Noções de Automação e Controle

NOÇÕES DE AUTOMAÇÃO E CONTROLE Autores: Sérgio Fichman Ricardo dos Santos Alves de Souza

NOÇÕES DE AUTOMAÇÃO E CONTROLE

Este é um material de uso restrito aos empregados da PETROBRAS que atuam no E&P. É terminantemente proibida a utilização do mesmo por prestadores de serviço ou fora do ambiente PETROBRAS. Este material foi classificado como INFORMAÇÃO RESERVADA e deve possuir o tratamento especial descrito na norma corporativa PB-PO-0V4-00005“TRATAMENTO PB-PO-0V4-00005“TRATAMENTO DE INFORMAÇÕES RESERVADAS". Órgão gestor: E&P-CORP/RH

NOÇÕES DE AUTOMAÇÃO E CONTROLE Autores: Ricardo dos Santos Alves de Souza Sérgio Fichman

Ao final deste estudo, o treinando poderá: • Reconhecer as principais características e objetivos da automação e controle; • Reconhecer os diferentes dispositivos e documentos básicos envolvidos em automação e controle; • Reconhecer a importância dos sistemas de automação e controle para as Unidades de E&P; • Identicar a função dos executores de lógica; • Reconhecer a importância dos sistemas de supervisão e controle para a interação do técnico de operação com o controle do processo; • Reconhecer a importância do gerenciamento de alarmes para melhoria das condiçoes de operação e segurança da unidade; • Reconhecer outras tecnologias relacionadas à automação.

Programa Alta Competência

Este material é o resultado do trabalho conjunto de muitos técnicos da área de Exploração & Produção da Petrobras. Ele se estende para além dessas páginas, uma vez que traduz, de forma estruturada, a experiência de anos de dedicação e aprendizado no exercício das atividades prossionais na Companhia. É com tal experiência, reetida nas competências do seu corpo de empregados, que a Petrobras conta para enfrentar os crescentes desaos com os quais ela se depara no Brasil e no mundo. Nesse contexto, o E&P criou o Programa Alta Competência, visando prover os meios para adequar quantitativa e qualitativamente a força de trabalho às estratégias do negócio E&P. Realizado em diferentes fases, o Alta Competência tem como premissa a participação ativa dos técnicos na estruturação e detalhamento das competências necessárias para explorar e produzir energia. O objetivo deste material é contribuir para a disseminação das competências, de modo a facilitar a formação de novos empregados e a reciclagem de antigos. Trabalhar com o bem mais precioso que temos – as pessoas – é algo que exige sabedoria e dedicação. Este material é um suporte para esse rico processo, que se concretiza no envolvimento de todos os que têm contribuído para tornar a Petrobras a empresa mundial de sucesso que ela é. Programa Alta Competência

Como utilizar esta apostila

Esta seção tem o objetivo de apresentar como esta apostila está organizada e assim facilitar seu uso. No início deste material é apresentado o objetivo geral, o qual representa as metas de aprendizagem a serem atingidas.

ATERRAMENTO DE SEGURANÇA

Autor

Ao final desse estudo, o treinando poderá: • Identicar procedimentos adequados ao aterramento e à manutenção da segurança nas instalações elétricas; • Reconhecer os riscos de acidentes relacionados ao aterramento de segurança; • Relacionar os principais tipos de sistemas de aterramento de segurança e sua aplicabilidade nas instalações elétricas.

Objetivo Geral

O material está dividido em capítulos. No início de cada capítulo são apresentados os objetivos específicos de aprendizagem, que devem ser utilizados como orientadores ao longo do estudo.

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Riscos elétricos e o aterramento de segurança

Ao final desse capítulo, o treinando poderá:

Objetivo Específico

• Estabelecer a relação entre aterramento de segurança e riscos elétricos; • Reconhecer os tipos de riscos elétricos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos; • Relacionar os principais tipos de sistemas de aterramento de segurança e sua aplicabilidade nas instalações elétricas.

No nal de cada capítulo encontram-se os exercícios, que visam avaliar o alcance dos objetivos de aprendizagem. Os gabaritos dos exercícios estão nas últimas páginas do capítulo em questão.

Capítulo 1. Riscos elétricos e o aterramento de segurança

Capítulo 1. Riscos elétricos e o aterramento de segurança

1.4. Exercícios

1.7. Gabarito

1) Que relação podemos estabelecer entre riscos elétricos e aterramento de segurança?

1) Que relação podemos estabelecer entre riscos elétricos e aterramento de segurança?

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________ 2) Apresentamos, a seguir, trechos de Normas Técnicas que abordam os cuidados e critérios relacionados a riscos elétricos. Correlacione-os aos tipos de riscos, marcando A ou B, conforme, o caso:

O aterramento de segurança é uma das formas de minimizar os riscos decorrentes do uso de equipamentos e sistemas elétricos. 2) Apresentamos, a seguir, trechos de Normas Técnicas que abordam os cuidados e critérios relacionados a riscos elétricos. Correlacione-os aos tipos de riscos, marcando A ou B, conforme, o caso: A) Risco de incêndio e explosão (B)

B) Risco de contato

“Todas as partes das instalações elétricas devem ser projetadas e executadas de modo que seja possível prevenir, por meios seguros, os perigos de choque elétrico e todos os outros tipos de acidentes.”

Para a clara compreensão dos termos técnicos, as suas

Para a clara compreensão dos termos técnicos, as suas denições estão disponíveis no glossário. Ao longo dos textos do capítulo, esses termos podem ser facilmente identicados, pois estão em destaque. Nesse processo, o operador tem importante papel, pois, ao interagir diariamente com os equipamentos elétricos, pode detectar imediatamente alguns tipos de anormalidades, antecipando problemas e, principalmente, diminuindo os riscos de choque elétrico por contato indireto e de incêndio e explosão.

3.1. Problemas operacionais Os principais problemas operacionais vericados em qualquer tipo de aterramento são: • Falta de continuidade; e • Elevada resistência elétrica de contato. É importante lembrar que Norma Petrobras N-2222 dene o valor de 1Ohm, medido com multímetro DC (ohmímetro), como o máximo admissível para resistência de contato.

Alta Competência

3.4. Glossário Choque elétrico – conjunto de perturbações de natureza e efeitos diversos, que se manifesta no organismo humano ou animal, quando este é percorrido por uma corrente elétrica. Ohm – unidade de medida padronizada pelo SI para medir a resistência elétrica. Ohmímetro – instrumento que mede a resistência elétrica em Ohm.

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Caso sinta necessidade de saber de onde foram retirados os insumos para o desenvolvimento do conteúdo desta apostila, ou tenha interesse em se aprofundar em determinados temas, basta consultar a Bibliografia ao nal de cada capítulo.

Alta Competência

1.6. Bibliografia CARDOSO ALVES, Paulo Alberto e VIANA, Ronaldo Sá. Aterramento de sistemas elétricos - inspeção e medição da resistência de aterramento. UN-BC/ST/EMI – Elétrica, 2007. COELHO FILHO, Roberto Ferreira.Riscos em instalações e serviços com eletricidade. Curso técnico de segurança do trabalho, 2005. Norma Petrobras N-2222. Projeto de aterramento de segurança em unidades marítimas. Comissão de Normas Técnicas - CONTEC, 2005. Norma Brasileira ABNT NBR-5410.Instalações elétricas de baixa tensão. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005. Norma Brasileira ABNT NBR-5419. Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005.

Ao longo de todo o material, caixas de destaque estão presentes. Cada uma delas tem objetivos distintos. A caixa “Você Sabia” traz curiosidades a respeito do conteúdo abordado de um determinado item do capítulo.

É atribuído a Tales de Mileto (624 - 556 a.C.) a primeira observação de um fenômeno relacionado com a eletricidade estática. Ele teria esfregado um fragmento de âmbar com um tecido seco e obtido um comportamento inusitado – o âmbar era capaz de atrair pequenos pedaços de palha. O âmbar é o nome dado à resina produzida por pinheiros que protege a árvore de agressões externas. Após sofrer um processo semelhante à fossilização, ela se torna um material duro e resistente.

“Importante” é um lembrete das questões essenciais do conteúdo tratado no capítulo.

IMPORTANTE! É muito importante que você conheça os tipos de pig de limpeza e de pig instrumentado mais utilizados na sua Unidade. Informe-se junto a ela!

Já a caixa de destaque “Resumindo” é uma versão compacta dos principais pontos abordados no capítulo. RESUMINDO...

Recomendações gerais • Antes do carregamento do pig , inspecione o interior do lançador; • Após a retirada de um pig, inspecione internamente o recebedor de pigs; • Lançadores e recebedores deverão ter suas

Em “Atenção” estão destacadas as informações que não devem ser esquecidas.

ATENÇÃO É muito importante que você conheça os procedimentos específicos para passagem de pig em poços na sua Unidade. Informe-se e saiba quais são eles.

Todos os recursos didáticos presentes nesta apostila têm como objetivo facilitar o aprendizado de seu conteúdo. Aproveite este material para o seu desenvolvimento prossional!

Sumário Introdução

17

Capítulo 1 - Introdução à automação e controle Objetivos 1. Introdução à automação e controle 1.1. Conceitos de automação

19 21 22

1.1.1. Conceito geral 1.1.2. Conceito de automação industrial

22 22

1.2. Objetivos da automação industrial 1.3. Princípios básicos

23 23

1.3.1. Conceitos elétricos 1.3.2. Sinais discretos 1.3.3. Sinais analógicos 1.3.4. Principais grandezas físicas (pressão, temperatura, nível e vazão) 1.3.5. Comunicação de dados via rede

1.4. Exercícios 1.5. Glossário 1.6. Bibliograa 1.7. Gabarito

23 25 28 31 33

39 41 42 43

Capítulo 2 - Dispositivos de campo interligados a sistemas de automação Objetivo 2. Dispositivos de campo interligados a sistemas de automação 2.1. Entradas x saídas 2.2. Entradas discretas (chaves e botoeiras) 2.3. Entradas analógicas 2.4. Saídas discretas 2.5. Saídas analógicas (válvulas de controle, variadores elétricos) 2.6. Exercícios 2.7. Glossário 2.8. Bibliograa 2.9. Gabarito

45 47 49 50 52 53 54 56 58 60 61

Capítulo 3 - Documentos básicos utilizados em projetos de automação Objetivo 3. Documentos básicos utilizados em projetos de automação 3.1. Fluxograma de engenharia (P&ID) 3.2. Matriz de causa e efeito 3.3. Diagrama lógico 3.4. Arquitetura de automação 3.5. Exercícios 3.6. Glossário 3.7. Bibliograa 3.8. Gabarito

63 65 65 67 70 70 72 76 78 79

Capítulo 4 - Sistemas de automação em unidade de produção Objetivos 4. Sistemas de automação em unidade de produção 4.1. Sistema Instrumentado de Segurança (SIS) 4.2. Principais subsistemas do sistema de automação 4.2.1. Sistema de controle regulatório 4.2.2. Sistema de intertravamento 4.2.3. Sistema de Fogo & Gás (F&G)

4.3. Outros subsistemas 4.3.1. Sistema de embarcação 4.3.2. Sistema elétrico 4.3.3. Sistema Turret 4.3.4. Unidades pacotes

4.4. Controle de processo 4.4.1. Controle discreto ou on-off (intertravamento) 4.4.2. Controle contínuo (PID) 4.4.3. Estratégias de controle 4.5. Evolução da automação nas unidades marítimas do E&P 4.5.1. Unidades de Produção de primeira geração (1980 – 1986) 4.5.2. Unidades de Produção de segunda geração (1987 – 1990) 4.5.3. Unidades de Produção de última geração (a partir de 1991) 4.6. Exercícios 4.7. Glossário 4.8. Bibliograa 4.9. Gabarito

83 85 85 89 89 89 90

92 92 93 93 93

94 94 95 97 98 98 100 100 102 105 107 108

Capítulo 5 - Executores de lógica Objetivos 5. Executores de lógica 5.1. Controlador Lógico Programável (CLP) 5.1.1. Conceito 5.1.2. Vantagens do CLP em relação aos painéis a relés 5.1.3. Vantagens do CLP em relação ao controle pneumático 5.1.4. Componentes básicos de um CLP 5.1.5. Arquitetura de automação simplicada (remotas de campo) 5.1.6. Programação dos CLPs

5.2. Sistemas Digitais de Controle Distribuídos (SDCD) 5.2.1. Conceito 5.2.2. Diferenças entre CLP x SDCD

5.3. Redes de campo 5.3.1. Conceito 5.3.2. Comparação entre Fieldbus Foundation (FF x CLP)

5.4. Exercícios 5.5. Glossário 5.6. Bibliograa 5.7. Gabarito

111 113 113 114 114 115 115 120 121

124 125 127

129 130 131

132 135 136 137

Capítulo 6 - Sistemas de supervisão e controle Objetivos 6. Sistemas de supervisão e controle 6.1. Conceito 6.1.1. Características e implementações

6.2. Exemplos de telas 6.2.1. Tela inicial 6.2.2. Telas de produção 6.2.3. Tela do sistema elétrico 6.2.4. Telas de segurança 6.2.5. Tela de estado 6.2.6. Telas de lastro 6.3. Interfaces básicas 6.4. Interfaces avançadas 6.4.1. Parametrização de PID’s 6.4.2. Alarmes 6.4.3. Matriz de causa e efeito (by-pass e override) 6.4.4. Diagnósticos do sistema de automação 6.4.5. Arquiteturas básicas 6.5. Exercícios 6.6. Glossário 6.7. Bibliograa 6.8. Gabarito

139 141 141 141

144 144 145

146 147 148 148 149 151 151 152 153 154 155 156 159 160 161

Capítulo 7 - Gerenciamento de alarmes Objetivos 7. Gerenciamento de alarmes 7.1. Conceito 7.1.1. Características básicas de um alarme

7.2. Principais problemas em sistemas de alarme 7.3. Gerenciamento de alarmes 7.4. Resultados esperados 7.5. Exercícios 7.6. Glossário 7.7. Bibliograa 7.8. Gabarito

163 165 165 166

167 169 172 174 176 177 178

Capítulo 8 - Outras tecnologias relacionadas à automação Objetivo 8. Outras tecnologias relacionadas à automação 8.1. Controle avançado 8.1.1. Principais ferramentas

8.2. Sistema historiador de dados - Plant Information (PI) 8.2.1. Conceito 8.2.2. Vantagens do PI 8.3. Exercícios 8.4. Glossário 8.5. Bibliograa 8.6. Gabarito

181 183 183 185

186 187 187 190 191 192 193

Introdução

I

magine o seguinte cenário: O motorista de um carro dirige por uma via expressa quando percebe uma luz que brilha no painel. Sem interromper a direção, ele verica, com um desvio do olhar, que a lâmpada indicadora de temperatura alta está acesa. Essa lâmpada sinaliza uma elevação anormal da temperatura do motor. A partir desse alarme, o motorista pára o carro no acostamento para vericar a causa da subida repentina da temperatura.

Nesse caso, pode-se vericar uma situação em que foi anunciado um alarme visual para o motorista. Esse processo ocorre graças à existência de um termostato instalado no bloco do motor do veículo e um circuito elétrico que aciona uma lâmpada no painel do veículo quando a temperatura do motor é superior a um valor normal de funcionamento. Se o motorista não tivesse parado e desligado imediatamente o carro, a alta temperatura poderia levar o motor a fundir. Os diversos sensores instalados em uma planta de processo, por estarem interligados ao sistema de supervisão da unidade operacional, permitem, da mesma forma que a lâmpada do painel do carro, a indicação dos valores do processo (em tempo real) e a geração de alarmes para alertar o técnico de operação das ações necessárias. Em outro canto da cidade, em uma residência, uma cena também comum merece uma reexão:

RESERVADO

17

Alta Competência

Uma pessoa durante um banho, sob um chuveiro elétrico, percebe que a temperatura da água está alta demais para o seu gosto. Instintivamente ela abre a válvula de água para reduzir a temperatura. As pessoas, em situações como essa, normalmente, não chegam a associar a queda da temperatura ao aumento da vazão de água.

Nesse exemplo, percebe-se que a pessoa, durante o banho, exerce o papel de controlador de temperatura da água. Ela sente, através da pele, que a temperatura da água está alta demais ou baixa demais para o seu gosto. Assim, ao controlar a válvula, ela promove a variação da vazão de água para mais ou para menos, ajustando, assim, a temperatura da água.

18

Um sistema automático de controle de temperatura, de forma similar ao ser humano, controla automaticamente essa variável durante a operação em uma planta de processo. O controle das variáveis de processo e a consequente automação das unidades de E&P são aspectos fundamentais para a manutenção da operação, minimizando os riscos e custos, assegurando conabilidade e segurança aos trabalhos diários. É sobre esse tema que essa apostila vai tratar.

RESERVADO

1 o l u t í p a C

Introdução à automação e controle

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Conceituar automação e controle; • Identicar os principais objetivos da automação e controle a partir do conhecimento de seus princípios básicos.

RESERVADO

Alta Competência

20

RESERVADO

Capítulo 1. Introdução à automação e controle

1. Introdução à automação e controle s princípios da automação e controle estão presentes em muitas das nossas rotinas cotidianas, mesmo em situações que consideramos comuns.

O

A seguir, é descrito um exemplo do dia-a-dia da operação de uma planta de processo. Considere a seguinte situação: Um técnico de operação, confortavelmente sentado na sala de controle, em ambiente climatizado, observando a estação de supervisão, recebe um alarme de nível alto no separador atmosférico da planta de processo. Imediatamente ele aciona com o mouse mais uma das bombas de exportação de óleo e com outro toque no botão de “partir”, aciona a bomba, conseguindo regularizar o nível do separador e evitando a ocorrência de um shutdown na planta de produção por nível muito alto.

Sala de controle de uma plataforma de produção

RESERVADO

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Alta Competência

Para que a situação exemplicada possa ocorrer e a operação e monitoração remota da planta de processo possa ser realizada pelo técnico de operação em um ambiente seguro e confortável, longe do calor dos equipamentos, do sol e da chuva, há a necessidade de um complexo conjunto de equipamentos e tecnologia.

1.1. Conceitos de automação O conceito de automação pode ser subdividido em um olhar mais amplo e uma concepção mais próxima daquela relacionada com os processos no E&P. 1.1.1. Conceito geral

22

O verbete “automação” no dicionário Aurélio (2000) é denido como o “sistema automático pelo qual os mecanismos controlam seu próprio funcionamento, quase sem a interferência do homem.” A superação e a ampliação dos limites do “elemento humano” fazem parte dos princípios básicos da automação. O homem, devido à sua própria biologia, tem capacidades limitadas em relação a: • Ambientes extremos (calor, pressão, atmosferas explosivas); • Tempo de reação; • Capacidade de acompanhar processos complexos em tempo real; • Carga de trabalho. 1.1.2. Conceito de automação industrial A automação industrial pode ser denida como: A utilização de qualquer dispositivo eletro-eletrônico ou mecânico que substitui algumas tarefas humanas ou permite o pleno controle de máquinas, equipamentos e processos.

RESERVADO


A automação industrial, na Unidade de Produção, envolve todos os meios de supervisionar, controlar e atuar equipamentos.

1.2. Objetivos da automação industrial Os principais objetivos da automação industrial são: • Operar as Unidades de Produção com mais conforto, segurança e eciência; • Reduzir os riscos de acidentes na operação de equipamentos; • Concentrar as informações necessárias à operação da plataforma; • Reduzir o custo operacional; • Proporcionar monitoração;

maior

conabilidade

23 e

facilidade

de

• Atuar de forma automática em rotinas que envolvem tempos incompatíveis com a intervenção humana.

1.3. Princípios básicos Antes de tratarmos dos dispositivos utilizados nos sistemas de automação das plantas de processo, é importante abordarmos alguns fundamentos básicos necessários ao entendimento do funcionamento desses dispositivos. 1.3.1. Conceitos elétricos Um circuito elétrico pode, de forma simples, ser denido como uma forma de se interligar uma fonte de energia elétrica (pilha, bateria ou gerador) a uma carga (lâmpada, resistência, motor e etc.) que irá consumir essa energia. Para isso, são utilizados materiais condutores de energia elétrica, geralmente os elétricos. A ilustração a seguir representa o circuito elétrico de uma lanterna.

RESERVADO

Alta Competência

L1

Circuito elétrico composto de lâmpada, bateria, chave liga/desliga NA (Normalmente Aberta) e os.

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Existe uma simbologia padronizada para representar alguns elementos básicos de um circuito elétrico.

Simbologia

Elementos básicos de um circuito elétrico

Definição

Pilha

É um dispositivo que, através de uma reação eletro-química, gera energia.

Bateria

Consiste em um dispositivo que internamente possui diversas células associadas em série e/ou em paralelo, podendo fornecer correntes e tensões mais elevadas que as de uma pilha.

Chave liga/desliga NA

Este símbolo representa chaves que em condição de não atuadas possuem os contatos abertos, como o interruptor utilizado na nossa casa para acender uma lâmpada, mas quando alterada a posição deles, ficam travados na nova condição.

RESERVADO


Simbologia

Elementos básicos de um circuito elétrico

Definição

Chave liga/desliga NF

Este símbolo representa chaves que em condição de não atuadas possuem os contatos fechados. Muitos dispositivos utilizados como chaves, que atuam quando determinadas variáveis físicas atingem certos limites na planta de processo da nossa unidade operacional, apresentam contatos desse tipo.

Botoeira NA

Representa chaves que em repouso apresentam os contatos abertos, mas quando acionadas fecham os contatos, retornando à condição inicial ao se retirar o dedo sobre o botão de acionamento, como por exemplo, o interruptor usado na campainha de nossa casa.

NA = Normalmente aberta; NF = Normalmente fechada

1.3.2. Sinais discretos Os sinais discretos podem ser denidos como sinais que assumem somente dois estados, como no caso do interruptor da lâmpada que somente pode estar com os contatos na posição aberto ou na posição fechado. Uma lâmpada que somente pode estar na condição acesa ou na condição apagada também representa um exemplo de um sinal discreto. Existem diversos equipamentos que se interligam ao sistema de automação em uma planta de processo. Boa parte deles apresenta a característica de possuir apenas dois estados: ligado/desligado ou aberto/fechado.

RESERVADO

25

Alta Competência

a) Sistema de numeração binária Nós utilizamos, no nosso dia a dia, o sistema de numeração decimal, ou seja, de base dez. O sistema de numeração decimal possui forte relação com nossa anatomia, pois possuímos dez dedos nas mãos. No sistema decimal, em cada “casa” podemos ter dez opções diferentes de algarismos (0 a 9). Os computadores trabalham com outro sistema de numeração, em que cada “casa” somente possui duas opções diferentes de algarismos (0 e 1), este sistema de numeração é denominado de sistema binário ou de base 2. Cada “casa”, nesse sistema de numeração, é denominada bit . Sistemas que se utilizam do sistema de numeração binário são também denominados de sistemas digitais.

26

É possível fazer a conversão de um número expresso na base dez para a base dois, dividindo-se sucessivamente este número por dois e se escrevendo este número a partir do resultado da última divisão mais os valores dos restos em direção à primeira divisão. Exemplo: 10

0

2

5

2

1

2

0

2

1

logo

1010 = 1 0 1 0

2

Também é fácil se fazer a conversão de um número expresso na base dois para a base dez: basta ir se multiplicando cada “casa” a partir do bit menos signicativo por 2 n-1, onde n é igual ao número da casa, e depois se somar os resultados. Considerar o bit menos signicativo (o mais à direita) como a primeira “casa”, e os bits à esquerda do primeiro com o número das “casas” subseqüentes.

RESERVADO


Exemplo: 1

0

X

X 3

1

0

X 2

2

2

=

=

2

2

X 1

=

0

2

=

8 + 0 + 2 + 0 = 10 10

Um bit pode ser utilizado para representar perfeitamente os dois estados possíveis das variáveis discretas, por exemplo, com o estado “0” para representar a condição desligado, inativo, apagado, não atuado e etc, e com o estado “1” para representar a condição ligado, ativo, aceso, atuado etc. b) Lógica booleana (inversor, “E” e “OU”)

27 O resultado da operação de cada uma destas lógicas em relação aos bits de entrada é apresentado na tabela a seguir através de símbolos grácos.

Entrada

Saída

A

B NOT

A O I

Entradas A

O

B=A

C

AND

B

B I

Saída

Entradas

Saída

A B

A O

B O

C O

A O

O

I

O

B O

C O

O

I

I

O

I

I

I

I

O

O

I

I

I

I

I

C=A.B

C

OR

(Tabela lógica)

C=A+B

RESERVADO

Alta Competência

?

28

VOCÊ SABIA?

O matemático inglês George Boole (1815-1864), um estudioso de fundamentos da matemática, publicou, em 1854, os princípios de uma análise matemática singular, atualmente denominada "Lógica Booleana". A estrutura algébrica de Boole tenta capturar a “essência" das operações Lógicas do tipo “E” e “NÃO”, em que as variáveis devem assumir apenas os valores 0 e 1 (verdadeiro e falso). Por esse trabalho, Boole pode ser considerado o “pai da Lógica moderna”, tendo profundas implicações no desenvolvimento do computador e da informática.

1.3.3. Sinais analógicos Muitas vezes é necessário se fazer a medição e apresentação de algumas grandezas físicas apresentando toda uma faixa de variação dessa grandeza, como, por exemplo, ao se medir a velocidade do carro que dirigimos. O valor dessa variável é apresentado no painel através do instrumento denominado velocímetro. Os instrumentos analógicos utilizados no sistema de automação das plantas industriais podem ser adquiridos com dois padrões elétricos para envio ou recebimento das informações analógicas, em escala entre 1 e 5 Volts, ou em escala entre 4 e 20 miliampères (mA). Nos nossos sistemas somente utilizamos o padrão 4-20mA. No padrão 4-20mA, o 4mA representa o zero e o 20 mA representa o fundo de escala da variável e todos os valores intermediários são representados linearmente dentro desta escala. Por exemplo: • Em um transmissor de pressão que possui o range de medição entre 0 e 10.000Kpa, o valor de pressão de 5.000Kpa será representado por um sinal elétrico de 12mA.

RESERVADO


10000 Kpa

20 mA

x

5000 Kpa

0 Kpa

y

12 mA

4 mA

Comparação entre o range de medição de um transmissor de pressão (0-10000Kpa) e o correspondente sinal elétrico em 4-20mA.

29

Na escala da ilustração anterior, um dado valor de pressão x, tem o seu equivalente valor de corrente na escala 4-20mA, calculado pela expressão: y=(16.x/10000)+4. Essa expressão foi retirada de uma simples regra de três entre as duas escalas, mas utilizando o range da escala 4-20mA como 0 a 16, e depois somando-se 4 ao resultado. A ilustração a seguir representa a variação do nível de um tanque ao longo do tempo e o respectivo sinal elétrico enviado na forma analógica por um instrumento denominado de transmissor de nível em sinal na escala de 4-20mA.

Nível

mA

t

RESERVADO

Alta Competência

Grandezas analógicas não podem ser representadas por um único bit , ao se converter uma variável analógica para um sistema que somente trabalha com informações binárias é necessário se realizar uma conversão denominada de conversão A/D (Analógico/ Digital). Nessa conversão, a quantidade de bits utilizada para quantificar na forma digital a informação analógica está diretamente relacionada à resolução desejada, ou seja, qual é o menor valor de variação da variável analógica que necessito conseguir representar na forma digital.

30

Exemplo: se desejo apresentar na forma digital a informação da velocidade de um carro que vai de 0 a 200Km/h de 1 em 1Km/h, preciso que o número de bits utilizado consiga expressar os duzentos e um valores possíveis. Para isso, o conversor A/D utilizado necessita possuir 2n bits, onde n representa o número de bits. Um conversor A/D, para representar essa escala de velocidade com a resolução desejada, necessita possuir no mínimo 8 bits, pois dessa forma consegue representa 256 níveis diferentes. Para facilitar o entendimento, o gráco a seguir mostra, de forma simplicada, uma conversão analógica para digital com resolução de dois bits, considerando que nosso conversor possui uma velocidade de conversão superior ao menor intervalo em que a variação analógica da nossa variável passa pelos patamares de conversão. V

t V

11

10

01

00 t

V

11

10

01

00

t

RESERVADO


No gráco anterior, está representada a discretização de uma variável analógica em quatro níveis, representando uma conversão analógico/ digital com resolução de 2 bits. O primeiro gráco apresenta a variável analógica, no segundo gráco são mostrados os valores de tensão analógica em que há alteração de patamar de conversão (linhas horizontais), e no terceiro gráco é mostrada a forma digitalizada com resolução de dois bits da variável analógica. Repara-se que uma conversão com resolução de dois bits (quatro patamares de conversão), não consegue representar corretamente a gama de variações da variável original. Quanto maior o número de bits do conversor A/D, mais a conversão se aproxima da variável analógica. Com dois bits é possível se representar 2 2 = 4 níveis diferentes da variável na forma digital. É mostrada, na parte superior do gráco, a variação analógica da temperatura ao longo do tempo, e na parte de baixo, em vermelho, a correspondente representação na forma digital da temperatura. Pode-se reparar que com apenas dois bits a resolução dessa variável ca bastante limitada. 1.3.4. Principais grandezas físicas (pressão, temperatura, nível e vazão) Nas plantas de processo de nossas unidades operacionais há a necessidade de realizarmos medições de grandezas físicas que se correlacionam diretamente com o produto que manipulamos - o petróleo. Apesar de este apresentar inúmeras propriedades físicas, muitas não são comumente medidas diretamente no processo, sendo determinadas em laboratório, como a viscosidade, a densidade, a composição química etc. Durante algumas etapas dos nossos processos como, por exemplo, a separação trifásica entre as fases líquida e gasosa, e a separação da fase líquida em óleo e água, o petróleo é armazenado em vasos separadores, nos quais é necessário se conhecer e controlar o nível da fase líquida nas câmaras de água e de óleo.

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A grandeza física “nível” é, na maioria dos casos, representada em uma escala percentual que varia entre 0 e 100% da altura medida. Outra grandeza que necessita ser medida e controlada em nossos processos é a pressão. Por exemplo, quando é reduzida a pressão em que a fase líquida está submetida, moléculas da fase gasosa que estavam em suspensão na fase líquida são liberadas. A pressão em que se sujeita o petróleo em cada parte do nosso processo necessita ser medida e controlada.

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Deve-se atentar que apesar da Petrobras estabelecer em suas diretrizes que sejam utilizadas as unidades de medida correspondentes ao SI (Sistema Internacional de Medidas), que é o padrão de medidas regulamentado pelo INMETRO, determinando que as unidades de medida de pressão sejam o KPa (Kilo Pascal) ou o bar (pressão barométrica), em muitas das nossas unidades que foram construídas no exterior existem instrumentos apresentando a leitura de pressão em outras unidades como o psi e o kgf/cm 2. Na UN-BC, é largamente utilizado o kgf/cm2 como unidade de medida de pressão. Outra unidade utilizada é a temperatura, principalmente em equipamentos onde há a troca térmica como nos permutadores, necessitando a medição e o correto controle desta variável. A unidade mais utilizada para a medição de temperatura é o ºC (grau Celsius). A m de se acompanhar a produção da plataforma, a instalação de instrumentos para a medição da vazão é realizada em diversos pontos da planta de processo, como por exemplo, nas linhas de exportação de óleo e de gás. São feitas medições de vazão instantânea, como também da vazão totalizada. A unidade utilizada para a medição de vazão, tanto para gás como para líquido, é o m /h, mas na medição de gás é necessário se fazer uma correção de pressão e temperatura para a condição padrão, 20 ºC e 101,325 kPa. 3

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1.3.5. Comunicação de dados via rede As redes de comunicação entre computadores surgiram da necessidade de se compartilhar informações entre diversos usuários de forma mais rápida e abrangente. Antes do surgimento das redes, para se transferir os dados de um computador para outro era preciso copiar os dados para algum meio removível de armazenamento, como um cartão perfurado ou disquete, e depois do meio removível para o computador de destino. De forma semelhante, as redes de comunicação passaram a ser utilizadas no ambiente industrial pela necessidade de se realizar a comunicação entre diversos sistemas em tempo real, principalmente na automação. A redução da quantidade de cabos e a simplicação das interligações obtidas com o compartilhamento do meio físico pelo uso de redes também foi fator importante para que as redes ganhassem espaço no ambiente industrial. As redes de comunicação na informática e na automação, em grande parte, possuem requisitos de funcionamento semelhantes. Porém, nas redes de automação, alguns requisitos possuem maior relevância: • Nessas redes, é imprescindível que o desempenho da comunicação seja previsível. Os tempos máximos para envio de dados ou detecção de falha devem ser conhecidos e administrados; • As redes devem ser projetadas para priorizar a disponibilidade; • As redes devem suportar operação em ambientes hostis. Para se entender uma rede de comunicação é preciso conhecer o padrão físico de ligação e os protocolos de comunicação envolvidos. O padrão físico é denido pelo meio físico de transmissão, topologia de rede e o tipo de transmissão de sinal. Os protocolos de comunicação especicam toda a linguagem utilizada entre dois dispositivos para se comunicarem. O conceito de divisão das redes em camadas, seguindo o modelo OSI, ajuda muito a entender o funcionamento das redes de comunicação.

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O meio físico de transmissão de dados que a rede utiliza é denido pelo meio condutor. O meio físico da rede pode gerar restrições para a rede, como distância máxima, atenuação de sinal, ruídos etc. São exemplos de meio físico: • Cabos elétricos - par trançado, os paralelos etc.; • Cabos óticos - bra ótica; • Ar atmosférico - rede por rádio-modem ou wireless.

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O tipo de transmissão de sinal dene a interface entre o meio físico de comunicação e os dispositivos eletrônicos de comunicação. As características elétricas, no caso de meio físico cabeado em cobre, ou eletromagnéticas, quando o meio físico é o ar, fazem parte da especicação do tipo de transmissão de sinal. A seguir, alguns tipos de topograa: a) Topologia em “anel” Nessa topologia, cada nó é interligado a um nó adjacente, consecutivamente, até que o último nó é interligado ao primeiro, formando um anel. Todos os nós atuam como repetidores do sinal transmitido. Uma característica importante dessa topologia é que a comunicação pode manter-se, mesmo que um nó do anel esteja indisponível, visto que cada um comunica-se com dois nós adjacentes. Porém, se pelo menos dois nós falharem, a parte da rede compreendida entre esses nós cará isolada do restante.

Esquema representando uma topologia em anel

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Geralmente os protocolos de comunicação empregados em conjunto com essa topologia utilizam o método token ring de acesso ao meio. Nesse método, um nó recebe por vez permissão para acessar o meio físico para transmitir dados durante um determinado período de tempo. Diz-se que o nó que acessa o meio detém o token (bastão). A topologia em anel é bastante comum em redes que utilizam bra ótica como meio físico de transmissão. Na Petrobras, essa topologia é usada, por exemplo, para interligar os CLPs dos sistemas de automação principais de uma plataforma. b) Topologia em “estrela” Na topologia em estrela, todos os nós da rede são interligados a um nó central. Esse nó ca responsável por repassar os dados que chegam para todos os outros nós interligados a ele. Caso um nó da rede entre em falha, o restante continua comunicando normalmente. Porém, se o nó central falhar, toda a rede ca indisponível. Nas redes em estrela mais simples, o nó central exerce apenas o papel de repetidor (hub) dos dados que chegam a uma porta para todas as outras. Porém, em redes mais atuais, o nó central é mais inteligente e procura ltrar os dados ( switch), só repassando a uma porta os dados que se destinam ao nó interligado a esta porta.

Esquema representando uma topologia em estrela

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O protocolo de comunicação mais utilizado nessa topologia é o Ethernet , que por sua vez aplica o esquema CSMA/CD ( Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ) de acesso ao meio de comunicação. Nesse esquema, quando um nó deseja comunicar algum dado deve proceder da seguinte forma: 1. Vericar se o meio físico de comunicação está livre. Caso positivo, inicia transmissão dos dados. Caso negativo vai para o passo 4. 2. Se mais de um nó vericam que o meio está livre e iniciam a transmissão ao mesmo tempo, ocorre uma colisão de dados. Nesse caso, todos os nós envolvidos identicam a colisão e então se segue para o passo 4.

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3. A transmissão é concluída com sucesso. O nó de origem recebe a conrmação de sucesso e sai do modo de transmissão. 4. O meio está ocupado. Os nós que desejavam comunicar esperam o meio estar disponível e acrescentam um tempo aleatório antes de iniciar novamente o processo de transmissão. 5. Caso um nó identique colisão por um número pré-denido de vezes, não conseguindo completar sua transmissão, é sinalizada falha de comunicação e o nó sai do modo de transmissão. A topologia em estrela é utilizada na Petrobras para interligar os CLPs e/ou outros dispositivos ao sistema supervisório da plataforma. Geralmente o meio físico utilizado nessa topologia é o cabeamento de cobre em par trançado, mas as fibras óticas também podem ser utilizadas.

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c) Topologia em “barramento” Nessa topologia, todos os nós são interligados a um meio físico contínuo, seja um cabeamento de cobre ou fibra ótica, através de derivações, formando um barramento único. Nas pontas do barramento são instalados elementos terminadores, cuja função é evitar reflexão do sinal. Caso um nó entre em falha, o restante continua operando normalmente. Se o meio físico for interrompido em algum ponto, os dois segmentos resultantes ficarão isolados entre si.

Topologia em barramento

Diversos protocolos podem ser empregados com essa topologia, entre eles o Ethernet e o MODBUS . Na Petrobras, essa topologia é empregada, por exemplo, para interligar a CPU de um CLP às remotas de campo. Outro exemplo de uso são as redes de campo, como a Fieldbus Foundation (FF). d) Outras topologias Além das topologias apresentadas, existem outras como: rede em grade " Ad-Hoc" , rede em árvore, rede “ Daisy-Chain”, rede totalmente conectada etc. Em redes de comunicação mais complexas, diferentes topologias podem ser associadas entre si para se obter uma rede híbrida que procure reunir as características positivas de mais de uma topologia. Com base na função desempenhada, as redes de automação podem ser divididas em: redes de E/S (instrumentação), redes de campo e processo, redes de controle e redes de gestão (informação), conforme ilustração a seguir:

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Níveis de gestão Níveis de controle Níveis de campo e de processo

Business inteligence plant information PC´s e PLC´s PC´s e PLC´s blocos de e/s, controladores, transmissores

Níveis de E/S

Actuadores, sensores

Níveis de rede em automação

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Mais recentemente, os fabricantes de equipamentos de automação industrial vêm começando a adotar padrões abertos de comunicação em rede, prática que já é comum no ramo de Informática há bastante tempo. Essa prática vem possibilitando que equipamentos de fabricantes diferentes consigam se comunicar em rede facilmente, contribuindo para a interoperabilidade entre diferentes sistemas.

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1.4. Exercícios 1) Assinale com um x as alternativas corretas no que se refere aos principais objetivos da automação industrial: ( ) Diminuição do risco de acidentes no processo de operação dos equipamentos. ( ) Aumentar a quantidade de operadores na planta de processo. ( ) Interpretar e intervir em processos complexos. ( ) Diminuir a carga horária dos técnicos de operação, já que a maioria dos processos são autônomos e não necessitam de supervisão. ( ) Aumento da facilidade de monitoração. 2) Efetue as conversões a seguir. a) Um número expresso na base dez para a base dois:

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• 19410 = ___________________________ • 21110 = ___________________________ b) Um número expresso na base dois para a base dez: • 000101102 = ___________________________ • 111011112 = ___________________________ 3) Qual o motivo de se utilizar a conversão A/D para se representar uma variável analógica? _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 4) Correlacione a segunda coluna de acordo com as grandezas físicas da primeira. (a) (b) (c) (d)

Nível Pressão Temperatura Vazão

( ( ( (

) kgf/cm² ) °C (grau Celsius) ) varia de 0 a 100% ) m /h 3

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5) Preencha as alternativas a seguir com (a) para topologia de anel, (b) para topologia em estrela e (c) para topologia em barramento. ( ) Geralmente o meio físico utilizado nessa topologia é o cabeamento de cobre em par trançado. ( ) Caso o meio físico seja interrompido em algum ponto, os dois segmentos resultantes carão isolados entre si. ( ) Todos os nós da rede são interligados a um nó central. ( ) Muito comum em redes que utilizam bra ótica como transmissão. ( ) Todos os nós são interligados a um meio físico contínuo. 6) Qual a vantagem na adoção de padrões abertos de comunicação?

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_______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________

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1.5. Glossário Bit - dígito binário. A menor unidade de informação de um computador. Um bit

pode assumir apenas um entre dois valores: 0 e 1. CLP - Controlador Lógico Programável. CPU - Central Process Unit . Unidade central de processamento. Ethernet - padrão muito usado para a conexão física de redes locais, originalmente

desenvolvido pelo Palo Alto Research Center (PARC) da Xerox nos EUA. Descreve protocolo, cabeamento, topologia e mecanismos de transmissão. A informação pode ser transmitida em modo "Broadcast", ou seja, para todos os outros computadores da rede e não apenas para um só. FF - Fieldbus Foundation - associação de mais 140 empresas que possuem 95% do fornecimento de instrumentação e produtos de controle. Hub - concentrador, aparelho para redes de informática.

INMETRO - Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial. MODBUS - protocolo de comunicação denido pela Modicon. Este protocolo

padrão é bastante utilizado em equipamentos na área de automação industrial. O modbus utiliza geralmente como meio físico serial o RS232 ou RS485. Também é usado através de ethernet . Modelo OSI - modelo teórico que subdivide uma rede de comunicação em 7 camadas (física, enlace, rede, transporte, sessão, apresentação e aplicação), cada qual com uma função especíca. Range de medição - escala entre o menor e o maior valor esperado para uma

variável medida. Exemplo: 0 a 100Kpa. Shutdown - o mesmo que intertravamento. É a ação de levar a planta de processo

para o estado seguro. SI - Sistema Internacional de Medidas. Switch - equipamento utilizado em redes de comunicação com a função de comutar

pacotes de dados entre os dispositivos a ele interligados. Token Ring - protocolo de redes que opera na camada física (ligação de dados) e de

enlace do modelo OSI dependendo de sua aplicação.

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1.6. Bibliografia DUARTE, Fábio Gil Martins; CHIESSE, Alcio Rodrigues; BORGES FILHO, Álvaro de Miranda; SANTOS, Cláudio Antonio dos. Curso de CLP e Automação Industrial para Operadores. Apresentação em Power Point. Petrobras. Rio de Janeiro.

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1.7. Gabarito 1) Assinale com um x as alternativas corretas no que se refere aos principais objetivos da automação industrial: ( x ) Diminuição do risco de acidentes no processo de operação dos equipamentos. ( ) Aumentar a quantidade de operadores na planta de processo. Justificativa: a automação permite operar remotamente o processo, reduzindo a quantidade de operadores na planta. ( x ) Interpretar e intervir em processos complexos. ( ) Diminuir a carga horária dos operadores já que a maioria dos processos são autônomos e não necessitam de supervisão. Justificativa: a automação NÃO dispensa a necessidade de supervisão do processo pelo operador. ( x ) Aumento da facilidade de monitoração. 2) Efetue as conversões a seguir. a) Um número expresso na base dez para a base dois:

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• 19410 = 110000102 • 21110 = 110100112 b) Um número expresso na base dois para a base dez: • 000101102 = 2210 • 111011112 = 23910 3) Qual o motivo de se utilizar a conversão A/D para se representar uma variável analógica? Grandezas analógicas não podem ser representadas por um único bit e os computadores somente processam informações no sistema binário. 4) Correlacione a segunda coluna de acordo com as grandezas físicas da primeira. ( a ) Nível

( b ) Kgf/cm²

( b ) Pressão

( c ) °C (grau Celsius)

( c ) Temperatura

( a ) varia de 0 a 100%

( d ) Vazão

( d ) m /h 3

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5) Preencha as alternativas a seguir com (a) para topologia de anel, (b) para topologia em estrela e (c) para topologia em barramento. ( b ) Geralmente o meio físico utilizado nessa topologia é o cabeamento de cobre em par trançado. ( c ) Caso o meio físico seja interrompido em algum ponto, os dois segmentos resultantes carão isolados entre si. ( b ) Todos os nós da rede são interligados a um nó central. ( a ) Muito comum em redes que utilizam bra ótica como transmissão. ( c ) Todos os nós são interligados a um meio físico contínuo. 6) Qual a vantagem na adoção de padrões abertos de comunicação? A principal vantagem é a facilidade de comunicação de rede utilizando equipamento de diferentes fabricantes. O fato dos padrões serem abertos permite que diversos fabricantes implementem equipamentos compatíveis com esses padrões, sendo assim, esses equipamentos podem ser interligados entre si (interoperabilidade).

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Dispositivos de campo interligados a sistemas de automação

2 o l u t í p a C

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Distinguir diferentes dispositivos de campo interligados a sistemas de automação.

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Capítulo 2. Dispositivos de campo interligados a sistemas de automação

2. Dispositivos de campo interligados a sistemas de automação

A

medição das grandezas físicas nas plantas de processo das unidades operacionais pode ser realizada por instrumentos que não possuem uma capacidade de interconexão com o sistema de automação, como por exemplo: os termômetros e os manômetros. Esses instrumentos somente podem ser lidos no campo pelos técnicos de operação. Há os instrumentos que possuem capacidade de se interli gar com o sistema de automação, possuindo contatos ou circuito eletrônico para envio das condições do processo em relação à variável que estão monitorando. Esses instrumentos podem ser chaves quando transmitem informações discretas ao sistema de automação, como: uma chave de pressão (pressostato), assim como também podem ser transmissores quando enviam informações de variáveis analógicas ao sistema de automação, como, por exemplo, os transmissores de pressão. A identicação de um instrumento dentro de uma planta de processos é feita através de um código alfanumérico denominado Tagname ou simplesmente TAG. A norma ISA 5.1 determina qual a padronização de letras utilizadas para identicação dos instrumentos, de acordo com a variável física medida, função do instrumento e outras características adicionais. De uma forma resumida, podemos dizer que a primeira letra de identicação corresponde à variável física, estando relacionada ao nome dessa grandeza na língua inglesa. As mais utilizadas são:

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L - nível; P - pressão; F - vazão; T - temperatura; Z - posição; H - dispositivo de comando manual; X - letra coringa.

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As letras subseqüentes podem ser utilizadas de forma combinada, onde: I - indicação; T - transmissor; S - chave; V - válvula; C - controle. Existem também letras consideradas como modicadores: L - baixo; H - alto.

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Exemplos de TAGs: PI - indicador de pressão; LT - transmissor de temperatura; TIT - transmissor e indicador de temperatura; PSHH - chave de pressão muito alta; PV - válvula de controle de pressão; FQIT - transmissor, indicador, totalizador de vazão; ZSH - chave de posição aberto;

49 HS - botoeira manual. A indústria de petróleo offshore possui algumas identicações mundialmente adotadas, que não seguem a ISA para as válvulas de segurança. São elas: BDV (Blowdown Valve) - válvula de alívio de gás; SDV (Shutdown Valve) - válvula de segurança; ADV ( Automatic Deluge Valve) - válvula do sistema de dilúvio.

2.1. Entradas x saídas É muito importante o perfeito entendimento dos conceitos de entradas e saídas no sistema de automação, mas para isso devese ter bem consolidada a denição de elementos iniciadores e de elementos nais.

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Os elementos iniciadores são os dispositivos que trazem as informações da planta, seja das variáveis discretas ou das variáveis analógicas, para o sistema de automação. Esses dispositivos não possuem a capacidade de intervir no processo, fazendo apenas uma leitura do mesmo. Elementos iniciadores são interligados às entradas do controlador no sistema de automação. Elementos nais são dispositivos que possuem a capacidade de modicar o processo, atuando sobre o mesmo. Esses elementos são interligados às saídas do controlador no sistema de automação. O controlador no sistema de automação possui quatro tipos principais de entradas e saídas para a conexão com os dispositivos de campo. São a ED (Entrada Discreta), SD (Saída Discreta), EA (Entrada Analógica) e a SA (Saída Analógica).

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2.2. Entradas discretas (chaves e botoeiras) São cartões eletrônicos que possuem bornes, onde são conectados os dispositivos de campo que enviam sinais discretos para o controlador. Dentre os dispositivos mais comumente encontrados nas nossas plantas, os seguintes são interligados às entradas discretas: • Chaves de processo, como termostatos ( TSH, TSL), pressostatos (PSH, PSL), uxostatos (FSH, FSL) e chaves de nível (LSH, LSL); • Chaves de posição de válvulas on-off (ZSH, ZSL); • Botoeiras como as de alarme manual de incêndio ( AMI), disparo de CO2 (HS), botoeiras de parada de emergência (HS); • Sensores de posição de portas ( ZSH, ZSL).

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Chave de nível (LSL ou LSH)

Na ilustração a seguir é exemplicado como é realizada a conexão de uma chave de nível muito alto (LSHH) ao cartão de entradas discretas. Um terminal da chave é ligado aos 24 VDC e o outro terminal é conectado em uma das entradas discretas do cartão. 24V s a t e r c s i d s a d a r t n e e d

LSHH

ED1

o ã t r a C

Forma de interligação entre uma chave de nível muito alto a uma entrada discreta

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Na interligação de uma chave de nível muito alto é utilizado um contato NF. Quando o nível no vaso atinge esta chave, o contato abre, interrompendo o circuito. Os dispositivos que são responsáveis por garantir a segurança da planta de processo, como uma chave de nível muito alto, possuem uma forma de conexão especíca, para se evitar o que é chamado de falha oculta. Nesse caso, são utilizados contatos NF ou NA, de acordo com a condição normal de operação, mantendo-se em condição normal de operação a circulação dos 24 VDC para o ponto de entrada, ou seja, nível “1”. Com essa forma de conexão quando da ocorrência de um rompimento do cabo ou até a oxidação do contato, o cartão deixa de receber os 24 VDC naquela entrada discreta e envia um nível “0” ao controlador, que toma as ações de segurança como se tivesse acontecido um evento de nível muito alto.

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Nota: existem dois tipos básicos de cartões de entradas discretas, há cartões que recebem o retorno dos 24 VDC nos canais das entradas (cartões Source). Há cartões em que os canais das entradas recebem 0 VDC quando as entradas são atuadas (cartões Sink).

2.3. Entradas analógicas São cartões eletrônicos que possuem bornes onde são conectados os dispositivos de campo que enviam sinais analógicos para o controlador. Dentre os dispositivos mais comumente encontrados nas nossas plantas, os seguintes são interligados às entradas analógicas: • Transmissores de variáveis de campo Transmissor de pressão (PT), transmissor de temperatura ( TT), transmissor de vazão (FT) e transmissor de nível (LT);

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• Detectores de concentração de gás 4-20 mA (AST) Os instrumentos analógicos podem ser interligados ao sistema de automação de três formas diferentes: a dois fios, a três fios e a quatro fios, mas a forma mais utilizada nas nossas instalações é a dois fios, com a alimentação para o instrumento sendo realizada pelos mesmos fios do anel de corrente, uma vez que estes transmissores possuem baixo consumo de energia. 15

2 Wire circuit + Transmitter

16 17 18

EXC

19

COM

20

GND

IN

Conexão de transmissor a um cartão de entradas analógicas a dois os

53 Conexão elétrica sinal 4-20 mA

Conexão ao processo

PT instalado na planta de processo

2.4. Saídas discretas São cartões eletrônicos que possuem bornes onde são conectados os dispositivos de campo que recebem os sinais discretos enviados do controlador. Dentre os dispositivos mais comumente encontrados nas plantas, os seguintes são interligados às saídas discretas:

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• Válvulas on-off - válvulas de shutdown (SDV), válvulas de alívio (BDV), válvulas do sistema de dilúvio (ADV); • Contatoras de gavetas do sistema elétrico para acionamento de motores e outros dispositivos; • Válvulas solenóides do sistema de disparo de CO 2; • Lâmpadas sinalizadoras em painéis de resumo quando existentes; • Dampers do sistema de VAC. +24V

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s a t e r c s i d s a d í a s e d o ã t r a C

24V Externo

SD1 Carga

0V

Interligação típica de uma carga a uma saída discreta

2.5. Saídas analógicas (válvulas de controle, variadores elétricos) São cartões eletrônicos que possuem bornes onde são conectados os dispositivos de campo que recebem sinais analógicos do controlador. Dentre os dispositivos mais comumente encontrados nas plantas, os seguintes são interligados às saídas analógicas:

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• Válvulas de controle de pressão ( PV), de nível (LV), de vazão (FV) e de temperatura (TV); • Variadores de velocidade de motores ( VSD) etc. A ilustração a seguir mostra a interligação de um instrumento 4-20mA (válvula de controle) aos terminais de um cartão de saídas analógicas.

10 0 - 850Ohm

11

OUT

Load

12

RTN

13

GND

O U T 1

Ligação de um dispositivo a uma saída analógica

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Válvula de controle

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2.6. Exercícios 1) Quais as características que denem uma chave e um transmissor? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 2) Complete a segunda coluna de acordo com os elementos da primeira. ( a ) Elementos iniciadores

( ) Cartões eletrônicos que possuem bornes onde são conectados os dispositivos de campo que enviam sinais discretos para o controlador.

( b ) Elementos nais

( ) Dispositivos que trazem as informações da planta de processo para o sistema de automação.

( c ) Entradas discretas

( ) Cartões eletrônicos que possuem bornes onde são conectados os dispositivos de campo que enviam sinais analógicos para o controlador.

( d ) Entradas analógicas

( ) Cartões eletrônicos que possuem bornes onde são conectados os dispositivos de campo que recebem sinais analógicos do controlador.

( e ) Saídas discretas

( ) Dispositivos que possuem a capacidade de modicar o processo, atuando sobre o mesmo.

( f ) Saídas analógicas

( ) Cartões eletrônicos que possuem bornes onde são conectados os dispositivos de campo que recebem sinais discretos enviados do controlador.

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3) Marque com um X os dispositivos mais comumente encontrados nas plantas de processo, interligados às saídas analógicas. ( ) Chaves de processo, como termostatos (TSH, TSL), pressostatos (PSH, PSL), uxostatos (FSH, FSL) e chaves de nível (LSH, LSL). ( ) Válvulas de controle de pressão (PV), de nível (LV), de vazão (FV) e de temperatura (TV). ( ) Válvulas solenóides do sistema de disparo de CO2. ( ) Transmissores de variáveis de campo (transmissor de pressão (PT), transmissor de temperatura (TT), transmissor de vazão (FT) e transmissor de nível (LT). ( ) Variadores de velocidade de motores (VSD).

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2.7. Glossário ADV - Automatic Deluge Valve. Válvula do sistema de dilúvio. AMI - Alarme Manual de Incêndio. BDV - Blowdown Valve. Válvula de alívio de gás. Bornes - terminais onde se conectam os os ligados aos dispositivos de campo. Dampers - dispositivo utilizado para bloquear uxo em dutos de ventilação.

EA - Entrada Analógica. ED - Entrada Discreta. FQIT - transmissor, indicador, totalizador de vazão. FSH - chave de vazão alta (uxostato).

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FSL - chave de vazão baixa (uxostato). FT - transmissor de vazão. FV - válvula de controle de vazão. HS - botoeira manual. ISA - Instrumentation Symbols and Identification. Norma concebida para ser uma padronização de simbologia e identicação de instrumentos e equipamentos de processo, sendo atualmente sua abrangência a nível mundial. LSH - chave de nível alto. LSHH - chave de nível muito alto. LSL - chave de nível baixo. LT - transmissor de nível. LV - válvula de controle de nível. NF - Normalmente Fechada. Offshore - localizado ou operado no mar.

PI - indicador de pressão. PSH - Pressure Switch High. C have de pressão alta.

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PSHH - chave de pressão muito alta. PSL - Pressure Switch Low . Chave de pressão baixa. PT - transmissor de pressão. PV - válvulas de controle de pressão. SA - Saída Analógica. SD - Saída Discreta. SDV - Shut Down Valve - válvula de fechamento de emergência, que impede a entrada de uido no vaso ou tubulação, em situações de paradas emergenciais de equipamento ou sistema de equipamentos (shutdown). TAG - o mesmo que Tagname, que signica a identicação do instrumento/ equipamento. TIT - transmissor e indicador de temperatura.

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TSH - chave de temperatura alta. TSL - chave de temperatura baixa. TT - transmissor de temperatura. TV - válvula de controle de temperatura. VAC - sistema de ventilação e ar condicionado. VDC - Volts of direct current - o mesmo que tensão em corrente contínua. VSD - Variable Speed driver - o mesmo que variador de velocidade de motores. ZSH - chave de posição aberto. ZSL - chave de posição fechado.

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2.8. Bibliografia American National Standards Institute - ANSI / ASI S 5.1. Instrumentation Symbols and Identification, 1984. DUARTE, Fábio Gil Martins; CHIESSE, Alcio Rodrigues; BORGES FILHO, Álvaro de Miranda; SANTOS, Cláudio Antonio dos. Curso de CLP e Automação Industrial para Operadores. Apresentação em Power Point. Petrobras. Rio de Janeiro.

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2.9. Gabarito 1) Quais as características que denem uma chave e um transmissor? Pode-se dizer que é uma chave quando envia informações discretas ao sistema e, em se tratando de um transmissor, quando envia informações de variáveis analógicas ao sistema de automação. 2) Complete a segunda coluna de acordo com os elementos da primeira. ( a ) Elementos iniciadores

( c ) Cartões eletrônicos que possuem bornes onde são conectados os dispositivos de campo que enviam sinais discretos para o controlador.

( b ) Elementos nais

( a ) Dispositivos que trazem as informações da planta de processo para o sistema de automação.

( c ) Entradas discretas

( d ) Cartões eletrônicos que possuem bornes onde são conectados os dispositivos de campo que enviam sinais analógicos para o controlador.

( d ) Entradas analógicas

(f)

( e ) Saídas discretas

( b ) Dispositivos que possuem a capacidade de modicar o processo, atuando sobre o mesmo.

(f)

( e ) Cartões eletrônicos que possuem bornes onde são conectados os dispositivos de campo que recebem sinais discretos enviados do controlador.

Saídas analógicas

Cartões eletrônicos que possuem bornes onde são conectados os dispositivos de campo que recebem sinais analógicos do controlador.

3) Marque com um X os dispositivos mais comumente encontrados nas plantas de processo, interligados às saídas analógicas. ( ) Chaves de processo, como termostatos (TSH, TSL), pressostatos (PSH, PSL), uxostatos (FSH, FSL) e chaves de nível (LSH, LSL). ( X ) Válvulas de controle de pressão (PV), de nível (LV), de vazão (FV) e de temperatura (TV). ( ) Válvulas solenóides do sistema de disparo de CO2. ( ) Transmissores de variáveis de campo (transmissor de pressão (PT), transmissor de temperatura (TT), transmissor de vazão (FT) e transmissor de nível (LT). ( X ) Variadores de velocidade de motores (VSD).

RESERVADO

61

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Documentos básicos utilizados em projetos de automação

3 o l u t í p a C

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Diferenciar os documentos básicos utilizados em projetos de automação.

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Alta Competência

64

RESERVADO

Capítulo 3. Documentos básicos utilizados em projetos de automação

3. Documentos básicos utilizados em projetos de automação

E

m um projeto de automação, é necessário gerar, ainda na fase de projeto, alguns documentos pertinentes a execução do projeto em si. Esses documentos possuem características especícas da disciplina.

3.1. Fluxograma de engenharia (P&ID) É uma representa representação ção gráca, utilizada pelos engenheiros de processo para representar a instrumentação e os elementos físicos ou virtuais que se inter-relacionam. A partir deste desenho é estabelecida uma relação entre os equipamentos de processo e a instrumentação. A representação gráca dos símbolos dos instrumentos usados em um uxograma é normatizada pela norma ISA 5.1. 1/2’-HWP-E4-501-HC PI 1223562

PSLL

PSHH

1223562

1223562

PALL

PT

PAHH

1223562

1223562

1223562

C 3 1 5 0 1 F P ’ 4

D NA E1 B

F1 LSHH 1223503

V - 1223502

F2

LG 1223503

6’x4’

G1

A J

LSLL

F

3 0 5 G L LT 0 11223503 F P ’ 2 / 1 2

1223503

G2 E2 NA TF

Parte de um uxograma de engenharia

RESERVADO

65

Alta Competência

O esquema anterior apresenta um vaso de separação de condensado (V1223502) e sua instrumentação associada. No uxograma estão representados: • Chaves de nível (LSHH e LSLL); • Transmissor de nível (LT); • Indicador local de nível (LG); • Transmissor indicadores de pressão ( PIT); • Indicador virtual de pressão ( PI); • Chaves virtuais de pressão ( PSLL e PSHH) e seus respectivos alarmes (PALL e PAHH).

66

Para representar os diferentes tipos de instrumentos utilizados em uma planta de processo, a ISA 5.1 dene um conjunto de letras e símbolos, conforme as tabelas resumidas a seguir: Letras de Identificação da norma ISA 5.1 Primeiras Letras Letra

Variável medida

A D E F H I L P Q S T X Y Z

Analisador

Modificador

Letras posteriores Função de saída Alarme

Diferencial Tensão (voltagem) Vazão Manual Corrente Nível Pressão

Elemento Sensor Alta Indicador Baixo Totalização

Velocidade Temperatura Genérico

Chave Transmissor Conversor

Posição

RESERVADO


Simbologia da norma ISA 5.1 Instrumento virtual implementado no executor de lógica

Instrumento montado no campo

Instrumento virtual visualizado no sistema supervisório

Interface entre sinais de intertravamento

Interface entre sinais - lógica “OU”

67 Sinal de intertravamento - nível 2

ATENÇÃO Na Unidade de Negócios da Bacia de Campos (UN-BC), a m de facilitar o entendimento da norma ISA, foi criada uma especicação técnica de instrumentação ET-3500.00-1000-800-PS ET -3500.00-1000-800-PSE-001, E-001, disponível no SINDOTEC da UN-BC.

3.2. Matriz de causa e efeito A “matriz “matriz de causa e efeito” efeito” é uma forma de se representar a interrelação entre os iniciadores e os elementos nais do sistema de segurança e de fogo e gás de uma unidade de operação, conforme uma lógica booleana estabelecida. Existe um tópico, item 5, na especicação técnica da Petrobras ET-3000.00-5500-800-PCI-002 (Implementação da lógica de intertravamento e controle), disponível na intranet nas páginas das diretrizes para as unidades de produção marítimas, que determina, em algumas linhas gerais, como deve ser construída uma “matriz de causa e efeito”.

RESERVADO

Alta Competência

Efeito SDV-01

C a u s a

PSH-01 PSH-02 PSH-03 PSL-01 PSL-04 PSL-03

SDV-02

SDV-03

BDV-0 BDV-02 BDV-03 ADV-01

X A1

X X X

X

A1 X

X T20 X

X

X X X

O esquema anterior representa uma “matriz de causa e efeito” resumida.

Nesta matriz temos a seguinte representação: X = função lógica “OU”; = função lógica “E” ; An = An

68 Tn = Tn = temporizador de “n” segundos. As linhas em uma “matriz de causa e efeito” representam os sinais iniciadores de uma lógica de intertravamento (Segurança e Fogo & Gás). Já as colunas representam os elementos nais de atuação da lógica. No cruzamento linha x coluna é representada a função lógica que relaciona iniciador e elemento nal. Exemplicando na matriz anterior podemos considerar que na coluna 01 temos a ação de fechamento na SDV-01 provocada pela atuação da chave de pressão alta PSH-01 “OU” a atuação da chave de pressão baixa PSL-03. A função temporizador (T n) exige que o sinal seja mantido manti do atuado por pelo menos “n” (segundos) para então realizar a função lógica “OU”. A especicação técnica da Petrobras ET-3000.00-5520-850-PCI-002 (Funções do módulo de operação e supervisão da ECOS), baseada na matriz com as inter-relações pré-determinadas pré-determinadas pelas disciplinas de processo e segurança, descreve como deve ser construída a tela da respectiva “matriz de causa e efeito” no sistema de supervisão.

RESERVADO


Essa tela permitirá ao técnico de operação realizar as funções de by pass e override nestas lógicas, como também monitorar o estado atual das variáveis de entrada (causas) e o resultado da lógica que está sendo enviado para as variáveis de saída (efeitos). A função de by-pass é um recurso utilizado para inibir a lógica de alarme e ação de intertravamento quando ocorre a atuação de um sensor especicado com essa nalidade. Esse recurso é muito utilizado para permitir a manutenção de sensores na planta de processo sem correr o risco de provocar um intertravamento espúrio. A função override, por outro lado, pode ser denida como o recurso utilizado em um sistema de automação para forçar o estado de uma saída discreta. Pode ser utilizado, por exemplo, para forçar a abertura ou o fechamento de uma válvula de segurança. A ilustração a seguir apresenta uma tela de supervisão de uma “matriz de causa e efeito”.

Tela no sistema supervisório de uma “matriz de causa e efeito”, tendo as causas nas linhas do lado esquerdo e os efeitos nas colunas na parte superior da tela.

RESERVADO

69

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3.3. Diagrama lógico O diagrama lógico é um documento onde são representadas as lógicas que são programadas no executor de lógica do sistema de automação, permitindo que sejam representadas lógicas mais complexas que são impossíveis de ser representadas em desenhos do tipo “matriz de causa e efeito”. As entradas da lógica, nesse tipo de diagrama, são representadas na coluna da esquerda, enquanto no centro do documento é desenhada a lógica que correlaciona as entradas e saídas do sistema. A lógica é desenhada utilizando portas lógicas básicas e alguns blocos especiais como, por exemplo, PID, temporizador etc. Na coluna da direita são apresentadas as saídas da lógica.

70

Diagrama Lógico ESC

CAMPO

% M3336.01 ZSH- 121001-A

S R

% M3312.00 YSLH- 121001-A % M3623.00 Liga B- 121001-A

S

% M3227.00 MB- 121001-A

R

E

% M3336.00 ZSL- 121001-A

OU

% M3312.00 YSLH- 121001-A

OU

TOF k5

E

% M3622.00 Fechar SDV-121001-A

FL 36/1 % M3624.00 Desliga B-121001-A

FL 1/1 % M3325.00 PSLL-121002A % M3326.00 PSHH-121003A % M3321.00 PSLL-121004A

FL. Nº: 18/91

3.4. Arquitetura de automação A arquitetura de automação consiste em um desenho esquemático onde estão representados todos os equipamentos pertencentes ao sistema de automação da plataforma, estações de supervisão, estações de manutenção, CLPs, remotas de entradas e saídas, switches, conversores e etc.

RESERVADO


Deve ser observado que cada planta de operação possui um conjunto de equipamentos de automação próprio, tendo um desenho especíco de arquitetura de automação. Os desenhos completos de arquitetura de automação de cada unidade operacional estão disponíveis no Sistema de Documentação Técnica da Petrobras (SINDOTEC). No esquema a seguir encontra-se representado um desenho simplicado de arquitetura de automação, no qual é mostrado como a instrumentação do campo (planta de processo) pode ser conectada ao sistema de automação. Arquitetura simplificada de automação Estação de sepervisão ECOS

ECOS

ECOS

Rede Ethernet

F O N T E

C C C C P O O O U M M M

CPU do PLC sala de controle

F O N T E

Vaso separador

71

C C C C P O O O U M M M

Rede proprietária do PLC

PSH

R E M

R E M

R E M

SDV

Bomba

Os instrumentos se conectam aos cartões de entrada/saída do CLP instalados em uma remota, que envia/recebe informações do CLP por rede determinística. O CLP se conecta com as estações de supervisão por rede Ethernet TCP/IP.

RESERVADO

Alta Competência

3.5. Exercícios 1) Identique os símbolos da norma ISA 5.1 a seguir, utilizados em uxogramas de engenharia. ___________________________________________________

___________________________________________________

___________________________________________________

___________________________________________________

72

RESERVADO


2) Correlacione os documentos básicos utilizados em projetos de automação na coluna da esquerda com as suas respectivas denições na coluna da direita. ( a ) Fluxograma ( ) É um desenho esquemático onde esde engenhatão representados todos os equiparia (P&ID) mentos pertencentes ao sistema de automação da plataforma, estações de supervisão, estações de manutenção, CLPs, remotas de entradas e saídas, switches, conversores etc. ( b ) Matriz de ( ) É uma representação gráca utilicausa e efeito zada pelos engenheiros de processo para representar a instrumentação e os elementos físicos ou virtuais que se inter-relacionam. A partir desse desenho é estabelecida uma relação entre os equipamentos de processo e a instrumentação. ( c ) Diagrama ( ) É uma forma de se representar a inlógico ter-relação entre os iniciadores e os elementos nais do sistema de segurança e de fogo e gás de uma unidade de operação. ( d ) Arquitetura ( ) É um documento onde são represende automatadas as lógicas que são programadas ção no executor de lógica do sistema de automação, permitindo que sejam representadas lógicas mais complexas, impossíveis de serem representadas em desenhos do tipo “matriz de causa e efeito”.

RESERVADO

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Alta Competência

3) Explique o que são as funções lógicas by-pass e override. _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 4) Quantos alarmes temos no pedaço do uxograma de engenharia deste capítulo? 1/2’-HWP-E4-501-HC PI 1223562

74

PSLL

PSHH

1223562

1223562

PALL

PT

PAHH

1223562

1223562

1223562

C 3 1 5 0 1 F P ’ 4

D NA E1 B

F1 LSHH 1223503

V - 1223502

F2

LG 1223503

6’x4’

G1 A J

LSLL

F

3 0 5 G L LT 0 11223503 F P ’ 2 / 1 2

1223503

G2 E2 NA TF

_______________________________________________________________ ________________________________________________________________

RESERVADO


5) Onde é implementado o instrumento PSLL-1223562? Efeito SDV-01

C a u s a


SDV-02

SDV-03


X A1

X X X

X

A1 X

X T20 X

X

X X X

_______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 6) Se atuado, o PSH-01 provoca o fechamento da SDV-02? Provoca a abertura da BDV-01? ________________________________________________________________ 7) Se atuado isoladamente, o PSH-02 provoca o fechamento da SDV02? E se atuado em conjunto com o PSL-04? ________________________________________________________________ 8) Se atuado isoladamente, o PSH-03 provoca o fechamento da SDV03? E se atuado em conjunto com o PSL-01? ________________________________________________________________

RESERVADO

75

Alta Competência

3.6. Glossário By-pass - recurso utilizado para inibir a lógica de alarme e ação de intertravamento

quando da atuação de um sensor especicado com essa nalidade. Esse recurso é muito utilizado para permitir a manutenção de sensores na planta de processo sem correr o risco de provocar intertravamento espúrio. CLP - Controlador Lógico Programável. ECOS - Estação Central de Operação e Supervisão. Ethernet - padrão muito usado para a conexão física de redes locais, originalmente

desenvolvido pelo Palo Alto Research Center (PARC) da Xerox nos EUA. Descreve protocolo, cabeamento, topologia e mecanismos de transmissão. A informação pode ser transmitida em modo "Broadcast", ou seja, para todos os outros computadores da rede e não apenas para um só.

76

ISA - Instrumentation Symbols and Identification. Norma concebida para ser uma padronização de simbologia e identicação de instrumentos e equipamentos de processo, sendo atualmente sua abrangência a nível mundial. LG - indicador local de nível. LSH - chave de nível alta. LSHH - chave de nível muito alta. Override - recurso utilizado para forçar o estado de uma saída discreta. Pode ser

utilizado, por exemplo, para forçar a abertura ou fechamento de uma válvula de segurança. PAHH - alarme de pressão muito alta. PALL - alarme de pressão muito baixa. PI - indicador de pressão. PID - Controlador Proporcional-Integral-Derivativo. PIT - transmissor e indicador de pressão. PSH - Pressure Switch High. Chave de pressão alta. PSHH - chave de pressão muito alta. PSL - Pressure Switch Low . Chave de pressão baixa. PSLL - chave de pressão muito baixa.

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SDV - Shut Down Valv e - válvula de fechamento de emergência, que impede a entrada de uido no vaso ou tubulação, em situações de paradas emergenciais de equipamento ou sistema de equipamentos (shutdown). SINDOTEC - Sistema de Documentação Técnica da Petrobras. Switch - equipamento utilizado em redes de comunicação com a função de comutar

pacotes de dados entre os dispositivos a ele interligados. TCP/IP - abreviação de Transfer Control Protocol e Internet Protocol. São protocolos padrão da Internet.

77

RESERVADO

Alta Competência

3.7. Bibliografia American National Standards Institute - ANSI / ASI S 5.1. Instrumentation Symbols and Identification, 1984. DUARTE, Fábio Gil Martins; CHIESSE, Alcio Rodrigues; BORGES FILHO, Álvaro de Miranda; SANTOS, Cláudio Antonio dos. Curso de CLP e Automação Industrial para Operadores. Apresentação em Power Point. Petrobras. Rio de Janeiro. PETROBRAS. Funções do módulo de operação e supervisão da ECOS. ET-3000.005520-850-PCI-002. Especicação técnica da Petrobras. UN-ES/ATP-JUB/CHT. 2003. PETROBRAS. Implementação da lógica de intertravamento e controle. ET-3000.005500-800-PCI-002. Especicação técnica da Petrobras. UN-ES/ATP-JUB/CHT. 2003.

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RESERVADO


3.8. Gabarito 1) Identique os símbolos da norma ISA 5.1 a seguir, utilizados em uxogramas de engenharia. Instrumento virtual, implementado no executor de lógica

Instrumento virtual, visualizado no sistema supervisório

Interface entre sinais de intertravamento

Interface entre sinais – lógica “OU” 2) Correlacione os documentos básicos utilizados em projetos de automação na coluna da esquerda com as suas respectivas denições na coluna da direita. (a)

Fluxograma (d) de engenharia (P&ID)

Éumdesenhoesquemáticoonde estãorepresentados todos os equipamentos pertencentes ao sistema de automação da plataforma, estações de supervisão, estações de manutenção, CLPs, remotas de entradas e saídas, switches, conversores etc.

( b ) Matriz de causa e efeito

(a)

É uma representação gráca utilizada pelos engenheiros de processo para representar a instrumentação e os elementos físicos ou virtuais que se inter-relacionam. A partir desse desenho é estabelecida uma relação entre os equipamentos de processo e a instrumentação.

(c)

(b)

É uma forma de se representar a inter-relação entre os iniciadores e os elementos nais do sistema de segurança e de fogo e gás de uma unidade de operação. É um documento onde são representadas as lógicas que são programadas no executor de lógica do sistema de automação, permitindo que sejam representadas lógicas mais complexas, impossíveis de serem representadas em desenhos do tipo “matriz de causa e efeito”.

Diagrama lógico

( d ) Arquitetura de automação

(c)

RESERVADO

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Alta Competência

3) Explique o que são as funções lógicas by-pass e override. A função de by-pass é um recurso utilizado para inibir a lógica de alarme e ação de intertravamento quando ocorre a atuação de um sensor especificado com essa finalidade. Esse recurso é muito utilizado para permitir a manutenção de sensores na planta de processo sem correr o risco de provocar um intertravamento espúrio. A função override, por outro lado, pode ser definida como o recurso utilizado em um sistema de automação para forçar o estado de uma saída discreta. Pode ser utilizado, por exemplo, para forçar a abertura ou o fechamento de uma válvula de segurança. 4) Quantos alarmes temos no pedaço do uxograma de engenharia deste capítulo? 1/2’-HWP-E4-501-HC PI 1223562

PSLL

PSHH

1223562

1223562

PALL

PT

PAHH

1223562

1223562

1223562

C 3 1 5 0 1 F P ’ 4

D NA E1 B

80

F1 LSHH 1223503

V - 1223502

F2

LG 1223503

6’x4’

G1

A J

LSLL

F

3 0 5 G L LT 0 11223503 F P ’ 2 / 1 2

1223503

G2 E2 NA TF

2, o PALL-1223562 e o PAHH-1223562. 5) Onde é implementado o instrumento PSLL-1223562? O instrumento é implementado no executor de lógica. Trata-se de um instrumento virtual.

Efeito SDV-01

C a u s a


SDV-02

SDV-03


X A1

X X X

X

A1 X

X T20 X

X

X X X

6) Se atuado, o PSH-01 provoca o fechamento da SDV-02? Provoca a abertura da BDV-01? Não. Sim.

RESERVADO


7) Se atuado isoladamente, o PSH-02 provoca o fechamento da SDV-02? E se atuado em conjunto com o PSL-04? Não. Sim. 8) Se atuado isoladamente, o PSH-03 provoca o fechamento da SDV-03? E se atuado em conjunto com o PSL-01? Sim. Sim.

81

RESERVADO

RESERVADO

Sistemas de automação em unidade de produção

4 o l u t í p a C

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Conceituar Sistema Instrumentado de Segurança (SIS); • Identicar os subsistemas do sistema de automação; • Descrever as características do controle de processo; • Identicar os diferentes níveis de evolução na automação das unidades de produção.

RESERVADO

Alta Competência

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RESERVADO

Capítulo 4. Sistemas de automação em unidade de produção

4. Sistemas de automação em unidade de produção

A

automação das unidades de produção pode ser dividida nos seguintes sistemas:

• Sistema de controle; • Sistema de medição; • Sistema de intertravamento de segurança; • Sistema de fogo & gás;

85

• Sistema de geração e distribuição de energia elétrica; • Sistema de lastro (para plataformas semi-submersíveis); • Sistema de Turret (para plataformas tipo FPSO e FSOs); • Sistema de unidades pacotes.

4.1. Sistema Instrumentado de Segurança (SIS) Uma das aplicações de maior importância para a automação industrial nas unidades de produção de petróleo é nos sistemas de segurança. O Sistema Instrumentado de Segurança (SIS) é um dos sistemas automatizados que se enquadra nesse contexto. De acordo com a norma IEC 61511 (2003), o SIS é:

RESERVADO

Alta Competência

Um sistema instrumentado usado para implementar uma ou mais funções instrumentadas de segurança. Um SIS é composto por qualquer combinação de sensor(es), executor(es) da lógica e elemento(s) nal(is). Uma função instrumentada de segurança (SIF) tem o objetivo de manter ou atingir o estado seguro de um equipamento ou planta de processo quando da ocorrência de um eventual perigo especíco (Norma IEC 61511, 2003).

86

Em outras palavras, o SIS é um sistema automatizado independente do sistema de controle de processo, projetado para atuar quando a planta atinge condições perigosas ou potencialmente perigosas, sempre que o sistema de controle de processo e da operação não for capaz de sanear. Esse sistema é responsável por executar ações capazes de levar a planta para uma condição segura, prevenindo eventos perigosos. O SIS é a última camada de atuação preventiva na pilha de camadas de proteção existentes no sistema de segurança de uma planta industrial. A imagem a seguir mostra como as várias camadas de controle e proteção atuam para manter a planta operando em condições normais ou impedindo que um descontrole venha a oferecer riscos. A linha representa o estado de operação da planta. Plano de Emergência da Unidade e da Comunidade

M i t i g a ç ã o P r e v e n ç ã o

Camada de Resposta a Emergência

Dique de contenção

Camada de Proteção Passiva

Válvula de Alívio, Sistema de F&G

Camada de Proteção Ativa

Sistema Instrumentado de Segurança

Intertravamento de segurança (ESD3)

Camada de Segurança

Alarme de Intertravamento Intervenção do Operador

Intertravamento de processo (ESD2)

Camada de Controle de Processo

Alarme de processo Sistema de Controle de Processo

Variações normais de processo

Camada de Controle de Processo

Condição de operação x atuação das camadas

RESERVADO


A camada de controle de processo é executada pelo sistema de controle da Unidade e atua de forma automática para manter o processo rodando ao redor de um ponto pré-definido de operação ( set-point ). Quando o processo varia de forma mais brusca e extrapola a faixa de atuação da camada de controle são emitidos alarmes ao técnico de operação avisando que ações corretivas devem ser executadas imediatamente. Os alarmes e a ação do técnico de operação constituem o escopo da camada de proteção do processo. As lógicas dos alarmes gerados por essa camada também são executadas pelo Sistema de Controle. Caso as duas primeiras camadas falhem e a planta continue caminhando para uma condição perigosa, entra em ação a camada de Intertravamento de Emergência. O Sistema Instrumentado de Segurança (SIS) responde pela execução dessa camada de proteção. Com isso, espera-se que a atuação das camadas de proteção até o momento mencionada seja suciente para evitar um agravamento da situação de perigo na planta. Porém, se a condição de perigo não foi contornada, a planta provavelmente sofrerá um sinistro. Nesse caso, então, passam a atuar as “camadas mitigadoras” que buscam evitar danos ainda maiores às pessoas, ao meio ambiente e ao patrimônio. Fazem parte das camadas mitigadoras o Sistema de Fogo & Gás da Unidade, os instrumentos autônomos de proteção ativa (válvulas de alívio, discos de ruptura etc.) e passiva (diques, poços etc.), e os planos de emergência da Unidade e das comunidades do entorno. Os projetos novos e modicações nas plantas existentes do E&P, quanto à parte de segurança, são norteados pela especicação técnica Petrobras ET-3000.00-5400-947-PCI-001 (Filosoa de segurança para unidades marítimas de produção). Na fase de projeto, uma análise de risco criteriosa de todos os riscos potenciais é realizada por um grupo multidisciplinar, denominada de Hazop.

RESERVADO

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Alta Competência

O esquema a seguir apresenta uma representação gráca das camadas de proteção, atuando de dentro para fora. Plano de Emergência da Comunidade

Plano de Emergência da Unidade Proteções Passivas Proteções Ativas Proteções automatizadas de intertravamento Alarmes de intertravamento e intervenção do operador Alarmes de Processo e supervisão do operador Projeto

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Camadas de proteção

Normalmente, nos sistemas instrumentados de segurança, costumase utilizar redundância nos elementos do sistema para se obter maior conabilidade e, conseqüentemente, redução de risco. Na implementação desses sistemas é comum se utilizar sensores de campo em duplicidade com lógica de votação 1oo2 (1 de 2), onde basta um dos dois sensores atuar para que as ações corretivas sejam executadas. Essa arquitetura privilegia a segurança, visto que, em caso de falha oculta em um dos sensores, o outro ainda será capaz de ativar o sistema, assumindo probabilidades de falha independentes para cada sensor. Porém, a disponibilidade da planta pode car reduzida, já que a atuação indevida de apenas um dos dois sensores é capaz de parar a planta. Na Petrobras utiliza-se em alguns casos a arquitetura com votação 2 de 3, que procura equilibrar o foco em segurança e disponibilidade operacional.

RESERVADO


4.2. Principais subsistemas do sistema de automação O sistema de automação de uma unidade de produção é subdivido em subsistemas. Os três subsistemas principais são: • Sistema de Controle regulatório; • Sistema de Intertravamento (ESD); • Sistema de Fogo & Gás ( F&G). O principal objetivo de cada um desses subsistemas é implementar camadas de proteção especícas. A seguir, cada subsistema será detalhado.

89 4.2.1. Sistema de controle regulatório Esse sistema tem como objetivo a execução das malhas de controle contínuo (PID) e a indicação das variáveis de processos (pressão, nível, temperatura etc.). O Sistema de controle é o responsável pelo dia a dia normal das plataformas. 4.2.2. Sistema de intertravamento O Sistema de intertravamento de Segurança da planta de processos, também denominado de ESD ( Emergency ShutDown ) é composto por dispositivos interligados aos painéis de intertravamento de segurança, como: • Chaves de processo (pressão, temperatura, nível, vazão etc.); • Transmissores; • Válvulas de bloqueio (fecha o sistema); • Válvulas de despressurização (abre o sistema).

RESERVADO

Alta Competência

O sistema de intertravamento utiliza válvulas de bloqueio denominadas SDV ( Shutdown Valve) cuja função é fechar o sistema e válvulas de despressurização chamadas BDV ( Blow Down Valve), cuja função é aliviar a pressão do sistema para a tocha. Em uma situação anormal, por exemplo, como na falha de um equipamento ou de uma de suas malhas de controle, as chaves de processo ou os transmissores detectam a anormalidade. O Sistema de Intertravamento de Segurança provoca a parada do equipamento, o fechamento das válvulas de bloqueio e a abertura das válvulas de despressurização, seguindo uma matriz de causa versus efeito preestabelecida pelos projetistas. Este sistema visa a garantir na unidade de produção a integridade das pessoas, dos equipamentos e a preservação do meio ambiente, quando o sistema de controle não é mais capaz de realizar a tarefa.

90 Esse sistema recebe e envia sinais para vários outros sistemas da plataforma, através de rede proprietária ou ligações hardwire no caso de outros CLPs que não sejam do mesmo fabricante. 4.2.3. Sistema de Fogo & Gás (F&G) É responsável pela detecção de vazamentos de gás combustível, H 2 e H2S como também realiza a identicação e combate a incêndios na plataforma. A plataforma é dividida em zonas de detecção. Em cada uma dessas zonas existe uma quantidade de sensores que fazem uma votação entre si para determinar a existência da situação de emergência. Os sensores de gás combustível são do tipo infravermelho (IR) e geram um sinal analógico de 0 a 20 mA, que é subdividido em vários níveis de informação: • 0 a 4mA - sensor em falha; • de 4 a 20mA - concentração de gás na área.

RESERVADO


Os sensores de fogo são normalmente compostos por dois sensores em conjunto sendo um de infravermelho (IR) e outro ultravioleta (UV). Quando o sistema conrma fogo ou em qualquer zona, um alarme é mostrado para o técnico de operação, indicando a área e a sua situação. Ações de segurança também são acionadas, como a geração de ESD na planta de processo, a m de evitar que o fogo continue a ser alimentado pelo combustível ali presente (óleo ou gás). Outro tipo de sensor de fogo são os plugs fusíveis que, em conjunto com outros elementos do sistema de dilúvio da plataforma, protegem os vasos da seguinte forma: • No anel pressurizado de ar instalado sobre os vasos, existem diversos bocais onde são instalados os plugs fusíveis;

91 • Em um ponto seguro, distante, mas interligado ao anel, existe um pressostato, que monitora a pressão do ar dentro do anel; • Uma fonte de calor, como um incêndio no local, poderá derreter o plug fusível, deixando sair o ar do anel e gerando, assim, uma queda de pressão no anel; • O pressostato atua provocando o intertravamento da planta de processo e abrindo as válvulas do sistema de dilúvio (ADV`s) para combater o incêndio; • A abertura das ADV`s, por sua vez, provoca a queda de pressão no anel de água de incêndio. Esta, por sua vez, provoca o acionamento da bomba de incêndio da plataforma, buscando manter a pressão de água; • Este sistema envia sinais para o sistema de ESD, que gera os intertravamentos necessários à segurança da plataforma. A ilustração a seguir apresenta um detector de gás combustível, dispositivo que é interligado ao subsistema de F&G.

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Alta Competência

Detector de gás combustível

4.3. Outros subsistemas 92 Além dos subsistemas principais, o sistema de automação das unidades de produção também contam com subsistemas auxiliares, entre eles: • Sistema de embarcação; • Sistema elétrico; • Sistema Turret ; • Unidade pacote. 4.3.1. Sistema de embarcação Presente apenas nos sistemas utuantes de produção (plataformas semi-submersíveis e navios), esse sistema é responsável pela supervisão e controle do nível dos tanques de lastro e da estabilidade da embarcação. É um sistema independente que tem que estar disponível sempre, isto é, ele não é desligado pelo sistema de ESD ou outro qualquer, por ser considerado essencial.

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4.3.2. Sistema elétrico É responsável pela supervisão e operação de todo o sistema elétrico na unidade de produção. O CLP desse sistema é responsável por ligar e desligar os motores, em toda a plataforma. Ele interage com o sistema de ESD quando é solicitado o desligamento dos sistemas não essenciais ao combate do sinistro. 4.3.3. Sistema Turret Presente apenas nos FPSOs e FSOs (navios adaptados à produção e armazenamento de petróleo) devido às características de construção do Turret , os equipamentos que o compõem são isolados do resto da plataforma, por isso, foi criado um sistema especial instalado no próprio Turret , que recebe e trata todos os sinais do próprio Turret . Esse sistema tem um pouco de todos os outros e gera sinais que são compartilhados com os outros sistemas, através de rede proprietária. 4.3.4. Unidades pacotes Alguns equipamentos, denominados unidades pacotes, possuem painel próprio para realização de intertravamento e controle. Podemos citar como exemplo de unidades pacotes os seguintes equipamentos: • Bombas de incêndio; • Compressores de gás; • Bombas de injeção de água; • Bombas de transferência de óleo; • Turbogeradores.

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Essas unidades pacotes são interligadas ao sistema de automação da plataforma por meio de sinais básicos de intertravamento. Esses sinais têm como objetivo colocar as unidades pacotes em sintonia com o estado do sistema de ESD da plataforma.

4.4. Controle de processo O controle de processo é o subsistema responsável por manter a planta trabalhando em torno de uma condição de processo desejável. Esse controle pode ser efetuado manipulando variáveis de processo discretas e analógicas. As formas de implementação de controle de processo são apresentadas a seguir.

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4.4.1. Controle discreto ou on-off (intertravamento) Alguns processos não necessitam de um controle linear ou em algumas situações em que o controle contínuo não consegue manter as variáveis sob controle, entra em ação o controle discreto. Esse controle é baseado no acionamento de algum equipamento quando a variável controlada atinge determinado ponto de ajuste. No esquema a seguir, quando a pressão chega a um determinado valor, a válvula de alívio de gás (BDV) é aberta deixando passar (despressuriza) o gás para que o tanque não seja danicado.

Chave de pressão muito alta ( PSHH)

Gás Chave de nível muito alta (LSHH) Válvula de alívio (BDV)

LSHH

Tanque

Óleo

Válvulas de segurança ( SDV)

Exemplo de controle discreto

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O gráco a seguir mostra o comportamento de um sensor do tipo discreto em relação à sua variável controlada. Variável discreta

Nível

Alto

Set-point 24 Vcc

Normal

0 Vcc

t

O controlador (normalmente um CLP), com o acionamento do sensor, pode tomar as ações necessárias. O gráco anterior apresentou um exemplo de controle de nível. Nele, o controlador pode acionar uma bomba para escoar o uido no vaso ou, em caso de emergência, pode acionar o sistema de intertravamento de emergência para colocar a planta em uma condição segura, paralisando todo o processo. É nesse tipo de controle que é baseado todo o sistema de ESD da plataforma. 4.4.2. Controle contínuo (PID) Um sistema de controle automático tem como objetivo manter as variáveis de um processo, tais como temperatura, pressão, nível e vazão, em um valor de operação desejado. Os processos industriais são dinâmicos por natureza e mudanças estão sempre ocorrendo. Se ações não são tomadas, as variáveis importantes, relacionadas com segurança, qualidade do produto e produtividade não serão mantidas nas condições de projeto.

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No esquema a seguir é mostrado um exemplo de controle de processo em que um aquecedor é utilizado para aquecer o produto à determinada temperatura, através do controle da vazão de vapor. Misturador

Produto

LT

TT

LC

TC

Aquecedor

Vapor

H1

Controle contínuo - PID

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O estudo do controle requer um vocabulário próprio. A planilha a seguir apresenta alguns dos termos mais utilizados e que podem ser identicados na ilustração anterior.

Processo, sistema ou planta

Conjunto de equipamentos (vasos, válvulas, tubulação, bombas, compressores etc.) em que se deseja controlar alguma grandeza física, tais como temperatura, pressão, nível, vazão etc.

Grandeza física que deve ser mantida ou controlada em um Variável controlada valor desejado. No exemplo, temperatura do produto e nível de ou de processo produto no vaso.

Sensor

Transdutor que mede a variável controlada.

Transmissor

Instrumento que transmite o valor medido pelo sensor para o controlador. Nos instrumentos mais modernos, o sensor e o transmissor estão no mesmo invólucro, podendo ser considerado um único instrumento. No exemplo, um TT e um LT.

Referência ou set point

Variável manipulada

O valor desejado da variável controlada. Grandeza física que é ajustada para manter a variável controlada no valor de referência. No exemplo, a variável manipulada para controlar a temperatura do produto no vaso é a vazão de vapor.

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Elemento final de controle ou atuador

Instrumento que ajusta a variável manipulada num processo. No exemplo, a válvula de controle de vazão de vapor e a válvula de controle de vazão de escoamento do produto.

Distúrbio

Qualquer variável que possa causar desvio da variável controlada em relação à referência. No exemplo, variação na vazão do produto na entrada e/ou variação na temperatura do vapor etc.

Controlador

Um dispositivo que recebe o sinal da variável controlada compara com a referência e envia um sinal para o elemento final de controle, de forma a regular uma variável controlada. No exemplo, um TC e um LC.

Malha aberta

Condição em que o caminho da realimentação da variável medida (observada) é interrompido. A saída do controlador passa a ser manipulada manualmente pelo técnico de operação. Condição manual em um controlador.

Malha fechada

Condição em que o controlador toma ação sobre o processo a partir da realimentação da variável medida (observada), comparando-a com a referência. Essa é a condição automática em um controlador.

4.4.3. Estratégias de controle Em alguns processos, há a necessidade de se utilizar um controle mais elaborado que uma simples malha de controle PID. Estratégias mais elaboradas podem ser: a) Controle por split-range: a saída do controlador atua em duas válvulas de diferentes CV instaladas em paralelo no processo, a válvula de menor CV serve para o ajuste no da variável e a de maior CV para o ajuste grosso. b) Controle em cascata: um PID recebe informação de uma determinada variável física, pressão, por exemplo, e tem seu sinal de saída ligado na entrada do valor de set-point de outro controlador PID (de nível, por exemplo) alterando o valor de referência para o controlador de nível com a variação da pressão.

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c) Controle antecipatório: é um tipo de controle em que uma variável que futuramente irá afetar a variável controlada é também medida e sua variação gera uma ação antecipada na saída do controlador antes da variável controlada variar. d) Controle usando seletor de sinal: consiste na seleção do maior ou menor sinal entre dois sensores ligados a um único controlador ou na seleção de maior ou menor sinal de saída entre dois controladores para o mesmo elemento nal. e) Controle avançado: estratégias sosticadas, como, por exemplo computadores rodando algoritmos complexos para a identicação de modelos multivariáveis, que fazem o envio de set-point para diversas malhas de controle PID.

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Essas estratégias mais elaboradas podem ser realizadas no projeto do sistema, antes da partida da unidade ou algumas vezes após a partida, quando o engenheiro de controle identica que há oportunidade de melhoria em determinada malha e que uma nova estratégia pode trazer ganho econômico signicativo.

4.5. Evolução da automação nas unidades marítimas do E&P A história da produção de petróleo no Brasil foi marcada pelo avanço das fronteiras exploratórias em direção ao mar e em lâminas de água cada vez mais profundas. Essa evolução foi acompanhada pelo avanço tecnológico em todas as disciplinas. E o processo de automação das plantas de processo não foi diferente. A cada nova plataforma de produção, novas tecnologias foram sendo incorporadas e alguns marcos puderam ser observados, conforme tratamos a seguir. 4.5.1. Unidades de Produção de primeira geração (1980 – 1986) Nas Unidades de Produção de primeira geração, a automação era composta por chaves de processo instaladas no campo (chaves de pressão, temperatura, vazão, posição de válvulas, estado de equipamentos etc.), que eram interligadas aos painéis de alarme localizados na sala de controle central. Esses painéis eram

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implementados via relés e dispositivos de lógica xa, que tratavam os sinais recebidos do campo e faziam a indicação em numerosas unidades de alarme e em grandes painéis semigrácos localizados na sala de controle. Os sinais de alarme também eram mostrados no campo, em unidades remotas de alarme, localizadas próximas aos vasos e equipamentos que geravam estes alarmes. As malhas de controle eram realizadas por controladores pneumáticos instalados no campo. Qualquer alteração nos parâmetros de controle, tais como set-point e banda proporcional, tinha que ser executada no próprio instrumento no campo. Além disso, a conabilidade e repetibilidade dos instrumentos pneumáticos diminuíam bastante com o tempo de uso, uma vez que utilizavam sistemas mecânicos do tipo bico-palheta, o que requeria elevado nível de manutenção. Todas as indicações das variáveis de processo estavam localizadas no campo, o que tornava a sala de controle apenas uma sala de supervisão. O cálculo e a totalização de vazão de gás eram realizados por totalizadores eletrônicos de vazão instalados na sala de controle, a partir do sinal dos transmissores eletrônicos de pressão diferencial, pressão estática e temperatura. Esses totalizadores não realizavam a correção dos fatores utilizados no cálculo da vazão de gás em função da pressão diferencial e da temperatura, o que provocava erros da ordem de 5% no valor da vazão instantânea de gás. O intertravamento de segurança era realizado através de painéis a relés e módulos eletrônicos de lógica xa, que além de ocuparem um espaço muito grande na sala de controle, dicultavam as modicações, já que elas requeriam inclusões de novos módulos e ação. Os detectores de gás combustível eram do tipo catalítico (resistor que reage com a presença do gás combustível), detectores de fumaça, detectores de temperatura do tipo termo-velocimétricos, detectores de chama do tipo ultravioleta, detectores de temperatura do tipo plug fusível instalados em rede pneumática pressurizada, válvulas de dilúvio e válvulas de CO 2, interligados a painéis de Fogo & Gás, que eram implementados com relés e módulos eletrônicos tipo lógica fixa.

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4.5.2. Unidades de Produção de segunda geração (1987 – 1990) Nas Unidades de Produção de segunda geração , a evolução aconteceu nas áreas de controle, com a utilização de controladores multimalha e transmissores eletrônicos que disponibilizavam as informações na sala de controle de uma maneira mais amigável ao técnico de operação. A utilização de Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) para intertravamento e segurança aumentou a conabilidade e a segurança das plataformas facilitando alterações de lógicas de intertravamento. 4.5.3. Unidades de Produção de última geração (a partir de 1991) Nas plataformas mais modernas, os sistemas de automação industrial ganharam novas tecnologias. As principais melhorias foram:

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• Adoção de CLPs para todos os sistemas da plataforma; • Adoção de estações de supervisão e controle para interface com o técnico de operação; • Transmissores eletrônicos inteligentes; • Utilização de unidades remotas de entradas e saídas de CLPs instaladas no campo para aquisição de dados; • Substituição dos detectores de gás combustível do tipo catalítico pelo infravermelho (IR); • Centralização de toda a operação da Unidade de produção em uma única sala de controle; • Posicionadores eletrônicos inteligentes. Com os ganhos apresentados pelas plataformas de última geração, foram implantados vários projetos de modernização nas plataformas de gerações anteriores. Os principais ganhos obtidos a partir da modernização dos sistemas de automação são:

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• Centralização das ações de supervisão e controle na sala de controle central, permitindo maior agilidade e segurança nas operações, em função do aumento do nível de informação na tomada de decisão pelo técnico de operação, pelo supervisor de operações da plataforma e pelo seu gerente; • Aumento da conabilidade e disponibilidade das Unidades de Produção, pela implantação de equipamentos e instrumentos microprocessados, com menor índice de falhas e maior nível de diagnóstico; • Diminuição dos custos de manutenção através de diagnósticos (manutenção preditiva); • Melhoria na qualidade de vida e na segurança dos técnicos de operação, visto que as operações são realizadas da sala de controle central; • Interface de operação mais amigável, permitindo a emissão de diversos relatórios gerenciais e operacionais; • Disponibilização em tempo real das informações operacionais para os sistemas corporativos da companhia; • Registro de histórico de eventos e de variáveis de processos para futura análise da engenharia, operação e manutenção; • Padronização de procedimentos e operações, em função de uma interface homem-máquina padronizada; • Atualização e domínio de novas tecnologias por parte do corpo técnico da companhia.

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4.6. Exercícios 1) Marque com um X as opções corretas. ( ) O SIS é a última camada de atuação preventiva na pilha de camadas de proteção existentes no sistema de segurança de uma planta industrial. ( ) A camada de controle de processo é executada pelo sistema de controle da unidade e necessita de atuação manual para manter o processo rodando ao redor de um set-point prédenido de operação.

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( ) São elementos das camadas mitigadoras: o Sistema de Fogo & Gás da Unidade, os instrumentos autônomos de proteção ativa (válvulas de alívio, discos de ruptura etc.) e passiva (diques, poços etc.), e os planos de emergência da Unidade e das comunidades em torno. ( ) Normalmente, nos sistemas instrumentados de segurança, costuma-se utilizar redundância nos elementos do sistema para se obter maior conabilidade e, conseqüentemente, redução de risco. ( ) Caso as duas primeiras camadas (Controle de Processo, Intertravamento de Processo) falhem e a planta continue caminhando para uma condição perigosa, entra em ação a camada de Fogo & Gás.

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2) Relacione os principais subsistemas de automação da coluna da esquerda de acordo com as respectivas denições da coluna da direita. (a) Controle regulatório

(b) Intertravamento

(c) Fogo & Gás (F&G)

( ) A plataforma é dividida em zonas de detecção. Em cada uma dessas zonas existe uma quantidade de sensores que fazem uma votação entre si para determinar a existência da situação de emergência. ( ) Este sistema tem como objetivo a execução das malhas de controle PID e a indicação das variáveis de processos (pressão, nível, temperatura etc.). ( ) Este sistema recebe e envia sinais para vários outros sistemas da plataforma através de rede proprietária ou ligações “hardwire” no caso de outros CLPs que não sejam do mesmo fabricante.

3) Relacione os subsistemas auxiliares de automação da coluna da esquerda de acordo com as respectivas denições da direita. (a) Embarcação ( ) Este sistema é o responsável pela supervisão e controle do nível dos tanques de lastro e da estabilidade da embarcação. (b) Elétrico ( ) Este sistema tem um pouco de todos os outros e gera sinais que são compartilhados com os outros sistemas através de rede proprietária. (c) Turret

( ) Ele interage com o sistema de ESD quando é solicitado o desligamento dos sistemas não essenciais ao combate do sinistro.

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4) Em que momentos do ciclo de vida de uma unidade de produção são denidas as “estratégias de controle” a serem utilizadas para controle de um processo? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________

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4.7. Glossário ADV - Automatic Drain Valve. Válvula do sistema de dilúvio. BDV - Blowdown Valve. Válvula de alívio de gás. CLP - Controlador Lógico Programável. ESD - intertravamento de segurança F&G - Fogo e Gás. FPSO - Floating, Production, Storage and Offloading Unit . Unidade utuante de produção, armazenamento e transferência de petróleo. FSO - Floating, Storage and Off-loading. Sistema utuante de armazenamento e transferência. Hardwire - interligação direta por o, utilizando sinais básicos discretos e

analógicos.

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Hazop - estudo de perigos e operabilidade.

IEC - International Electrotechnical Commission. Comissão Internacional Eletrotécnica. IR - infravermelho. LC - controlador de nível. LT - transmissor de nível. PID - Controlador Proporcional-Integral-Derivativo. Plug - peça interna da válvula que tampona a passagem do uido.

Relé - dispositivo eletro-mecânico ou não, com inúmeras aplicações possíveis em comutação de contatos elétricos, servindo para ligar ou desligar dispositivos. Set-point - valor de referência a ser perseguido pelos algoritmos de controle. Shutdown - o mesmo que intertravamento. É a ação de levar a planta de processo

para o estado seguro. SIF - função instrumentada de segurança. SIS - Sistema Instrumentado de Segurança. Transdutor - dispositivo que converte uma grandeza física medida em outra. Por exemplo, variação de temperatura convertida em variação de resistência elétrica.

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TC - controlador de temperatura. TT - transmissor de temperatura. Turret - esquema de ancoragem que consiste numa estrutura, do tipo tubulão, com

rolamentos, presa ao fundo do mar por um sistema de cabos e amarras. UV - ultravioleta.

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4.8. Bibliografia DUARTE, Fábio Gil Martins; CHIESSE, Alcio Rodrigues; BORGES FILHO, Álvaro de Miranda; SANTOS, Cláudio Antonio dos. Curso de CLP e Automação Industrial para Operadores. Apresentação em Power Point. Petrobras. Rio de Janeiro. International Electrotechnical Commission. IEC. Functional safety instrumented systems for the process industry . Norma IEC 61511. Geneva, Switzerland. 2003.

PETROBRAS. Filosofia de segurança para unidades marítimas de produção. ET3000.00-5400-947-PCI-001. Especicação técnica da Petrobras. UN-ES/ATP-JUB/ CHT. 2003. PETROBRAS. Funções do módulo de operação e supervisão da ECOS. ET-3000.005520-850-PCI-002. Especicação técnica da Petrobras. UN-ES/ATP-JUB/CHT. 2003.

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4.9. Gabarito 1) Marque com um X as opções corretas. ( X ) O SIS é a última camada de atuação preventiva na pilha de camadas de proteção existentes no sistema de segurança de uma planta industrial. ( ) A camada de controle de processo é executada pelo sistema de controle da unidade e necessita de atuação manual para manter o processo rodando ao redor de um set-point pré-denido de operação. ( X ) São elementos das camadas mitigadoras o Sistema de Fogo & Gás da unidade, os instrumentos autônomos de proteção ativa (válvulas de alívio, discos de ruptura etc.) e passiva (diques, poços etc.), e os planos de emergência da Unidade e das comunidades em torno. ( X ) Normalmente, nos sistemas instrumentados de segurança, costumase utilizar redundância nos elementos do sistema para se obter maior confiabilidade e, conseqüentemente, redução de risco.

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( ) Caso as duas primeiras camadas (Controle de Processo, Intertravamento de Processo) falhem e a planta continue caminhando para uma condição perigosa, entra em ação a camada de Fogo & Gás. 2) Relacione os principais subsistemas de automação da coluna da esquerda de acordo com as respectivas denições da coluna da direita. ( a ) Controle regulatório ( c )

A plataforma é dividida em zonas de detecção, em cada uma destas zonas existe uma quantidade de sensores que fazem uma votação entre si para determinar a existência da situação de emergência. ( b ) Intertravamento ( a ) Este sistema tem como objetivo a execução das malhas de Controle PID e a indicação das variáveis de processos (pressão, nível, temperatura etc.). ( c ) Fogo & Gás (F&G) ( b ) Este sistema recebe e envia sinais para vários outros sistemas da plataforma através de rede proprietária ou ligações “hardwir e” no caso de outros CLPs que não sejam do mesmo fabricante. 3) Relacione os subsistemas auxiliares de automação da coluna da esquerda de acordo com as respectivas denições da direita. ( a ) Embarcação ( a ) ( b ) Elétrico

(c)

( c ) Turret

(b)

Este sistema é o responsável pela supervisão e controle do nível dos tanques de lastro e da estabilidade da embarcação. Este sistema tem um pouco de todos os outros e gera sinais que são compartilhados com os outros sistemas através de rede proprietária. Ele interage com o sistema de ESD quando é solicitado o desligamento dos sistemas não essenciais ao combate do sinistro.

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4) Em que momentos do ciclo de vida de uma unidade de produção são definidas as “estratégias de controle” a serem utilizadas para controle de um processo? As estratégias são definidas no projeto do sistema, antes da partida da unidade, ou, algumas vezes, após a partida, quando o engenheiro de controle identifica que há oportunidade de melhoria em determinada malha e que uma nova estratégia pode trazer ganho econômico significativo.

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5 o l u t í p a C

Executores de lógica

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Conceituar o que são Controladores Lógicos Programáveis (CLPs); • Apontar as características, vantagens e desvantagens dos CLPs em relação a outras tecnologias; • Conceituar o que são Sistemas Digitais de Controle Distribuídos (SDCDs); • Conceituar a tecnologia Fieldbus Foundation (FF); • Indicar as vantagens e desvantagens do Fieldbus Foundation (FF) em relação ao CLP.

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Alta Competência

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Capítulo 5. Executores de lógica

5. Executores de lógica

U

m dos elementos mais importantes no Sistema de Automação é o executor de lógica. É ele o responsável por executar as rotinas pré-programadas que relacionam as diversas entradas e saídas do sistema e mantém a planta operando da forma desejada e segura. Os executores de lógica mais utilizados são detalhados a seguir.

5.1. Controlador Lógico Programável (CLP) Em 1968, a General Motors solicitou aos fabricantes de instrumentos de controle, o desenvolvimento de um novo tipo de controlador, mais fácil de congurar, para substituir os painéis a relés usados na fabricação de automóveis. Naquele tempo, os painéis de automação das fábricas da GM eram compostos de diversas salas com relés e cabos que executavam a lógica necessária à execução dos trabalhos. Quando acontecia a troca de modelo de carro a ser fabricado, era necessário um grande tempo de paralisação da fábrica para a alteração da lógica adequada ao novo modelo.

CLP da GE Fanuc completo

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5.1.1. Conceito O CLP é um microcomputador dedicado à automação de máquinas e processos, no qual informações provenientes do processo (entradas) são processadas com base em um programa pré-denido (processamento)) que gera respostas para atuar no processo (saídas). (processamento

E

Processamento

s

ATENÇÃO

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Os CLPs são também conhecidos por sua sigla em inglês – PLC, (Programable Logic Controler ). ). A utilização de CLPs traz diversas vantagens quando comparado às tecnologias de execução de lógica mais antigas, conforme será demonstrado nos itens a seguir. 5.1.2. Vantagens Vantagens do CLP em relação aos painéis a relés • Facilmente programável e reprogramáve reprogramável;l; • Manutenção fácil (módulos de encaixe); • Maior conabilidade comparado aos painéis a relé; • Tamanho reduzido; • Capacidade de comunicação com sistemas de coleta de dados; • Facilidade de expansão.

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5.1.3. Vantagens do CLP em relação ao controle pneumático Facilidade de alteração dos parâmetros dos controladores PIDs; • Os controladores PIDs são executados por software e não sofrem a degradação mecânica que ocorre nos controladores pneumáticos, afetando a conabilidade e repetibilidade destes controladores; • Não necessita de manutenção mecânica freqüente; • Permite monitoração remota na sala de controle das variáveis de campo e da atuação do controlador sobre elas. 5.1.4. Componentes básicos de um CLP O CLP se divide em vários componentes com funções distintas. O conjunto destes elementos deve ser especicado no projeto do sistema de automação para garantir a sua boa performance. Os principais componentes básicos são: • Rack ou chassi ; • Fonte; • CPU; • Memória; • Cartões de entrada e saída; • Cartões de comunicação.

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A seguir abordaremos resumidamente esses componentes. a) Rack ou chassi É o bastidor onde são encaixados os cartões do CLP (fonte, CPU, E/S, módulos de comunicação etc.). Serve para dar proteção mecânica aos cartões, blindagem eletrostática e suportam o barramento de interligação (back plane) ao qual são ligados os cartões. A seguir, a foto de um rack tipicamente tipicamente utilizado nas Unidades de Produção.

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Rack de CLP típico

b) Fonte de alimentação É o elemento responsável pelo fornecimento de energia elétrica aos demais componentes do CLP. Existem várias fontes fornecidas por cada fabricante, cada uma com uma capacidade de fornecimento e/ou conexão elétrica (110Vac, 24Vcc etc.). O projetista do sistema deverá especicar a fonte prevendo ampliações do sistema, caso contrário poderá ser necessário a substituição da fonte para a inclusão i nclusão de novos componentes no CLP. A seguir, fotos de algumas fontes de alimentação utilizadas.

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Fonte de alimentação

c) Unidade Central de Processamento (CPU) É o “cérebro” do CLP, onde todo o processamento é realizado. Processa o programa lógico do CLP, armazenando dados na memória, executando as funções lógicas, temporização, contagem, retenção, comparação, operações aritméticas, algoritmos PID, totalização e manipulação de dados. A foto, a seguir, apresenta alguns modelos de CPU.

Exemplos de CPUs

Em função da conguração e da arquitetura, os CLPs podem ser classicados como: • Simplex

É o CLP de conguração simples com apenas uma CPU. Em caso de falha dessa CPU, dependendo do projeto, todas as saídas do CLP são levadas ao estado seguro ou zeradas.

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•

Hot Standby

É uma conguração em que duas CPUs são utilizadas e apenas uma se mantém com CPU ativa, enquanto a outra ca em standby . A CPU em standby lê os dados do campo, sincroniza outros dados com a CPU ativa e executa a lógica implementada, porém, sem escrever nas saídas. Em caso de falha da CPU ativa, a CPU standby passa a ser a ativa sem impactos na planta. Essa conguração tem por nalidade aumentar a disponibilidade dos sistemas, além de permitir a troca de elementos defeituosos sem a parada do sistema. É largamente utilizada na Bacia de Campos. Apesar da duplicação das CPUs e outros componentes do CLP, os elementos de entradas e saídas são únicos como no Simplex.

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A ilustração a seguir mostra dois racks com cartões instalados e interligados em conguração Hot standby .

CLP 5 modelo da Rockwell em conguração Hot Standby

d) Memória Todo CPU tem sua memória física, onde são guardados os dados, programas e realizados os cálculos necessários ao desempenho do CLP. A capacidade de um CLP está ligada ao tamanho da memória instalada nele.

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e) Cartões de entrada e saída Os cartões de entrada e saída são as principais interfaces de comunicação entre a CPU e os elementos de campo. Os principais tipos são: • Entradas e saídas digitais (ou discretas) São os elementos responsáveis pelo tratamento dos sinais de entrada e saída que podem assumir dois valores, por exemplo, ligado/desligado, verdadeiro/falso. • Entradas digitais Recebem sinais de campo na forma “discreta”, normalmente em 24Vcc ou 115Vca, conforme o tipo do cartão usado. Na UN-BC, o mais comum é o 24Vcc. • Saídas digitais As saídas digitais são isoladas por acopladores óticos que protegem o CLP da saída de potência para o campo. Estas saídas podem ser alimentadas por fontes externas ao rack do CLP. • Entradas e saídas analógicas São os elementos responsáveis pelo tratamento dos sinais de entrada e saída do tipo contínuos / analógicos, isto é, são sinais que podem adquirir vários valores. • Entradas analógicas Recebem sinais que variam de 4 a 20mA, transformando-os para o correspondente digital. O resultado da conversão é armazenado em um registro de 16 bits.

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• Saídas analógicas Após o processamento da CPU, o registro de oito bits correspondente à saída é transformado por um conversor digital/analógico em sinal de controle de 4 a 20mA que irá atuar o elemento nal de controle para o posicionamento adequado. f) Cartões de comunicação Permitem a comunicação com os CLPs e podem ser fornecidos em cartões independentes ou estar incluídos nos cartões da CPU. Esses cartões permitem a comunicação com diversos padrões elétricos e diversos protocolos de comunicação. São exemplos de padrões elétricos:

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• RS 232; • RS 485; • RS 422; • Ethernet . 5.1.5. Arquitetura de automação simplificada (remotas de campo) A arquitetura de automação mais utilizada atualmente trabalha com o conceito de remotas do CLP, conforme explicado a seguir: Um dos recursos disponíveis no CLP é o de se colocar cartões de entrada e saída próximos aos instrumentos de campo. Esse recurso tem como principal vantagem a economia de cabos e bandejamento que seriam necessários para se levar os sinais até a sala dos CLPs. As remotas se comunicam com as CPUs através de redes proprietárias de comunicação.

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A ilustração, a seguir, apresenta o interior de um painel de Remota de CLP. Remotas de CLP

Cartão de E/S

Cartão de comunicação

Eletro-calha

121 5.1.6. Programação dos CLPs Para se programar um CLP deve-se conhecer sua linguagem de programação. A IEC padronizou quatro tipos de linguagens de programação: • Ladder ; • Bloco de funções; • Lista de instruções; • Texto estruturado. Dessas, a mais utilizada é a Ladder , que se consolidou como a linguagem mais utilizada em todos os CLPs.

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a) Tipos de linguagens de programação A seguir, um exemplo de programação de uma linha nos quatro padrões da IEC: Tipo de Linguagem

Operação lógica E entre entradas A e B invertido com resultado escrito em C

1- Diagrama Ladder

2- Lista de instrução

LD A ANDN B ST C

3- Texto estruturado

C = A AND NOT B

122 4- Bloco de funções

Para programar um CLP é necessário um computador e um software de programação, isto é, uma interface, que possibilite ao técnico inserir, alterar e monitorar um programa no CLP. Cada fabricante tem seu software de programação que também depende do modelo do CLP. Por exemplo: Fabricante GE Fanuc Allen Bradley Altus Siemens

Software de programação LM90, Proficy Machine RSlogix MasterTool SIMATIC S7

Para cada fabricante existe uma forma de endereçamento diferente e cada modelo do mesmo fabricante pode ter características diferentes, que o técnico programador deve conhecer. A tabela, a seguir, exemplica as diferentes formas de endereçamento da Allen Bradley e da GE Fanuc :

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Tipo de Sinal AB GE

Entrada discreta I : 001/00 %I00001

Saída discreta O : 001/00 %Q00001

Entrada analógica N : 001/00 %AI00001

Saída analógica N : 001/00 %AQ00001

b) Diagrama Ladder Essa é uma forma de programação usada para instruir o CLP sobre a lógica a ser utilizada para relacionar entradas e saídas. Utiliza símbolos similares aos usados em diagramas elétricos de relés como linguagem de programação, conforme tabela a seguir: Símbolos básicos do diagrama Ladder Examine ON

Indica a necessidade de que o ponto monitorado tenha valor 1 para que seja satisfeita a condição de se energizar o circuito.

Examine OF

Indica a necessidade de que o ponto monitorado tenha valor 0 para que seja satisfeita a condição de se energizar o circuito.

Bobina (energizar saída)

Se energizado, indica que todas as condições foram atendidas para que se energize a saída.

Com a associação desses símbolos básicos podemos programar vários circuitos com diversas utilidades. Por exemplo: Exemplos de circuitos simples Circuito simples

Uma entrada energiza uma saída.

Circuito em série

Duas condições em série têm que ser atendidas para energizar a saída.

Circuito em paralelo

O atendimento de qualquer uma das condições em paralelo energiza a saída.

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Alta Competência

Exemplos de circuitos simples Deve ser satisfeita a condição A ou B e a condição C para energizar D.

Circuitos sérieparalelo Deve ser satisfeita a condição A e B ou a condição C para energizar D.

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Circuito de selo

O acionamento da entrada A aciona a bobina B e o próprio sinal do acionamento da bobina mantém a bobina energizada. Note que neste circuito será mantida a bobina energizada após o primeiro acionamento. Para corrigir este problema devemos combinar com um circuito em série para desligar o circuito. Onde o acionamento de C desligaria o circuito.

5.2. Sistemas Digitais de Controle Distribuídos (SDCD) O dispositivo executor de lógica utilizado na maioria das unidades marítimas do E&P operadas pela Petrobras é o CLP. Entretanto, em algumas unidades terrestres do E&P, em unidades afretadas e possivelmente em unidades futuras, o dispositivo executor é - ou deverá ser - o Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD).

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5.2.1. Conceito Em plantas industriais mais antigas é possível observar que o operador de campo realiza um trabalho de controle distribuído. Isso ocorre porque, quando necessário, ele deve atuar em válvulas espalhadas pela planta conforme as indicações dos instrumentos locais de medição e o comportamento do processo. Todo trabalho é manual e isso exige que o técnico de operação interaja diretamente com os equipamentos da planta. A evolução tecnológica, principalmente da computação e das redes de comunicação, trouxe grandes mudanças para a forma de operar as plantas industriais. A automação industrial permitiu centralizar em um mesmo local grande parte da monitoração dos instrumentos da planta e comandar à distância a atuação das válvulas e equipamentos, reduzindo a exposição dos técnicos de operação.

125 Como visto, as primeiras arquiteturas de automação que permitiam operação centralizada e remota em salas de controle concentravam, também, toda a interligação e processamento dos sinais em CLPs localizados também na sala de controle. Essa arquitetura era onerosa, dicultava a manutenção e expansões visto que toda a infra-estrutura era centralizada em um único local. Os Sistemas Digitais de Controle Distribuídos (SDCD) surgiram como evolução natural dessa arquitetura. Nas arquiteturas baseadas em SDCD, a interligação e processamento dos sinais gerados pela instrumentação são feitos em processadores instalados em painéis remotos localizados na planta, mais próximos dos instrumentos e elementos nais de atuação. A comunicação entre os processadores e as estações de operação na sala de controle é feita por rede de comunicação. Dessa forma, a capacidade de controle passa a ser distribuída, embora a operação possa continuar sendo feita a partir da sala de controle. A imagem a seguir ilustra a arquitetura básica do SDCD.

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Rede ethernet Estações de operação

Servidor de dados

Estação de engenharia

Rede proprietária Infi-Net Unidades de controle de processo Entradas e saídas dos instrumentos da planta de processo

Arquitetura do SDCD

Entre as vantagens deste tipo de arquitetura, temos:

126

• Redução do custo de cabeamento entre instrumentos de campo e sala de controle pela instalação dos processadores mais próximos da planta e do uso de redes de comunicação; • Aumento da capacidade de expansão, tendo em vista a arquitetura modular do SDCD. A utilização de SDCDs no E&P ainda é pouco comum, porém já temos algumas plataformas afretadas operando com essa tecnologia. As diretrizes básicas para novos projetos foram modicadas, de forma a permitir que novas plataformas possam utilizar SDCD em sua automação. Os fabricantes dos SDCDs atualmente em uso pela Petrobras são: Yokogawa, ABB, Emerson e Honeywell . As imagens, a seguir, mostram um painel de controlador de campo e um rack com controlador e outros cartões.

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Painel de campo com processadores e cartões

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Rack com processadores

redundantes e outros cartões

5.2.2. Diferenças entre CLP x SDCD Os fabricantes de CLPs e SDCDs vêm procurando incorporar as vantagens de cada arquitetura na evolução dos seus produtos. Isso tem feito com que as duas linhas de equipamentos tornemse semelhantes. As mudanças são mais nítidas no campo dos CLPs, que evoluíram muito nos últimos anos em poder de processamento, suporte a linguagens de programação e ferramentas de desenvolvimento.

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Algumas características construtivas ainda diferenciam os dois tipos de equipamentos. Seguem algumas delas: • Os CLPs são projetados de forma a suportar uma quantidade muito grande de pontos em uma mesma CPU. O tempo de scan do CLP é pequeno, porém aumenta à medida que a quantidade de pontos interligados aumenta. A expansão consiste em acréscimo de cartões de E/S e rede; • Nos SDCDs, as CPUs geralmente suportam uma quantidade mais limitada de pontos e o tempo de scan é maior, mas tende a permanecer constante, mesmo que o número de pontos esteja esgotado. Para expandir, muitas vezes é necessário instalar novas CPUs além dos cartões de E/S e rede;

128

• A arquitetura dos CLPs é mais aberta. O sistema supervisório não é fornecido em conjunto com o hardware. Dessa forma, permite trabalhar em conjunto com sistemas supervisórios de diferentes fornecedores, evitando que o hardware que atrelado ao software; • Nos SDCDs, o sistema supervisório é obrigatoriamente do mesmo fabricante do hardware. A vantagem de se trabalhar com software e hardware de um mesmo fabricante é que geralmente as funcionalidades do hardware são mais bem exploradas e o conjunto trabalha de forma mais estável; • Os SDCDs historicamente sempre trabalharam com processadores de maior porte, o que permitiu o desenvolvimento de funcionalidades que exigem maior poder computacional. Sua aplicação mais adequada é para controle analógico de processos, embora possa ser utilizado em intertravamento de segurança; • Os CLPs só passaram a ganhar processadores mais potentes nos últimos anos. Sua aplicação mais comum é em sistemas discretos de intertravamento de segurança, que exigem pouca capacidade computacional. No entanto, também é possível realizar controle regulatório de processo utilizando CLPs;

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• As ferramentas de desenvolvimento dos SDCDs, mesmo os primeiros modelos, permitem trabalhar com linguagens de programação de mais alto nível (exemplo: diagramas de blocos funcionais, texto estrutural, programação orientada a objeto). Geralmente suportam programação baseada em TAGs (variáveis internas), o relacionamento entre as variáveis e os endereços de E/S pode ser feita ao nal da implementação; • Os CLPs tradicionalmente são programados exclusivamente em linguagem Ladder , embora os mais atuais suportem outras linguagens. A programação é orientada diretamente aos endereços de E/S. A ilustração a seguir mostra o desenvolvimento de lógica em diagrama de blocos funcionais em um SDCD.

129

Tela de conguração de lógica com blocos funcionais

5.3. Redes de campo Outra tecnologia que vem sendo empregada cada vez mais no E&P é a utilização de “instrumentação inteligente”, interligada por redes de comunicação de campo.

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5.3.1. Conceito Com o avanço da tecnologia dos microcontroladores e das redes, a utilização de instrumentos inteligentes com capacidade de auto diagnóstico e possibilidade de conguração remota se tornaram evidentes, entretanto, o padrão de interligação elétrica em 4-20mA não permite utilizar essas funcionalidades. A m de possibilitar o uso das funcionalidades disponíveis nos instrumentos baseados em microcontroladores, foi criado o padrão Hart , que consiste de um padrão de comunicação onde um sinal digital é sobreposto ao sinal de 4-20mA. O Hart foi o início do uso de informações enviadas pelos instrumentos na forma digital. No Hart , o sinal de controle continua sendo enviado em 4-20mA, necessitando que cada instrumento seja interligado ponto a ponto à remota do CLP.

130

Em seguida, surgiram padrões de comunicação nos quais os instrumentos se comunicam exclusivamente por sinais digitais, permitindo que sejam interligados em uma arquitetura de rede do tipo barramento, por exemplo, existindo apenas um único cabo para a interligação de diversos instrumentos ao controlador. Entre estes novos padrões estão a rede Profibus PA e a rede Fieldbus Foundation (FF), tecnologia que vem ganhando amplo uso na Petrobras. O esquema, a seguir, apresenta uma comparação entre arranjo de interligação dos instrumentos na forma tradicional (4-20mA) e os instrumentos que se conectam ao sistema de automação utilizando uma rede de campo.

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Interligação tradicional

Rede de campo

Rede Ethernet HSE

CLP

Linking Device Remota do CLP H1

4-20mA tradicional Uma variável Uma direção

Rede de campo Múltiplas variáveis Ambas as direções

Comparação entre arranjos de interligação dos instrumentos [ilustração retirada de: Fieldbus Foundation Technical Overview FD-043 Revision 3.0]

A rede Fieldbus Foundation (FF) se distingue da rede Profibus PA por permitir que a estratégia de controle seja executada nos próprios instrumentos, aproveitando a capacidade de processamento do dispositivo. Essa é uma das características mais atraentes da tecnologia. 5.3.2. Comparação entre Fieldbus Foundation (FF x CLP) A tabela a seguir faz uma comparação entre a tecnologia de redes de campo Fieldbus Foundation (FF) e os CLPs: Vantagens do FF

Vantagens do CLP • Maior disponibilidade de mão de obra

• Maior capacidade de diagnóstico e

aumento das funcionalidades disponíveis devido à utilização de rede de comunicação digital; • Redução da ação; • Capacidade de se fazer o controle de

forma distribuída.

com conhecimento para realizar serviços de integração; • Maior facilidade de instalação, visto

que a instalação da rede FF requer maior cuidado no uso de fios corretos, conexões e aterramento, pois é mais susceptível a ruídos. Necessita de profissional mais qualificado para instalação.

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Alta Competência

5.4. Exercícios 1) Dena o que é um Controlador Lógico Programável (CLP). _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 2) É correto armar que um CLP é dedicado à automação de máquinas e processos? Justique sua resposta. _______________________________________________________________ ________________________________________________________________

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3) Assinale com um X as alternativas correspondentes às vantagens do CLP em relação aos painéis de relés. ( ) Fácil manutenção (módulos de encaixe). ( ) É menos conável do que a tecnologia de relés. ( ) Não necessitam de manutenção. ( ) Facilidade de expansão. ( ) Tamanho reduzido.

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4) Complete a segunda coluna de acordo com a primeira. ( ) Arquitetura onerosa, diculdade na manutenção e expansões. ( ) A interligação e processamento dos sinais gerados pela instrumentação são feitos em processadores instalados em painéis remotos localizados na planta, mais próximos dos instrumentos e ele( a ) CLP mentos nais de atuação. ( ) São projetados de forma a suportar uma ( b ) SDCD quantidade muito grande de pontos em uma mesma CPU. ( c ) Painéis a relé ( ) Sua aplicação mais comum é em sistemas discretos de intertravamento de segurança. ( ) Sua capacidade de controle passa a ser distribuída, embora a operação possa continuar sendo feita a partir da sala de controle. 5) Qual a principal diferença entre a rede Fieldbus Foundation (FF) e a rede Profibus PA? _______________________________________________________________ ________________________________________________________________

RESERVADO

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Alta Competência

6) A tabela a seguir faz uma comparação entre a tecnologia de redes de campo Fieldbus Foundation (FF) e os Controladores Lógico Programáveis (CLPs). Identique na coluna da esquerda as vantagens de cada um dos sistemas colocando o código “FF” e “CLP”. Maior capacidade de diagnóstico e aumento das funcionalidades Redução da ação. Maior disponibilidade de mão de obra com conhecimento para realizar serviços de integração. A instalação da rede FF requer maior cuidado no uso de os corretos, conexões e aterramento, pois é mais susceptível a ruídos. Necessita de prossional mais qualicado para instalação.

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Capacidade de se fazer o controle de forma distribuída.

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5.5. Glossário Back plane - placa traseira do rack que possui conectores e barramento. É a

responsável pela interligação elétrica entre os diversos cartões do CLP. Bit - dígito binário. A menor unidade de informação de um computador. Um bit

pode assumir apenas um entre dois valores: 0 e 1. CLP - Controlador Lógico Programável. CPU - Central Process Unit . Unidade central de processamento. Ethernet - padrão muito usado para a conexão física de redes locais,

originalmente desenvolvido pelo Palo Alto Research Center (PARC) da Xerox nos EUA. Descreve protocolo, cabeamento, topologia e mecanismos de transmissão. A informação pode ser transmitida em modo "Broadcast", ou seja, para todos os outros computadores da rede e não apenas para um só. FF - Fieldbus Foundation - associação de mais 140 empresas que possuem 95% do fornecimento de instrumentação e produtos de controle. Hardware - parte física do computador, ou seja, é o conjunto de componentes

eletrônicos, circuitos integrados e placas, que se comunicam através de barramentos. Em contraposição ao hardware, o software é a parte lógica, ou seja, o conjunto de instruções e dados processado pelos circuitos eletrônicos do hardware. Hart - ( Highway Addressable Remote Transducer ) é um protocolo utilizado para

comunicação entre sistemas de tempo real, principalmente em aplicações de automação industrial. HSE - High Speed Ethernet . Protocolo especicado pela tecnologia Fieldbus Foundation (FF). Faz a troca de informações entre Linking devices com o sistema supervisório. IEC - International Electrotechnical Commission. Comissão Internacional Eletrotécnica. Ladder - linguagem de programação mais utilizada nas plataformas para

programação dos CLPs. PID - Controlador Proporcional-Integral-Derivativo. Rack ou Chassi - é o bastidor onde são encaixados os cartões CLP.

Relé - dispositivo eletro-mecânico ou não, com inúmeras aplicações possíveis em comutação de contatos elétricos, servindo para ligar ou desligar dispositivos. SDCD - Sistemas Digitais de Controle Distribuídos. Software - qualquer programa ou conjunto de programas de computador. Standby - modo de espera.

TAG - o mesmo que Tagname, que signica a identicação do instrumento/ equipamento. RESERVADO

135

Alta Competência


136

RESERVADO


5.7. Gabarito 1) Dena o que é um Controlador Lógico Programável (CLP). O CLP é um microcomputador dedicado à automação de máquinas e processos, no qual informações provenientes do processo (entradas) são processadas em um programa (processamento) que gera respostas para atuar no processo (saídas). 2) É correto armar que um CLP é dedicado à automação de máquinas e processo? Justique sua resposta. Sim, pois é nele que as informações provenientes das entradas são processadas em um programa que gera respostas para atuar nas saídas. 3) Assinale com um X as alternativas correspondentes às vantagens da CLP em relação aos painéis de relés. ( X ) Fácil manutenção (módulos de encaixe). (

) É menos conável do que a tecnologia de relés.

(

) Não necessitam de manutenção.

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( X ) Facilidade de expansão. ( X ) Tamanho reduzido. 4) Complete a segunda coluna de acordo com a primeira. (c) (b) ( a ) CLP ( b ) SDCD

(a)

( c ) Painéis a relé

(a) (b)

Arquitetura onerosa, diculdade na manutenção e expansões. A interligação e processamento dos sinais gerados pela instrumentação são feitos em processadores instalados em painéis remotos localizados na planta, mais próximos dos instrumentos e elementos nais de atuação. São projetados de forma a suportar uma quantidade muito grande de pontos em uma mesma CPU. Sua aplicação mais comum é em sistemas discretos de intertravamento de segurança. Sua capacidade de controle passa a ser distribuída, embora a operação possa continuar sendo feita a partir da sala de controle.

5) Qual a principal diferença entre a rede Fieldbus Foundation (FF) e a rede Profibus PA? A FF se diferencia por permitir que a estratégia de controle seja executada nos próprios instrumentos.

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6) A tabela a seguir faz uma comparação entre a tecnologia de redes de campo Fieldbus Foundation (FF) e os Controladores Lógico Programáveis (CLPs). Identique na coluna da esquerda as vantagens de cada um dos sistemas colocando o código “FF” e “CLP”. FF

Maior capacidade de diagnóstico e aumento das funcionalidades.

FF

Redução da ação.

CLP

Maior disponibilidade de mão de obra com conhecimento para realizar serviços de integração.

CLP

A instalação da rede FF requer maior cuidado no uso de os corretos, conexões e aterramento, pois é mais susceptível a ruídos. Necessita de prossional mais qualicado para instalação.

FF

Capacidade de se fazer o controle de forma distribuída.

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6 o l u t í p a C

Sistemas de supervisão e controle Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Conceituar o que são sistemas de supervisão e controle; • Identicar a função de diferentes telas da ECOS; • Diferenciar as interfaces classicando-as como avançadas e básicas; • Identicar as características principais de um sistema de supervisão.

RESERVADO

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Capítulo 6. Sistemas de supervisão e controle

6. Sistemas de supervisão e controle

O

sistema supervisório é a principal interface de comunicação entre o técnico de operação e o sistema de automação e controle da planta de pro cesso. A partir de agora serão apresentadas as principais características e funcionalidades desse recurso.

6.1. Conceito O sistema supervisório é constituído de telas e janelas. As telas têm como características principais a ocupação de todo o espaço disponível no monitor e a apresentação de vários dados de um sistema para o técnico de operação. A janela é normalmente acionada de dentro de uma tela e tem como características principais a ocupação de apenas uma parte da área do monitor e de ser especíca para um determinado instrumento. 6.1.1. Características e implementações O CLP por si só não apresenta uma interface apropriada para fornecer as informações necessárias aos técnicos de operação. Para isso foram desenvolvidos os sistemas supervisórios que nada mais são do que hardwares e softwares dedicados a transformar informações provenientes dos instrumentos de campo, dos próprios CLPs ou mensagens de erro em algo perceptível aos técnicos de operação. Como características principais dos sistemas supervisórios, podemos citar: • Interface amigável com o técnico de operação; • Histórico de alarmes e variáveis; • Dinâmica com grácos; • Integração dos dados de todos os CLPs dos sistemas da plataforma;

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141

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• Emissão de relatórios; • Registro de eventos.

A seguir é apresentada uma tela do sistema supervisório com a representação gráca da planta de processo, com objetos animados para representar o estado atual de válvulas, alarmes e valores aquisitados pela instrumentação de campo.

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Exemplo de tela para supervisão de poços produtores

A especicação técnica da Petrobras ET-3000.00-5520-850-PCI-002 (Funções do módulo de operação e supervisão da ECOS) determina a forma de se construir a aplicação de supervisão para as unidades do E&P, denindo os símbolos que devem ser utilizados, as cores, funcionalidades etc. A ET baseou-se em um programa de construção dessas aplicações, o VXL que somente roda em hardwares especiais (estações Alpha) sobre um sistema operacional especial, o VMS. Também existem aplicações construídas com outros softwares que rodam em máquinas padrão PC executando o sistema operacional Windows. Nas aplicações construídas em softwares diferentes do VXL essa ET é seguida com algumas restrições.

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Nas unidades do E&P da UN-BC são utilizadas duas tecnologias de supervisórios: ECOS e ESC. • ECOS e ESC A Estação Central de Operação e Supervisão (ECOS) é baseada em microcomputadores ALPHA/RISC , com sistema operacional Open VMS da Digital/Compaq. O software supervisório é o VXL da CSI. A Estação de Supervisão e Controle (ESC) é baseada em microcomputadores padrão IBM/PC, com sistema operacional Windows NTTM,da Microsoft . O software supervisório é o InTouchTM,da Wonderware Corporation . Relação das plataformas da UN-BC que possuem ECOS e ESC: ECOS P-08, P-18, P-19, P-20, P-25, P-27, P-31, P-32, P-33, P-35, P-37, P-47, PCE-1.

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ESC P-07, P-09, P-12, P-15, PGP-1, PPG-1, PVM-1, PVM-2, PVM-3, PCP-1/3, PCP-3, PCH-1, PCH-2, PPM-1, PNA-1 e PNA-2.

Independente do tipo de sistema supervisório e CLP utilizado, a comunicação entre eles é realizada com softwares especícos para este m, chamados drivers de comunicação. •

Driver de comunicação

Para que o supervisório possa ser o mesmo para todos os tipos de conexões de rede e fabricantes de CLP, foi criada uma interface que faz a “tradução” dos métodos de comunicação, endereçamento e outros detalhes. A essa interface é dado o nome de driver de comunicação. Sem o driver de comunicação não existe a comunicação entre os componentes de controle, CLP, e os softwares de supervisão. O driver de comunicação tem que estar sempre ativo na estação de trabalho, ECOS e ESC. Se a estação de trabalho se comunica com diversos CLPs de diversos fabricantes, são necessários vários drivers de comunicação para a realização efetiva da comunicação. RESERVADO

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6.2. Exemplos de telas Na especicação técnica da Petrobras ET-3000.00-5520-850-PCI-002 (Funções do módulo de operação e supervisão da ECOS), é denido que as telas de supervisão devem ser construídas em fundo preto. Para melhor o contraste na impressão, algumas telas apresentadas na apostila tiveram o fundo preto removido. 6.2.1. Tela inicial Possui botões que são links para as diferentes telas da aplicação. A ilustração a seguir apresenta a tela inicial para uma unidade de produção offshore do E&P.

144 Produção e utilidades não eléticas

Elétrica

Segurança Lastro

Tela inicial do sistema de supervisão

Pode-se ver nessa tela que há cores diferentes para os botões que chamam as telas de cada subsistema: • Produção e utilidades não elétricas; • Elétrica; • Segurança; • Lastro.

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A partir dos botões presentes nessa tela, é possível o técnico de operação acessar diretamente as telas relacionadas aos elementos do subsistema desejado. Além disso, os botões são animados conforme a condição atual dos alarmes relativos aos elementos representados na tela. Caso ocorra um alarme de pressão muito alta, por exemplo, na linha de chegada do poço produtor A, o botão associado “POÇOS PROD. A/B” irá piscar em vermelho.

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Detalhe mostrando o botão “POÇOS PROD. A/B”

6.2.2. Telas de produção São telas que mostram partes do processo. Os valores atuais das variáveis analógicas, status de variáveis discretas (como, por exemplo, pressão alta) são representados através da mudança de cor da pastilha de alarme. Se os equipamentos cam vermelhos, isso signica que a pressão passou do valor pré-estabelecido no pressostato. As bombas apresentam a cor verde sempre que estiverem ligadas e em funcionamento. A ilustração a seguir mostra uma tela de supervisão da parte nal da planta de processo, na qual é possível supervisionar o último estágio de separação e exportação do óleo produzido.

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146 Uma das telas da produção

6.2.3. Tela do sistema elétrico Estas telas mostram os barramentos de distribuição de energia (diagrama unilar), os geradores e demais componentes do sistema elétrico. Como característica importante, destacam-se as telas desse sistema cuja cor verde signica barramento desenergizado e a cor vermelha, que signica barramento energizado. A seguir, um exemplo de tela do sistema elétrico de uma plataforma.

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Tela com diagrama unilar do sistema elétrico

6.2.4. Telas de segurança Nessas telas é mostrada a segregação das zonas nas diversas elevações. A partir dessa tela são feitos os links para as telas de F&G e VAC das respectivas zonas. A seguir, um exemplo de tela com a visualização das diversas zonas de segurança. Assim como na tela inicial, se algum elemento representado na zona entrar em alarme, a zona correspondente irá piscar em vermelho.

Tela de segurança

RESERVADO

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6.2.5. Tela de estado Esta tela apresenta um resumo do estado atual da Unidade, indicando o estado atual de ESD ( shutdown) e os níveis ESD-2, ESD-3P, ESD-3T ou ESD-4. A tela de estado informa, além disso, se há fogo ou gás detectado/conrmado em alguma zona da Unidade. Um exemplo de tela de estado da plataforma é apresentado a seguir:

148

Tela de estado da plataforma

6.2.6. Telas de lastro Existentes somente nas Unidades offshore flutuantes como SSs, FSOs e FPSOs. Apresentam diagramas simplificados do sistema com o estado de válvulas de caixa de mar, posição de portas e escotilhas, nível de tanques e demais componentes do sistema de lastro. Observe a seguir um exemplo de uma das telas de lastro de uma Unidade semi-submersível.

RESERVADO


149

Tela do nível dos tanques de lastro de uma SS

6.3. Interfaces básicas A partir da IHM é possível o operador realizar o acionamento ou desligamento de equipamentos a distancia por meio de “botões” virtuais nas telas. Estando na tela em que mostra a parte do sistema onde se encontra o equipamento que se deseja ligar/desligar ou abrir/ fechar, clica-se no TAG do mesmo. Será então aberto um pop-up com os botões virtuais para o acionamento do equipamento. A ilustração a seguir mostra uma janela usada para o acionamento de bombas.

Exemplo de janela de comando para uma bomba

RESERVADO

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A indicação do estado da planta e dos equipamentos pode ser apresentada através de: • Pequenas janelas, onde são apresentados os valores analógicos de pressão, temperatura, nível etc.; • Pelas cores das válvulas, bombas etc.; • Pela cor das pastilhas de alarme visual. As próximas imagens mostram os detalhes apresentados nas telas de processo do sistema de supervisão. Janela indicativa de valor de variável analógica, no caso o nível no vaso (%).

150

Pastilha de alarme. Neste caso, se houver um evento de nível muito alto, essa pastilha ficará piscando em vermelho.

O estado dos equipamentos é indicado através da sua cor.A cor verde, no caso de uma válvula, representa que ela está aberta.

Indicações de variáveis no sistema de supervisão

Os instrumentos que estão em by-pass apresentam o TAG na cor laranja. Alarmes de discrepância, que ocorrem quando uma válvula/ bomba é comandada para a posição aberto/ligado ou fechado/ desligado e após uma temporização não há o retorno para o CLP da conrmação do novo estado, são animados na cor amarela.

Pressostato PSL122385A by-passado.

Iniciador bypassado (PAL – 122385A) RESERVADO


Discrepância entre comando enviado para a bomba e retorno do estado

Visualização de discrepância

6.4. Interfaces avançadas Além das telas de supervisão do processo, o sistema supervisório conta com um conjunto amplo de telas ou janelas que permitem parametrizar controladores, reconhecer alarmes e acessar outros recursos do sistema. 6.4.1. Parametrização de PID’s Para facilitar mudanças na estratégia de controle dos controladores PID é disponibilizada uma janela na qual os parâmetros relevantes para o técnico de operação podem ser alterados. Na janela representada a seguir o técnico de operação pode alterar o set-point , os ganhos do controlador, os valores de set para os préalarmes e se o controlador está em automático ou manual.

Tela de parametrização de controlador PID

RESERVADO

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Alta Competência

6.4.2. Alarmes A operação de reconhecimento de alarmes registra no histórico do supervisório o momento em que o técnico de operação respondeu a um alarme gerado pelo sistema de automação. Os alarmes no sistema supervisório geram uma indicação visual e uma indicação sonora, que só serão interrompidas ao se reconhecer o alarme. Um exemplo da parte superior da tela do supervisório, onde é possível anunciar e reconhecer alarmes está apresentado a seguir:

Botão onde é realizado o reconhecimento

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Janela onde é feita a anunciação visual dos alarmes, exibindo o ultimo alarme ativo.

Janela de exibição de alarmes

Se ocorrer mais de um alarme simultâneo, não há como todos os alarmes serem mostrados na janela de alarmes. Para isso existe o sumário de alarmes, que os organiza em ordem decrescente de data da ocorrência, agrupando-os por prioridade. A seguir, uma tela típica de um sumário de alarmes. Nesta tela são apresentados todos os alarmes ainda ativos, reconhecidos ou não, ordenados de forma decrescente por hora de anunciação. Cada linha apresenta o TAG do alarme, hora em que foi anunciado e descrição:

RESERVADO


153

Janela do sumário de alarmes

6.4.3. Matriz de causa e efeito ( by-pass e override) Nas telas de produção, a partir do ícone de chamada das matrizes de causa e efeito, é possível abrir uma tela da “matriz de causa e efeito” (CxE), relacionada ao processo em questão. Essa tela apresenta o relacionamento entre os iniciadores e os elementos nais das malhas de intertravamento. A ilustração a seguir mostra no detalhe como as telas de “matriz de causa e efeito” podem ser acessadas a partir das telas de processo.

Botão de chamada as matrizes de causa e efeito (CxE)

Botão de chamada para matriz de CxE

RESERVADO

Alta Competência

Para se executar alterações, manutenções e sanar defeitos espúrios dos sistemas, pode ser necessária a inibição dos sinais de campo ou das saídas do CLP. Em automação, a inibição de um sinal de entrada é denominado de by-pass e a inibição de um sinal de saída é conhecido como override. A ilustração a seguir apresenta uma tela de “matriz de causa e efeito”.

Botões para o acionamento da funcionalidade de override.

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Botões para o acionamento da funcionalidade de by-pass.

Tela de matriz de CxE

6.4.4. Diagnósticos do sistema de automação Telas especícas do sistema de automação onde são apresentados os diagnósticos incorporados. Facilitam a identicação da falha pela equipe de automação, imediatamente após ela ter sido comunicada pelo técnico de operação. A seguir, o detalhe da monitoração do estado de um canal de comunicação entre Unidade Pacote e sistema supervisório.

RESERVADO


Rede de comunicação não implementada Rede de comunicação OK

Exemplo de diagnóstico do sistema de automação

6.4.5. Arquiteturas básicas Essa tela mostra, de forma geral, a arquitetura de automação e apresenta diagnósticos associados. A partir dela podem ser abertas outras telas que apresentam em detalhes o sistema de automação, apresentando as remotas de E/S e os seus respectivos status. A seguir é apresentada uma tela resumo do sistema de automação de uma unidade de produção.

Vista geral da arquitetura de automação de uma plataforma de produção do E&P

RESERVADO

155

Alta Competência

6.5. Exercícios 1) Quais as principais funções dos sistemas supervisórios? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________

156

RESERVADO


2) Identique as diferentes telas da ECOS (Estação Central de Operação e Supervisão) correlacionando-as com suas funções na coluna da direita. ( a ) Telas de produção

( )

Existentes somente nas Unidades offshore utuantes como SSs, FSOs e FPSOs. Apresentam diagramas simplicados do sistema com o estado de válvulas de caixa de mar, posição de portas e escotilhas, nível de tanques e demais componentes do sistema de lastro.

( b ) Tela do sistema elétrico

( )

Esta tela apresenta um resumo do estado atual da Unidade, indicando o estado atual de ESD ( shutdown) e os níveis ESD-2, ESD-3P, ESD-3T ou ESD-4. A tela de estado informa, além disso, se há fogo ou gás detectado/conrmado em alguma zona da Unidade.

( c ) Telas de segurança

( )

São telas que mostram partes do processo. Os valores atuais das variáveis analógicas, status de variáveis discretas (como, por exemplo, pressão alta) são representados através da mudança de cor da pastilha de alarme.

( d ) Tela de estado

( )

Estas telas mostram os barramentos de distribuição de energia (diagrama unilar), os geradores e demais componentes do sistema elétrico. Como característica importante, destacam-se as telas desse sistema cuja cor verde signica barramento desenergizado e a cor vermelha, que signica barramento energizado.

( e ) Telas de lastro

( )

Nessas telas é mostrada a segregação das zonas nas diversas elevações. A partir dessa tela são feitos os links para as telas de F&G e VAC das respectivas zonas.

RESERVADO

157

Alta Competência

3) Como o estado da planta e dos equipamentos podem ser representados nos sistemas supervisórios? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 4) Diferencie o grau de complexidade das interfaces a seguir classicando-as como avançadas ( a ) e básicas ( b ). ( ) Abrir/fechar válvulas ( ) Anunciação e reconhecimento de alarmes ( ) Ligar/desligar equipamentos ( ) Parametrização de controlador PID ( ) Matriz de causa e efeito

158

RESERVADO


6.6. Glossário By-pass - recurso utilizado para inibir a lógica de alarme e ação de intertravamento

quando da atuação de um sensor especicado com essa nalidade. Esse recurso é muito utilizado para permitir a manutenção de sensores na planta de processo sem correr o risco de provocar intertravamento espúrio. By-passado - colocado em by-pass.

CLP - Controlador Lógico Programável. ECOS - Estação Central de Operação e Supervisão. ESC - Estação de Supervisão e Controle. ESD - intertravamento de segurança. F&G - Fogo e Gás. FPSO - Floating, Production, Storage and Offloading Unit . Unidade utuante de produção, armazenamento e transferência de petróleo. FSO - Floating, Storage and Off-loading. Sistema utuante de armazenamento e transferência. Hardware - parte física do computador, ou seja, é o conjunto de componentes

eletrônicos, circuitos integrados e placas, que se comunicam através de barramentos. Em contraposição ao hardware , o software é a parte lógica, ou seja, o conjunto de instruções e dados processado pelos circuitos eletrônicos do hardware . Offshore - localizado ou operado no mar. Override - recurso utilizado para forçar o estado de uma saída discreta. Pode ser

utilizado, por exemplo, para forçar a abertura ou fechamento de uma válvula de segurança. PID - Controlador Proporcional-Integral-Derivativo. Set-point - valor de referência a ser perseguido pelos algoritmos de controle. Software - qualquer programa ou conjunto de programas de computador. Shutdown - o mesmo que intertravamento. É a ação de levar a planta de processo

para o estado seguro. SS - plataformas semi-submersíveis. TAG - o mesmo que tagname, signica a identicação do instrumento/ equipamento. VAC - sistema de ventilação e ar condicionado. VMS - sistema operacional utilizado pelo VXL e executado em estações Alpha/ Itanium. VXL - sistema supervisório, executado em sistema operacional VMS. É o software utilizado nas estações ECOS.

RESERVADO

159

Alta Competência

6.7. Bibliografia DUARTE, Fábio Gil Martins; CHIESSE, Alcio Rodrigues; BORGES FILHO, Álvaro de Miranda; SANTOS, Cláudio Antonio dos. Curso de CLP e Automação Industrial para Operadores. Apresentação em Power Point. Petrobras. Rio de Janeiro. PETROBRAS. Funções do módulo de operação e supervisão da ECOS. ET-3000.005520-850-PCI-002. Especicação técnica da Petrobras. UN-ES/ATP-JUB/CHT. 2003.

160

RESERVADO


6.8. Gabarito 1) Quais as principais funções dos sistemas supervisórios? • Apresentação de variáveis de processo em tempo real; • Geração de gráfcos de tendência de variáveis de processo; • Anunciação e Reconhecimento de alarmes; • Sinalização de estado operacional de equipamentos; • Ligar e Desligar equipamentos; • Registro de eventos; • Bypass e override override de de instrumentos; • Parametrização de controladores; • Emissão de relatórios.

2) Identique as diferentes telas da ECOS (Estação Central de Operação e Supervisão) Su pervisão) correlacionando-as com suas funções na coluna da direita. (a)

Telas de produção

( e )

Existentes somente nas Unidades offshore utuantes como SSs, FSOs e FPSOs. Apresentam diagramas simplicados do sistema com o estado de válvulas de caixa de mar, posição de portas e escotilhas, nível de tanques e demais componentes do sistema de lastro.

( b)

Tel elaa do do si sistema elétrico

( d )

Esta tela apresenta um resumo do estado atual da Unidade, indicando o estado atual de ESD shutdown) e os níveis ESD-2, ESD-3P, ESD-3T ou ( shutdown ESD-4. A tela de estado informa, além disso, se há fogo ou gás detectado/conrmado em alguma zona da Unidade.

(c)

Telas de segurança

( a )

São telas que mostram partes do processo. Os valores atuais das variáveis analógicas, status de variáveis discretas (como, por exemplo, pressão alta) são representados através da mudança de cor da pastilha de alarme.

(d)

Tela de es estado

( b )

(e)

Telas de lastro

( c )

Estas telas mostram os barramentos de distribuição de energia (diagrama unilar), os geradores e demais componentes do sistema elétrico. Como característica importante, destacam-se as telas desse sistema cuja cor verde signica barramento desenergizado e a cor vermelha, que signica barramento energizado. Nessas telas é mostrada a segregação das zonas nas diversas elevações. A partir dessa tela são feitos os links para as telas de F&G e VAC das respectivas zonas.

RESERVADO

161

Alta Competência

3) Como o estado da planta e dos equipamentos podem ser representados nos sistemas supervisórios? • Utilizando pequenas janelas, onde são apresentados os valores analógicos de pressão, temperatura, nível etc.;

• Pelas cores das válvulas, bombas etc.; • Pela cor das pastilhas de alarme visual. 4) Diferencie o grau de complexidade das interfaces a seguir classicando-as como avançadas ( a ) e básicas ( b ). ( b ) Abrir/fechar ) Abrir/fechar válvulas ( a ) Anunciação ) Anunciação e Reconhecimento de Alarmes ( b ) Ligar/desligar ) Ligar/desligar equipamentos ( a ) Parametrização ) Parametrização de controlador PID ( a ) Matriz ) Matriz de causa e efeito

162

RESERVADO

7 o l u t í p a C

Gerenciamento de alarmes

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Conceituar Gerenciamento de Alarmes; • Citar condições que devem ser atendidas para que um alarme seja uma ferramenta adequada de controle; • Identicar os principais problemas apresentados por sistemas de alarme mal projetados e geridos; • Descrever etapas e resultados do Gerenciamento de Alarmes.

RESERVADO

Alta Competência

164

RESERVADO

Capítulo 7. Gerenciamento de alarmes

7. Gerenciamento de alarmes

O

aumento do automatismo e da capacidade de diagnóstico do sistema de automação das plantas de processo melhorou bastante a capacidade de efetuar o controle operacional. Entretanto, o sistema, ao registrar uma grande quantidade de sinalizações de alarme no supervisório, acabou por tornar estressante a atividade do técnico de operação, além de sujeita a erros. Isso pode ser justicado pelo fato de que inúmeros alarmes sem importância acabam sendo sinalizados da mesma forma que os alarmes relevantes. Portanto, uma reavaliação da metodologia de classicação das ocorrências relevantes, as quais devem sim gerar sinalizações de alarme, tornou-se necessária.

7.1. Conceito Todas as mudanças de estado geram uma grande quantidade de variáveis que são enviadas pelos instrumentos para o sistema de automação, podendo ser conguradas para gerar alarme (sonoro e/ ou visual) no sistema de supervisão. O técnico de operação, como qualquer ser humano, possui uma capacidade limitada de receber e processar informações em curto período de tempo. Além disso, para permitir a tomada de ações adequadas, é necessário disponibilizar um intervalo de tempo mínimo entre a anunciação do alarme e a ocorrência de um evento indesejável. Alarme é um aviso ao técnico de operação de que uma ação é necessária, com tempo restrito para ser executada. A ilustração a seguir apresenta um esquema que mostra, dentre as condições de operação do processo, a região em que deve ser realizada a anunciação dos alarmes. Pode-se ver que a região ideal para a anunciação dos alarmes é quando o sistema de controle não consegue manter a planta na condição normal. Entretanto, isso deve ocorrer antes da região em que a planta irá para a condição de ESD. Isso é importante para permitir que o técnico de operação tenha tempo de tomar uma ação capaz de retornar a planta para a condição normal.

RESERVADO

165

Alta Competência

ESD Ação operador

Ideal Normal Perturbação Shutdown

Acidente

Região do processo em que devem ser gerados os alarmes (SAITO, 2007)

7.1.1. Características básicas de um alarme

166

Algumas condições devem ser atendidas para que o alarme seja uma ferramenta adequada de controle. A seguir apontamos alguns aspectos fundamentais: • Capturar a atenção do técnico de operação O alarme deve ser anunciado de forma que o técnico de operação tome conhecimento de sua ocorrência. • Ter um destinatário (dono) Os alarmes devem ser segregados por áreas de operação, ou seja, os alarmes de produção devem ser anunciados apenas nas estações onde estão os técnicos de operação de produção, os de lastro para as estações de lastro e assim, sucessivamente. • Não ser instrumento de “tortura” O alarme só deve ser anunciado se houver necessidade de ação por parte do técnico de operação. Alarmes desnecessários tornam fatigante o trabalho do técnico de operação.

RESERVADO


• Possuir tempo exequível para ação Se em determinado evento não existir um tempo exequível para que o técnico de operação tome uma ação capaz de retornar a planta para a condição normal, não há a necessidade desse evento gerar alarme. 7.2. Principais problemas em sistemas de alarme Sistemas de alarme mal projetados e/ou mal manutenidos podem comumente apresentar diversos problemas. A seguir abordaremos os mais recorrentes: • Avalanche de alarmes Quando a planta atinge a região de perturbação ou até de shutdown, ocorre uma quantidade tão grande de alarmes, que o técnico de operação não consegue distinguir quais eventos são os iniciadores do distúrbio e quais são consequências. • Não seletividade de sinais Os alarmes não são congurados em ordem de prioridade. • Eventos normais classificados como alarmes no supervisório Há algumas ocorrências que não deveriam estar conguradas como alarme, por exemplo: as ações de liga/desliga uma bomba em um sistema de controle on-off de nível de um vaso. Essas ocorrências deveriam estar conguradas somente como eventos, apenas para registro, sem anunciação. Porém, em sistemas mal projetados estes eventos geram alarme. • Filosofia de centralização na ECOS / ESC Não há uma segregação dos alarmes por área de atividade, dicultando determinar quem é o responsável por tratar os alarmes.

RESERVADO

167

Alta Competência

• Equipamentos parados ou em manutenção Por vezes, equipamentos fora de operação continuam gerando alarmes, pois não são by-passados para manutenção ou até não possuem essa funcionalidade. • Regiões de alarme e controle conflitantes Há geração de alarme estando a planta dentro da região normal de operação, enquanto só deveria ocorrer na região de perturbação. Isso ocorre quando os set-point dos alarmes são mal projetados. • Grande quantidade de alarmes ativos

168

Não existe uma preocupação da operação em sanar estes alarmes. • Pendências de comissionamento Pressa no cumprimento de prazos para o início de produção, levando a planta a operar sem um completo comissionamento. • Mensagens mal definidas As mensagens de alarme, se não forem claras, podem não conseguir transmitir ao técnico de operação a ocorrência. Muitas vezes congurado erroneamente como alarme, temos o evento, que consiste em mudança de estado que não demanda ação do técnico de operação, não devendo ser anunciado como alarme, mas deve ser registrado no histórico de eventos. Evento gera animação em objetos da tela.

RESERVADO


Alarmes mal congurados podem ainda acarretar: • Fadiga do técnico de operação; • Perda de produção; • Maior insegurança da Unidade; • Descrédito do Sistema de Alarmes.

7.3. Gerenciamento de alarmes A ET-3500.00-5520-860-PSE-001 (Estratégia para gerenciamento de alarmes) descreve a estratégia para a realização do gerenciamento de alarmes.

169 Relação dos 30 alarmes de maior de ocorrência por Estado Estação

ESCPCH1A Limite alarme

Controle on/off

Índice

{ {

Alarme Name

1

PALL-21054

2

PAHH-21061

3

PAHH302177

4

LAH-51801

5

LAL5180101191

6

GP1_LSS_ COMSTS

7

DEF-TF01074B

8

PDAH-22213

Mensagem do alarme Pressão muito baixa B00-502 Pressão muito alta B-005028 Pressão muito alta jusante bean de gás CH-34 Alarme nível alto TQ-00332 Alarme nível baixo TQ-00332 Status comunicação LSS Defeitop TF010748 CBTPressão dif. alta FTZ-0041101A/B

Ocorrência Percentual 191

15,93

139

11,59

111

9,26

79

6,59

48

4,00

40

3,34

32

2,67

20

1,67

RESERVADO

Alta Competência

Relação dos 30 alarmes de maior de ocorrência por Estado Estação

Falha válvula

170

Índice

Alarme Name

9

LAL-51806

10

PALL-302331

11

FX21008

12

FX21022

13

LAHH1251500

14

LAHH1251501

15

LALL1251502

16

SD-CZ00342

17

TAH-30210

18

TAH-30208

19

TAH-30202

20

TAH-30209

{

Mensagem do alarme Alarme nível alto TQ-00331A Pressão muito baixa montante bean de óleo CH-31 Não fechou válvula saída de água SG-0502AXV-21008 Não fechou válvula saída de óleo SG-0502BXV-21022 Alarme nível muito alto no O-00631 A Alarme nível muito alto no O-00631 B Alarme nível muito baixo no O-00631 B Shut down compressor de ar - CZ-0342 Alarme temperatura alta no CH-10 Alarme temperatura alta no CH-17 Alarme temperatura alta no CH-34 Alarme temperatura alta no CH-14

Ocorrência Percentual 15

1,25

13

1,08

13

1.08

13

1,08

13

1.08

13

1.08

13

1.08

13

1.08

12

1,00

12

1,00

12

1,00

12

1,00

Relação dos alarmes de maior ocorrência em uma Unidade de operação offshore do E&P

RESERVADO


Para o trabalho de gerenciamento de alarmes, destacam-se as seguintes etapas: a) Com a utilização de ferramenta adequada para gerenciamento de banco de dados, realizarem o levantamento dos alarmes mais frequentes e que mais perturbam a operação, devendo ser criado um ranking dos alarmes de maior número de ocorrências/dia para os de menos ocorrências. b) A partir do levantamento dos alarmes mais frequentes, também denominados de bad actors, comporem um grupo multidisciplinar para estudar esses alarmes. c) Analisar um a um esses alarmes, partindo do mais frequente e tomando as ações necessárias para reduzir sua incidência, como por exemplo, fazendo a alteração do set de uma variável que possui valor de pré-alarme dentro da região de operação normal. Outras ações: d) Realizar a avaliação dos alarmes correlacionando severidade versus tempo de resposta, transformando os alarmes com nota zero em eventos, conforme planilha a seguir. Severidade

=>

Tempo

Alta

Média

Baixa

3

2

1

0

Curto

3

Alta – 9

Alta – 6

Média – 3

Evento – 0

Médio Longo

2 1 0

Alta – 6 Média – 3 Evento – 0

Média – 4 Baixa – 2 Evento – 0

Baixa – 2 Baixa - 1 Evento – 0

Evento – 0 Evento – 0 Evento – 0

Severidade x tempo de resposta

e) Fazer a classicação dos alarmes por área de atividade. Os alarmes devem ser segregados em subsistemas (produção, facilidades, embarcação, segurança e elétrica), de forma que o técnico de operação de produção receba, por exemplo, somente os alarmes relativos à sua área de operação e não receba um alarme de embarcação, e vice-versa.

RESERVADO

171

Alta Competência

7.4. Resultados esperados Na tabela a seguir encontra-se uma relação proposta por Donald Campbell para a classicação do nível de gestão da incidência de alarmes. Nela, há uma classicação do nível em que se encontra o sistema de alarmes de uma unidade de produção em relação à quantidade de ocorrências de alarmes/hora. Níveis de desempenho

172

Nº médio de alarme por hora

Nº médio de alarme por hora

Percentual de horas instáveis

Nível 5: preditivo

<6

< 60

< 1%

Nível 4: robusto

60 ~ 6

600~ 6

5 ~ 1%

Nível 3: estável

60 ~ 6

6000~ 6

25 ~ 1%

Nível 2: reativo

600~ 6

> 6000

50 ~ 25%

Nível 1: sobrecarregado

> 600

> 6000

> 50%

Tabela de classicação da situação dos sistemas de supervisão em relação a incidência de alarmes segundo EEMUA, 1999.

A Petrobras deseja alcançar os seguintes números: • Média de alarmes por hora < 30, • Número máximo de alarmes por hora < 600, • Percentual máximo de horas instáveis < 5%. Com isso, a Petrobras está pretendendo que seus sistemas de supervisão encontrem-se no nível robusto. É importante frisar que uma unidade de produção pode, ao longo da vida útil da mesma, sofrer diversas alterações no contexto dos sistemas de automação. Essas alterações podem ser motivadas por problemas na instrumentação de campo, adequação da planta a novas condições de processo, expansão da unidade ou manutenção rotineira. Todas essas alterações podem impactar o sistema de alarmes. RESERVADO


O Gerenciamento de Alarmes deve ser tratado como um trabalho contínuo ao longo de toda a vida da plataforma, acompanhando sempre os relatórios para evitar que os alarmes escapem do controle e voltem a ocorrer em um número maior do que desejado.

173

RESERVADO

Alta Competência

7.5. Exercícios 1) Dena com suas palavras o conceito de alarme. _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 2) Cite condições que devem ser atendidas para que um alarme seja uma ferramenta adequada de controle. _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________

174

3) Identique as situações a seguir com (a) para exemplos de má conguração de alarmes e com (b) as consequências para a unidade de um sistema de alarmes mal projetado e gerido: ( ) Inexistência de uma segregação dos alarmes por área de atividade. ( ) Excesso de anunciação de alarmes por hora nas estações de supervisão mesmo estando a planta em produção estável. ( ) Perda de produção. ( ) Descrição de alarmes mal denidas, impossibilitando a interpretação do problema por parte do técnico de operação. ( ) Maior insegurança da Unidade. ( ) Conguração de região de set-points de alarmes conitantes com região de operação normal. 4) Cite três dos problemas mais comuns em sistemas de alarme mal projetados ou que não estão sob constante manutenção. _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ________________________________________________________________

RESERVADO


5) Ordene as etapas de um trabalho de gerenciamento de alarmes. Utilize o nº1 para etapa inicial, o nº 2 para a etapa intermediária e o nº 3 para a etapa nal. ( ) Analisar um a um os alarmes mais frequentes, partindo do mais frequente e tomando as ações necessárias para reduzir sua incidência, como por exemplo, fazendo a alteração do set de uma variável que possui valor de préalarme dentro da região de operação normal. ( ) Com a utilização de ferramenta adequada para gerenciamento de banco de dados, realizar o levantamento dos alarmes mais frequentes e que mais perturbam a operação, devendo ser criado um ranking dos alarmes de maior número de ocorrências/dia para os de menos ocorrências. ( ) Compor, a partir do levantamento dos alarmes mais frequentes (também denominados de bad actors) um grupo multidisciplinar para estudar esses alarmes.

RESERVADO

175

Alta Competência

7.6. Glossário Bad actor - alarme que apresenta a maior frequência de ocorrência por intervalo

de tempo, ocasionando maior transtorno à operação. By-passado - colocado em by-pass.

ESD - intertravamento de segurança. Manutenido - sob correta rotina de manutenção. PID - Controlador Proporcional-Integral-Derivativo. Set-point - valor de referência a ser perseguido pelos algoritmos de controle.

176

RESERVADO


7.7. Bibliografia Alarm Systems – A Guide to design, management and procurement. EEMUA (Engineering Equipment and Material Users Association) Publication Nº. 191, London, U.K. 1999. DUARTE, Fábio Gil Martins; CHIESSE, Alcio Rodrigues; BORGES FILHO, Álvaro de Miranda; SANTOS, Cláudio Antonio dos. Curso de CLP e Automação Industrial para Operadores. Apresentação em Power Point. Petrobras. Rio de Janeiro. PETROBRAS. Estratégia para gerenciamento de alarmes "ET-3500.00-5520-860-PSE001. Especicação técnica da Petrobras. UN-ES/ATP-JUB/CHT. 2003. PETROBRAS. Funções do módulo de operação e supervisão da ECOS. ET-3000.005520-850-PCI-002. Especicação técnica da Petrobras. UN-ES/ATP-JUB/CHT. 2003. SAITO, Kaku. Gerenciamento de Alarmes: uma visão abrangente. Revista InTech. Nº. 101, pág. 35. Disponível em: . Acesso em: 23 mai 2008.

177

RESERVADO

Alta Competência

7.8. Gabarito 1) Dena com suas palavras o conceito de alarme. Alarme é um aviso ao técnico de operação que uma ação, com tempo restrito para ser executada, é necessária. 2) Cite condições que devem ser atendidas para que um alarme seja uma ferramenta adequada de controle. • Capturar a atenção do técnico de operação; • Ter um destinatário (dono); • Não ser instrumento de “tortura”; • Possuir tempo exeqüível para ação.

3) Identique as situações a seguir com (a) para exemplos de má conguração de alarmes e com (b) as consequências para a unidade de um sistema de alarmes mal projetado e gerido:

178

( a ) Inexistência de uma segregação dos alarmes por área de atividade. ( b ) Excesso de anunciação de alarmes por hora nas estações de supervisão mesmo estando a planta em produção estável. ( b ) Perda de produção. ( a ) Descrição de alarmes mal denidas, impossibilitando a interpretação do problema por parte do técnico de operação. ( b ) Maior insegurança da Unidade. ( a ) Conguração de região de set-points de alarmes conitantes com região de operação normal. 4) Cite três dos problemas mais comuns em sistemas de alarme mal projetados ou que não estão sob constante manutenção. • Avalanche de alarmes; • Não seletividade de sinais; • Eventos normais classifcados como alarmes no supervisório; • Filosofa de centralização na ECOS / ESC; • Equipamentos parados ou em manutenção; • Regiões de alarme e controle conitantes; • Grande quantidade de alarmes ativos; • Pendências de comissionamento; • Mensagens mal defnidas.

RESERVADO


5) Ordene as etapas de um trabalho de gerenciamento de alarmes. Utilize o nº1 para etapa inicial, o nº 2 para a etapa intermediária e o nº 3 para a etapa nal. (3)

(1)

(2)

Analisar um a um os alarmes mais frequentes, partindo do mais frequente e tomando as ações necessárias para reduzir sua incidência, como por exemplo, fazendo a alteração do set de uma variável que possui valor de pré-alarme dentro da região de operação normal. Com a utilização de ferramenta adequada para gerenciamento de banco de dados, realizar o levantamento dos alarmes mais frequentes e que mais perturbam a operação, devendo ser criado um ranking dos alarmes de maior número de ocorrências/dia para os de menos ocorrências. Compor, a partir do levantamento dos alarmes mais frequentes (também denominados de bad actors) um grupo multidisciplinar para estudar estes alarmes.

179

RESERVADO

RESERVADO

8 o l u t í p a C

Outras tecnologias relacionadas à automação

Ao final desse capítulo, o treinando poderá: • Identicar outras tecnologias relacionadas à automação.

RESERVADO

Alta Competência

182

RESERVADO

Capítulo 8. Outras tecnologias relacionadas à automação

8. Outras tecnologias relacionadas à automação

H

á alguns anos, os primeiros controladores de processos industriais eram pneumáticos, construídos com bicos de ar, palhetas e alavancas de acionamento. Os recursos de ajuste e funcionamento desses dispositivos eram bastante limitados e permitiam controlar apenas uma variável manipulando outra. A grande maioria dos controladores, nessa época, executava apenas o algoritmo de controle PI (proporcional + integral). Com o surgimento dos computadores e a evolução da automação industrial, os controladores passaram a ser computadorizados e a capacidade de processar cálculos complexos permitiu o surgimento de novos tipos de controle, entre eles os controladores multivariáveis. O termo “Controle Avançado” passou a se referir a todo controle mais sosticado do que o PID (proporcional + integral + derivativo), normalmente usado.

8.1. Controle avançado Na Petrobras, aplicações que envolvam controle avançado são muito comuns nas renarias. Só recentemente o E&P passou a empregar controles mais complexos para melhorar o desempenho de algumas Unidades de Produção. A ilustração a seguir mostra como o controle avançado se relaciona com as outras camadas de controle nas Unidades de Produção.

RESERVADO

183

Alta Competência

Outros

Dados

Otimização

Dados

Valores ideais

Camadas computador de processo

Controle avançado Dados

Set-points

Controle regulatório

184

Camada no computador CLP ou SDCD

Pirâmide das camadas de controle

A camada de controle regulatório executa os algoritmos de controle PID e normalmente roda nos CLPs. A camada de controle avançado inclui algoritmos de controle ainda simples (por exemplo, controle por bandas), que podem rodar nos CLPs, e controles mais complexos (como controle preditivo e controle multivariável), que rodam em softwares dedicados, instalados em um computador de processo, que pode ser uma estação de supervisão. Geralmente, o controle avançado trabalha como um supervisor do processo, alterando um ou mais set-points dos controladores da camada de controle regulatório. A camada de otimização tem por objetivo denir valores ideais para o controle avançado estimados com base em modelos matemáticos do processo e nanceiros. Normalmente os softwares envolvidos nessa camada rodam em um computador de processo ou em servidores de maior porte em terra. Esse tipo de controle ainda está em desenvolvimento na Petrobras.

RESERVADO


Um exemplo de controle avançado que está sendo implementado no E&P/UN-BC é o Controle de Golfadas Severas. Esse controle tem o objetivo de melhorar o escoamento da produção dos manifolds e prever a ocorrência de golfadas severas, executando ações que reduzam o efeito da golfada sobre a planta. Para isso, o controle monitora as pressões nos manifolds e nas linhas de chegada na superfície, alimenta um algoritmo matemático mais complexo e altera os set-points de abertura das válvulas de controle nas linhas de chegada, de acordo com a necessidade. O algoritmo de controle irá rodar em um software chamado “Módulo de Processamentos Automatizados descritos em LUA” (MPA-LUA), a ser instalado em uma das servidoras do sistema de supervisão de uma plataforma de produção offshore. Por questões de segurança e operação, nas implementações de controle avançado na Petrobras é previsto um mecanismo que permite ao técnico de operação inibir a atuação do controle avançado sobre o controle regulatório. Com o controle avançado desligado, o controle regulatório pode atuar normalmente, sem interferência em seu set-point . 8.1.1. Principais ferramentas Os algoritmos matemáticos da camada de controle avançado normalmente são desenvolvidos e executados em softwares específicos, instalados em um computador interligado à rede de automação da unidade. No E&P, vem sendo padronizado o uso do software MPA-LUA para elaboração e execução de controle avançado. O MPA-LUA é um software desenvolvido pela Tecgraf, centro de tecnologia em computação gráfica da PUC-RIO, em parceria com o CENPES. O software utiliza como base a linguagem de programação LUA, também desenvolvida pela mesma parceria PUC – Petrobras, em 1993. O LUA é uma linguagem de programação leve, desenvolvida para facilitar o trabalho de descrever equipamen tos e processos, permitindo ainda unir partes de um programa escritas em mais de uma linguagem. A interação entre os blocos de lógica pode ser definida por meio de fluxos de controle, conforme esquema a seguir. RESERVADO

185

Alta Competência

* avisar * início

*

* Iniciar detecta-hidrato

V

espera 5 seg.

espera 5 seg.

detecção?

quebra? V

F

* Interromper *

detecta-hidrato

186

** Iniciar quebra-hidrato

F

*Interromper * quebra-hidrato

Exemplo de uxo de controle no MPA-LUA

O software MPA-LUA foi desenvolvido para rodar no sistema operacional Windows. Todo o desenvolvimento e monitoração do funcionamento devem ser feitos em máquinas com esse sistema operacional. Contudo, é possível executar um programa já desenvolvido e compilado pelo MPA-LUA no sistema operacional VMS (diferente do Windows, muito utilizado nas unidades de produção do E&P). Na Petrobras, outro software utilizado para desenvolver e executar controle avançado é o BR LAPLACE. Esse software foi desenvolvido pelo CENPES em parceria com os engenheiros da sede do Abastecimento da própria Petrobras. No E&P ainda não existem projetos que envolvam o uso dessa ferramenta.

8.2. Sistema historiador de dados - Plant Information (PI) O sistema de supervisão possui uma ferramenta que permite o acompanhamento de algumas variáveis com a utilização de grácos de tendência (trends), mas de uma forma limitada e que requer uma conguração não muito simples. Esses grácos necessitam ser gerados nas estações de operação da unidade operacional, limitando a análise dos mesmos à equipe operacional.

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Para facilitar a análise por outros técnicos, mesmo em terra, ferramentas especícas para esta nalidade passaram a integrar o sistema de automação das unidades de produção. 8.2.1. Conceito Há no mercado alguns sistemas que permitem, através de uma interface especíca com as máquinas servidoras dos sistemas de supervisão, salvar as informações das diversas variáveis da planta em um servidor de dados dedicado. As informações das variáveis de processo são armazenadas em intervalo de tempo pré-denidos, podendo o tempo de amostragem e parâmetros de compressão de dados serem congurados variável a variável (variáveis menos críticas não devem gastar muito espaço de armazenamento no servidor de dados). A partir desses dados, é possível traçar grácos para a análise do comportamento dessas variáveis em determinado dia e hora desejados. Essa ferramenta também permite a construção de telas grácas com a apresentação dos valores das variáveis. Esse servidor é instalado na rede corporativa e permite o acesso a partir de qualquer computador na Petrobras, desde que se tenha o programa instalado e o usuário possua direito de acesso a este banco de dados. O software que foi adotado pela Petrobras para ser o historiador de dados é o Plant Information (PI) da OSI Software Incorporation. 8.2.2. Vantagens do PI Como os dados cam armazenados “eternamente”, é possível se comparar, por exemplo, a condição operacional de determinado sistema de uma plataforma de produção do E&P na condição atual, com a apresentada há dois anos. Quando há a ocorrência de um shutdown, é possível analisar o que ocorreu com as variáveis de processo e a atuação do controlador momentos antes.

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O engenheiro de processo da base de operação em terra de uma unidade offshore pode acompanhar à distância a execução de um determinado procedimento. Os dados podem ser exportados para o Excel, permitindo a realização de análises estatísticas. Ainda é possível acoplar um software de avaliação de malhas de controle, como o BR-PERFEX, para fazer uma análise do comportamento de malhas de controle etc. A seguir, um exemplo de tela para monitoração de processo pelo software PI:

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Tela criada no PI para exibição do processo simplicado de uma plataforma de produção do E&P com os valores atuais das variáveis mais relevantes

A próxima imagem mostra outra tela do PI, na qual são feitas as seleções das variáveis que se deseja monitorar.

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Telas para a conguração das variáveis que se deseja visualizar no gráco de tendência

Por último, a imagem a seguir mostra um exemplo de tela gráca com a variação histórica das variáveis selecionadas.

Gráco de tendência mostrando na forma gráca a variação na vazão de exportação e da pressão nos oleodutos de uma plataforma de produção do E&P em um intervalo de quatro horas

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8.3. Exercícios 1) Qual o signicado atual para a expressão “Controle Avançado”? _______________________________________________________________ ________________________________________________________________ 2) Marque com um X as opções corretas. ( ) Uma das vantagens do sistema historiador é a possibilidade de exportação de dados para o Word para análise estatística. ( ) A camada de otimização tem por objetivo denir valores ideais para o controle avançado estimados com base em modelos matemáticos do processo e nanceiros. ( ) A camada de controle regulatório executa os algoritmos de controle PID e normalmente roda nos CLPs.

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( ) Geralmente, o controle avançado trabalha como um supervisor do processo, alterando um ou mais set-points dos controladores da camada de controle regulatório. ( ) O PI não permite que o engenheiro de processo da base de operação, em terra, consiga acompanhar à distância a execução de um determinado procedimento. 3) Correlacione as diferentes camadas de controle com as suas respectivas denições. ( a ) Camada de controle regulatório

( b ) Camada de controle avançado ( c ) Camada de otimização

( ) Tem por objetivo denir valores ideais para o controle avançado estimados com base em modelos matemáticos do processo e nanceiros. Normalmente, os softwares envolvidos nessa camada rodam em um computador de processo. ( ) Executa os algoritmos de controle PID e normalmente roda nos CLPs. ( ) Inclui algoritmos de controle ainda simples que podem rodar nos CLPs e controles mais complexos que rodam em softwares dedicados instalados em um computador de processo.

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8.4. Glossário CENPES - Centro de Pesquisas e Desenvolvimento Leopoldo Américo Miguez de Melo - Petrobras. CLP - Controlador Lógico Programável. Controle multivariável - algoritmo de controle que trabalha com múltiplas variáveis de entrada e de saída simultaneamente. Controle PI - proporcional + integral. Controle por bandas - algoritmo de controle de nível que permite a variável monitorada (o nível) variar dentro de uma faixa de valores máximos e mínimos (banda) com um mínimo de atuação na válvula de controle de nível, buscando deixar a capacitância de o vaso absorver as variações de vazão de entrada. Controle preditivo - algoritmo de controle que busca manter uma variável ao redor de um valor pré-denido atuando de forma antecipada na variável controlada, a partir da monitoração de variáveis de etapas anteriores ao processo. LUA - linguagem de programação leve, desenvolvida para facilitar o trabalho de descrever equipamentos e processos, permitindo ainda unir partes de um programa escritas em mais de uma linguagem. MPA-LUA - Módulo de Processamentos Automatizados descritos em LUA. Offshore - localizado ou operado no mar.

PI - Plant Information. PID - Controlador Proporcional-Integral-Derivativo. Set-point - valor de referência a ser perseguido pelos algoritmos de controle. Shutdown - o mesmo que intertravamento. É a ação de levar a planta de processo

para o estado seguro. Software - qualquer programa ou conjunto de programas de computador. Trends - grácos de tendência.

VMS - sistema operacional utilizado pelo VXL e executado em estações Alpha/Itanium.

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8.6. Gabarito 1) Qual o signicado atual para a expressão “Controle Avançado”? Diz respeito a todo controle mais sofisticado que o PID (proporcional + integral + derivativo) básico normalmente utilizado. 2) Marque com um X as opções corretas. (X)

Uma das vantagens do sistema historiador é a possibilidade de exportação de dados para o Excel para análise estatística.

( X ) A camada de otimização tem por objetivo definir valores ideais para o controle avançado, estimados com base em modelos matemáticos do processo e financeiros. ( )

A camada de controle regulatório executa os algoritmos de controle avançado e normalmente roda nos CLPs.

( X ) Geralmente, o controle avançado trabalha como um supervisor do processo, alterando um ou mais set-points dos controladores da camada de controle regulatório. ( )

O PI não permite que o engenheiro de processo da base de operação, em terra, consiga acompanhar à distância a execução de um determinado procedimento

3) Correlacione as diferentes camadas de controle com as suas respectivas denições. (a)

Camada de controle regulatório

(c)

(b)

Camada de controle avançado Camada de otimização

(a)

(c)

(b)

Tem por objetivo denir valores ideais para o controle avançado, estimados com base em modelos matemáticos do processo e nanceiros. Normalmente os softwares envolvidos nessa camada rodam em um computador de processo. Executa os algoritmos de controle PID e normalmente roda nos CLPs. Inclui algoritmos de controle ainda simples, que podem rodar nos CLPs e controles mais complexos que rodam em softwares dedicados instalados em um computador de processo.

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Noções de Automação e Controle

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