MARINHA DO BRASIL DIRETORIA DE PORTOS E COSTAS ENSINO PROFISSIONAL MARTIMO INSTRUMENTAO DE CONTROLE (ICO-1) 1 edio Belm-PA 2011 2 2011 direitos reservados Diretoria de Portos e Costas Autor: Carlos Rogrio dos Santos Vidal

Reviso Pedaggica: Erika Ferreira Pinheiro Guimares Suzana Reviso gramatical: Esmaelino Neves de Farias Digitao/diagramao:Fernando David de Oliveira Coordenao geral: Glaydson Antonio Corra do Nascimento CC Superintendente de Ensino ____________ exemplares Diretoria de Portos e Costas Rua Tefilo Otoni, no 4 Centro Rio de Janeiro, RJ 20090-070 http://www.dpc.mar.mil.br secom@dpc.mar.mil.br Depsito legal na Biblioteca Nacional conforme Decreto no 1825, de 20 de dezembro de 1907. IMPRESSO NO BRASIL / PRINTED IN BRAZIL 3 SUMRIO 1 EVOLUO DO CONTROLE AUTOMTICO ........................................................ 6 1.1 Introduo ............................................................................................................. 6 1.2 Tcnicas de controle nos primrdios da automao industrial .......................... 112 1.3 Principais inventos na evoluo das tcnicas de controle industrial ................... 15 1.4 Importncia da automao para a indstria naval ............................................... 18 1.5 Sistemas de controle ........................................................................................... 22 1.6 Exerccios da unidade 1 ...................................................................................... 35 2 GENERALIDADES DA INSTRUMENTAO INDUSTRIAL ................................. 36 2.1 Definio e importncia da instrumentao industrial ......................................... 36 2.2 Normas regulamentadoras para instrumentao industrial ................................. 38 2.3 Medies ............................................................................................................. 39 2.4 Caractersticas dos instrumentos de medies ................................................... 41 2.5 Transmisses atravs da malha de controle ....................................................... 47 2.6 Redes e protocolos de comunicaes industriais ................................................ 52 2.7 Exerccios da unidade 2 ...................................................................................... 60 3 MEDIO DE PRESSO ...................................................................................... 61 3.1 Definio e princpios fsicos das medies de presses ................................... 61 3.2 Unidades de medidas de presso ....................................................................... 63 3.3 Tipos de medidores de presso .......................................................................... 64 3.4 Fontes de erros nas medies de presses e acessrios para manmetros ...... 76 3.5 Exerccios da unidade 3 ...................................................................................... 79 4 MEDIO DE TEMPERATURA ............................................................................ 80 4.1 Definio e princpios fsicos das medies de temperaturas ............................. 80 4.2 Escalas termomtricas ........................................................................................ 80 4.3 Tipos de medidores de temperatura .................................................................... 82 4.4 Fontes de erros nas medies de temperaturas ............................................... 101 4.5 Exerccios da unidade 4 .................................................................................... 102 4 5 PRTICAS DE LABORATRIO ......................................................................... 103 5.1 Interpretaes das folhas de dados dos medidores de presses ...................... 103 5.2 Testes e ligaes dos medidores de presses .................................................. 104 5.3 Interpretaes das folhas de dados dos medidores de temperaturas ............... 108 5.4 Testes e ligaes dos medidores de temperaturas ........................................... 109 6 MEDIO DE VAZO ......................................................................................... 120 6.1 Definio e princpios fsicos das medies de vazes ..................................... 120 6.2 Unidades de medidas de vazo ........................................................................ 121 6.3 Tipos de medidores de vazo ........................................................................... 122 6.4 Fontes de erros nas medies de vazo ........................................................... 138 6.5 Exerccios da unidade 6 .................................................................................... 139 7 MEDIO DE NVEL ........................................................................................... 140 7.1 Definio e princpios fsicos das medies de nveis ....................................... 140 7.2 Unidades de medidas de nvel .......................................................................... 140 7.3 Tipos de medidores de nvel ............................................................................. 141 7.4 Fontes de erros nas medies de nvel ............................................................. 151 7.5 Exerccios da unidade 7 .................................................................................... 152 8 DISPOSITIVOS ELTRICOS PARA AUTOMAO ........................................... 153 8.1 Introduo ......................................................................................................... 153 8.2 Dispositivos de entradas de sinais .................................................................... 153 8.3 Dispositivos de processamento ......................................................................... 162 8.4 Dispositivos de sadas ....................................................................................... 166 8.5 Exerccios da unidade 8 .................................................................................... 168 9 INTERFACE HOMEM-MQUINA OU IHM .......................................................... 169 9.1 Definio ........................................................................................................... 169 9.2 Vantagens e desvantagens das IHM ................................................................. 170 9.3 Tipos de IHMs ................................................................................................... 171 9.4 Fatores para no utilizao das IHMs ............................................................... 174 9.5 Exerccios da unidade 9 .................................................................................... 175 5 10 PRTICAS DE LABORATRIO ....................................................................... 176 10.1 Interpretaes de folhas de dados de medidores de vazo ............................ 177 10.2 Testes e ligaes de medidores de vazo ...................................................... 178 10.3 Interpretaes de folhas de dados de medidores de nvel .............................. 185 10.4 Testes e ligaes de medidores de nvel ........................................................ 185 10.5 Interpretaes de folhas de dados de dispositivos eltricos............................ 190 10.6 Testes e ligaes de dispositivos eltricos ...................................................... 190 10.7 Interpretao de folhas de dados de IHM ........................................................ 199 10.8 Testes e ligaes de IHM ................................................................................ 199 REFERNCIAS ....................................................................................................... 201 ANEXO A - Simbologia para instrumentao industrial .................................... 203 ANEXO B - Simbologia eltrica ............................................................................ 207 ANEXO C - Valores de resistncias do PT-100 ................................................... 209 ANEXO D - Voltagens termoeltricas do termopar tipo J .................................. 212 6 1 EVOLUO DO CONTROLE AUTOMTICO 1.1 Introduo Aautomaoindustrialfazpartedodia-a-diadassociedadesmodernas. Diariamente nos deparamos com situaes simples que envolvem algum nvel de a automao.Porexemplo:emmuitasresidncias,logopelamanh,ordio-relgio tocaoalarmeautomaticamenteparaacordarmos,nessemesmoinstante,algum esquentaopoparaocafdamanhnumatorradeiraeltrica,ajustandootempo deduraodoaquecimento,aofinaldesteintervalodetempo,pode-sesaborear umadeliciosatorradapreparadasemaintervenohumanadireta.Essessimples fatos evidenciam como a automao faz parte da vida cotidiana. Por outro lado, as tentativas humanas de mecanizao de atividades manuais nosotorecentes:tiveramorigemdesdeaidadepr-histricaecomopassar dos anos invenes como a roda, o moinho (movido por vento ou fora animal) e as rodasdguaforamelaboradas.Essasinvenessemdvidademonstrama criatividade e capacidade do homem para poupar esforo fsico. Somente a partir da segunda metade do sculo XVIII, a automaoindustrial ganhoudestaquenasociedadequandoocorreuachamadaRevoluoIndustrial, inicialmentenaInglaterra.Essarevoluoveiosubstituirosistemadeproduo agrrioeartesanalpelosistemadeproduoindustrial.Apartirdeentosurgiram dispositivos industriais de operao simples e semiautomticos e somente no incio do sculo XX surgiram os primeiros sistemas inteiramente automticos. Paramelhorcompreendermosofuncionamentodosprocessosindustriais, vamosapresentarinicialmenteosconceitosmaisimportantesrelacionadoscoma automao industrial. a) automao Otermoautomaoderivadotermoemlatimautomatuscujosignificado mover-seporsi.Automaoaaplicaodetcnicascomputadorizadasou mecnicasparadiminuirousodemo-de-obrahumanaemqualquerprocessode produo. 7 Umsistemaautomticodecontrolepossuimecanismosqueverificamseu prpriofuncionamento,efetuandomedieseintroduzindocorrees,sema necessidade de interveno humana. Comumente, utiliza-se o termo automatizao ao invs de automao. b) automatismo cada tcnica ou dispositivo que forma o sistema automtico. Tambm, a formacomo essastcnicasoudispositivosinteragementresia fimdeproduzirum maior volume de trabalho com menor esforo fsico e mental do homem. c) mecanizao Consiste no uso de mquinas apenas para realizar um trabalho substituindo o esforo fsico do homem sem que essas mquinas possuam meios de regulagem de funcionamento independente da ao humana direta. d) sistema oconjuntodeelementosdinamicamenterelacionadosentresi,formando umaatividadeparaatingirumobjetivo,operandocomentradas(informaes, energia, dinheiro, materiais) e fornecendo sadas processadas (modificadas). e) processo o conjunto sequencial e peculiar de aes que objetivam atingir uma meta. usado para criar, inventar, projetar, transformar, produzir, controlar, manter e usar produtosousistemas.Naindstriaemgeral,processossoprocedimentos envolvendopassosqumicosoumecnicosquefazempartedamanufaturadeum ou vrios itens, usualmente em grande escala. f) comando umaetapadeumsistemamedianteoqualumaoumaisgrandezasde entradainfluenciamumaoumaisgrandezasdesada,deacordocomas caractersticas prprias deste sistema. Umcomandonoprevmeiosparaasgrandezasdesadaatuaremnas entradas no sentido de se garantir os valores desejados as mesmas.Dessa forma, 8 perturbaesexternasaosistema,comovariaesdetemperaturaeforasde trabalho no conseguem ser compensadas ou corrigidas pelos comandos. Quantoaotipodecomando,podemoster:comandomanual,mecnico, pneumtico,hidrulico,eltricoouumacombinaodestes.Dessaforma,um sistema de comando pode apresentar grandezas de entrada externas ou internas ao sistema.Asgrandezasexternaspodemserprovenientesdevlvulasmanuais, botoeiras, interruptores, chaves e sensores diversos. Por sua vez, as grandezas de entradasinternaspodemserprovenientesdechavesdefim-de-cursoedemais sensoresdoprpriosistemaquepodemterseusvaloresalteradosaolongodo processo. Por outro lado, as grandezas de sadas de um comando tm como funo produziracionamentosououtrasmanifestaesexternasatravsdeatuadores como cilindros, motores, bombas, lmpadas, vlvulas, posicionadores e outros. g) controle oprocessodeumsistema,ondeovalordeumagrandezadesadaaser controlada continuamentecomparadocomovalordereferncia(valordesejado). Oresultadodessacomparao atuanaentradadosistema detalformaqueasua sada apresente o valor desejado na varivel controlada. Oequipamentoresponsvelporexecutaressafunodenominado controladordeprocessos.Existemcontroladoresdeprocessoshidrulicos, pneumticoseeltricosoueletrnicos.Dentreosquais,atualmente,osmais utilizados so os eltricos ou eletrnicos. A figura a seguir mostra alguns modelos de controladores industriais. Figura 1 - Modelos de controladores industriais. 9 h) servomecanismo todo mecanismo construdo para cumprir sozinho certoprograma de ao, executandoseuprpriotrabalhoapartirdecomandosquelhesodados. Geralmente,umservomecanismoaassociaodamecnicaeeletrnica, portanto,osservomecanismossosistemasmecnicoscontroladoseletro-eletrnicamente. i) elementos primrios de controle Oselementosprimriosdecontrolesoresponsveispelamediodas grandezas fsicas. Portanto, tm por funo medir alguma propriedade do sistema e convert-laemumsinalquepossaserutilizadoparacontrole.Tipicamente,esto localizadosprximoaoprocesso,eporissosodenominados"elementosde campo".Soeles:sensores,transmissores,conversoresdesinais,transdutorese amplificadores. Deacordocomascaractersticasdefuncionaisdoselementosprimrios,os mesmos podem ser denominados de sensores ou transdutores. Sero denominados sensoresquandoosinalgeradofordiretamentecompatvelcomosistemade controle.Eserodenominadosdetransdutoresquandoosinalproduzidonofor diretamente compatvel com o sistema de controle e necessitar uma converso. Figura 2 - Modelos de sensores industriais. j) elementos secundrios de controle Essesdispositivospossuemacapacidadedereceberetratarosinal provenientedoelementoprimriodecontrole.Portanto,tmafunodeprocessamentodesinais.Soeles:controladores,comparadores,amplificadores, integradores,derivadores,temporizadores,contadores,relstemporizadores, analisadores, alarmes, indicadores e registradores. 10 k) elementos finais de controle Oselementosfinaisdecontrolesoaquelesdispositivosquedesenvolvem umtrabalhocujoresultadotornapossvelmodificarocomportamentodagrandeza fsicacontrolada.Estoconectadosssadasdoscontroladoresdeprocessos. Tambmsodispositivosinstaladosnocampo.Sotambmdenominados atuadores. Figura 3 - Modelos de atuadores industriais. l) indicadores Sodispositivosquetmafunodeinformaraooperadorovalor instantneooutotalizadodagrandezafsicacontroladaoumedida.Podemser analgicos (quando possuem um ponteiro ou outroelemento mvel que se desloca aolongodeumaescalagraduada)oudigitais(quandoainformaoindicada atravs de um display) ou, ainda, analgicos e digitais. Figura 4 - Modelos de indicadores industriais. m) registradores Sodispositivosquetmafunodearmazenarasinformaesmedidas pelossensoresparaanliseposterior.Oregistrodasinformaespodeser analgico ou digital, atravs de amostragens numricas ou grficas. 11 Figura 5 - Modelos de registradores industriais. n) transmissores e transdutores Soelementosquetransformamasmedidasdossensoresemsinais padronizadosquepodemsertransmitidoseinterpretadospelocontrolador, registradorouindicador.Muitasvezesotransmissordenominadotransdutorde sinal e, em muitos casos, o prprio transmissor faz parte do elemento sensor. Os transdutores tambm podem ser denominados conversores. Figura 6 - Modelo de transdutor I/P. o) chavesSodispositivoscapazesdeconectar,desconectaroutransferirumoumais circuitosdeformamanualouautomtica.Quandodeformaautomtica,atuam diretamente atravs da varivel de processo ou de seu sinal representativo. Podem-se utilizar suas sadas nas seguintes situaes: para atuaremalarmes, lmpadas-piloto,intertravamentosousistemasdesegurana.Aschavesnoparticipamdo controle contnuo das variveis de processo. 1.2 Tcnicas de controle nos primrdios da automao industrial Osprocessosprodutivosantesdaeraindustrial(iniciadanaInglaterraem meadosdosculoXVIII)eramartesanaisemanuais;porisso,esseperodofoi denominadomanufatura.Emalgunscasoseramutilizadasmquinassimplespara 12 auxiliar a execuo desses trabalhos. Nessa poca, geralmente, o arteso realizava todasasetapasdoprocessodeproduo: obtenodematriaprima,produoe comercializaodoprodutofinal.Nohaviafbricasnemcentrosindustriaiseos trabalhos eram realizados em oficinas instaladas nas casas dos prprios artesos. Com o advento da Revoluo Industrial, os trabalhadores perderam o controle do processo produtivo, da posse da matria-prima, do produto final e do lucro, pois passaramatrabalharparaumpatronaqualidadedeempregadosouoperrios. Suas funes passaram a seras decontrolar mquinas que pertenciam aos donos dosmeiosdeproduo.Autilizaodemquinasparaproduoemlargaescala ficou conhecida como maquinofatura. Duranteesseperodo,diversosinventosforamcriadosparaaperfeioaro funcionamento das fbricas. Dentre os principais inventos da poca, h um destaque especialparaamquinaoumotoravapor.Essamquina,assimcomotodasas demaismquinastrmicas,funcionabaseadanoprincpiodequeocaloruma formadeenergiae,portanto,podeserutilizadoparaproduzirtrabalho.Seu funcionamento obedece s leis da termodinmica. Uma mquina a vapor utiliza como fluido de trabalho o vapor de gua sob alta pressoealtatemperatura.Pode-seutilizarovaporparamovimentarturbinasou pistes e, assim, realizar trabalho. Considera-se, at os dias atuais, que foi na mquina a vapor que o segundo dispositivo automtico de controle foi aplicado. Trata-se do governador centrifugo ou reguladordevelocidadeprojetadoporJamesWattem1788.Essedispositivo formadoporpnduloscnicosquegiramdeacordocomofluxodevapore assumem uma posio proporcional a velocidade de giro aplicada, isso faz com que alavancas sejam movimentadas, regulando a abertura de uma vlvula tipo borboleta, limitando,ento,avazodevaporqueacionaospistesquemovimentama mquina a vapor, evitando assim velocidades excessivas. OreguladordevelocidadedeJamesWattfoioprecursordossistemas automticos com realimentao negativa (feedback). A figura 7 mostra um governador centrfugo desenvolvido por James Watt e a figura 8, a rplica da mquina a vapor. 13 Figura 7 - Governador centrfugo projetado por James Watt. Disponvel em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Governador_centr%C3%ADfugo. Acesso em: 03 out. 2010. Figura 8 - Rplica da mquina a vapor de James Watt. Disponvel em: http://pt.wikilingue.com/gl/M%C3%A1quina_de_vapor. Acesso em: 03 de out. de 2010. . Almdasfbricasinglesas,amquinaavaportambmfoiaplicadano bombeamentodeguaemminasdecarvo,napropulsodelocomotivasede embarcaes.Portanto,autilizaodovaporacelerouomundo,encurtouas distncias e aumentou a produo industrial. Comopassardosanos,outrasformasdeenergiaforamaplicadasna indstriacomo:hidrulica,pneumticaeeltrica.NofinaldosculoXIXocorreua invenodomotordecombustointerna.Esteveioasubstituirovaporemmuitas aplicaesindustriais,porm,emboraautilizaodevaporpareaterficado 14 obsoleta, esta ainda possui, at os dias atuais, muitas aplicaes prticas como, por exemplo:produodeenergiaeltricaemtermoeltricaseusinasnucleares;nos naviosmercantes,ovaporatualmenteutilizadoemtrocadoresdecalorparao aquecimento de leo combustvel do MCP, aquecimento de gua das acomodaes, movimentao de turbogeradores, sistemas de calefao, entre outras.Outrasformasdeenergiacomoelicaehidrulicaforambastanteutilizadas antes e durante o incio da Revoluo Industrial. Moinhos de ventos eram utilizados paracaptaraenergiacinticadosventoseproduzirenergiamecnicaqueera utilizada principalmente no bombeamento de gua e em moagem de cereais. Essas aplicaesdatamdosculoX,segundorelatoshistricos.Atualmenteaenergia elica tem sido utilizada para movimentar geradores de eletricide. A energia elica tambm foi utilizada na industria naval por vrios anos para propelirasembarcaes,pormamecanizaodosnaviosmercantesfezusoda mquinaavaporparaacionarrodasdgua(emconjuntocomps)comomeiode propulso.Issopossibilitouaconstruodeembarcaesmaioresemaisrpidas. Em seguida, as rodas de ps foram substitudas por hlices e o motor a vapor, por turbinas a vapor, dando origem aos modernos navios. Algunsmodelosdeembarcaesfluviaisaindacontinuamautilizara propulsoarodadeps,comoostpicosstreamboatsnorioMississipi(USA)ou como os gaiolas dos rios So Francisco e Amazonas (Brasil). Figura 9 - Navio a vapor Benjamim Guimares. Disponvel em: http://www.panoramio.com/photo/20638822. Acesso em: 03 out. 2010. 15 1.3 Principais inventos na evoluo das tcnicas de controle industrial Anecessidadedeaumentaraproduoeaprodutividadeindustrialdeu origem ao surgimento de uma srie de inovaes tecnolgicas: mquinas modernas, capazesdeproduzircommaiorprecisoerapidezemrelaoaotrabalhofeito mo;utilizaodefontesalternativasdeenergia,comoovapor,inicialmente aplicadoamquinasemsubstituiosenergiashidrulicaemuscular.Esse perododasgrandesinvenesindustriaisconhecidocomosegundaRevoluo Industrial. DuranteosculoXX,oscomputadores,servomecanismosecontroladores programveispassaramaintegraratecnologiadaautomaoindustrial.Ento,os computadorespassaramaserospilaresdesustentaodetodaatecnologiada automao contempornea. Apesar de toda evoluo tecnolgica recente, as tcnicas de automao so bastante antigas. A histria antiga apresenta a necessidade de automatizar clculos matemticos.Estefatoevidenciadoinicialmenteatravsdousodebacospelos babilnios,entre2000e3000a.C.,ainvenodarguadeclculoe, posteriormente,damquinaaritmtica,queefetuavasomasesubtraespor transmissesdeengrenagens.Essesforamalgunsdosfatoresdiretamente relacionados com as ideias para criao do computador. De todas as descobertas humanas a lgebra booleana (princpios binrios), desenvolvidaporGeorgeBooleemmeadosdosculoXIX,queestabeleceos princpios aplicados s operaes internas dos computadores modernos. Atualmenteoscomputadorestmaplicao empraticamentetodasasreas do conhecimento e atividade humana. Por exemplo, ao entrarmos em uma agncia bancriapararetirarumsimplesextratosomosobrigadosainteragircomum computadordaseguinteforma:passamosocartomagntico,informamosnossa senhaeempoucossegundosobtemosamovimentaobancriaimpressa.Esse procedimento cotidiano ilustrado na figura a seguir. Figura 10 - Fluxo de operaes automticas para retirada de extrato bancrio. 16 Comopassardosanos,astcnicasindustriaisevoluramrapidamente.A tabela 1 resume as principais descobertas da humanidade diretamente relacionadas com a evoluo tecnolgica da automao industrial. Tabela 1 - Evoluo das tcnicas de automao industrial. pocaInovao tecnolgica 1788James Watt desenvolveu um mecanismo de regulagem do fluxo para mquinas a vapor. 1870 O setor industrial passou a utilizar a energia eltrica. Esse fato trouxe bastante progresso ao setor de transportes ferrovirio e naval. 1880 HermanHollerithdesenvolveuumnovomtodo,baseadonautilizaodecartes perfurados, para automatizar algumas tarefas de tabulao do censo norte-americano. Os dados foram contabilizados em apenas seis semanas (antes disso, levavam 10 anos). O uso dessa tecnologia foi a basede criao da mquina IBM,bastante parecida com o computador. 1946 Foidesenvolvidooprimeirocomputadordegrandeporte,completamenteeletrnico.O Eniac,comofoichamado,ocupavamaisde180mepesava30toneladas.Funcionava comvlvulaserelsqueconsumiam150.000Wattsdepotnciapararealizarcercade 5.000 clculos aritmticos por segundo.Esta inveno caracterizou o que seria a primeira gerao de computadores, que utilizava tecnologia de vlvulas eletrnicas. 1948 JohnT.Parsonsdesenvolveuumamquina-ferramentacommovimentocontroladocom cartesperfurados.Apsademonstraodesseinvento,aforaareaamericana patrocinouumasriedeprojetosdepesquisa,coordenadapelolaboratriode servomecanismosdoInstitutoTecnolgicodeMassachusetts(MIT).Algunsanosmais tarde,oMITdesenvolveuumprottipodeumafresadoracomtrseixosdotadosde servomecanismos de posio. anos 50 Nasceu a idia da computao grfica interativa (forma de entrada de dados por meio de smbolos grficos com respostas em tempo real). O MIT produziu figuras simples por meio da interface de tubo de raios catdicos (idntico ao tubo de imagem de um televisor) com um computador. 1952 Surgiu a 2 gerao dos computadores, construdos com transistores. Esses componentes noprecisamseraquecidosparafuncionar,consomemmenosenergiaesomais confiveis do que as vlvulas. Seu tamanho era cem vezes menor que o de uma vlvula, permitindo que os computadores ocupassem menores espaos. 17 Tabela 1 - Evoluo das tcnicas de automao industrial (continuao). pocaInovao tecnolgica 1954 Um rob programvel foi projetado por George Devol, que mais tarde fundou a fbrica de robsUnimation.Poucosanosdepois,aGeneralMotorsCorporation(ouGM)instalou robs em sua linha de produo para soldagem de carrocerias. 1959A ou GM comeou a utilizar a computao grfica em seu meio de produo. anos 60 ComeouaserutilizadootermoCAD(doinglsComputerAidedDesignouProjeto AuxiliadoporComputador)paraindicarossistemasgrficosorientadosparaprojetos. Porm,essadcadafoioperodomaiscrticodaspesquisasnareadecomputao grficainterativa.Naquela,agrandenovidadedapesquisafoiodesenvolvimentodo sistemasketchpad, o qualpossibilitou a criao de desenhos ealteraesdeobjetos de maneira interativa, num tubo de raios catdicos. anos 70 Os primeiros frutos das pesquisas desenvolvidas na dcada anterior comearam a surgir. Setoresgovernamentaiseindustriaispassaramareconheceraimportnciada computao grfica como forma de aumentar a sua produtividade 1975 Surgiramoschamadoschips(circuitosintegradosemescalamuitogrande-VLSI).Os mesmosforamutilizadosnaconstruodaquartageraodecomputadores (computadorespessoais,detamanhoreduzidoebaixocustodefabricao)capazesde realizar50milhesdeclculosporsegundonomesmotempoemqueoEniacfazia apenas 5 mil clculos. anos 80 Deraminiciospesquisasvoltadasintegraoe/ouautomatizaodosdiversos elementos de projeto e produo industrial a fim de se desenvolvero ambiente industrial moderno. Asprincipaismetasdaspesquisasnessapocaforam:aexpansodasaplicaesdos sistemasCAD/CAM(ProjetoeManufaturaAuxiliadosporComputador)eamodelagem geomtricatridimensionalcommaisaplicaesdeengenharia(CAEEngenharia Auxiliada por Computador). 1990 OgrupoISAformouoSP50FieldbusCommitteeparadesenvolverumpadrode comunicaoparaintegraodosvriostiposdedispositivosdecampoutilizadosna automao industrial. dias atuais Atualmenteosprocessosindustriaisestointerligadosasistemasdesupervisoque possibilitam gerenciar e interferir nos mesmos a partir de uma sala de controle. Essa rea ainda est em plena expanso. 18 1.4 Importncia da automao para a indstria naval Aautomaodiminuioscustoseaumentaavelocidadedaproduo.Hoje emdiaestpresenteemdiferentesramosdeatividadesdohomem,desdea medicina at a astronomia, ampliando a capacidade de interao com a natureza e os processos. Aautomaoindustrialvisa,principalmente,aprodutividade,qualidadee seguranadosprocessos.Pode-seafirmarquetodoprocessopode,dealguma forma, ser automatizado; ento, a deciso sobre o uso da automao torna-se uma questo mais de ordem econmico-financeira que propriamente tcnica. Ao longo dos anos, a automao tem provocado uma srie de mudanas no ambiente de trabalho como: reduo no nvel de emprego de atividades repetitivas e/ou que requerem pouca qualificao; desaparecimento de algumas profisses; aumento da qualidade e padronizao de produtos; e reduo de custos de produo e outras. Aautomaoaplicadanaindstrianavalestpresenteemdoisnveis:na construoenaoperaodonavio.Temcomoobjetivosprincipais:minimizaro esforo humano, aumentar a qualidade, diminuir custos e aumentar a segurana e a comodidade.Aautomaonavalteveseuincionaindstrianavaljaponesa.Emmeados da dcada de 60 (sculo passado), os construtores de navios do Japo passaram a possuiramaioremaismodernaindstrianavaldomundo,pormosfatores econmicosdoJaponaquelapoca(inflaoelevada)eosaltossalriosdos trabalhadoresaltamentequalificadosforaramasubstituiodamo-de-obrapor tcnicasdefabricaoautomatizadas.Apartirdeento,osestaleirosjaponeses passaramaconstruirembarcaesemmdulos,atravsdomtododeconstruo emblocos,oquepermitiuumareduoaltamentesignificativanotempode construo de um navio. Com o passar dos anos e o desenvolvimento acelerado dos dispositivosdeinstrumentao econtroleindustrial,essastcnicaspassaramaser incorporadas tambm na operao da embarcao. 19 Em nvel da operao de navios, a automao envolve os seguintes aspectos principais: sistemas navegao; gesto dos motores; controle e monitorao da carga; gerenciamento de energia e de potncia; e posicionamento dinmico. Ossistemasdenavegaodosnaviossosistemascomplexosedealto grau de redundncia quepossuem estaes de trabalho (Workstations) interligadas atravs de uma rede de transmisso de dados (rede Ethernet, Fieldbus ou Profibus), cujoobjetivoplanejaranavegao;corrigirdesviosderota;prevenireevitar colises; informar dados altamente relevantes para navegao, como velocidade do vento,velocidadedaembarcao,profundidade,posioeetc.Paraisso,esse sistemapossuiRADAR,GPS,cartasnuticas,mapas,medidoresdevelocidade, sistemas de governo e outros. Afigura11mostraumesquemadeinterligaodosdiversossistemas utilizados em navios. Figura 11 - Exemplo de interligao do sistema de navegao de um navio. 20 Osistemadegestodosmotoresdeumnavioformadopordispositivos eltricos,hidrulicosepneumticosinterligadosentresidetalformaquetodoo comando dos motores de propulso automtico. Em outras palavras, o sistema de gestocomandaautomaticamentemotores,sistemasdeignio,arranque, acelerao, reverso (inverso de marcha) e parada do MCP. O sistema decontrole e monitorao da cargade um navio tem a funo deautomatizarocarregamentoedescarregamentodeprodutosdostanquese pores dos navios. Para isso, em geral, utiliza a tecnologia de medio de nvel por RADARparamedirosnveisdeprodutosarmazenadosnostanquesoupores. Essesistemademediodenvelentoconectadoviaredeaumaestaode trabalho (workstation) instalada no passadio. O sistema de gesto de energia e potncia de um navio tem como funo principal supervisionar e controlar a operao de geradores eltricose os gastos de energiaeltrica.Paraisso,essesistemaresponsvelpeloseguinte:controle automticodosnveisdetensoefrequnciadaenergiaeltricaproduzida; armazenamentodeenergiaparaasfunesvitaisedeseguranadonavioeda tripulao;seleodaorigemdaenergiaeltrica(energiadeterraoudebordo); controledetemperaturaenveisdeleodosmotores(SafeEngineShutdown);e gerao de alarmes no caso de falhas desses sistemas. Osistemadeposicionamentodinmico(ousistemaDP)controla automaticamenteaposioeaproamentodeumaembarcaoatravsdeuma propulsoativa.Podeseroperadodeformamanual,automticaouporpiloto-automtico.formadoporumcomplexosistemadecontrole,compostopor sensores(GPS,sonar,anemmetros,giroscpiosetc.),atuadores(propulsorese leme) e um processador central responsvel pela execuo do algoritmo de controle e pela interface com o operador. Tambm permite a comunicao com satlites para monitorao da embarcao a distncia.Este sistema muito utilizado pelas embarcaes de apoio nas operaes em alto-mar da indstria do petrleo; por exemplo, o posicionamento de navios-tanques comprecisoparatrabalhoscomoperfuraodepoos,mergulho,construoe outros.NoBrasil,aPetrobrsapioneiranautilizaodessetipodesistemana explorao e produo de petrleo em guas profundas. 21 Figura 12 - Interface de piloto-automtico. Disponvel em: http://www.navsoft.com.br. Acesso em: 27 nov. 2009. Apesardasinmerasvantagensproporcionadaspelaautomao,podemos citar os seguintes problemas ocorridos em navios: os componentes eletrnicos sofrem corroso devido ao do salitre e s infiltraes de gua; vibraes,calorerudosexcessivoscausadospelosmotoresdegrande porte; fontes de energia limitadas; e baixa repetio na produo de peas, pois cada navio produzido possui suas particularidades. 22 1.5 Sistemas de controle Umsistemadecontroleumdispositivoouumgrupodedispositivosque gerenciam o comportamento de um de outros dispositivos. Portanto, um sistema de controleumainterconexodecomponentesconectadosourelacionados,detal maneira a comandar, controlar ou ajustar a si mesmo ou outro sistema. Em outraspalavras,umsistemadecontrole umdispositivoouconjunto de dispositivos utilizados para gerenciar, comandar, dirigir ou regular o comportamento de outros dispositivos ou sistemas. Atualmente,autilizaodesistemasdecontrolebastantedisseminada: desde uma simples boia que controla o nvel de um tanque d'gua at aos sistemas digitais das aeronaves mais sofisticadas. Portanto, um conceito amplo, limitado no necessariamente a equipamentos de engenharia, mas tambm, por exemplo, no meio biolgico, como na reduo da populao de uma praga por meio da criao de predadores, formando um sistema de controle biolgico. Umsistemadecontrolepodepossuirvrioscomponentes,oqueotorna bastante difcildeseranalisado.Para facilitaroseu entendimentoedemonstraras funesdesempenhadasporseuscomponenteseofluxodesinaisentreestes,a engenharia de controle utiliza sempre um diagrama denominado diagrama de blocos ou diagrama em blocos. Portanto,numdiagramaemblocososprincipaiscomponentes(oufunes) do sistema so representados atravs de blocos e so integrados por meio de linhas queindicamossentidosdefluxosdesinaisentreosblocos.Oobjetivodessa representaomostrarasrelaesdedependnciaentreasvariveisque interessam cadeia de controle em anlise. 1.5.1 A malha de controle Amalhadecontroleestabeleceaformacomoosistemadecontroleir funcionarservindoinclusivecomoferramentadeanlise,projeto,operaoe superviso do sistema de controle. Umamalhadecontroleestdiretamenterelacionadaaumagrandezafsica que pode ou no ter ser mantida prxima de determinados valores de interesse (set 23 point) atravs da interveno humana ou atravs da ao de dispositivos de controle automtico. Neste caso as intervenes humanas so mais restritas. Basicamente,hdoistiposdemalhasdecontrole,formando,assimos seguintes tipos de sistemas de controle: em malha aberta; e em malha fechada. a) sistema de controle em malha aberta Nesse tipo de sistema de controle, a medida de correo da grandeza fsica controlada no depende de seus valores instantneos. Portanto, no h meios para comparaesentreosinaldeentradaeosinaldesadadessetipodesistemade controle. A figura 13 mostra um diagrama que ilustra esta situao. Figura 13 - Diagrama em blocos para os sistemas em malha aberta. Na figura 14 apresentado um exemplo bastante tpico de sistema em malha aberta.Trata-sedeumsimplessistemadecontroledenveloperadodeforma manual(isto,porumoperrio).Nocasodaoperao em malhaaberta,a funo dooperadorsersimplesmentemanobrar(abrirou fechar)avlvulade entradade guaenohmeiosdemonitoraraquantidadedeguanointeriordotanque. Observe, ainda, que sempre ocorrer um escoamento na parte inferior do tanque, o qual ocorre devido existncia de um consumo da gua armazenada. Figura 14 - Exemplo de sistema de controle de nvel operado manualmente. 24 Paraqueotanquenoesvazieporcompleto,necessrioqueavazode entradadeguasejamaiorqueavazodesadadegua.Sendoassim,seo operadorabriravlvuladeentradaonveldeguaaumenta.Poroutrolado,sea vlvulaforfechadapelooperador,onveldeguadiminui.Comonesseexemplo noexisteuminstrumentodemediodenvelinstalado,ooperadordeveestimar ostemposdeaberturaedefechamentodavlvuladeentradaafimdequeno ocorram transbordamentos nem esvaziamentos do tanque. Nota: no exemplo da figura 11, pode-se substituir o operador por um circuito eletrnicodetemporizaoparacomandaraaberturaefechamentodavlvulade entrada;nestecaso,osistemadecontrolepassaaoperardeformaautomtica, porm em malha aberta.Emnossasresidncias,comumenteencontramosmquinasquefuncionam emmalhaabertautilizandotemporizadoresparacomandarsuasoperaes,como, porexemplo,amquinadelavarroupa.Nessamquinaprogramam-seas operaesdemolhar,lavareenxaguarapartirdetempospr-determinadosno acionamentodosdiversosbotesdeajustes.Porm,apsconcluircadaetapaa mquinadelavarroupasnopossuiacapacidadedeverificarsesuatarefafoi executadadeformacorreta,ouseja,amquinadelavarroupasnoverificasea mesma est totalmente limpa. Houtrosexemplosdeeletrodomsticosquefuncionamemmalhaaberta, dentre os quais podemos citar: torradeira, forno de microondas, relgio despertador e outros. Portanto, um sistema em malha aberta possui as seguintes caractersticas: geralmente,nohinstrumentosdemedidaoudecomparaodas grandezas fsicas envolvidas; issofazcomqueasoperaesdependamdaexperinciaedaestimativa humana ou mesmo de um sistema de temporizao; e h insegurana nas operaes, pois no h preciso nem certeza quanto aos valores das grandezas fsicas envolvidas. 25 b) sistema de controle em malha fechada Nesse tipo de sistema de controle, a medida de correo da grandeza fsica controladadependedeseusvaloresinstantneos.Logo,osvaloresdesadado sistemaatuamdeformadiretanaaodecontrole.Umsistemadecontroleem malhafechadasempreapresentamediesdeseusvaloresdesadaerealiza comparaes destes com o seu valor de entrada (valor desejado ou de referncia ou setpoint)comoobjetivodereduziroerroemanterovalordasadadosistema prximo ou igual ao valor desejado. A figura 15 mostra um diagrama que ilustra esta situao. Figura 15 - Diagrama em blocos para os sistemas em malha fechada. Nafigura15possvelobservarqueoelementodemediopossuidupla funo:mediragrandezacontrolada(sinaldesada)etransmitiressainformao paraaentradadamalhadecontrole.Essesinaltransmitidopeloelementode medio denominado realimentao ou sinal de realimentao e sua funo vital para que o sistema em malha fechada possa controlar a sada. Portanto,arealimentaoumacaractersticatpicadosistemademalha fechada que permite que a sada do sistema de controle possa ser comparada com sua entrada.No diagrama da figura 15,a realimentao se processa no sentido de eliminar a defasagem (erro) entre o valor desejado e o valor do processo; por isso, a mesma denominada realimentao negativa.Nota:casoosinalderealimentaosejaprocessadodetalmaneiraque ocorra um aumento de defasagem entre o valor de referncia e o sinal de sada da malha de controle fechada, dito que o sistema possui realimentao positiva. Esse tipoderealimentaonopossuimuitasaplicaesprticas,poisproduz instabilidade no sistema de controle. Um exemplo prtico de sistema de controle em malha fechada ilustrado na figura16.Trata-sedomesmosistemadecontroledenvelapresentado 26 anteriormente, porm existemalgumas diferenasque permitiro queessesistema funcione de forma automtica. So estas: o operador foi substitudo por um controlador eletrnico; a vlvula de entrada manual foi substituda por uma eletrovlvula; e foi instalado um transmissor de nvel (LT). Figura 16 - Exemplo de sistema de controle de nvel operado automaticamente. Nosistemadecontroledafigura16,umtransmissordenvelmedeatodo instante o nvel real de gua armazenado no tanque e transmite essa informao ao controlador eletrnico que ter a funo de comparar o valor do nvel medido com o valordonveldesejadoajustadopelooperador.Oresultadodessacomparao produzumsinaldeerroquejustamenteadiferenaentreosvaloresdesejadoe realdonveldeguanoreservatrio.Osinaldeerroentoprocessadopela tcnicaouaodecontroledocontroladorafimdeproduzirumsinalqueser responsvel por fornecer energia eletrovlvula de entrada para que esta libere ou bloqueie a passagem de gua para o tanque e assim o nvel real de gua no tanque aumente ou diminua. Este processo se repete de forma contnua. Afimdeexemplificaraaplicaodasmalhasdecontrolefechadaspode-se citarocontroledetemperaturadaguadeumchuveiroeltrico.Nestecaso,o homemoelementoresponsvelpelamediodatemperaturaebaseadonesta informao,determinarumarelaoentreaguafriaeaguaquentecomo objetivo de manter a temperatura da gua no valor por ele tido como desejado para o banho. Htambmoutrosexemplosdesistemasdomsticosquefuncionamem malhafechada,como:freezer,geladeira,ferrodepassarroupas,aparelhodear condicionado, entre outros. 27 Portanto, as caractersticas de um sistema em malha fechada so: semprehinstrumentosdemedidaoudecomparaodasgrandezas fsicas envolvidas; issopermiteaosistemadecontroleregularoseufuncionamentoquase que de maneira independente da interferncia humana; e aocontrriodossistemasemmalhaaberta,hsegurana,precisoe eficincia nas operaes desse tipo de sistema de controle. 1.5.2 Tipos de sistemas de controle Dependendodomododeoperaoouinstalaoumsistemadecontrole pode ser: manual; automtico; antecipativo; centralizado; e distribudo. a) controle manual Nessetipodesistemadecontroleopoderdedecisoparaaalteraode valoresdasgrandezasfsicaspresentesnosistemadecontrolenormalmente exercidoporumoperadordevidamentetreinadoparaessafuno.Suasaes podem ocorrer de maneira instintiva devido falta de instrumentos capazes de medir as diversas grandezas fsicas envolvidas no sistema de controle necessitando nesse casodoconhecimentoeexperinciaadquiridospelooperadorduranteas realizaesdesuastarefas(essasituaoocorrequandoestamosdiantedeum sistema em malha aberta). Poroutrolado,umsistemaemmalhafechadatambmpodesercontrolado de forma manual. Neste caso, o operador estabelece os valores de referencias para asgrandezasfsicaspresentes nosistemadecontroleepodeverific-los ou medi-losatravsdeinstrumentosdemediesou,ainda,atravsdautilizaodesues sentidoscomovisoe/outato.Emseguidaooperadorcalcula,atravsdeseu crebro,as diferenasentreosvaloresdesejados ereaisdasgrandezas fsicasde interesseaosistemadecontrole,processaessesvaloresedeterminaseos 28 elementos finais de controle do sistema em questo devem ser manobrados a fim de alterar os valores das grandezas fsicas controladas. Portanto,umsistemadecontrolemanualsemprepossuiumoperadorque pode desempenhar as funes de sensor, comparador e controlador do sistema de controle. Porm, o operador pode desempenhar somente algumas dessas funes, mas, no controle manual, sempre ter a funo de controlador. b) controle automtico realimentao (feedback) O funcionamento de um sistema de controle automtico pode ser estudado a partir da anlise do diagrama em blocos em malha de controle fechada. Na figura 14 apresentadoessetipodediagramadeumaformamaiscompletaquea apresentadanafigura17,poisintroduzidoentreocontroladoreaplantaou processo um bloco denominado atuador. Figura 17 - Diagrama em blocos da malha de controle fechada. Analisando-seofluxodesinaisdafigura17atravsdassetaspresentesno diagrama em blocos, observa-se o seguinte: osinaldesada(variveldeprocesso,VP)medidoetransferidoparaa entrada da malha de controle atravs do sensor; na entrada da malha de controle, a varivel de processo comparada com um sinal de referncia (set point, SP); oresultadodessacomparaoproduzumsinaldenominadosinaldeerro (erro=SP-VP),oqualaplicadoentradadeumcontroladorde processos; 29 ocontroladorirprocessaressainformaodeacordocomaleide controledefinidaparaoseufuncionamentoe,ento,calcularosinalde correo para a varivel de processo; osinaldecorreodavariveldeprocessorecebeonomedevarivel manipulada e aplicado a um atuador; oatuadorexecutarumtrabalhocujoefeitoir,finalmente,causaruma alterao no valor da varivel de processo; e o sensor executa uma nova medio do valor da varivel de processo e um novo ciclo se inicia. Portanto,emumsistemadecontroleautomtico,avariveldeprocesso monitoradacontinuamentepelosensoreseusvaloresso,ento,enviados entrada da malha de controle instantaneamente para comparao com um valor de referncia.Qualquerdiferenaentreessesdoissinaislogodetectadapelo controladoreeste,ento,comandaumatuadorafimdecorrigiravarivelde processo.Outrodetalheimportantequantoaofuncionamentodossistemasdecontrole automticosquequalqueralteraonovalordosinalderefernciadevecausar umaaocorretivaporpartedocontroladorafimdequeavariveldeprocesso sempre acompanhe o sinal de referncia. Ou seja, a varivel de processo sempre ir responder s alteraes do valor de referncia, a fim de que ambos sejam iguais (ou aproximadamente iguais). c) controle auto-operado Essetipo desistema decontroleobtma energianecessriaparaacionaro elemento de trabalho da prpria varivel controlada, ou seja, um sistema de controle auto-operado obtm toda energia necessria ao seu funcionamento do prprio meio controlado. Nesse tipo de sistema o elemento de medio tambm realiza as funes de controladoreatuador.Porisso,temcomovantagens:simplicidadedeprojeto, construo,instalao,manutenoeoperao;ecomodesvantagens:muitas vezes apresenta baixa eficincia, pois, normalmente, opera utilizando somente uma parte de sua capacidade total e possui baixa linearidade do controlador. 30 Um exemplo desse tipo de sistema de controle ilustrado na figura 18. Trata-se do controle de nvel por bia presente em muitas caixas dgua residenciais. Seu funcionamento bastante simples: quando o nvel do reservatrio est baixo, a boia no est acionada e, portanto, h liberao de fluxo de gua pela tubulao. Dessa forma, o nvel de gua aumenta at que este aciona a boia cortando o fluxo de gua. Seonveldeguanoreservatriobaixarumpoucodevidoaoconsumo,aboia liberanovamenteapassagemdeguaeonveldamesmavoltaasubir.Dessa formaonveldeguanoreservatriosermantidonaposiodeinstalaoda boia. Figura 18 - Sistema de controle auto-operado por boia. Essaformaclssicadecontroledenvelempregadadesdeaantiguidade atosdiasatuais.Abordodosnaviosmodernoshvriasaplicaesparaos sistemasdecontroleauto-operados;porexemplo:controledepressesem compressores e bombas e controle de nvel da gua de alimentao em caldeiras. d) controle antecipativo (feedforward) Essaestratgiadecontroletemacapacidadededetectarimediatamenteos distrbios na grandeza fsica controlada e realizar as devidas alteraes na varivel manipulada, afim de que a sada do sistema de controle seja mantida igual ao valor desejado.Portanto,nocontroleantecipativo,aaocorretivatemincioassimque osdistrbiosforemdetectadosealteraavarivelmanipuladademodoqueos distrbios no se propaguem ao longo do processo. Distrbioumsinalquetendeaafetardemaneiraadversaovalorda varivel de controladae um sistema de controle. Se um distrbio for gerado dentro do sistema, ele ser chamado de distrbio interno; j um distrbio externo aquele gerado fora do sistema e que se comporta como um sinal de entrada no mesmo. 31 Aplica-seessaestratgiadecontroleemsistemascomgrandesatrasos.A figura 19 mostra um exemplo de aplicao desse tipo de sistema de controle. Figura 19 - Exemplo de sistema de controle antecipativo. Conformemostraafigura19,ofuncionamentodocontroleantecipativo depende tambm do sinal da varivel manipulada, por isso, pode-se combinar esse tipodesistemadecontrolecomarealimentaonegativa,conformemostrao diagrama em blocos da figura 20. Figura 20 - Combinao dos sistemas de controle antecipativo e com realimentao negativa. 32 e) controle centralizado Essetipodesistemadecontroleutilizadoquandohmltiplasmalhasde controle ou vrios dispositivos (sensores e atuadores) na planta industrial. O sistema de controle centralizado permite a ligao simultnea desses dispositivos a um nico controlador(CLPoucomputadorindustrial,porexemplo)querealizaasdevidas aes de controle necessrias ao funcionamento da planta industrial. Portanto,nessetipodesistemadecontrole,oprocessamentodas informaesmedidaspelossensoreseascorreesdasdiversasvariveisde controleenvolvidassoexecutadasemumlocalcomumsmesmas,ouseja, sensoreseatuadoresestoconectadosaumelementocentraldecontrole(dao termocontrolecentralizado)oqualpodeser:umCLPcouumPCindustrialcom sistema supervisrio instalado.A figura 21 mostra o esquema tpico de ligaes entre sensores, controlador e atuadores para os sistemas de controle centralizado. Figura 21 - Exemplo de sistema de controle centralizado. 33 f) controle distribudo Nessetipodesistemadecontroleainteligncia,isto,acapacidadede processamento, distribuda ao longo da planta industrial. Umsistemadecontroledistribudopossuisensoresinteligentescapazesde realizarmedies,processaressasinformaeseatacionardiretamenteos atuadores. Portanto, muitas vezes, um sensor inteligente rene simultaneamente as funes de medio, controle e acionamento. Tambmsepodeutilizarnossistemasdecontroledistribudosinterfacesde entradasesadas(interfacesE/S)conectadasasensoreseatuadorescomuns. Essasinterfacesemgeral,nopossuemcapacidadedeprocessamento,mas somenteacapacidadedeinterligarossensoreseatuadoresaestaode supervisoecontrole.Epodemaindautilizarvriossistemasdecontrole centralizadoaolongodaplantaindustrialeinterlig-losformandoumarede industrial.Umsistemadecontroledistribudofacilitaasaesdemanutenoe instalaodaplantaindustrial,poisseusdispositivospodemserinterligados simplesmenteatravsdeumpardefiostranadoseblindados.Essaestruturade ligaes, ento, forma uma rede industrial, que pode ser supervisionada e operada a longasdistnciasatravsdeumcontroladorprincipalou atravsdeumsistemade superviso. Astransmissesentreosdispositivosdossistemasdecontroledistribudos sorealizadasatravsdecdigosbinriosdenominadosprotocolosde comunicao.Hdiversasarquiteturas,taxasdetransmisseseprotocolosde comunicaes nos sistemas de controle distribudo. A figura 22 mostra um exemplo de arquitetura ou topologia desse tipo de sistema de controle. 34 Figura 22 - Exemplo de arquitetura para os sistemas de controle distribudo. 35 1.6 Exerccios da unidade 1 1.6.1 Responda s seguintes questes. Que ... a) Automao b) automatismoc) mecanizaod) sistemae) processo f) comandog) controleh) servomecanismoi) elemento primrio de controlej) elemento secundrio de controlek) elemento final de controlel) indicadorm) registradorn) transmissoro) sistema de controlep) controle em malha abertaq) controle em malha fechadar) controle manuals) controle automticot) controle auto-operadou) controle antecipativov) controle centralizadox) controle distribudo 36 2 GENERALIDADES DA INSTRUMENTAO INDUSTRIAL 2.1 Definio e importncia da instrumentao industrial AInstrumentaoacinciaqueaplicaedesenvolvetcnicasdemedio, indicao,registroecontroledeprocessosdefabricao(oudeproduo),como objetivo de aperfeioar a eficincia dos mesmos. Ousodeinstrumentosdemediesemprocessosindustriaisvisa,ainda, obter dos produtos: melhor qualidade, diminuio de custos de produo, diminuio dotempodefabricao,aumentodeeficincianautilizaodematrias-primase reduo da quantidade de mo-de-obra. Portanto, a utilizao desses instrumentos nos permite: incrementar e controlar a qualidade do produto; aumentar a produo e o rendimento; obter e fornecer dados seguros da matria-prima e da quantidade; e obter dados relativos economia dos processos. Quandoamquinaavaporfoiinventada,surgiuanecessidadedese desenvolvertcnicasdemediesdasdiversasvariveisdecontrolepresentesno funcionamentodessasmquinas.Assim,surgiramosprimeirosinstrumentosde mediesindustriaisparaindicarapressodevapornascaldeiras.Esse instrumentodemediopossibilitouadiminuiodonmerodeacidentesde trabalhoqueocorriamfrequentementedevidosconstantesexplosesdas caldeiras. No final da dcada de 30 (aproximadamente em 1938) surgiram os primeiros instrumentoshidrulicosparacontroleautomticodeprocessos.Posteriormente, surgiramosinstrumentosecontroladorespneumticos.Comosurgimentoda eletrnicaedossemicondutores,noinciodadcadade50,surgiramos instrumentos eletrnicos analgicos. Ento, os instrumentos pneumticos passaram a ser substitudos gradativamente por instrumentos eletrnicos nosprocessos onde no havia risco de exploso. Atualmente,asindstriasdeummodogeralestoautomatizandosuas plantas/processos com sistemas eletrnicos microprocessados, como: transmissores 37 inteligentes,controladoreslgicosprogramveis(CLPs),redesindustriais(sistemas Fieldbus) e sistemas supervisrios diversos. A fabricao dos instrumentos eletrnicos evoluiu a ponto de tornar os riscos deexplosesbastantereduzidos.Dessaforma,osinstrumentoseletrnicosiro gradativamente ser aplicados tambm nas reas com risco de exploso. Ainstrumentaoecontroledeprocessosindustriaispossuemdiversos fatoresespeciaiscomo:comosensibilidade,vigilncia,segurana,etc.Aindstria atual apresenta inmeras reas onde praticamente impossvel que as instalaes funcionaremsemcontrolesautomticos;ocaso,prexemplo,degrandes caldeiras, fornos industriais, etc. Dopontodevistadaevoluoindustrial,aautomao(instrumentaoe controle) constitui para aindstria o mais importante progresso depois da inveno da mquina a vapor. Aevoluodosinstrumentosindustriaisdemedio,registroecontroledas diversasvariveisdeprocessodasplantas/processosindustriaistemcolaborado comoaumentodaresponsabilidadedasequipesenvolvidasnainstalaoe manutenodessesinstrumentos.Talfatonecessitadeconsidervelinvestimento de capital em tecnologia e treinamento, uma vez que, para obter as vantagens que a instrumentaoindustrialproporciona,osequipamentosdevemserinstalados, supervisionadosemantidosoperantesporpessoasdevidamentequalificadaspara este trabalho. Como foi estudado no captulo anterior, em uma malha de controle fechada, necessrioquesefaaumacompanhamentocontnuodavariveldeprocesso,e paraisso,necessita-sedeumelementocapazdeconverterasalteraesnovalor dessavarivelemumsinalconfivel,facilmenteobservveletransmissvel.Tal elemento responsvel por esta funo o sensor. 38 2.2 Normas regulamentadoras para instrumentao industrial AsNormasRegulamentadoras,tambmsoconhecidasnoBrasilcomo NRs,tmafunoderegulamentarefornecerorientaessobreprocedimentos obrigatriosrelacionadosmedicinaesegurananotrabalho;sodecarater obrigatrioporpartedetodasasempresas.NoBrasil,asNRssode responsabilidade da ABNT (Assocao Brasileira de Normas Tcnicas). Nocontroleautomticoindustrial,asNRssoutilizadasparaestabeleceras diretrizesquantoaoprojeto,instalao,manuteno,operaoeidentificao (simbologia e codificao) utilizadas nas malhas de controle. Essas informaes so defundamentalimportnciaparaengenheiros,tcnicosedemaisprofissionaisque atuamdiretamentecomsistemasautomticosbemcomofornecedoresde equipamentos.Em instrumentao e controle de processos utiliza-se a norma definida como NormaS5.1.EstaestabelecidapelaISA(TheInstrumentation,Systemsand AutomationSociety)etambmadotadano BrasilpelaABNTatravsdaNBR-8190 outubro/1983.NoanexoApossivelverificarossmbolosenomenclaturas estabelecidos por essa Norma. Tambmsoadodasnomeioindustrialnormasregulamentadoras estabelecidas por outros rgo como, por exemplo: ANSI e IEC. OANSI(AmericanNationalStandardsInstitute)umaorganizao particulardosEstadosUnidos,semfinslucrativos,cujoobjetivofacilitara padronizaodostrabalhosdeseusmembros.NoBrasilseuequivalenteo INMETRO (Instituto Nacional de Metrologia, Normalizao e Qualidade Industrial), o qualreponsvelpelaacreditaodergoscertificadoresenormalizaodas caractersticasmetrolgicas,materiaisefuncionaisdosbensmanufaturados,tanto os produzidos dentro e fora do Brasil. OIEC(International Electrotechnical Commission)foifundadonoanode 1906 em Genebra. uma organizao internacional de padronizao de tecnologias eltricas,eletrnicaserelacionadas.Emalgunscasosseupadresso desenvolvidos juntamente com a ISO (International Organization for Standardzation). 39 2.3 Medies 2.3.1 Definies Medir uma varivel equivale a comparar a quantidade envolvida da grandeza associadaaestavarivelcomumaquantidadeestabelecidapreviamentecomo padro. Amediodasvariveisenvolvidasnoprocessoumaetapafundamental emqualquersistemadecontrole;afinal,nosepodecontrolaraquiloquenose pode medir, mesmo que, s vezes, esta medio ocorra de forma indireta. Medidaonomedadoaoprocessoquenospermiteatribuirumvalor numrico a uma propriedade fsica resultante de uma comparao entre quantidades semelhantes, sendo uma delas padronizada e adotada como unidade. Associadas a esse valor numrico, temos as unidades de medidas. 2.3.2 Unidades de medidas Uma unidade de medida uma grandeza usada como termo de comparao paramediesdegrandezasdemesmaespcie.Aunidadedemedidaotermo que qualifica e caracteriza a grandeza fsica no processo de medio. Por exemplo: massa kg (quilograma). AsunidadesdemedidassoestabelecidaspeloSistemaInternacional(SI). Este sistema compreende 7 (sete) unidades fundamentais, 2 (duas) suplementares, unidades derivadas, mltiplos e submltiplos de unidades, alm de outras unidades admitidas sem restries de prazo ou temporariamente.As unidades fundamentais do sistema internacional so aquelas que no so derivadasdenenhumaoutraunidade.Soelas:metro(comprimento),quilograma (massa),segundo(tempo),ampre(correnteeltrica),Kelvin(temperatura termodinmica),mol(quantidadedematria)ecandela(intensidadeluminosa).A tabelaaseguir mostraalguns exemplosde unidadesdemedidas que,embora fora do sistema internacional, so bastante utilizadas. 40 Tabela 2 - Unidades de medidas fora do SI. Nome no SISmboloValor no SI Atmosferaatm101325Pa Barbar100000Pa Caloriacal4,1868J Cavalo-vaporcv735,5W Quilograma-forakgf9,80665N Milmetros de HgmmHg133,322Pa Asmedidasdegrandezasfsicaspodemserclassificadasemduas categorias: medidas diretas e indiretas e, ainda, contnuas e discretas. 2.3.3 Tipos de medies A medida direta de uma grandeza o resultado da leitura de uma magnitude mediante o uso de um instrumento de medida, como por exemplo, um comprimento comumarguagraduada,ouaindaadeumacorrenteeltricacomum ampermetro, a de uma massa com uma balana ou de um intervalo de tempo com um cronmetro. Poroutrolado,umamedidaindiretaaquelaqueresultadaaplicaode umarelaomatemticaquevinculaagrandezaasermedidacomoutras diretamente mensurveis; por exemplo, a medida da velocidade mdia de um carro pode ser obtida atravs da medida da distncia percorrida e do intervalo de tempo. Ummedidorcontnuoaquelequerealizamediesemtodosospontos dentrodeumadeterminadafaixademedida.Paracadavalordentrodafaixade medidadessetipodeinstrumentoexisteumvalorcorrespondentetransmitidopelo instrumento. Um medidor descontnuo ou medidor discreto aquele em que a medio feita somente para fornecer uma indicao de presena ou ausncia ou, ainda, de mnimooumximovalordagrandezafsicamedida.Essetipodemedidor bastante utilizado no controle de duas posies ou na gerao de alarmes. Esse tipo demedidorsapresentamudanaemsuasadaseagrandezafsicamedida assumir um valor nico, previamente calibrado. 41 2.4 Caractersticas dos instrumentos de medies As caractersticas dos instrumentos de medio e dos demais dispositivos de instrumentaoecontroledeprocessospodemserassimclassificadas: caractersticastcnicasedinmicas.Soexemplosdecaractersticastcnicasdos instrumentos de medio: faixa de medio ouRANGE, alcance ou largura de faixa ouSPAN,sensibilidade,linearidade,errodemedidadoinstrumento,exatido, precisoerepetibilidade.Ecomoexemplosdecaractersticasdinmicasdos instrumentos:zonamorta,supressodezero,elevaodezero,tempomortoe histerese. As caractersticas tcnicas e dinmicas dos instrumentos so de fundamental importncia na escolha adequada do tipo de instrumento que ser utilizado. A seguir seroapresentadasasprincipaiscaractersticastcnicasedinmicascomunsa grande maioria dos instrumentos ou equipamentos industriais. 2.4.1 caractersticas tcnicas dos instrumentos de medies a) faixa de medio ou RANGE Denomina-sefaixademedioouRANGEdeumsensoraoconjuntode valores da varivel de processo compreendidos entreos limites (superior e inferior) da capacidade de medida, transmisso ou controle do instrumento, sendo expresso pelos seus valores extremos. Porexemplo:ummedidordetemperaturacapazdemedirvaloresde temperaturasentre-20e120C,ouseja,essesensorpossuifaixademedioou RANGE entre -20 e 120C. Nota:quantomaiorforovalordorangedeuminstrumentodemedio, menorserasuapreciso.Porisso,deve-seescolherumsensorcomRANGE adequadoparaasmediesquesepretendeefetuar.Emoutraspalavras, prefervelqueosvaloresmedidospelosensorestejamnomeiodesuafaixade medida, pois, nessa regio, a preciso do instrumento maior. 42 b) alcance ou largura de faixa ou SPAN Esteparmetrodeterminadopeladiferenaalgbricaentreoslimites superior e inferior da faixa de medio ou RANGE do instrumento. Ou seja, a largura de faixa ou SPAN de um instrumento dada pela seguinte equao: Porexemplo:paraomesmomedidordetemperaturadoitemanteriorcom RANGEentre-20Ce120C,oclculodeseuvalordeSPANfeitodaseguinte forma: Nota: o SPAN determina a distncia que o instrumento percorre para medir todos os valores entre seus limites de leitura (mnimo e mximo). c) sensibilidade Uminstrumentodemediosemprepossuiduasregiesdetrabalho.A primeira regio formada pelos limites do sinal medido e denominada de faixa de medidaouRANGEdoinstrumento.Asegundaregioformadapeloslimitesdo sinaltransmitidopelosensoredenominadadefaixatransmitida.Portanto, podemosafirmardeformabastantesimplesqueumsensorpossuiumSPANde entradaeumSPANdesada,correspondentesaossinaismedidosetransmitidos, respectivamente, pelo instrumento. Asensibilidadedeuminstrumentodeterminadapelarazoentrea variaodovalorindicadooutransmitidoe avariao davarivel(grandeza fsica) queacionouoinstrumento.Ouseja,asensibilidadedeterminadapelaseguinte equao: 43 Por exemplo: seja o mesmo medidor de temperatura dos exemplos dos itens anteriores (2.4.1 e 2.4.2), sabendo-se que o mesmo transmite um sinal de 4 a 20mA, o clculo do valor de sua sensibilidade feito da seguinte maneira: Nesteexemplo,ovalorencontradoparaasensibilidadedeterminaquepara cada 1 de variao do sinal medido pelo sensor o sinal transmitido varia 0,1143mA. Portanto,ovalordeSPANdeterminaovaloracrescentado(oudiminudo)novalor do sinal transmitido pelo instrumento quando ocorre um incremento (ou decremento) de uma unidade do sinal medido.Nota: o SPAN no adimensional, isto , possui unidade de medida, a qual formada pela diviso da unidade do sinal transmitido pela unidade do sinal medido. d) linearidade Alinearidadedeuminstrumentodeterminadapelograude proporcionalidadeentreosinaltransmitidoeagrandezafsicamedida.Quanto maior,maisfielarespostadosensoraoestmulo,maislinearosensor.Os sensores mais usados so os mais lineares, conferindo mais preciso ao sistema de controle. Os sensores no-lineares so usados em faixas limitadas, onde os desvios soaceitveis,oucomadaptadoresespeciais(circuitosdelinearizao),que corrigem o sinal. A figura 23 mostracurvas de respostas caractersticas de dois medidores de temperaturabastanteutilizados.Umdessessensoresapresentacomportamento linear,ouseja,arelaoentreseussinaistransmitidos e medidos poressesensor pode ser representada atravs de uma reta em toda faixa de medida do instrumento. Ooutrosensorapresentaumcomportamentono-linear,ouseja,arelaoentre seus sinais transmitidos e medidos no representada por uma reta em toda faixa de medida do instrumento. 44 Figura 23 - Relao resistncia x temperatura para termorresistncias. e) erro de medida do instrumento Estacaractersticaadiferenaentreovalorrealeovalormedidoda grandezafsicaquandoseefetuaumamedio.Ovalormedidosempre aproximado, no sendo, portanto, igual ao valor real. O erro de medida do instrumento pode ser dado de forma absoluta ou relativa. Oerroabsolutoaquelecujovalorcalculadopeladiferenaalgbrica entre os valores real e medido da grandeza fsica examinada. representado por EA e calculado pela seguinte expresso: Oerrorelativoobtidoquandoserepresenta ovalordoerro absolutoem valorespercentuaisemrelaoaovalorrealdagrandezafsicamedidaoumesmo em relao ao valor de SPAN do instrumento (neste caso denomina-se erro relativo ao SPAN). O erro relativo dado pela seguinte expresso: O erro relativo ao SPAN dado pela seguinte expresso: 45 f) exatido Esta caracterstica do instrumento de medio exprime o afastamento entre a medida por ele efetuada do valor de referncia aceito como verdadeiro (valor real). Aexatidoestdiretamenterelacionadacomascaractersticasprpriasdo instrumento, como a forma como foi projetado e construdo. Nosinstrumentosdemedio,aexatidoindicadacomoclassede exatido.Nota:quantomaisprximaestiveraleiturarealizadapeloinstrumentodo valor aceito como verdadeiro, mais exato ser o instrumento de medida. g) preciso Estacaractersticaexprimeograudereproduonasindicaesdeum instrumento de uma mesma medida sob as mesmas condies de funcionamento do instrumento. Apreciso,muitasvezes,noindicadanosinstrumentos,poisresultade uma anlise estatstica. Portanto, a preciso est diretamente ligada operao do instrumento e medio da grandeza fsica como um todo. Nota:aaltaprecisoimplicaemrepetiodeummesmovalorparavrias leituras realizadas sob as mesmas condies. A preciso um pr-requisito para a exatido,masnogaranteamesma.Portanto,umamedidaefetuadapodeserto mais precisa quanto mais exato for o instrumento. h) repetibilidade Estacaractersticadeterminaacapacidadequeoinstrumentopossuide reproduo de um mesmo valor indicado ou transmitido ao se medir, repetidamente, valoresidnticosdagrandezafsicamonitorada,nasmesmascondiesde operao e no mesmo sentido de variao.Nota: na prtica, a repetibilidade de um instrumento pode ser expressa como percentagem do SPAN do instrumento de medio. 46 2.4.2 caractersticas dinmicas dos instrumentos de medies a) zona morta (dead zone) Estacaractersticadeterminaafaixadevaloresdagrandezafsicamedida queno provocavariao daindicao ounosinaltransmitidopeloinstrumentode medio. Nota:dentrodazonamorta,agrandezafsicapodeseralteradasemser detectada pelo instrumento de medio. b) supresso de zero ou escala de zero suprimido Esteparmetrodeterminaaquantidadecomqueovalorinferiordafaixade medida(range)doinstrumentosuperaovalorzeroouvalormnimodagrandeza fsica medida. Ovalordesupressodezeropodeserexpressoemunidadesdagrandeza medida ou em percentagem do SPAN do instrumento de medio. c) elevao de zero ou escala de zero elevado Estacaractersticadeterminaovalordagrandezafsicamedidaque determinaaquantidadecomqueovalorzeroouvalorinferiordafaixademedida (range) do instrumento de medio superado. Esteparmetropodeserexpressoemunidadesdagrandezafsicamedida em percentagem do SPAN do instrumento de medio. d) tempo morto (dead time) ovalordetempoquedeterminaoatrasoverificadoentreaocorrnciade umaalteraonagrandezafsicamedidaeasuapercepopeloinstrumento. Tambm pode ser denominado de atraso de transporte. e) histerese a diferena observada entre a medio de uma grandeza fsica quando esta percorre a faixa de medio do instrumento nos sentidos crescente e decrescente de suaescalade medio.Ahistereseumparmetroexpressoempercentagemdo SPAN do instrumento de medio. 47 2.5 Transmisses atravs da malha de controle 2.5.1 Introduo Emumamalhadecontroleasinformaessotransportadasatravsdas linhasdetransmisso.Nestas,asinformaesprovenientesdediversostiposde sensoressotransportadasparadispositivosdeindicao,registrooucontrolee, ainda,asinformaesprovenientesdassadasdodispositivodecontroleso transportadas aos diversos tipos de atuadores. Anaturezadessatransmissodeterminadapelotipodesinalque transmitido, podendo ser de natureza pneumtica, hidrulica e eltrica (em corrente ou tenso). Nota: atualmente a transmisso eltrica a mais utilizada, principalmente por suagrandevelocidadedetransmisso,facilidadedeconversodosinale possibilidade de adaptao aos sistemas informatizados. 2.5.2 Tipos de transmisses atravs da malha de controle Ossinaisdetransmissososinaisresponsveispelotransporteda informaomedidaporuminstrumentodeumpontoaoutronoprocessoindustrial para fins de processamento e controle da planta industrial. Os tipos de transmisso dos instrumentos de medio de maior interesse na indstria naval so os seguintes: a)transmisso pneumtica; b)transmisso hidrulica; c)transmisso eltrica; e d)transmisso digital. a) transmisso pneumtica Nessetipodetransmissoutilizadoumgscomprimido(ArouN2),cuja pressoalteradaconformeovalorquesedesejarepresentar.Osinalpadrode transmissoourecepopneumticode0,2a1,0kgf/cm2(SI),queequivalea aproximadamente3a15psinosistemaingls.Atabela3apresentaalgumas vantagens e desvantagens da transmisso pneumtica. 48 Tabela 3 - Vantagens e desvantagens da transmisso pneumtica. VantagensDesvantagens pode ser operado com segurana em ambientes explosivos (reas classificadas). necessitadetubulaoeequipamentos auxiliares para suprimento e funcionamento dos instrumentos. apresentaimunidadesinterferncias magnticas ou eletromagnticas. vazamentosaolongodalinhaenos instrumentos so difceis de serem detectados. nosofreinterfernciadatemperatura,como ocorrecomossistemashidrulicos,ondea viscosidadedofluidoalteradacoma temperatura. nopodeserenviadoadistnciasmaioresque 100msemousodereforadoresdesinal devido ao atraso na transmisso. nocausapoluioambientalnocasode vazamentos. nopermiteaconexodiretaaos computadores. b) transmisso hidrulica Semelhanteaotipopneumticoecomdesvantagensequivalentes,otipo hidrulicoutilizaavariaodepressoexercidaemleoshidrulicospara transmisso de sinal. O sinal padro de transmisso ou recepo hidrulico tambm de 0,2 a 1,0kgf/cm2 (SI), aproximadamente 3 a 15psi no Sistema Ingls. A tabela 4 apresenta algumas vantagens e desvantagens da transmisso hidrulica. Tabela 4 - Vantagens e desvantagens da transmisso hidrulica. VantagensDesvantagens podegerargrandesforaseassimacionar equipamentos de grande porte. necessitadetubulaodeleopara transmisso e recepo de sinal. possuirespostasrpidas(pequenoretardono tempo),podendoseroperadosalongas distncias. necessitadeinspeesperidicasdonvelde leo, alm de abastecimento e troca do mesmo. osatuadoreshidrulicosapresentamexcelente preciso em todas as velocidades do fluido. necessita de equipamentos auxiliares tais como bombas, filtros de leo, reservatrios. oleotambmatuacomoelementode lubrificaoedevedaodoscomponentes hidrulicos. omovimentodoleogeracalorexcessivono mesmo,issocausaquedaderendimento devido alterao na viscosidade do fluido. 49 c) transmisso eltrica A transmisso eltrica pode ser realizada em tenso ou em corrente eltrica. Essessinaisso,hojeemdia,largamenteutilizadosemtodasasindstriasnas reasondenoocorreoriscodeexploso.Porm,aevoluotecnolgicatem permitido construir equipamentos eltricos capazes de funcionar tambm nas reas de risco. A tabela 5 mostra os sinais padres da transmisso eltrica. Tabela 5 - Sinais padres para a transmisso eltrica. SinalTransmisso discretaTransmisso contnua Tenso 0 ou 10VDC (NPN ou PNP)1 a 5VDC 0 ou 24 VDC (NPN ou PNP)0 a 10VDC 0 ou 110 VAC2 a 10VDC 0 ou 220 VAC-10VDC a +10VDC Corrente 0 a 20mA 4 a 20mA Conformesepdeobservarnatabelaanterior,ossinaisutilizadosna transmissoeltricapodemserclassificadosemdiscretosecontnuos.Afigura24 apresenta grficos que mostram as caractersticas dos sinais eltricos utilizados nas transmisses discreta e contnua. Figura 24 - Caractersticas de transio dos sinais para transmisso eltrica. 50 Notas:a)comopodeserobservadonafigura24-a,osinaldatransmisso discreta possui somente dois valores possveis; por esta razo,muitas vezes,esse tipo de transmisso tambm denominado transmisso digital; b) por outro lado, na figura 24-b, pode-se observar que o sinal da transmisso contnua possui infinitos valoresentreosseusdoislimites(mnimoemximo);porisso,essetipode transmissotambmdenominadotransmissoanalgica;c)comopadrode transmissoeltricaalongasdistncias,soutilizadossinaisdecorrentecontnua variando de 4 a 20 mA; e e) para distncias de at 15m aproximadamente, tambm so utilizados sinais de tenso de 1 a 5 Volts. Atabela6apresentaalgumasvantagensedesvantagensdatransmisso eltrica. Tabela 6 - Vantagens e desvantagens da transmisso eltrica. VantagensDesvantagens necessitadepoucosequipamentosauxiliares que so de fcil montagem e manuteno; necessitadetcnicoespecializadoparasua instalao e manuteno; a alimentao pode ser feita pelos prprios fios que conduzem o sinal de transmisso; exigecuidadosespeciaisnoencaminhamento dos cabos e/ou fios de sinais; permitetransmissesalongasdistnciassem perdasdesinalcomumpequenoretardona transmisso; necessitadeproteocontrarudose interfernciaseltricas,magnticase eletromagnticas; podeseracopladaparaatransmissopor fibras pticas; e necessitadecuidadosespeciaisquando instaladaemreasderiscodeincndioe/ou exploso; e permitefcilconexoaoscomputadorese unidades aritmticas. alto custo com cabeamento. d) transmisso digital (protocolo de comunicao digital) Nestetipodetransmisso,asinformaessobreavarivelmedidaso enviadasaumaestaoreceptoraatravsdepacotesdeinformao.Esses pacotesdeinformaososinaisdigitaismoduladosepadronizados.Essa padronizao recebe o nome de protocolo de comunicao. 51 Hdiversostiposdeprotocolosdecomunicao,sendoalgunsdosmais conhecidososseguintes:Profibus,Fieldbus,Modbus,DeviceNet,entreoutros. Cadaprotocolodecomunicaopossuisuascaractersticastcnicasasquais definemsuasaplicabilidades.Seroapresentadosmaisdetalhessobreos protocolos de comunicao no prximo tpico desta unidade de estudo. Por hora, a tabelaaseguirmostraasvantagensedesvantagensdosprotocolosde comunicao digital. Tabela 7 - Vantagens e desvantagens dos protocolos de comunicao digital. VantagensDesvantagens nonecessitadeligaopontoapontopara cada instrumento e possui menor custo final de implantao e manuteno; hvriosprotocolosdecomunicaono mercadooquedificultaacomunicaoentre equipamentos de fabricantes diferentes; podeutilizarumpartranadooufibraptica paratransmissodedadoseapresenta imunidade a rudos externos; casoocorraorompimentodocabode comunicao,pode-seperderainformao e/ou o controle de vrias malhas; permite a configurao, diagnstico de falhas e ajusteemqualquerpontodamalhade instrumentao. necessitadeconhecimentotcnicoavanado em eletricidade, eletrnica e informtica. 52 2.6 Redes e protocolos de comunicaes industriais 2.6.1 Histrico evolutivo Assim como os outros mercados de comunicao de dados (telefonia, rdios, emissoras de televiso, internet e outros), os sistemas de transmisso de dados nas indstrias comearam de forma bastante simples, utilizando conexes do tipo serial RS-232eRS-485.Porm,comopassardotempoeaevoluotecnolgica,as indstrias foram desenvolvendo sistemas mais complexos, com tecnologias prprias, protocolos, softwares e hardwares apropriados para suas necessidades. Aevoluodacomunicaodedadosnaindstriadeuorigemas denominadasredesindustriaisouredesdechodefbrica.Estasso essencialmente sistemas onde diversos elementos esto distribudos e trabalham de formasimultneaafimdesupervisionarecontrolarumdeterminadoprocesso industrial.Portanto,taiselementos(sensores,atuadores,CLPs,CNCs,PCs,entre outros),necessitamestarinterligadosetrocandoinformaesdeformarpidae precisa. A evoluo da transmisso de dados nas redes industriais apresentada na tabela 8. Tabela 8 - Evoluo da transmisso nas redes industriais. pocaCaracterstica das transmisses dcada de 40 os processos de instrumentao utilizavam sinais de presso da ordem de 3 a 15psi para o monitoramento de dispositivos de controle. dcada de 60 foiintroduzidaautilizaodatransmissoeltrica;umpadrocomsinalde4a20mA para instrumentao. dcada de 70 teveincioousodecomputadoresparamonitorarecontrolarumasriede instrumentos a partir de um ponto central. dcada de 80 comearamaserdesenvolvidoseutilizadosemsistemasmicrocontroladosos sensores inteligentes, que aliavam confiabilidade e rapidezao baixo custo. Pode-se afirmar que nesta poca houve incio da transmisso digital na indstria. Comexceodatransmissoempresso,nohouvedeinciouma padronizaoparaastransmisseseltricaedigital.Paraatransmissoeltrica, almdatransmissode4a20mA,muitosnveisdesinais,quenoatendiam 53 especificao, foram utilizadospararepresentarasada de diversosdispositivos.A transmissodigitaldeuincioaumaverdadeiracorridadosdiversosfabricantesde equipamentoseltricosparaautomaoindustrialcomaintenodedefinirum padroparatransfernciadedadosentreessesequipamentos.Dessacorrida, surgiram vrios padres de comunicao entre os equipamentos industriais cada um comsuasvantagensedesvantagens.Muitoscaramemdesuso,pormalguns forammaisbemaceitoseaindasobastanteutilizados,como,porexemplo: Modbus, Fieldbus, Profibus, Device Net e outros. Nota:tecnicamente,ospadresdecomunicaoparatransmissodigital entre os equipamentos de automao industrial so denominados de protocolos de comunicao. 2.6.2 Classificaes das redes industriais Uma rede industrial utiliza a transmisso digital para possibilitar a superviso eoperaodetodaplantaouprocessoindustrialapartirdeumsistema informatizado.Ouseja,possibilitaque,atravsdeumcabeamentoestruturado,os diversosdispositivosdeautomatizaosejamconectadosentresi,aumoumais controladoresouacomputadoresdedicados,localizadosemumasalareservada denominada de estao de superviso e controle.As redes industriais so padronizadas em 3 nveis de hierarquia responsveis pela interconexo de diferentes tipos de equipamentos. Veja a figura a seguir! Figura 25 - Nveis de hierarquia das redes industriais.

O nvel mais alto geralmente o que interliga os equipamentos responsveis peloplanejamentodaproduo,controlesdeestoque,estatsticasdequalidade, 54 previsesdevendasetc.Geralmenteimplementadoutilizando-sesoftwares gerenciais,taiscomo:sistemasSAP,Arenaeoutros.OprotocoloTCP/IPcom padrodecomunicaoentrecomputadoresomaisutilizadonessenvelde hierarquia.No nvel intermedirio, ondese tem, principalmente, CLPs e CNCs, trafegam informaes de controle ao nvel de mquinas, ou seja, informaes a respeito dos statusdeequipamentoscomo:robs,mquinas-ferramentas,transportadorese outras. O terceiro nvel o nvel mais baixo e se refere parte fsica da rede, onde se localizamossensores,atuadores,contactoresedemaisdispositivosdeentradae sada. Essaclassificaononica.Asredesindustriaistambmpodemser classificadas de acordo com os tipos de equipamentos conectados. Como exemplos, temos: rede Sensorbus, rede Devicebus e rede Fieldbus. a) rede Sensorbus Esse tipo de rede industrial tem as seguintes caractersticas: os dados so transmitidos na forma de bits; conecta equipamentos simples e pequenos diretamente rede; os equipamentos necessitam de comunicao rpida em nveis discretos e so tipicamente sensores e atuadores de baixo custo; e noalmejamcobrirgrandesdistncias,sendosuaprincipalpreocupao manter os custos de conexo to baixos quanto for possvel. So exemplos de redes Sensorbus: Seriplex, ASI e INTERBUS Loop. b) rede Devicebus As principais caractersticas desse tipo de rede industrial so: os dados so transferidos na forma de bytes; preenche o espao entre redes Sensorbus e Fieldbus; pode-se cobrir distncias de at 500m; osequipamentosconectadosaestaredeteromaispontosdiscretos, alguns dados analgicos ou uma mistura de ambos; 55 algumas destas redes permitem a transferncia de blocos em uma menor prioridade comparado aos dados no formato de bytes; e tmosmesmosrequisitosdetransfernciarpidadedadosdaredede sensorbus, mas consegue gerenciar mais equipamentos e dados. Soexemplosdessetipoderedeindustrial:DeviceNet,SmartDistributed System (SDS), Profibus DP, LONWorks e INTERBUS-S. c) rede Fieldbus Por sua vez, as redes Fieldbus possuem as caractersticas a seguir: os dados so transferidos na forma de pacotes de mensagens; interliga os equipamentos de E/S mais inteligentes e pode cobrir distncias maiores; osequipamentosacopladosredepossuemintelignciapara desempenharfunesespecficasdecontroletaiscomoloopsPID, controle de fluxo de informaes e processos; e os tempos de transferncia de dados podem ser longos mas a rede deve sercapazdesecomunicaratravsdevriostiposdedados(discreto, analgico, parmetros, programas e informaes do usurio). Comoexemplos,temos:IEC/ISASP50,FieldbusFoundation,ProfibusPAe HART. 2.6.3 Padres de comunicao das redes industriais Ainterligaodeelementosaonveldecho-de-fbrica(CLPs,vlvulas, indicadoresdedicados,sensores,transdutores,atuadores,etc.)denominao genericamentede"barramentodecampo"ouFieldbus.Portanto,OtermoFieldbus descreveumarededecomunicaodigitalqueveiosubstituirosistemadesinal analgico de 4 a 20mA existente ainda hoje nas indstrias. Apesar de sua tecnologia ultrapassada (desenvolvida na dcada de 60), ainda muito difundida devido a sua imunidade s interferncias eletromagnticas.OFieldbuspodeserdefinidocomoumarededigital,bidirecional(deacesso compartilhado), multiponto e serial, utilizado para interligar os dispositivos primrios 56 deautomao(dispositivosdecampo)aumsistemaintegradodeautomaoe controledeprocessos.Cadadispositivodecampopodepossuiruma"inteligncia" (microprocessamento),oqueotornacapazdeexecutarfunessimplesemsi mesmo,taiscomodiagnstico,controleefunesdemanuteno,almde possibilitaracomunicaoentredispositivosdecampo(noapenasentreo engenheiro e o dispositivo de campo). Comoobjetivodecriareespecificarnormasepadresparatransmisso digitaleminstrumentao,nadcadade80houveaformaodefruns internacionais,ISA,(InstrumentSocietyofAmerica),IEC(International ElectrotechnicalCommission),Profibus(GermanNationalStandard)eFIP(French National Standard), para formar o comit IEC/ISA SP50 Fieldbus. Pretendia-se,ento,integrarosdiferentestiposdeinstrumentosdecontrole, proporcionandoumainterfaceparaaoperaodediversosdispositivos simultaneamenteeumconjuntodeprotocolosdecomunicaoparatodoseles. Porm, devido diversidade de produtose mtodos de implementao, o processo de padronizao se tornou lento, no permitindo uma soluo direta e simples para ser padronizada. Essa luta pela padronizao das transmisses digitais ainda est presente at os dias atuais e pode ser resumida na tabela a seguir. Tabela 9 - Histrico das tentativas de padronizao dos protocolos de comunicaes. pocaCaracterstica das transmisses dcada de 80 Emmeadosdessadcada,aISAformouoSP50FieldbusCommitteepara desenvolverumpadrodeautomaoindustrialqueintegrasseosvriostiposde dispositivosdecampodetransmissodigitalqueestavamsurgindonapoca. Porm, o comit foi formado por centenas de membros divididos pelos seus prprios interesses(napocajhaviaalgunssistemasdigitais,masaindasemnenhum padro e interoperabilidade). Dessa forma, no se conseguiu definir um padro. em 1992 Surgiram duas propostas comerciais de para o Fieldbus (mesmo sem um padro): a ISP(InteroperableSystemsProject)eaWorldFIP(WorldFactoryInstrumentation Protocol).ISP era amparada pela Siemens e Fisher e a WorldFIP pala Honeywell e AllenBradley.Porm,ambasnoeramcompatveise,porseremaslderesdo mercado, deram margens ao surgimento de outras propostas de Fieldbus. 57 Tabela 9 - Histrico das tentativas de padronizao dos protocolos de comunicao (continuao). pocaCaracterstica das transmisses em 1993 OspadresISPeWorldFIPresolveramsejuntarnatentativadeunificaodos padres, criando a Fieldbus Foundation. em 1994 OutrogrupolanouumoutrosistemaFieldbusdenominadodeProfibus(Process FieldBus-baseadonopadroeuropeuEN50170).Esse padrorene caractersticas tanto do ISP quanto do WorldFIP e atualmente a lder de mercado na Europa (principalmente na Alemanha). Emresumo,hojeemdiahprodutoscomerciaisProfibuseWorldFIP.A Fieldbus Foundation lanou, no ano de 1997, o seu padro. a) protocolo Fieldbus Esseprotocolofoidesenvolvidoparaautomaodesistemasdefabricao, elaboradopelaFieldBusFoundationenormalizadopelaISA(TheInternational Society for Measurement and Control). Como pode ser observado na figura a seguir, oprotocoloFieldbusvisainterligaodeinstrumentoseequipamentos, possibilitando o controle e monitorao dos processos.Conforme mostra a figura 26, numa rede Fieldbus, cada dispositivo de campo pode ou no possuir uma "inteligncia prpria", ou seja, cada dispositivo de campo podesercapazdeexecutarfunessimplesemsimesmo,taiscomodiagnstico, controle e funes de manuteno, alm de possibilitar a comunicao entre outros dispositivos de campo. 58 Figura 26 - Modelo de estrutura fsica de uma rede Fieldbus. b) protocolo Profibus Esseprotocolodecomunicaoindustrialumpadroabertoderedede comunicaoindustrial,utilizadoemumamploespectrodeaplicaesem automaodemanufatura,deprocessos,predialenaval.Suatotalindependncia defabricantesesuapadronizaosogarantidaspelasnormasEN50170e EN50254. Com o Profibus, dispositivos de diferentes fabricantes podem comunicar-se sem a necessidade de qualquer adaptao na interface. 59 Figura 27 - Modelo de estrutura fsica de uma rede Profibus. Geralmenteosprotocolosdecomunicaosoutilizadoscomoschamados softwaressupervisrios(SCADA,etc.),quepermitammonitorartodaaestrutura fsica da planta alm de possibilitar alterar valores de presets, gerar alarmes visuais, gerar relatrios, armazenar informaes em bancos de dados e outras funes. Asredesindustriaistambmpermitemqueaplantaouprocessoseja monitoradaremotamenteatravsdeumaconexoviainternet,conformemostraa figura 28. Figura 28 - Rede industrial com conexo internet. 60 2.7 Exerccios da unidade 2 2.7.1 Responda aos seguintes quesitos. a) Que instrumentao industrialb) Qual a entre medida direta e indiretac) Qual a diferena entre medida contnua e discreta d) Qual a diferena entre range e span de um instrumento de medio e) Que sensibilidade um instrumento de mediof) Qual a diferena entre exatido e preciso de um instrumento de mediog) Que zona morta de um instrumento de medioh)Qualadiferenaentresupressoeelevaodezerodeuminstrumentode medio i) Quais so as caractersticas da transmisso pneumticaj) Quais so as caractersticas da transmisso hidrulicak) Quais so as caractersticas da transmisso eltrical) Que so protocolos de comunicao industrialm) Qual a diferena enre as redes Devicebus, Sensorbus e Fieldbus quanto forma de transmisso de dados 61 3 MEDIO DE PRESSO 3.1 Definio e princpios fsicos das medies de presses A presso pode ser definida como sendo a relao entre a fora exercida em umasuperfcieeareadasuperfcieondeamesmaforaaplicada. Matematicamente, a presso pode ser definida pela seguinte expresso: Figura 29 - Fora exercida sobre uma superfcie. A presso tambm pode ser definida como o somatrio das presses esttica edinmicae,assim,denominadapressototal.Portanto,vamossdemais classificaes sobre presso! a) presso esttica apressoexercidaemumponto,emfluidosestticos,quetransmitida integralmente em todas as direes e produz a mesma fora em reas iguais. b) presso dinmica a presso exercida por um fluido em movimento paralelo sua corrente. A presso dinmica representada pela seguinte equao: c) presso total apressoresultantedosomatriodaspressesestticaedinmica, exercidas por um fluido que se encontra em movimento. 62 d) presso atmosfrica a presso exercida pela atmosfera terrestre medida em um barmetro. Ao nvel do mar, esta presso de aproximadamente 760 mmHg. e) presso manomtrica Esta presso muitas vezes denominada de presso de referncia, por ser amedidadepressoemrelaopressoatmosfricaexistentenolocal, podendo ser positiva ou negativa. Geralmente se coloca a letra G aps a unidade para represent-la. Quando se fala em uma presso negativa em relao presso atmosfrica, chamamos presso de vcuo. f) presso absoluta apressopositivaapartirdovcuoperfeito,ouseja,asomadapresso atmosfrica dolocalcom apresso manomtrica.Geralmentecoloca-sealetraA aps a unidade. Mas quando representamos presso abaixo da presso atmosfrica por presso absoluta, esta denominada grau de vcuo ou presso baromtrica. g) presso diferencial oresultadodadiferenadeduaspressesmedidasemdoispontos deferentes. Em outras palavras, a presso medida emqualquer ponto, menos no ponto zero de referncia da presso atmosfrica. Notas:apressomedidaporuminstrumentodemediodepressopode serrepresentadacomopressoabsoluta,pressomanomtricaoupresso diferencial;a escolhadeuma destastrsdepende doobjetivodamedio; ento, aoseexprimirumvalordepresso,determina-seseapressorelativaou absoluta.Porm,agrandemaioriadosinstrumentosdemediodepresso utilizadaindustrialmenteomiteestainformao,poismedempressesrelativas (presses manomtricas).Amediodepressopodeserfeitadeformadiretaouindireta.Os medidoresdepressosoconstrudosdeacordocomprincpiosfsicosdiversos como a lei de Hooke, o princpio de Stevin, a lei de Pascal, dentre outros. medida queostiposdemedidoresdepressoforemapresentados,vocpoderconhecer um pouco sobre seus princpios fsicos de funcionamento. 63 3.2 Unidades de medidas de presso AunidadedemedidadepressonoSIoN/mouPascal(Pa).Existem outras unidades de medida como: kgf/cm, psi, bar, atm etc. A tabela a seguir mostra a relao para converso entre as unidades de presso. Tabela 10 - Tbua de converso entre as unidades de medida de presso. kgf/cmpsibarpol Hgpol H2OatmmmHgmmH2OKPa kgf/cm114,2330,980728,96393,830,9678735,581000398,0665 psi0,070310,06892,03627,6890,06851,71703296,895 bar1,019714,504129,53401,60,98692750,0610200100 pol Hg0,03450,49110,03386113,5990,033425,399345,403,3863 pol H2O0,0025370,036090,002490,0734810,0024561,868525,3990,24884 atm1,033214,6961,013329,921406,9331760,05103,35101,325 mmHg0,001350,0193370,001330,039370,53540,001316113,5980,13332 mmH2O0,0000990,001420,00980,002890,039370,000090,0735310,0098 KPa0,0101970,145040,010,295394,01580,0098697,50062101,9981 Vamos a um exemplo! Um medidor de presso possui uma escala graduada de 0 a 150psi. Quais seriam os valores correspondentes se a escala do instrumento fosse graduada em bar? Resposta: Vejanatabela8aclulaemdestaque(emamarelo)!Ovalorde 0,0689ovalordepressoembarequivalentea1psi.Dessaforma,para substituirmosaescalagraduadade0a150psidevemosmultiplicaressesvalores por 0,0689. Ento, tm-se: 0psi = 0 x 0,0689 bar = 0bar 150psi = 150 x 0,0689bar = 10,335bar Portanto, a escala do instrumento de presso em bar ser graduada de 0 a 10bar. 64 3.3 Tipos de medidores de presso Amaioriadosmedidoresdepressoutilizaumdispositivomecnicoou elstico,comotubosdeBourdon,diafragmas,oufoles,comoelementodetector bsico. Estes dispositivos se deformam quando aplicada uma fora. O movimento resultante desta deformao posiciona um ponteiro numa escala graduada (dial), no caso de um manmetro, ou cria um sinal eltrico que pode ser facilmente transmitido a um registrador ou a um controlador, no caso dos transmissores de presso. Seroabordadosnestaunidadedeensinoosprincpiosfsicosde funcionamentodosseguintesmedidoresdepresso:tubosemU,manmetros elsticos,manmetrosresistivos(clulasextensomtricas),manmetros piezoeltricos,manmetroscapacitivosemanmetrosmagnticos.Tambmsero apresentadasasprincipaisfontesdeerrosnamediodepressoeosprincipais acessrios utilizados para proteo dos instrumentos de medio de presso. a) medidores de presso com coluna lquida Esse instrumento de medio de presso mais conhecido como barmetro. FoiinventadopelofsicoitalianoEvangelistaTorricelli,em1644,aorealizara experinciadeinverterumtubodevidro,fechadoemumaextremidadeecheiode mercrio,emumacubatambmcheiademercrio.Torricelliobservouqueonvel domercrioseestabilizavaemumvalorconstante.Porm,Torricellinoexplicou precisamenteacausadofenmeno.Atribuiuao"pesodoar",semmais consideraes. Provavelmente esse foi o primeiro medidor de presso inventado. Em 1648, o fsico e matemtico francs Blaise Pascal encontrou a explicao adequada,isto,acolunademercrioeramantidapelapressodoareainda previu que ela diminuiria com o aumento da altitude. Um barmetro formado, basicamente, de um tubo de vidro, contendo certa quantidade de lquido, fixado a uma base com uma escala graduada; acoluna pode ser basicamente de trs tipos: coluna reta vertical, reta inclinada e em forma de "U". 65 Figura 30 - Formas de construo dos manmetros de coluna lquida. Oslquidosmaisutilizadosnascolunasso:gua(normalmentecomum corante)emercrio.Quandoseaplicauma