1 UERJ - Prof. Gil Pinheiro Instrumentação e Controle Prof. Gil Pinheiro (UERJ/PETROBRAS) Janeiro/2003 UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO PÓS-GRADUAÇÃO “LATU-SENSU” EM ENGENHARIA MECATRÔNICA (ESPECIALIZAÇÃO) UERJ - Prof. Gil Pinheiro 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
62
Embed
Instrumentação e Controle€¦ · • Sinal de saída tipo analógico, onde a frequência é proporcional a rotação da turbina • Fator da Turbina = Pulsos / Volume • Para
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
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)
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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
2
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Logística do Curso
• Material do Curso– Cópia da Apresentação– Apostila– Avaliação Final
• Duração– 20 horas
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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)
3
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Histórico - Instrumentação eControle na Indústria
• Instrumentação Mecânica
• Instrumentação Pneumática
• Instrumentação Eletrônica Analógica
• Instrumentação Eletrônica Digital
• Instrumentação à Microprocessador
• Instrumentação Baseada em Redes
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
O Papel da Instrumentação,Medição e Controle
4
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
A Instrumentação e Controlena Indústria - Aplicações
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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
5
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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 NTRouted Client
Conductor NTClientExtender
Conductor NTRouted Client
Ethernet
INFI-NETOPC Data
Source(PLC)
OPC DataSource(PLC) Harmony
Controller
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Hierarquia da AutomaçãoIndustrial
Processo
ControleRegulatório
ControleRegulatório
ControleRegulatório
ControleRegulatório
ControleRegulatório
ControleRegulatório
ControleAvançado
ControleAvançado
Otimização
6
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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)
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Sistema de Malha Aberta
Processo
Medidor 2
(Transdutor 2)
Medidor 3
(Transdutor 3)
Medidor 1
(Transdutor 1)
7
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidor
Sistema de Malha Fechada
Atuador
Processo
Processamento
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Sistema de Malha Fechada
8
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Sistema de Malha Fechada
Medidor
(Transdutor)
Algoritmo deControle
ValorEsperado
Erro
Processo
Atuador
Perturbações
Exemplo: Sistema de controle tipo Feed-Back
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Desempenho do Sistemade Controle
Sem controle
Com controle
9
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Características dosSistemas de Medição
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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
10
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Sistemas de Medição -Condicionamento
• Linearização
• Amplificação
• Compensação (T)
• Filtragem
• Conversão A/D
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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
Sistemas de Medição
11
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Sistemas de Medição
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
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Sistemas de Medição
P
Tanque
h
Exemplo: medição de nível
Nível (h) Pressão (P) Sinal ElétricoIndicação
(metros, litros)
TransdutorProcessadore Indicador
S F
Transdutor
Indicador Local
12
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Sistemas de Medição
Transdutor
SinalAnalógico
(E,I)
Sinal Digital(Pulsos)
Condicionadore Processador
SinalPadronizado(analógicoou digital)
Transmissor
Transdutor X Transmissor
Variável aser Medida
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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
13
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Análise de Sistemas Físicos
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Análise de Sistemas Físicos
• Resposta ao Degrau
• Tempo de Resposta, Tempo Morto
• Resposta no Domínio da Frequência
• Modelagem de Sistemas Físicos
• Resposta ao Impulso
14
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Sensores e Transdutores
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Sensores e Transdutores
• Temperatura
• Pressão
• Vazão
• Nível
• Deslocamento
• Força
• Outros
15
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medição de Temperatura
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medição de Temperatura
• Termopar
• Termoresistência
• Termistor
16
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Termopares
17
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Termopares
Termopar de Isolação Mineral
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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
18
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Termopares
T1
Metal A
T2
V Junta 2Junta 1
Metal B
Metal A• Termopar
E2E1
V
• Circuito Elétrico Equivalente (V = E1 – E2)
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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
19
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Termopares
• Termopar
• Circuito Equivalente (V = E1 – E2)
E2E1
V
T1
Metal A
VJunta 2
(T2)
Junta 1
Metal B
Metal C
Metal C
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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?
20
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Termoresistência
Termoresistência de 3 fios
Termoresistência de 4 fios
21
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Termoresistência
Curvas de Resposta (Pt-100)
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Termoresistência
Circuitos de Medição a 2, 3 e 4 fios
22
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Instalação no Processo
Poço de conexão flangeadae caixa de conexão
Poço de conexão roscada,caixa de conexão e caixa de selagem
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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
23
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Termistor
• Composição
• Curva de resposta
• Tipos NTC e PTC
• Aplicações
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medição de Pressão
24
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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
25
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidor de Pressão -Capacitivo
Corte de Transmissor Capacitivo
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidor de Pressão -Capacitivo
1-Diafragma Sensor
2-Diafragma Isolador
3-Fluido de Enchimento
4-Superfície Metalizada
Cerâmica
Vidro
Aço Inox
26
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidor de Pressão -Capacitivo (Diagrama Interno)
R1C1
C2R2
Sinal de ∆P
Amplificador
RT Sinal de Temperatura
Microcontrolador
Sinal de Saída
Detector
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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
27
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidor de Pressão -Capacitivo (Aplicações)
PressãoManométrica
• Pressão do processo é aplicada em uma câmara
• Outra câmara aberta para atmosfera
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidor de Pressão -Capacitivo (Aplicações)
PressãoAbsoluta
• Pressão do processo é aplicada em uma câmara
• Outra câmara é evacuada e selada
28
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidor de Pressão -Capacitivo (Aplicações)
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
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidor de Pressão -Strain Gage
• A pressão deforma um diafragma dotado de um medidorde força (strain gage)
Pressão
Diafragma
Strain Gage
29
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medição de Vazão
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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
30
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidor de Vazão -Placa de Orifício (instalação)
• Instalação tipo Flange Taps
• Instalação tipo Vena ContractaTaps
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidor de Vazão -Placa de Orifício (instalação)
31
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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%
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidor de Vazão - Turbina
• Geração de pulsos através decaptador de relutânciavariável
• Turbina de pequeno porte
32
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidor de Vazão - Turbina
• Curva de performance,repetibilidade e linearidade
• Curva de perormance emregime laminar e turbulento
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidor de Vazão - Turbina
• Efeito de acidentesna tubulação
• Influência de rotaçãoda massa fluida
33
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidor de Vazão - Turbina
• Trecho de medição
• Aferidor (microprover)
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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
34
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidor de Vazão Ultrassônico
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidor de Vazão Ultrassônico
Trecho de Mediçãoem linha de 30 pol
4 FEIXESULTRASÔNICOS
8 TRANSDUTORES
ULTRASÔNICOS
Conceito de Corda
35
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidor de Vazão Ultrassônico
Trecho de Medição de 32 pol.Montagem para Medição Externa
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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
36
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medição de Nível
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidores de Nível -de Empuxo
Transmissor de NívelEletrônico
Transmissor de NívelPneumático
37
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidores de Nível -de Empuxo
Sensor deForça (F)
Princípio de Funcionamento
F = K (W – E)
E
W
E = γAh
h
γ
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidores de Nível -de Empuxo
38
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidores de Nível -Outros Tipos
• Radar
• Servo Operado
• Ultrassom
• Capacitivo
39
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medição de Posição
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidores de Posição -Angular (Ótico)
• Arranjo de um sensorangular ótico
• Disco Codificador Absoluto • Disco Codificador Relativo
40
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidores de Posição -Distância (Indutivo)
• Medidor de distânciaspequenas (gap), usado emmáquinas (compressores,bombas, etc)
• Princípio defuncionamento
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidores de Posição -Distância (LVDT)
• Linear VariableDifferential Transformer
• Princípio defuncionamento
41
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidores de Posição -Distância (LVDT)
• Circuito de processamento de sinal
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medição de Força
42
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidores de Força -Strain Gage
• Célula de Carga Tipo S
• Medição de Torque
43
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Medidores de Força -Fio Vibrante
f ∝√ T
L
T
L Sensor
Bobina
Sinal (f)
Fio vibrante
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Outros Medidores
44
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Transdutores de pH
• Sensores de mediçãode pH (potencial dehidrogênio)
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Outros Transdutores
• Sensores de Gás
• Condutivímetros
• Densímetros
45
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Atuadores
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Atuadores
• Atuadores Motorizados
• Atuadores Pneumáticos
• Outros Atuadores
• Objetivo
46
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Atuadores - Objetivo
Realimentação)
Sinal
Suprimento
ServoAmplificador
MóduloAtuador
Estágio dePotência
Alimentação
Ação
• Gerar uma ação em função do sinal
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Atuadores Motorizados
47
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Atuadores Motorizados
Atuador de Válvula Motorizado
Motor
Caixa deConexões
PainelLocal
CartõesEletrônicos
Volante
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Atuadores Motorizados
Rede (Fieldbus) de Atuadores Motorizados
48
UERJ - Prof. Gil PinheiroCartão de Comunicação (Field-Bus) e Configurador (PC)
Atuadores Motorizados
UERJ - Prof. Gil PinheiroConexão do Cartão Field-Bus ao Atuador Elétrico Motorizado
Atuadores Motorizados
49
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Rede Redundante de Atuadores Motorizados
Atuadores Motorizados
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Atuadores Pneumáticos
50
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Atuadores Pneumáticos
Válvula de Controle com Posicionador Eletropneumático
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Atuadores Pneumáticos
Posicionador de Válvula Eletropneumático
51
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Atuadores Pneumáticos
Posicionador de Válvula Eletropneumático
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Atuadores Pneumáticos
Válvula de Controle com Posicionador Pneumático
52
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Válvula de Controle tipo Borboleta, Atuador Pneumático
Atuadores Pneumáticos
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Válvula tipo Globo com Conversor I/P
Internos de Válvula tipoGlobo
Atuadores Pneumáticos
53
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Características de Válvulasde Controle
• Curvas características (Vazão xAbertura) de válvulas de controle
• Linear
• Igual Percentagem
• Abertura Rápida
• Aplicação
• Split Range
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Conversor I/P
4 20
I (mA)
12
P (psi)
3
9
15
Atuadores Pneumáticos
54
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Outro Tipos de Atuadores
• Motores de Passo
• Controlador de Velocidade (Inversor)
• Válvulas Solenóide
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Sistemas de Controle
55
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Sistemas de Controle
• Tecnologia de Controladores
– Single Loop
– SDCD
• Algoritmos de Controle
– CLP
– Pneumático
• Transmissão de Sinal e Comunicação
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Sistemas de Controle -Algoritmos
Algoritmo de Controle
56
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Sistemas de Controle -Algoritmos
• Algoritmos de Controle
– ON/OFF
– PID (P, P+I, P+I+D)
– PID razão
– Controle Antecipativo (Feed-Forward)
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Sistemas de Controle
• Controlador Single/Multi Loop
Controlador e módulo programador
57
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
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
58
UERJ - Prof. Gil Pinheiro
Sistemas de Controle - SDCD
UERJ - Prof. Gil PinheiroArquitetura Unidade Controle Processos