Diagramas P&I - Norma ISA 5.1

   Uma das partes mais importantes em um projeto de processos industriais é a elaboração do diagrama P&I (Pipping and Instrumentation). Estes diagramas são muito utilizados como uma descrição detalhada dos projetos de malhas de controle, visto que descrevem os tipos de controle utilizados, elementos de medição e a sua interconexão com o projeto em si.

   Para a representação desses diagramas, existem padrões de simbologia P&I, sendo o mais utilizado o ISA 5.1 (International Society of America). Essa norma foi concebida para ser a padronização de simbologia e identificação de instrumentos e equipamentos do processo. Hoje em dia, de fato, sua abrangência chega a nível mundial. Para isso, a norma define símbolos, elementos gráficos, códigos de identificação alfa e numéricos, abreviaturas, blocos de função e linhas de conexão representativos. 

Diagrama P&I de uma malha de controle de vazão, segundo a norma ISA 5.1

   A proposta da norma é estabelecer símbolos gráficos para a identificação dos instrumentos (círculos, letras, números) e dos sistemas de instrumentação usados para a medição e o controle (linhas e símbolos de processo), apresentando um sistema de designação que inclui um código de identificação, significando informações importantes para os dispositivos de sistema, bem como sua função e interação com o processo.

Instrumentos e definições

   A norma ISA 5.1 dispõe definições para instrumentos de acordo com as suas funcionalidades, como mostrado a seguir:

• Detector: São dispositivos com os quais detectamos alterações na variável do processo, podendo ou não ser parte do transmissor. 
• Transmissor: Instrumento que tem a função de converter sinais do detector em outra forma capaz de ser enviada à distância para um instrumento receptor, geralmente localizado no painel.
• Indicador: É um instrumento que indica o valor da quantidade medida enviada pelo transmissor, detector, etc.
• Registrador: Instrumento que registra graficamente valores instantâneos medidos ao longo do tempo. Estes valores são os enviados pelo detector, transmissor, indicador, controlador, etc. 
• Conversor: Instrumento cuja função é receber uma informação na forma de um sinal, alterar esta forma e a emitir como um sinal de saída proporcional ao de entrada.
• Unidade aritmética: Instrumento que realiza operações nos sinais de valores de entrada de acordo com uma determinada expressão e fornece uma saída durante a operação. 
• Integrador: Instrumento que indica o valor obtido pela integração de quantidades medidas sobre o tempo.
• Controlador: Instrumento que compara o valor medido com o desejado e, baseado nessa diferença, emite um sinal de correção para a variável manipulada, objetivando que essa diferença seja igual a zero.
• Elemento final de controle: Dispositivo cuja função é modificar o valor de uma variável que leve o processo ao valor desejado.

Identificação Funcional - Nomenclatura de instrumentos e malhas de controle

   A identificação funcional de instrumentos e malhas por meio de TAGs indicam a variável medida (vazão, temperatura, pressão), a função do dispositivo (transmissor, chave, válvula, controlador) e modificadores (alto, baixo, diferencial, segurança). Essa identificação, porém, segue algumas regras:

• O número de letras indicadoras não pode ser maior que 4. Se, por exemplo, o instrumento é indicador e registrador ao mesmo tempo, o I do indicador pode ser omitido. 
• Todas as letras são maiúsculas.
• As letras seguintes à primeira letra (variável controlada) designam uma ou mais informações ou função. 
• Uma “letra modificadora” pode ser usada se necessário, acrescentando esta sucessivamente as outras de variável controlada. (Por exemplo: Um transmissor de pressão diferencial, que por si seria um PT, pode ser indicado como PDT, sendo "D" uma letra modificadora que indica o diferencial).
• Se para a mesma malha há mais de um instrumento com mesma identificação funcional, um sufixo pode ser adicionado (Exemplo: FV-1455A/FV-1455B)
• Após as letras indicadoras, segue-se o número da malha. Todos os instrumentos de uma mesma malha devem obter o mesmo número. Observe a figura a seguir:

Na figura, podemos observar um exemplo claro das regras da norma ISA 5.1. Como solicitado, nenhum instrumento possui mais que quatro letras na identificação. Todas as letras são maiúsculas, e todos os instrumentos pertencentes à mesma malha possuem numeração igual.

    A seguir, a tabela indicadora de letras e seus respectivos significados.

Identificação Funcional - Funções dos controladores

   Com a evolução da tecnologia, existe um grande número de funções matemáticas de possível implementação nos controladores, cuja representação também é regrada pela norma ISA 5.1. Observe a tabela a seguir:

Identificação funcional - Símbolos de representação

   É comum representar instrumentos de medida individuais, transmissores e sensores com um círculo, em diagramas P&I. Traçar uma linha horizontal através do centro deste círculo significa que ele está em uma localização primária, ou seja, na sala de comando. Uma linha dupla, porém, indica que o instrumento está em localização auxiliar (rack de instrumentos). Quando não há linha, significa que o instrumento está no campo e uma linha tracejada indica que o instrumento é inacessível (ou seja, está atrás da porta de um painel). Quanto a localização, observe a tabela a seguir:

Localização dos instrumentos.

   Observando a tabela, também é possível concluir que um quadrado em torno do símbolo significa que, além de um instrumento efetuar medições, ele também executa alguma tarefa de controle. Um hexágono representa funções de controladores e tipos de CLPs.


Identificação funcional - Tipos de conexão

   Na norma ISA 5.1, linhas são utilizadas para representar tipos de sinais empregados, além de conexões, tubulações e semelhantes. A tabela seguinte indica os sinais mais utilizados:

Identificação funcional - Símbolos de instrumentos/equipamentos

• Atuadores:

• Instrumentação de vazão:

Arranjos Típicos

   A seguir, alguns exemplos de arranjos muito ocorrentes em diagramas P&I. Fonte: Departamento de Engenharia Elétrica.

Veja mais arranjos típicos em http://www.ene.unb.br/estognetti/files/Simbologia_ISA.pdf.

Basicamente, essas são as regras principais para elaboração e análise de um diagrama P&I. Você pode consultar a norma original no site da ISA, versão disponível para membros. 

Até a próxima! 

Conceitos básicos - Instrumentação

   Os instrumentos e características de processos quanto a aquisição e registro de dados na Instrumentação seguem um padrão de terminologia próprio. Isso define as características de medição de diferentes equipamentos e contribui para a qualidade do processo em si. A seguir, conceitos básicos para o entendimento de literaturas gerais sobre o assunto.

   Faixa de Medida (Range) – Diz respeitos ao conjunto de valores que definem os limites superior e inferior da capacidade de medição dos parâmetros de entrada ou transmissão de um instrumento. Se um sensor de temperatura opera na faixa de 0 a 900 °C, por exemplo, diz-se que seu range é de 0 a 900 °C. 

   Alcance (Span) – É um valor numérico que representa a diferença algébrica entre os valores superior e inferior da faixa de medida do instrumento. No exemplo do sensor de temperatura, acima, diz-se que seu alcance (span) é de 900 °C.

   Exatidão – Trata-se da proximidade do valor numérico da medida de uma variável quanto ao seu valor verdadeiro.

   Erro – É o valor numérico representativo da diferença entre o valor lido pelo instrumento em relação ao valor medido real da variável. O erro é estático caso o processo esteja em regime permanente. Por outro lado, se a variável altera seu valor conforme o tempo, é comum que o valor apresentado no medidor seja apresentado com atraso. Neste caso, o erro apresentado pelo instrumento é chamado de erro dinâmico.

   Repetibilidade – Trata-se da característica que um instrumento possui de apresentar o mesmo valor de saída quando a medição é efetuada nas mesmas condições. Tecnicamente, diz-se que a repetibilidade é a capacidade de um instrumento de produzir o mesmo sinal de saída para um mesmo sinal de entrada. 

   Rangeabilidade – É a relação entre os valores máximo e mínimo lidos com a mesma exatidão na escala de um instrumento. Sabe-se que alguns métodos de medição possuem "limitações" de rangeabilidade. As placas de orifício, por exemplo, possuem uma limitação na rangeabilidade de 3 para 1. Isso significa que para uma vazão máxima de 150 m3/h, a vazão mínima será de um terço desse valor. 

   Histerese – É uma forma de não-linearidade apresentada por um instrumento, no qual sua saída pode ser diferente sua variável estiver na descendente ou na ascendente. Neste link há uma explicação interessante sobre o conceito de linearidade, fundamental para entendimento da histerese.

Característica de sinal com histerese. Fonte: 24volts.

   Sensibilidade – Comumente chamada de ganho, a sensibilidade é definida como o sinal de resposta do instrumento, a variação de sua saída por unidade de variação na entrada. 

   Esta é a terminologia básica para Instrumentação Industrial. No próximo post, falaremos da simbologia empregada na Instrumentação: os famosos diagramas P&I. 

Até a próxima!

Introdução ao Controle de Processos

   O Controle de Processos refere-se à metodologia utilizada a fim de controlar uma certa variável ou condição de processo, e mantê-la num certo valor. O Controle de Processos tem como objetivo aumentar a eficiência e a segurança, além de reduzir a variabilidade. Basicamente, o conceito é medir a variável que se quer regular; comparar seu atual valor com o valor desejado (normalmente especificações de produto, limites de segurança da referida planta, regulamentações ambientais ou ainda valores padrão para o processo específico); utilizar a diferença entre os dois valores para gerar uma estratégia de correção e, por fim, aplicar esta estratégia de modo a eliminar a diferença entre o valor medido e o valor desejado.

Fonte: FIEB.

    Antes de nos atermos ao Controle em si, devemos esclarecer alguns conceitos:

   Processo – Método ou sequência de métodos que envolva a mudança (de estado, composição, dimensão ou outras propriedades) ou refinamento de matérias primas para a obtenção de um produto final. O Processo pode ser Contínuo ou Batelada.

• Processo Contínuo: O Processo Contínuo consiste no consumo de matérias-primas em uma base continua, a fim de fornecer um determinado produto final. Neste caso, "contínuo" segue a ideia de um período de tempo relativamente longo, no qual as interrupções são mínimas e raras. Um exemplo é o Trocador de Calor. Um fluido de processo é resfriado a partir do contato com a água de resfriamento, dentro do trocador. Dessa forma, a temperatura deste fluido é controlada pela quantidade de água fria, e a manutenção das variáveis é feita de forma a não parar o processo, que é contínuo.

  

  Trocador de calor.

• Processo Batelada: O Processo do tipo batelada tem como característica fornecer seus produtos finais em quantidades pré-determinadas, que são chamadas de bateladas. Nesse processo, a matéria-prima é disponibilizada à unidade produtora que, por sua vez, realiza a produção em um intervalo de tempo. A unidade também tem como característica a operação por uma sequência de etapas de processo, que pode ser alterado de acordo com a matéria-prima e o produto final desejado. 

   Variável de Processo (PV) – É a variável que se deseja controlar ou realizar a manutenção. Para manter a qualidade, segurança ou eficiência de um processo, é extremamente importante que a PV mantenha um determinado valor em relação a outras variáveis deste processo. A Variável de Processo pode ser pressão, vazão, nível, densidade, etc.  

   Variável Manipulada (MV) – É a variável que é alterada ou ajustada a fim de manter a Variável de Processo no valor desejado. 

   Setpoint (SP) – É o valor no qual a variável de processo precisa ser mantida. Um exemplo é uma malha fictícia na qual o nível de um tanque precisa ser mantido em 60%. Este valor é o setpoint da temperatura (que, neste caso, é a variável de processo). Assim, é preciso que o controlador aplique estratégias corretivas caso o nível esteja diferindo deste valor. 

   Offset (erro) – É o valor que representa a diferença entre a variável de processo (PV) e o setpoint (SP), podendo ser positivo ou negativo. Ainda representando o exemplo da malha de nível; sendo o setpoint 60%, e a variável de processo estando em 75%, o valor de erro (ou offset) é de 15%. Matematicamente falando, o erro é calculado da seguinte forma: 

E = SP - PV

É possível também representar o erro em porcentagem relacionado ao setpoint, sendo essa forma representada matematicamente pela equação: 

E = SP - PV
       SP

   Perturbações – Alterações, que podem ser de carga ou setpoint, que causam mudanças de quaisquer tipo em um processo. Se há variação no valor de alguma variável secundária que possa causar distúrbios na variável de processo, diz-se que houve uma perturbação de carga. Por outro lado, quando se altera o valor desejado da PV enquanto ocorre alguma ação de controle, então, diz-se que houve uma perturbação de setpoint.

   Malha de Controle – Existindo uma variável de processo e um setpoint (valor desejado para esta variável), ajusta-se a variável manipulada, considerando o valor de offset. Configura-se, assim, uma malha de controle, que objetivam reduzir ou anular o efeito das perturbações na PV. 

Malha de Controle

   Uma malha de controle pode ser aberta ou fechada, dependendo do tipo de processo, seu objetivo e suas condições.
   Malha aberta – Existindo um controle com malha aberta, a ação de controle independe da saída, visto que não existe elemento de realimentação na saída para medi-la e comparar com algum setpoint qualquer. Um exemplo de um controle em malha aberta é a máquina de lavar, na qual programa-se um determinado número de funções (nível de água, enxágue, centrifugação) mas não existe uma verificação de que a roupa foi corretamente lavada.
   Malha fechada – Tipo de controle mais utilizado, o controle feedback, ou malha fechada, funciona de forma a medir a variável de processo em sua saída, comparar este valor a um setpoint e assim obter um offset. Esse valor, o offset, é enviado a um controlador, que aplica uma estratégia de controle a fim de efetuar a correção do valor da variável de processo. Em um trocador de calor, por exemplo, no qual a temperatura da água na saída é a variável de processo, mede-se o valor desta PV, compara-se a um setpoint (valor desejado para a temperatura), e o controlador aplica uma ação de controle, que altera a saída objetivando corrigir o valor da temperatura. Veremos mais sobre este tipo de malha, mais a frente.
   Controle automático – Chamamos de controle automático os processos em que a intervenção humana não se faz necessária em uma estratégia de controle.
    Controle manual – Quando são envolvidas ações humanas de ajuste ou ação de controle em um determinado processo, diz-se que há um controle manual.

Observação: Normalmente, a variável de processo é influenciada pelo valor de algumas outras variáveis, sendo a principal, a variável manipulada. Todas as outras variáveis que alteram o valor da variável de processo, não sendo a variável manipulada, são consideradas perturbações. 

Componentes de malhas típicas de Controle

• Elementos primários de medição – Em uma malha típica de controle, existe um elemento em contato direto com a variável de processo, de modo a medir suas alterações. Isso ocorre porque os elementos primários de medição causam mudanças em suas propriedades referentes às mudanças nas condições da PV. Por serem os primeiros elementos nas malhas de controle, são os primários. Exemplos: placas de orifício, termorresistências, tubo Pitot, etc.

Termorresistência com cabeçote. Fonte: Wika.

• Transdutores e conversores – Define-se como transdutor quaisquer dispositivo que converta sinal mecânico em sinal elétrico. Um conversor, porém, é um dispositivo que converta algum sinal em outro tipo. 

Conversor analógico/digital. Fonte: Aliatron.

• Transmissor – Um dispositivo que converte o sinal de leitura de um elemento primário de medição em um sinal padrão (4-20 mA, por exemplo), para transmiti-lo a um controlador. 

Transmissor de pressão. Fonte: Yokogawa.

• Controlador – São os equipamentos responsáveis pelo controle de um processo, ou parte dele, por meio de algoritmos específicos ou estratégias de controle. O controlador recebe dados de um medidor, compara-os a um setpoint e toma ações corretivas. Abordaremos os tipos de
  controladores mais adiante.

Controlador multiloop. Fonte: Smar. 

• Elementos finais de controle – A parte da malha de controle que atua sobre a variável manipulada para altera-la fisicamente, a fim de controlar a variável de processo. Os elementos finais de controle podem ser válvulas, bombas, etc. 

Válvula de controle. Fonte: Ebah.

   Com estes elementos, tem-se a representação integral de uma malha típica de controle. Desta forma, está pronta a estrutura para aplicação de estratégias de controle. No próximo post, falaremos dos conceitos básicos da instrumentação para o estudo de ações de controle.

Veja aqui A Terminologia Básica para Instrumentação Industrial.

Até a próxima!