instrumentaÇÃo em processos industriais · classificação dos sistemas de análise...

INSTRUMENTAÇÃO EM PROCESSOS INDUSTRIAIS

1. Visão geral de instrumentação industrial

2. Transmissores e Transdutores

3. Instalações elétricas e de instrumentação em áreas classificadas

4. Válvulas de controle (funções, componentes, tipos e aplicações)

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Visão geral de instrumentação industrial

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Patrícia Lins de Paula

Revistas

• Automática

• Control Engineering

• Control Engineering Practice

• IEEE Transactions on Automatic Control

• Intech (Brasil)

• Mecatrônica Atual

• OCLC Systems & Services

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Sites

• Sociedade Brasileira de Automática -http://www.sba.org.br/2012/

• Sociedades Técnicas do IEEE -http://www.ieee.org/societies_communities/index.html

• IEEE Industry Applications Society –http://ias.ieee.org/

• IEEE Robotics and Automation Society -http://www.ieee-ras.org/

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Pendências da aula anterior:

• Mostrar nova relação de bibliografia recomendada.

• Mostrar fotos de campo.

• Mostrar e explicar diagrama de malhas.

• Mostrar e explicar fluxograma.

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BIBLIOGRAFIA

LITERATURA PRINCIPAL

1. BEGA, Egídio Alberto. Instrumentação Industrial.Ed. Interciência. Rio de Janeiro, 2003, IBP.

2. GROOVER, Mikell P. Automação Industrial eSistemas de Manufatura. Ed. Pearson. 3ª ed.

3. MORAES, Cícero Couto et al. Engenharia deAutomação Industrial. Ed. LTC, 2ª ed.

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BIBLIOGRAFIA

LITERATURA COMPLEMENTAR

1. ROSÁRIO, João Maurício. Princípios deMecatrônica. Ed. Prentice Hall.

2. PIRES. Automação Industrial. Ed. ETEP. 4ª ed.

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TUBOVIAS

FOTOS DE CAMPO

INSTRUMENTO DE CAMPO

JUNCTION BOX (CAIXA DE JUNÇÃO)

ARMÁRIO DE REARRANJO

FCS (FIELD CONTROL STATION)DO SDCD

LY=ConversorDe Nível

ZSH=Chave dePosição “alto”

ZSL=Chave dePosição “baixo”

LT=TransmissorDe Nível

LIC=ControladorIndicador deNível

LSH=ChaveNível Alto

HS=Chave de Comando manual

FA=Alarme de Vazão

ZAH=Alarme de Posição “alto”

UZ=AtuadorMultivariável

AI=Indicador deAnálise

AAH=Alarme “alto”Da Análise

AAL=Alarme “baixo”Da Análise

AT=TransmissorDa Análise

TE=Sensor de Temperatura

TI=Indicador de Temperatura

TRECHO DO FLUXOGRAMA DE UMA CALDEIRA DE VAPOR

TEMPERATURA = 400°C (A ÁGUA EVAPORA A 100°C)PRESSÃO=42 kgf/cm² (UM MERGULHADOR NO MAR A 10 m PROFUNDIDADE ESTÁ A APROXIMADAMENTE 1,02 kgf/cm²)

TAH=Alarme Alto de Temperatura

ZSH=Chave de Posição “alto”


Transmissores e Transdutores

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Patrícia Lins de Paula

Sumário

• Normas ANSI/ISA

• Terminologia

• Instrumentos

• Casa de analisadores (CEMS)

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Normas ANSI/ISA

• ISA 5.1 – Instrumentation Symbols and Identification

• ISA 5.2 - Binary Logic Diagrams for Process Operations

• ISA 5.3 – Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer Systems

• ISA 5.4 – Instrument Loop Diagrams

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Normas ANSI/ISA

• ISA 5.5 – Graphic Symbols for Process Displays

• ISA 5.6 – Functional Requirements Documentation for Control Software Applications

• ISA 12.1 – Definitions and Information Pertaining to Electrical Equipments in Harzadous (Classified) Locations

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Normas ANSI/ISA

• ISA 99 – Security for Industrial Automation and Control Systems – Part 1: Terminology, Concepts and Models

• ISA TR 99 – Technical Report - Security for Industrial Automation and Control Systems

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ANSI/ISA 5.1

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ANSI/ISA 5.1

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ANSI/ISA 5.1

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ANSI/ISA 5.1

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Sinais utilizados nos fluxogramas

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Símbolos de instrumentos

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Identificação funcional de instrumentos

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Identificação funcional de instrumentos

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Terminologia

• Range ou faixa de medida – conjunto de valores compreendido entre o maior e menor valor capaz de ser medido pelo instrumento. Ex.: 20 a 160°C.

• Span ou alcance – diferença algébrica entre o maior e menor valor capaz de ser medido pelo instrumento.

Ex.: 140°C.

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Terminologia

• Offset ou erro – diferença entre o valor medido pelo instrumento e o valor real da grandeza.

Ex.: +5% ou -5%.Erro estático – processo em regime

permanente.Erro dinâmico – processo durante transitórios

(atraso na transferência de energia do meio para o instrumento).

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Terminologia

• Setpoint ou ponto de ajuste – valor de referência.

• Exatidão – capacidade do instrumento apresentar resultados próximos ao valor verdadeiro.

Ex.: +5% ou -5%.

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• Percentual do valor lido;• Percentual do fundo de escala;• Percentual do span.

Terminologia

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Terminologia

• Rangeabilidade – razão entre o valor máximo e mínimo apresentado pelo instrumento.

Ex.: 10:1 (25°C a 250°C).

• Sensibilidade – mínima variação da variável provocando alteração no valor apresentado pelo instrumento.

Ex.: 0,05%

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Transmissão de sinais

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• Sinal pneumático – 3 a 15 psi (lbf/in²) ou

0,2 a 1,0 kgf/cm²

• Sinal elétrico – 4 a 20 mA ou

10 a 50 mA ou

1 a 5 V

Protocolo HART

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• HART – Highway Address Remote Transducer

• Sistema mestre-escravo que combina padrão de 4 a 20 mA com comunicação digital utilizando modulação FSK (Frequency Shift Keying) a uma taxa de transmissão de 1,2 kbps.

Fieldbus

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• Rede que interliga os instrumentos de campo com o sistema de controle:

CLP – Analisadores – Transmissores – Válvulas –Controladores.

• Rede de comunicação digital que veio substituir o sinal analógico 4 – 20 mA;

• Imune a interferências eletromagnéticas;

• Interoperabilidade e controle distribuído;

Fieldbus

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• Rede digital, bidirecional, multiponto, serial;

• Baseia-se no modelo OSI (camadas: 1-Física, 2-Enlace, 7-Aplicação);

• Requer menos infraestrutura física (par trançado para toda a rede).

Fieldbus

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Profibus

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• Process Fieldbus;– Profibus-DP;

Transferência rápida de dados entre PCs – CLPs, entre válvulas, etc.

Tx de transmissão = 9,6 Kbps (1,2 km); 12 Mbps (0,1 km).

Profibus

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• Process Fieldbus;– Profibus-PA;

Substituto direto da tecnologia 4 – 20 mA;

Conecta instrumentos “burros” numa rede de campo com o sistema de automação e controle.

Tx de transmissão 31,25 kbps.

– Profibus-FMS.

Comunicação entre CLPs.

PROJETO - Diagramas típicos de instrumentação

• Caixas de Junção

• Instalações elétricas para instrumentação

• Rede de instrumentos de campo

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Aplicações de instrumentação e controle na indústria

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Aplicações de instrumentação e controle na indústria

• Estabilização e controle de processos;

• Otimização de processos;

• Melhoria da qualidade dos produtos;

• Segurança de interventores nas instalações;

• Proteção ao meio ambiente;

• Histórico e rastreamento de eventos;

• Automação integrada da produção.

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Sistema de controle malha fechada com feedback

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Desempenho do sistema de controle

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Sistema de medição

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Sistema de medição

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Elementos de uma malha de controle

• Variável controlada;– Ex.: Temperatura da água

• Meio controlado;– Ex.: Água na saída do processo

• Variável manipulada;– Ex.: Vazão do vapor

• Agente de controle.– Ex.: Vapor

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Dispositivos de campo

• Elementos primários;– Detectam alterações no processo

• Transmissor;– Mede a variável e transmite um sinal a um

receptor

• Elemento final de controle;– Atua e modifica o valor da variável manipulada na

malha de controle

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Instrumentos

• Transdutor – converte um sinal genérico (pressão, massa, vazão, temperatura, nível, deslocamento) em um sinal elétrico ou outra que possa ser processada.

• Transmissor – acoplado a sensores de campo (lêem a variável medida), possuem um transdutor para conversão do sinal e transmitem o resultado para uma malha de controle.

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• Indicador – fornece uma indicação visual das variáveis do processo (analógico ou digital).

• Registrador – registra os valores de uma variável através de um traço contínuo, pontos no gráfico, bargraph, etc.

• Conversor – recebe uma informação como sinal elétrico ou pneumático, altera sua forma e emite como sinal de saída.

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Instrumentos

• Controlador – instrumento provido de uma saída de sinal para o processo, com o objetivo de manter o valor da variável do mesmo o mais próximo possível do set point.• Analógico;

• Digital;

• Single loop;

• Multi loop.

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Instrumentos

Funções dos instrumentos

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Atuadores elétricos - motorizados

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Atuadores pneumáticos

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• CEMS – Continuous Emission MonitoringSystem

• São sistemas utilizados para analisar amostras de gases, quantitativamente ou qualitativamente cada componente, em condição contínua de emissão.

O que são Sistemas de Análise CEMS ???

Classificação dos Sistemas de Análise

Classificação de acordo com a aplicação:

● Processo / CampoProcesso: Instalação estacionária e medição continua ou semi-contínuaCampo: Visam atender a necessidade da portabilidade（incluindo os transportáveis ou móveis)

● Analisadores AmbientaisVisam atender as necessidades de monitoramento ambiental (imissões)

● Analisadores de SegurançaVisam atender as necessidade de monitoração de vazamentos de gases inflamáveis ou tóxicos no ambiente industrial.

● Laboratoriais● Hospitalares

Classificação por amostra:● Gás● Liquido● Sólido...

Classificação por componente:● Oxigênio● Carbono● Nitrogênio● pH...

Classificação por princípio:● Infravermelho● Óxido de Zircônia● Ultravioleta● Paramagnético...

Qual composição de um Sistema de Análise?

SONDA DE AMOSTRA

Aplicada para amostragem de gases ou líquidos em processos com a presença de componentes corrosivos, elevadas temperaturas, umidade e alta concentração de partículas sólidas. É, geralmente, o primeiro elemento de filtragem de um sistema de amostragem, trabalhando conectada à tubulação de transporte de amostra.

LINHA DE TRANSPORTE DE AMOSTRA

Utilizado para a condução da amostra de gás da sonda até o sistema de amostragem (condicionamento), mantendo o grau de calor acima da temperatura de condensação (ponto de orvalho) da amostra, de modo a não permitir condensação da umidade presente.


SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE

AMOSTRA

Condiciona a amostra nos termos de temperatura, pressão, vazão, umidade e gases ácidos.

Além disso, permite a operação do sistema de análise de forma automática ou manual, provendo válvulas para calibração / validação, sistema de refrigeração, bomba de vácuo, estação de tratamento de ar e etc.


Por que usar Sistemas de Condicionamento de amostras?Por que usar Sistemas de Condicionamento de amostras?

O gás na saída dos Chaminés é geralmente

Portanto é indispensável a utilização de um sistema Portanto é indispensável a utilização de um sistema de TRATAMENTO desse gás, antes que entre no de TRATAMENTO desse gás, antes que entre no analisadoranalisador..

Porém os analisadores precisam receber o gás:

Limpo, seco e frio

Visão Geral do Sistema de Análise

Tipos – CEMS SICK

ANALISADORES

Comprimento de Onda dos Analisadores

Raio Gamma

Raio X Ultravioleta

Faixa Visível

Infravermelho

Micro Onda

IR Próximo Infravermelho IR Longo

Violet Red

10－5 0.2 0.38 0.75 1000µ

0.75µ 1.5µ 4.0µ 1000µ

Analisador IR

３µ 25µ

CO, CO2, CH4, SO2, NOx

Por dentro de um analisador...

Princípio de um Analisador Infravermelho

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