IC 02 Introdução

INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLEProf. José Batista

CONCEITO

A Instrumentação, em engenharia, é associada ao estudo teórico e prático dos instrumentos e seus princípios científicos, utilizados para monitorar de forma contínua, ou discreta, o comportamento de variáveis de controle que de alguma forma venham interessar ao homem nas diversas áreas do conhecimento humano aplicado, ou seja, não apenas nos processos produtivos industriais.

APLICAÇÕES DE UM MODO GERAL?

Monitoração: Algumas aplicações de instrumentos de medida têm a simples função de monitoração da variável medida, ou seja, suas medidas não são utilizadas para controle. Medidores de consumo de gás, água e energia elétrica utilizados em residências, são bons exemplos desta classe de aplicação (Albertazzi, 2002).

Análise Experimental de Engenharia (Investigação): Refere-se às aplicações onde a medição fornecida por algum instrumento tem uso destinado à uma análise pós-medição, para determinação de algum parâmetro, modelo e/ou validação do mesmo.

Controle de Processos: Uma aplicação muito frequente de instrumentação é a especificação de instrumentos de medida como elementos de uma malha de controle. Esta classe de aplicação é representada no diagrama de blocos, como apresentado na

APLICAÇÕES RESUMIDAMENTE

• 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;

DEFINIÇÕES BÁSICAS

Instrumento: equipamento industrial responsável em controlar, medir, registrar ou indicar as variáveisde um processo produtivo.Controle: verificação de uma variável para possíveis correções fazendo com que a mesma permaneçadentro de uma tolerância de trabalho pré-determinada.Medir: determinar ou verificar a extensão de uma grandeza ou variável.Registrar: escrever ou lançar uma informação em papel (gráfico) ou em forma de arquivo eletrônico.Indicar: apontar, mostrar, sinalizar o valor de uma variável.Variável: são condições ou situações que ocorrem durante um processo produtivo, que podem ou nãointerferir no processo ou no produto, alterando a qualidade, a produtividade ou deixando o processoinseguro. As principais variáveis são: temperatura, pressão, vazão e nível.Processo: seqüência de operações em um conjunto de máquinas e/ou equipamentos necessários paraa manufatura de um produto.

TELAS DE SISTEMAS DIGITAIS DE OPERAÇÃO

TELAS DE SISTEMAS DIGITAIS DE OPERAÇÃO

Nível Gerenciamento

Nível Célula

Nível Chão de Fábrica

NívelAtuador-Sensor

Workstation, PC

CLP, PC

CLP, PCAcionamentos

Válvulas

AtuadoresSensores

VARIÁVEL DE PROCESSO

São condições internas ou externas que afetam o desempenho de um processo, em todos os processos industriais é absolutamente necessário controlar e manter constantes algumas variáveis de processo, tais como pressão, vazão, temperatura, nível, pH, condutividade, velocidade, umidade, etc.

VARIÁVEL DE PROCESSO

Ex: A finalidade do sistema é fornecer uma determinada vazão de água aquecida. A variável mais indicativa desse objetivo é a temperatura da água de saída do aquecedor, que deve ser então a variável controlada.variável de processo é a temperatura da água de saída.

MEIO CONTROLADO

É a energia ou material no qual a variável é controlada. O meio controlado é a água na saída do processo, onde a variável de processo, temperatura, representa uma característica da água.

AGENTE DE CONTROLE

É a energia ou material do processo, da qual a variável manipulada é uma condição ou característica. 0 agente de controle é o vapor, pois a variável manipulada é a vazão do vapor.

VARIÁVEL MANIPULADA A variável manipulada do processo é aquela sobre a qual o controlador automático atua, no sentido de se manter a variável controlada no valor desejado. A variável manipulada pode ser qualquer variável do processo que causa uma variação rápida na variável controlada e que seja fácil de manipular.

VARIÁVEL DE PROCESSO

MALHA DE CONTROLEQuando se fala em controle, deve-se necessariamente subentender uma medição de uma variável qualquer do processo, isto é, a informação que o controlador recebe. Recebida essa informação o sistema controlador compara-a com um valor pré-estabelecido (chamado SET POINT), verifica a diferença entre ambos, e age de maneira a diminuir ao máximo essa diferença. Esta seqüência de operações, medir a variável; comparar com o valor pré-determinado e atuar no sistema de modo a minimizar a diferença entre a medida e o set point.A malha de controle pode ser :Malha abertaMalha fechada

TIPOS DE SISTEMAS INSTRUMENTADOS NA INDÚSTRIA –MALHA ABERTA

consiste em um sistema que não possui realimentação. Mais detalhadamente o controle em malha aberta consiste em aplicar um sinal de controle na entrada de um sistema, esperando-se que na saída a variável controlada consiga atingir um determinado valor ou apresente um determinado comportamento desejado. Nesse tipo de sistema de controle não observamos a evolução do processo para a determinar o sinal de controle.

EXEMPLO SISTEMA DE MALHA ABERTA

EXEMPLO SISTEMA DE MALHA ABERTA

Exemplo: Considere o controle de um forno onde um operador com uma determinada experiência, estima o tempo que o forno deve ficar ligado a plena potência para que a temperatura chegue a um determinado valor. Obviamente, apenas com muita sorte, a temperatura do forno ao final do tempo pré-determinado será exatamente a desejada. De uma maneira geral, a temperatura ficará um pouco acima ou um pouco abaixo do valor desejado. Além disto, a temperatura final do forno provavelmente irá variar dependendo de variações temperatura ambiente, ou seja, a temperatura interna final do forno será diferente se a temperatura externa for de 5 ºC (inverno) ou 30 ºC (verão).

EXEMPLO SISTEMA DE MALHA ABERTA

Descreva o comportamento desse sistema em termos de resultadosEsperados. Conseguirmos a temperatura de 50º por exemplo?

EXEMPLO SISTEMA DE MALHA FECHADA

Na malha fechada, a informação sobre a variável controlada, com a respectiva comparação com o valor desejado, é utilizada para manipular uma ou mais variáveis do processo.

EXEMPLO SISTEMA DE MALHA FECHADA

EXEMPLO SISTEMA DE MALHA FECHADA

Descreva o processo de uma geladeira como malha fechada?

EXEMPLO SISTEMA DE MALHA FECHADA

Um exemplo é uma geladeira. Em uma geladeira a temperatura interna é medida e comparada com um valor de referência pré-estabelecido pelo usuário. Caso a temperatura interna fique acima da temperatura pré-estabelecida (devido a temperatura externa ou a temperatura de algum alimento colocado na geladeira estar acima da temperatura interna), a geladeira é acionada e a temperatura começa a abaixar. Quando a temperatura atinge o valor de referência, o motor da geladeira é desligado. Desta maneira, a temperatura da geladeira tende a ficar em torno da referência.

DIAGRAMA DE BLOCOS

FUNÇÕES DE INSTRUMENTOS

Os sistemas de controle automático, basicamente são compostos por: uma unidade de medida, uma unidade de controle e um elemento final de controle.O Controle Automático dos Processos Industriais é cada vez mais empregado por aumentar a produtividade, baixar os custos, eliminar erros que seriam provocados pelo elemento humano e manter automática e continuamente o balanço energético de um processo.

FUNÇÕES DE INSTRUMENTOS

Os instrumentos podem estar interligados entre si para realizar uma determinada tarefa nos processos industriais. A associação desses instrumentos chama-se malha e em uma malha cada instrumento executa uma função.

ELEMENTOS DE CONTROLE AUTOMÁTICO

IndicadorInstrumento que dispõe de um ponteiro e de uma escala graduada naqual podemos ler o valor da variável. Existem, também, os indicadores digitais que mostram a variável em forma numérica com dígitos ou barras gráficas.

FUNÇÕES DE INSTRUMENTOS

RegistradorInstrumento que registra a traço contínuo ou pontos em um gráfico.

FUNÇÕES DE INSTRUMENTOS

Transdutor ou conversorÉ todo elemento, natural ou não, que converte uma forma de energia em outra, mas que o sinal de saída deste elemento não é padronizado isso é não tem uma unidade ou valor definidos. os sensores e conversores devem existir dentro deles. Um exemplo é o termo par, que tem uma saída em mV ou o PT100 que tem uma variação de resistência.

FUNÇÕES DE INSTRUMENTOS

TransmissorÉ um equipamento que consegue ler uma variável de um processo e fornecer um sinal de saída padronizado, como o 4-20 mA, o transmissor obrigatoriamente tem um transdutor interno, contudo um transdutor pode ser utilizado sem um transmissor.

FUNÇÕES DE INSTRUMENTOS

ControladorControlador: Instrumento que compara a variável controlada com um valor desejado e fornece um sinal de saída a fim de manter a variável controlada em um valor específico ou entre valores determinados. A variável pode ser medida diretamente pelo controlador ou indiretamente através do sinal de um transmissor ou transdutor.

FUNÇÕES DE INSTRUMENTOS

Detector são aparelhos ou máquinas cuja finalidade é a de assinalar a presença de uma substância ou de um corpo em determinado meio ambiente. Por outras palavras é um dispositivo que muda de estado na presença de um elemento ou de uma situação para o qual foi especificamente concebido.

FUNÇÕES DE INSTRUMENTOS

Elemento Final de ControleInstrumento que modifica diretamente o valor da variável manipulada de uma malha de controle.

FUNÇÕES DE INSTRUMENTOS

Elemento Final de ControleInstrumento que modifica diretamente o valor da variável manipulada de uma malha de controle.

ELEMENTOS DE CONTROLE AUTOMÁTICO

CLASSIFICAÇÃO POR SINAL DE TRANSMISSÃO

Os equipamentos podem ser agrupados conforme o tipo de sinal transmitido ou o seu suprimento. A seguir será descrito os principais tipos, suas vantagens e desvantagens.• Sinal pneumático;• Sinal elétrico;• Sinal Digital;• Sinal Rádio.• Sinal Modem

SINAL PNEUMÁTICO

Nesse tipo é utilizado um gás comprimido, cuja pressão é alterada conforme o valor que se deseja representar. Nesse caso a variação da pressão do gás é linearmente manipulada numa faixa específica, padronizada internacionalmente, para representar a variação de uma grandeza desde seu limite inferior até seu limite superior. O padrão de transmissão ou recepção de instrumentos pneumáticos mais utilizados é de 0,2 a 1,0 kgf/cm2.

SINAL PNEUMÁTICOVantagemA grande e única vantagem em seu utilizar os instrumentos pneumáticos está no fato de se poder operá-los com segurança em áreas onde existe risco de explosãoDesvantagemNecessita de tubulação de ar comprimido (ou outro gás) para seu suprimento e funcionamento.• Necessita de equipamentos auxiliares tais como compressor, filtro, desumidificador, etc., para fornecer aos instrumentos ar seco, e sem partículas sólidas.• Devido ao atraso que ocorre na transmissão do sinal, este não pode ser enviado à longa distância, sem uso de reforçadores. Normalmente a transmissão é limitada a aproximadamente 100 m.• Vazamentos ao longo da linha de transmissão ou mesmo nos instrumentos são difíceis de serem detectados.• Não permite conexão direta aos computadores.

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TIPO ELÉTRICO

Esse tipo de transmissão é feita utilizando sinais elétricos de corrente ou tensão. Em face de tecnologia disponível no mercado em relação à fabricação de instrumentos eletrônicos microprocessados, hoje, é esse tipo de transmissão largamente usado em todas as indústrias, onde não ocorre risco de explosão.Os transmissores eletrônicos geram vários tipos de sinais em painéis, sendo os mais utilizados: 4 a 20 mA, 10 a 50 mA e 1 a 5 V.

TIPO ELÉTRICO

Vantagens:• Permite transmissão para longas distâncias sem perdas.• Alimentação pode ser feita pelos próprios fios que

conduzem o sinal de transmissão.• Permite fácil conexão aos computadores.• Permite de forma mais fácil realização de operações

matemáticas.

Desvantagens:• Necessita de técnico especializado para sua instalação

e manutenção.• Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais

em instalações localizadas em áreas de riscos.• Exige cuidados especiais na escolha do

encaminhamento de cabos ou fios de sinais.• Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos

elétricos.

TIPO DIGITAL

Nesse tipo, “pacotes de informações” sobre a variável medida são enviados para uma estação receptora, através de sinais digitais modulados e padronizados.Vantagens:• Não necessita ligação ponto a ponto por instrumento.• Pode utilizar um par trançado ou fibra óptica para

transmissão dos dados.• Imune a ruídos externos.• Permitem configuração, diagnósticos de falha e ajuste em

qualquer ponto da malha.• Menor custo final.Desvantagens:• Existência de vários protocolos no mercado, o que

dificulta a comunicação entre equipamentos de marcas diferentes.

• Caso ocorra rompimento no cabo de comunicação pode-se perder a informação e/ou controle de várias malha.

VIA RÁDIO

Neste tipo, o sinal ou um pacote de sinais medidos são enviados à sua estação receptora via ondas de rádio em uma faixa de freqüência específica.

Vantagens:• Não necessita de cabos de sinal.• Pode-se enviar sinais de medição e controle de máquinas

em movimento.

Desvantagens:• Alto custo inicial.• Interferência.

VIA MODEM

A transmissão dos sinais é feita através de utilização de linhas telefônicas pela modulação do sinal em freqüência, fase ou amplitude.

Vantagens:• Baixo custo de instalação.• Pode-se transmitir dados a longas distâncias.

Desvantagens:• Sujeito a interferências

externas, inclusive violação de informações.

• Regulamentação.