dadose/ou Apresentação

Apresentação daVariável

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Sistemas de Medição -Condicionamento

• Linearização

• Amplificação

• Compensação (T)

• Filtragem

• Conversão A/D


Caraterísticas de um Sistema de Medição

Sistema em Estudo

CaracterísticasEstáticas

Linearidade

Histerese

Resolução

Deriva

CaracterísticasDinâmicas

Constantes de Tempo

Ressonâncias

Resposta ao Transitório

Resposta de Frequência


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Transdutor (S)

SinalAnalógico

(E,I)

Sinal Digital(Pulsos)

Processador eApresentação

(F)

Saída:Variável

Apresentada

Transdutor

Sensibilidade (S) e Fator de Escala (F)

Variável aser Medida

Processador



P

Tanque

h

Exemplo: medição de nível

Nível (h) Pressão (P) Sinal ElétricoIndicação

(metros, litros)

TransdutorProcessadore Indicador

S F

Transdutor

Indicador Local

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Transdutor

SinalAnalógico

(E,I)

Sinal Digital(Pulsos)

Condicionadore Processador

SinalPadronizado(analógicoou digital)

Transmissor

Transdutor X Transmissor

Variável aser Medida


Sistemas de Medição• Transdutor

– Representar (converter) a variável a ser medidanuma outra variável (elétrica) que possa serprocessada

• Transmissor– Possui um Transdutor

– Representar (converter) o sinal do Transdutornum 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


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


Sensores e Transdutores

• Temperatura

• Pressão

• Vazão

• Nível

• Deslocamento

• Força

• Outros

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Medição de Temperatura


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


Termopares

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Termopares

Termopar de Isolação Mineral


Termopares

• Sensibilidade termelétrica de alguns materiaisem 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)


Termopares

• Tensão V é função do ∆T = T1 - T2

• V = E2 - E1

• V é da ordem de dezenas de milivolts para∆T de centenas de graus centígrados

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Termopares

• Termopar

• Circuito Equivalente (V = E1 – E2)

E2E1

V

T1

Metal A

VJunta 2

(T2)

Junta 1

Metal B

Metal C

Metal C


Termopares

T1

Metal A

VJunta 2

(T2)

Junta 1

Metal B

Metal C

Metal C

Exemplo:

Termopar tipo K (Chromel/Alumel), tensão medidaem V de 12,4 mV e a temperatura ambiente (T2) é37ºC. 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


Termoresistência

Termoresistência de 3 fios

Termoresistência de 4 fios

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Termoresistência

Curvas de Resposta (Pt-100)


Termoresistência

Circuitos de Medição a 2, 3 e 4 fios

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Instalação no Processo

Poço de conexão flangeadae caixa de conexão

Poço de conexão roscada,caixa de conexão e caixa de selagem


Transmissor de Temperatura

• Utiliza termopar ou RTD

• Saída 4/20 mA ou field-bus

• Instalação mais barata, nãorequer cabos de compensação

• Permite utilizar entradas comredundância de um SDCD

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Termistor

• Composição

• Curva de resposta

• Tipos NTC e PTC

• Aplicações


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 seendireitar sob pressão, causando arotação do ponteiro


Medidor de Pressão -Tubo de Bourdon

Outros formatos de Tubo de Bourdon

• Existem transdutores de pressão constituídos de umTubo de Bourdon acoplado a um sensor elétrico dedeslocamento angular ou linear

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Medidor de Pressão -Capacitivo

Corte de Transmissor Capacitivo


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

C2R2

Sinal de ∆P

Amplificador

RT Sinal de Temperatura

Microcontrolador

Sinal de Saída

Detector


Medidor de Pressão -Capacitivo (Aplicações)

PressãoDiferencial (∆P)

• Pressões do processo (P1 e P2) aplicadas em cada câmara

• Em medição de vazão, a saída 4 a 20 mA é proporcional aoquadrado da vazão (ex.: ∆P de uma placa ou de um venturi)

• Medição de densidade

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PressãoManométrica

• Pressão do processo é aplicada em uma câmara

• Outra câmara aberta para atmosfera



PressãoAbsoluta

• Pressão do processo é aplicada em uma câmara

• Outra câmara é evacuada e selada

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Nível deProduto

• Uma câmara é conectada a uma extensão com diafragmarepetidor, e sujeita a pressão na base do tanque

• A outra câmara é ligada à parte superior do tanque


Medidor de Pressão -Strain Gage

• A pressão deforma um diafragma dotado de um medidorde força (strain gage)

Pressão

Diafragma

Strain Gage

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Medição de Vazão


Medidor de Vazão -Placa de Orifício

• Medidor de vazão mais difundidona indústria de processo

• Consiste numa placa metálica comum orifício calculado

• Usada em conjunto com um transmissor depressão diferencial com extração de raiz(transmissor de vazão)

Fluxo• A placa produz uma perda de carga

(∆P) proporcional ao quadrado davazão

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Medidor de Vazão -Placa de Orifício (instalação)

• Instalação tipo Flange Taps

• Instalação tipo Vena ContractaTaps


Medidor de Vazão -Placa de Orifício (instalação)

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Medidor de Vazão - Turbina

• Rotação é aproximadamenteproporcional a Vazão Volumétrica

• Sinal de saída tipo analógico, ondea frequência é proporcional arotação da turbina

• Fator da Turbina = Pulsos / Volume

• Para líquidos pouco viscosos émuito precisa, repetibilidade:0,02%, linearidade 0,15%



• Geração de pulsos através decaptador de relutânciavariável

• Turbina de pequeno porte

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• Curva de performance,repetibilidade e linearidade

• Curva de perormance emregime laminar e turbulento



• Efeito de acidentesna tubulação

• Influência de rotaçãoda massa fluida

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• Trecho de medição

• Aferidor (microprover)


Medidor de Vazão Ultrassônico

TD = Tempo de trânsito Downstream (A→B)TU = Tempo de trânsito Upstream (B→A)Lp = Distância de percurso ABC = Velocidade do som no fluidoVp = Velocidade do fluido na direção AB

Onde:

(TU –TD) Lp cos ϕ

2 TU TD

V =

TU = Lp / (C–Vp)Fluxo(V)

A

B

TD = Lp / (C+Vp)

ϕ

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Trecho de Mediçãoem linha de 30 pol

4 FEIXESULTRASÔNICOS

8 TRANSDUTORES

ULTRASÔNICOS

Conceito de Corda

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Trecho de Medição de 32 pol.Montagem para Medição Externa


Medidor de Vazão Magnético

• Baseia-se na Lei de Faraday

• Medidor magnético industrial

B = intensidade de Campo magnéticol = distância entre sensores (=D)v = velocidade do fluido

e = Blv

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Medição de Nível


Medidores de Nível -de Empuxo

Transmissor de NívelEletrônico

Transmissor de NívelPneumático

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Sensor deForça (F)

Princípio de Funcionamento

F = K (W – E)

E

W

E = γAh

h

γ



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Medidores de Nível -de Pressão Hidrostática

• Uma câmara é conectada a uma extensão com diafragmarepetidor, e sujeita a pressão na base do tanque

• A outra câmara é ligada à parte superior do tanque


Medidores de Nível -Outros Tipos

• Radar

• Servo Operado

• Ultrassom

• Capacitivo

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Medição de Posição


Medidores de Posição -Angular (Ótico)

• Arranjo de um sensorangular ótico

• Disco Codificador Absoluto • Disco Codificador Relativo

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Medidores de Posição -Distância (Indutivo)

• Medidor de distânciaspequenas (gap), usado emmáquinas (compressores,bombas, etc)

• Princípio defuncionamento


Medidores de Posição -Distância (LVDT)

• Linear VariableDifferential Transformer

• Princípio defuncionamento

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Medidores de Posição -Distância (LVDT)

• Circuito de processamento de sinal


Medição de Força

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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


Medidores de Força -Strain Gage

• Célula de Carga Tipo S

• Medição de Torque

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Medidores de Força -Fio Vibrante

f ∝√ T

L

T

L Sensor

Bobina

Sinal (f)

Fio vibrante


Outros Medidores

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Transdutores de pH

• Sensores de mediçãode pH (potencial dehidrogênio)


Outros Transdutores

• Sensores de Gás

• Condutivímetros

• Densímetros

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Atuadores


Atuadores

• Atuadores Motorizados

• Atuadores Pneumáticos

• Outros Atuadores

• Objetivo

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Atuadores - Objetivo

Realimentação)

Sinal

Suprimento

ServoAmplificador

MóduloAtuador

Estágio dePotência

Alimentação

Ação

• Gerar uma ação em função do sinal


Atuadores Motorizados

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Atuador de Válvula Motorizado

Motor

Caixa deConexões

PainelLocal

CartõesEletrônicos

Volante



Rede (Fieldbus) de Atuadores Motorizados

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UERJ - Prof. Gil PinheiroCartão de Comunicação (Field-Bus) e Configurador (PC)


UERJ - Prof. Gil PinheiroConexão do Cartão Field-Bus ao Atuador Elétrico Motorizado


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Rede Redundante de Atuadores Motorizados



Atuadores Pneumáticos

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Válvula de Controle com Posicionador Eletropneumático



Posicionador de Válvula Eletropneumático

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Posicionador de Válvula Eletropneumático



Válvula de Controle com Posicionador Pneumático

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Válvula de Controle tipo Borboleta, Atuador Pneumático



Válvula tipo Globo com Conversor I/P

Internos de Válvula tipoGlobo


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Características de Válvulasde Controle

• Curvas características (Vazão xAbertura) de válvulas de controle

• Linear

• Igual Percentagem

• Abertura Rápida

• Aplicação

• Split Range


Conversor I/P

4 20

I (mA)

12

P (psi)

3

9

15


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Outro Tipos de Atuadores

• Motores de Passo

• Controlador de Velocidade (Inversor)

• Válvulas Solenóide


Sistemas de Controle

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• Tecnologia de Controladores

– Single Loop

– SDCD

• Algoritmos de Controle

– CLP

– Pneumático

• Transmissão de Sinal e Comunicação


Sistemas de Controle -Algoritmos

Algoritmo de Controle

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Sistemas de Controle -Algoritmos

• Algoritmos de Controle

– ON/OFF

– PID (P, P+I, P+I+D)

– PID razão

– Controle Antecipativo (Feed-Forward)



• Controlador Single/Multi Loop

Controlador e módulo programador

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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


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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UERJ - Prof. Gil PinheiroArquitetura Unidade Controle Processos


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Controlador PID Pneumático

Controlador PID Pneumático


Transmissão de Sinale Comunicação

• Padrão 4 a 20 mA

• Fieldbus

• Protocolo Hart

• Protocolo Modbus

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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 PCWindows-NT

Interface Humano-Máquina

Para outras IHM

Para outrosControladores

Rede Corporativa

Controladores

Rede de Planta

Rede de Controle

Níveis de Rede


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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Protocolo Hart

Transmissor(Hart)

ProgramadorHart


Protocolo Hart -exemplo de parâmetros

• Range do transmissor

• Compensação de zero

• Filtragem (amortecimento)

• Parâmetros do indicador local

• Calibração do sensor

• Tag (identificador)

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FIM !!!!

Obrigado

instrumentação e controle

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