Desenho de Controladores
F Lemos – Cont Controlo rolo e Instrument Instrumentação ação de Processos Processos
D.E.Q. D.E .Q. - I.S I.S.T. .T.
Bibliografia Aconselhada
C.D. Johnson
R.H. Perry, D.W. Green
“Perry’ss Chemical Engineer “Perry’ Engineerss Handbook”, Handbook”, 7ª Edição Edição,, McGraw Hill, 1997. 1997.
D.M. Considine
“Controlo “Contr olo de Proces Processos sos:: Tecnol Tecnologi ogiaa da Ins Instru trumen mentaçã tação”, o”, Fund. Fund. Calo Caloust ustee Gulbenkian. “Process Control Instrumentation Technology”, 7th Ed., Prentice-Hall, 2003.
“Process/Industria “Process/Ind ustriall Instruments Instruments & Control Handbook”, Handbook”, 4ª Edição Edição,, McGraw Hill, 1993.
R.K Sinnott
“Coulson “Couls on & Richar Richardso dson’s n’s Che Chemic mical al Engin Engineeri eering” ng”,, Vol 6, 3ª 3ª Edi Edição ção,, Butterworth-Heinemann, 1999.
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Diagramas de Instrumentação Flow -sheet most mo stra ra a org organ aniz izaç ação ão da das s pr prin inci cipa pais is pe peça ças s de eq equi uipa pame ment nto o e a su sua a ligação – descreve a natureza do processo
Diagrama d d e Tubagens e Instrumenta de Instrumentaç ão
(Piping and Instrumentation Diagram - P& P&II ou P& P& P&II D) P&I P&I mostra most ra os de deta talh lhes es de en enge genh nhar aria ia do eq equi uipa pame ment nto, o, in inst stru rume ment ntos os,, tuba tu bage gens ns,, válvu válvula las s e acess acessór ório ios s e a re resp spec ecti tiva va or orga gani niza zaçã ção o – também
desig de signa nado do po porr Fl Flow ow-Sh -Shee eett de Enge Engenh nhari aria a
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Diagramas de Instrumentação
Todas as peças de equipamento do processo identificadas por um número de equipamento. Todas as tubagens, identificadas por um número de linha. Todas as válvulas com número de identificação. O tipo de válvula pode ser indicado pelo símbolo ou incluído incluído no código. Ligações que façam parte do sistema de tubagens, como visores, trps de vapor, vapor, etc, com um número número de identi identificaç ficação. ão. Bombas, identificadas por um número de código. Todas as cadeias de controlo e instrumentos, com um número de identificação.
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Diagramas de Instrumentação Represe Repr esenta ntaçã ção o at atrav ravés és de Di Diag agram ramas as de In Intru trume ment ntaçã ação o e Tu Tuba bage gens ns (Pipe and Instrumentation Drawing - P& P&II D). P&I Emb Em bora os si sim mbolos utitillizados poss ssa am depender do gabinete de proj pr ojec ecto to qu que e os pr prod oduz uz,, util utiliz izam am-s -se e norm normas as pa padr dron oniz izad adas as:: Norm (Instrument ent Society Society of of America America - Interna International tional Society Norma a ISA ISA (Instrum for Mea Measu sure reme ment nt and and Con Contro trol) l) - no norm rma a AN ANSI/ SI/ISA ISA's 's S5 S5.1 .1-19 -1984 84 (R (R 1992) – Ver C.D. Johnson Nor orma ma BS
(Bri (B rititish sh St Stan andar dard) d) - no norm rma a BS 16 1646 46 – Ver Coulson
and Ric Richar hardso dson’s n’s Vol. Vol. 6
Norm m a DIN DIN Nor Norma
(Ale (A lemã mã)) – no norm rmas as DI DIN N 2800 28004, 4, DI DIN N (19 (1988 88))
(Scientific Apparatus Manufacturers Association) Utililiz Ut izad ada a pe pela lass in indú dúst stri rias as de prod produ uçã ção o de ele elect ctri rici cid dad ade e at atra ravé véss de combu com bustí stívei veiss fo fosse sseis is.. N orma or ma SAMA Norma
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Exemplo de P&ID •Controlador de temperatura •Controlador de caudal •Medidor de caudal de prato e orifício •Válvula de controlo com actuação pneumática •Válvula de controlo com actuação eléctrica com mola •Detalhe do controlo de válvula
Fonte: Control Engineering Ver: D. Harrold, “How to read P&IDs”, Control Eng., http://www.manufacturing.net/ctl/article/CA152141?text=instrumentation+symbols&spacedesc=news D.E.Q. - I.S.T. F Lemos – Controlo e Instrumentação de Processos
Pipe & Instrumentation Drawing Interligações Processo Pneumático Hidráulico Eléctrico Capilar EM, sónico, radioactivo – com guias EM, sónico, radioactivo – sem guias Ligação de dados (computador) F Lemos – Controlo e Instrumentação de Processos
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Pipe & Instrumentation Drawing Instrumentos ou funções gerais Para representar cada instrumento utiliza-se um Simbolo . Os instrumentos incluem: Sensores; Transmissores, Conversores de dados, Controladores, Computadores Controladores logicos programáveis (PLCs)
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Pipe & Instrumentation Drawing Instrumentos ou funções gerais Equipamentos isolados:
Fun ç ões de Computador:
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Pain éis ou controladores partilhados:
PLC:
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Pipe & Instrumentation Drawing Balões Para representar cada instrumento utiliza-se um c írculo ou balão balão .
XY
XY
XY
nnn
nnn
nnn
Montado localmente
Montado no painel da sala de controlo
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Montado na sala de controlo inacessível ao operador D.E.Q. - I.S.T.
Pipe & Instrumentation Drawing Balões
XYZ... nnn Referência da peça
A - Análise B - Queimador C - Condutividade D - Densidade E - Tensão F - Caudal L - Nível M - Humidade P - Pressão T - Temperatura U - Multivariável V - Viscosidade Y - Estado, PLC Z - Posição
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A - Alarme C - Controlo E – Sensor, Elemento primário G - Visor I - Indicador L - Luz O - Orifício P - Ponto de teste R - Registo S - Interruptor T - Transmissor U - Multifunção V - Válvula Y - Relé (transformação) D.E.Q. - I.S.T.
Pipe & Instrumentation Drawing Balões Exemplos:
LI
TA
FC
157
201
506
Indicador de Nível montado localmente
Alarme de temperatura Controlador de caudal montado no painel da montado por trás do sala de controlo painel da sala de controlo
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Pipe & Instrumentation Drawing Simbolos de Instrumentos É frequente que os transdutores sejam separados, no diagrama, em elemento primário e transmissor . O elemento final é representado na linha de processo. Utilizam-se balões para identificar o elemento em termos da cadeia de controlo que ele serve. FE 105
FE 214 FI 333
Medidor de caudal de prato e orifício
Medidor de caudal de Venturi
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Rotâmetro
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Pipe & Instrumentation Drawing Simbolos de Instrumentos Os actuadores são peças importantes e representam-se também, frequentemente, por símbolos próprios. S
Válvula com Actuador Eléctrico e Mola
Válvula com Actuador Pneumático
Válvula com Actuador Solenoide
Bomba
Permutador de Calor
M
Motor F Lemos – Controlo e Instrumentação de Processos
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Exemplo (Permutador de Calor ) TC nnn
TY nnn
Líquido a aquecer
Vapor
Líquido a aquecido F Lemos – Controlo e Instrumentação de Processos
Condensado D.E.Q. - I.S.T.
Transdutores de Temperatura A temperatura temperatura é uma medida do conteúdo em energia térmica de um sistema. Maior temperatura significa maior conteúdo de energia térmica, rmica essencialmente associada à agitação molecular. Unidades de Temperatura:
Kelvin (K) - escala absoluta Celsius (ºC) - T(ºC) = T(K) - 273.15 Rankine (ºR) - escala absoluta T(ºR) = T(K) × 9/5 Fahrenheit (ºF) - T(ºF) = T(ºE) - 459.6 F Lemos – Controlo e Instrumentação de Processos
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Transdutores de Temperatura
Termómetros de Resistência de Metais Termómetros de Resistência de Semicondutores (termistores) Termopares Fitas Bitemtálicas Termómetros de dilatação de Gás Termómetros de Pressão de Vapor Termómetros de Nível de Líquido Termómetros de Infra-vermelhos
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Transdutores de Temperatura (Resistência de metais) R = ρ
l A
R - resistência (Ω) ρ - resistividade (Ω m) l - comprimento (m) A - área (m2)
8
C º 0 7 a a 6 v i t 5 a l e r 4 a i c 3 n ê t 2 s i s 1 e R0
-200
Cobre Niquel Platina
300
800
T (ºC) F Lemos – Controlo e Instrumentação de Processos
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Transdutores de Temperatura (Resistência de metais) Os term ó metros de resistência de metais (RTD) são dos mais utilizados. O mais comum é o termómetro de resistência de Platina. Platina Sensibilidade Platina - 0.004 Ω Ω -1 K-1 Niquel - 0.005 Ω Ω -1 K-1 Tempo de resposta Depende da forma de contrução, dos materiais e das dimensões. Tipicamente entre 0.5 e 5 segundos. Valores mais elevados para termómetros com muita protecção. F Lemos – Controlo e Instrumentação de Processos
Gama de aplicação Platina -100 ºC a 650 ºC. Níquel -180 ºC a 300 ºC.
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Transdutores de Temperatura (Resistência de metais) Constituição de um termómetro de resistência Camada cerâmica
Elemento resistivo encapsulado em material cerâmico
Isolamento eléctrico em material cerâmico
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Selo do termómetro
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Transdutores de Temperatura (Resistência de metais) A medição é, normalmente, feita numa ponte para medição de resistência. As fontes de corrente constante de alta estabilidade têm vindo a substituir as pontes de medida.
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A necessidade de passar corrente pode afectar a medidção Constante de Dissipação (mW/K)
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Transdutores de Temperatura (Resistência de semicondutores - termistor ) R = ρ
l
45
A
35
R - resistência (Ω) ρ - resistividade (Ω m) l - comprimento (m) A - área (m2)
Termistor
40
Platina
a i 30 c n 25 ê t s 20 i s e 15 R
10 5 0 -200
300
800
T (ºC) F Lemos – Controlo e Instrumentação de Processos
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Transdutores de Temperatura (Resistência de metais) Os term ó metros de resistência de semicondutores (termistores) são importantes para gamas limitadas de temperatura. temperatura Sensibilidade Gama de aplicação Atingem valores de 0.1 Ω Ω -1 K-1 Depende muito do material. Tipicamente estão disponiveis para temperaturas entre -50 ºC Tempo de resposta Depende da forma de 300 ºC. contrução, dos materiais e das dimensões. Tipicamente entre 0.5 e Constantes de Dissipação Tipicamente entre 1 e 10 mW K-1. algumas dezenas de segundo. F Lemos – Controlo e Instrumentação de Processos
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Transdutores de Temperatura (Termopares)
Efeito de
T1
A
T2
f.e.m.
Seebeck T 2
ε
= ∫ (Q A - Q B ) dT T 1
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ε - força electromotriz (V) T1, T2 - Temperaturas (K) Q1, Q2 - Constantes de transporte térmico dos materiais D.E.Q. - I.S.T.
Transdutores de Temperatura (Termopares)
T1
Efeito de
A
T2>T1
Fluxo de calor
Peltier I
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Transdutores de Temperatura (Termopares) J
Ferro -190 /Constantan
760
K
Chromel /Alumel
371
E
Chromel -100 /Constantan
1260
R
87% Platina 0 + 13 % Ródio /Platina
1482
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-200
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Transdutores de Temperatura (Termopares) Os termopares são dos transdutores mais importantes para gamas variadas de temperatura. temperatura Gama de aplicação Sensibilidade Depende muito do material. J - 0.05 mV K-1 Tipicamente estão disponiveis R - 0.006 mV K-1 para temperaturas entre -200 ºC Ruído Fios de extensão enrolados e e 1700 ºC. blindados. Junção ligada à terra no ponto Junção fria Blocos de referência; circuitos de medida. Usar amplificador com boa de compensação, correcção por programação. rejeição de modo comum. F Lemos – Controlo e Instrumentação de Processos
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Transdutores de Temperatura (Termopar ) Constituição de um termopar Ligações
Junção do termopar
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Isolamento eléctrico em material cerâmico
Selo do termómetro
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Transdutores de Temperatura (Termopar )
Correcção de Junção Fria por bloco a temperatura de referência
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Transdutores de Temperatura
http://www.hcs77.com/hcs_rtd.html
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Transdutores de Temperatura (Fitas Bimetálicas)
Dois metais com coeficientes de dilatação diferentes são soldados. Quando a temperatura varia, um dos metais dilata mais do que o outro e deflecte a ponta do sensor. A deflexão fornece uma medida da temperatura.
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Transdutores de Temperatura (Termómetro de Pressão de Vapor )
Um bolbo contendo uma certa quantidade de líquido em equilíbrio com o seu vapor. Variações de temperatura fazem variar a pressão dentro do bolbo, a qual fornece uma medição directa da temperatura..
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Transdutores de Pressão A pressão pressão é a força exercida por unidade de área. Interessar-nos-á a pressão exercida por fluidos. Distingue-se a pressão estática, tica exercida por fluidos que ão estão em mivmento, e a pressão dinâmica, dinâmica para fluidos em movimento. Unidades de Pressão :
Pascal (Pa) - sistema SI - 1 Pa = 1 N/m2 Libra por polegada quadrada (lb/in2 ou psi) - 1 psi =6.895 kPa Atmosfera (atm) - 1 atm = 101.325 kPa = 14.7 psi Bar (bar) = 100 kPa Bar Torr (torr) - 1 torr = 133.3 Pa Torr F Lemos – Controlo e Instrumentação de Processos
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Transdutores de Pressão (definições) Pressão relativa relativa As pressões são frequentemente medidas de forma relativa, relativa isto é, em relação a outra pressão - frequentemente a atmosf érica. rica
Prelativa
= Pabsoluta - Patmosférica
Pressão hidrost hidrost ática Pressão estática exercida por uma coluna de líquido.
P = ρ g h F Lemos – Controlo e Instrumentação de Processos
- massa volúmica g - aceleração gravítica h - altura da coluna de líquido
ρ
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Medição de Pressão Medição diferencial de pressão utilizando uma membrana
P1
P2
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P1
P2
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Medição de Pressão
Diafragmas Foles Tubos de Bourdon Sensores de Estado Sólido
diafragma de silício com sensor de tensão incorporado gama de aplicação entre 0 e 100 kPa 10 a 100 mV/kPa 10 ms para passar de 10% a 90% de variação Potencial linear com a pressão
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Medição de Pressão (Baixas Pressões)
Pirani Medida de Pressão pela resistência de um filamento. (1>P>10-3 atm)
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Medição de Pressão (Baixas Pressões) Penning
Ânodo
Cátodo
Medida de Pressão com cátodo frio. Bayart-Alpert Medida de Pressão com cátodo quente. (10-3>P>10-13 atm) F Lemos – Controlo e Instrumentação de Processos
Filamento
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Medição de Caudal Medição de caudal através de medidas diferenciais de pressão num obstáculo
Medição de caudal utilizando um tacómetro
∆P
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Medição de Caudal
Uma pequena fracção da corrente a medir é desviada e aquecida. Um sensor mede a quantidade de calor transferida de uma bobine para outra.
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Medição de caudal utilizando um sensor térmico
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Medição de Posição V
d
Resistivos Capacitância - C
V0
Capacitivos
A Capacitância - C
Indutivos Indutância
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Medição de Posição LVDT Linear Variable Differential Transducer (LVDT) LVDT Sensor de posição de elevada sensibilidade, baseado na indução em duas bobines (secundárias) a partir de uma bobine primária F Lemos – Controlo e Instrumentação de Processos
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Válvula de Controlo
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Válvula de Controlo
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Válvula de Controlo (modo de abertura) 1
Caracter ística da Válvula de Controlo
Abertura Rápida Linear Igual Percentagem
0.8 0.6 0.4 0.2 0 0
0.2
Abertura rápida
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0.4
0.6
Linear
0.8
1
Igual percentagem
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Válvula de Controlo (Abertura R á pida) Utilizada predominantemente em controlo ON/OFF; ON/OFF Um pequeno deslocamento da válvula permite variar muito o caudal; Por exemplo, um deslocamento de 30% pode provocar uma variação de caudal de 90%
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Válvula de Controlo (Igual Percentagem)
Tipo de válvula de grande importância em controlo; Uma dada percentagem de deslocamento da válvula produz uma igual percentagem de variação no caudal; Geralmente a válvula nunca fecha completamente. S
Gama = R =
Qmax Qmin
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Q = Qmin R
S min
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Válvula de Controlo (Posição em caso de falha)
Válvula normalmente aberta
Sem acção de controlo a válvula fica aberta; Importante em situações em que uma falha de controlo implique manutenção do caudal, p.e. água de arrefecimento a um reactor.
Válvula normalmente fechada
Sem acção de controlo a válvula fica fechada; Importante em situações em que a falha de controlo implique corte do caudal, p.e. alimentação a um reactor.
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Valvula de Controlo (Actuador)
Actuador pneumático para válvula normalmente aberta (a válvula permanece aberta em caso de falha da cadeia de controlo
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Válvula de Controlo (Dimensionamento)
Q = C v f (l )
Coeficiente de válvula
∆P S G
Característica da válvula
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Densidade do fluido
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Permutador de Calor
Permutadores
Permutadores de
de Vapor
Calor Sensível
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Permutador de Calor - Vapor (Caracter ísticas)
Resposta típica de sistema de parâmetros distribuidos.
Tempo característico depende do caudal de passagem.
Utilização de válvula de controlo de igual percentagem alarga zona de operação estável. O controlo pode ser efectuado sobre o caudal de condensado e não sobre o vapor, por necessitar de válvulas mais pequenas e menos dispendiosas
Operação mais lenta; É necessário assegurar que o vapor não passa para a linha de líquido.
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Permutador de Calor - Calor Sensível (Caracter ísticas)
Quantidade de calor permutada não é linear com a variável manipulada
Resposta típica de sistema de parâmetros distribuidos.
Utilização de válvula de controlo de igual percentagem aumenta linearidade; Utilização com vantagem de controlo em cascata para regular a quantidade de calor trocada. Tempo característico depende do caudal de passagem.
Qualidade do controlo é muito sensível à temperatura da corrente manipulada.
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Permutador de Calor - Calor Sensível (Controlo em cascata) TC
X ∆T
F
Produto do caudal pela diferença de temperatura para cálculo do calor trocado F Lemos – Controlo e Instrumentação de Processos
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Coluna de Destilação (Caracter ísticas)
Quatro ou mais cadeias de controlo.
Utilização de não só de controladores mas também de
Multiplas possibilidades de combinação de variáveis reguladas e manipuladas. Funções matemáticas para compensação de dinâmica Funções matemáticas para correcção de linearidade.
Dada a grande diversidade de colunas não há regras gerais para controlo de colunas de destilação.
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