curso de plc e automação industrial2

CURSO DE FORMAÇÃO PARA A ÁREA DE GRANDES MÁQUINAS Página 1 de 34 PETROBRAS - UNBC/ST/AUT UNRIO/ST/EISAT 01 DE JULHO DE 2004

CURSO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL EM INSTALAÇÕES DE PRODUÇÃO

Autores:

UNRIO/ST/EISAT Alexandre Vianna Chagas

Valdecir Chapetta

UNBC/ST/AUT Fábio Gil Martins Duarte

Alcio Rodrigues Chiesse Álvaro de Miranda Borges Filho

Cláudio Antonio dos Santos


1 PREFÁCIO ................................................................................................................................................... 3

2 O QUE É AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL?................................................................................................ 4

3 SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO DAS UNIDADES DE PRODUÇÃO .................................................... 5 SISTEMA DE CONTROLE (CONTROL)................................................................................................................. 5 SISTEMA DE MEDIÇÃO AUDITADA (SIMA) ......................................................................................................... 5 SISTEMA DE INTERTRAVAMENTO DE SEGURANÇA (ESD).................................................................................... 5 SISTEMA DE FOGO&GÁS ..................................................................................................................................... 5 SISTEMA DE GERAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ......................................................................... 7 SISTEMA DE LASTRO ........................................................................................................................................... 7 SISTEMA DE TURRET ........................................................................................................................................... 7 OUTROS SISTEMAS - UNIDADES PACOTES ........................................................................................................... 7

4 HISTÓRICO................................................................................................................................................. 8 UN-BC................................................................................................................................................................ 8 UN-RIO .............................................................................................................................................................. 9 UNIDADES DE PRODUÇÃO DE PRIMEIRA GERAÇÃO ............................................................................................... 9 UNIDADES DE PRODUÇÃO DE SEGUNDA GERAÇÃO ............................................................................................. 10 UNIDADES DE PRODUÇÃO DE ÚLTIMA GERAÇÃO................................................................................................ 10

5 CONTROLE DE PROCESSOS................................................................................................................ 11 CONTROLE CONTÍNUO – PID ............................................................................................................................. 11

Controle PID................................................................................................................................................ 13 Sintonia do Controlador PID....................................................................................................................... 15

CONTROLE DISCRETO – INTERTRAVAMENTO..................................................................................................... 15 6 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL (CLP) ........................................................................ 17

O QUE É UM CLP? ............................................................................................................................................. 17 COMPONENTES BÁSICOS DE UM CLP................................................................................................................. 19

Rack ou Chassi ............................................................................................................................................. 19 Fonte de alimentação ................................................................................................................................... 19 Unidade central de processamento (CPU)................................................................................................... 20 Memória ....................................................................................................................................................... 21 Entradas e Saídas Digitais ........................................................................................................................... 21 Entradas e Saídas Analógicas...................................................................................................................... 22 Interfaces de Comunicação .......................................................................................................................... 23 Remotas de CLP ........................................................................................................................................... 24

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO CLP ........................................................................................................... 25 PROGRAMAÇÃO DE CLP.................................................................................................................................... 26

7 SUPERVISÓRIOS ..................................................................................................................................... 29 CARACTERÍSTICAS E IMPLEMENTAÇÕES ............................................................................................................ 29 ESTRUTURA....................................................................................................................................................... 29 TAREFAS REALIZADAS ATRAVÉS DOS SUPERVISÓRIOS:...................................................................................... 30 ECOS E ESC..................................................................................................................................................... 31 DRIVER DE COMUNICAÇÃO ................................................................................................................................ 32

8 REDES ........................................................................................................................................................ 33 MEIO FÍSICO DE TRANSMISSÃO.......................................................................................................................... 33 REDES DE CAMPO .............................................................................................................................................. 33 REDES PROPRIETÁRIAS/CONTROLE ................................................................................................................... 33 REDES ABERTAS/INFORMAÇÃO ......................................................................................................................... 33


1 PREFÁCIO Esta apostila foi escrita inicialmente para o curso de formação de operadores da UNBC e tem por finalidade transmitir noções básicas sobre a Automação Industrial e Controladores Lógicos Programáveis (CLP). Os temas são abordados em termos históricos, operacionais e técnicos em nível acessível aos alunos baseado em nossa experiência com cursos realizados nos últimos anos para os operadores das plataformas de produção da Bacia de Campos. É objetivo desta apostila fornecer informações complementares aos que são apresentados nas transparências do curso, para que os alunos possam se aprofundar no mundo da Automação e tenham um material mais completo para seus estudos.


2 O QUE É AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL? A automação industrial na Bacia de Campos se refere a todos os meios de supervisionar, controlar e atuar equipamentos em uma plataforma de produção. Os objetivos principais da automação industrial são: • Operar as Unidades de Produção com mais segurança e eficiência; • Diminuir os riscos de acidentes na operação de equipamentos; • Concentrar as informações necessárias à operação da plataforma. • Diminuir o custo operacional;

Figura 1 – Sala de controle de uma plataforma de produção (P-40)


3 SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO DAS UNIDADES DE PRODUÇÃO A automação das unidades de produção pode ser dividida nos seguintes sistemas: - Controle; - Medição; - Intertravamento de Segurança; - Fogo & Gás; - Geração e Distribuição de energia elétrica; - Lastro (para plataformas flutuantes: SS, FPSO e FSO); - Turret (para plataformas tipo FPSO e FSOs) e - Unidades Pacotes.

Sistema de Controle (CONTROL) Este sistema tem como objetivo a execução das malhas de controle 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.

Sistema de Medição Auditada (SIMA) Devido a exigências da agência reguladora (Agência Nacional do Petróleo - ANP), foi necessária a criação deste sistema. Este sistema realiza a totalização das vazões de óleo e gás, emissão de relatórios e a configuração dos medidores. Este sistema está em fase de implantação, portanto, não é difícil encontrá-lo ainda integrado ao sistema de controle.

Sistema de Intertravamento de Segurança (ESD) O Sistema de Intertravamento de Segurança da Planta de Processos (ESD - Emergency ShutDown) é composto por chaves de processo (pressão, temperatura, nível, vazão, etc.), transmissores, válvulas de bloqueio (SDV) e válvulas de despressurização (BDV), interligadas aos painéis de intertravamento de segurança. No caso de uma situação anormal, como por exemplo, a falha de um equipamento ou de uma de suas malhas de controle, as chaves ou os transmissores de processo detectam a anormalidade e o intertravamento de segurança provoca a parada do equipamento, o fechamento das válvulas de bloqueio (Shutdown Valve - SDV), e a abertura das válvulas de despressurização (Blow Down Valve - BDV), conforme uma matriz de Causa versus Efeito preestabelecida pelos projetistas. Este sistema visa 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 esta tarefa. 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.

Sistema de Fogo&Gás É responsável pela detecção de vazamentos de gás combustível, e detecção e combate


automáticos a incêndios na plataforma.

Figura 2 – Detector de gás combustível

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. Os sensores de gás combustível são do tipo Infravermelho (IR) e geram um sinal analógico de 0 a 20 mA, que seu range é subdividido em vários níveis de informação: 0 a 4 mA sensor em falha, de 4 a 20 mA concentração de gás na área. Os sensores de Fogo são normalmente compostos por dois sensores em conjunto um IR e outro Ultravioleta (UV). Quando o sistema detecta fogo ou gás em grandes concentrações em qualquer zona, um alarme é mostrado para o operador indicando a área e a situação, e conforme o programado pode iniciar o combate ao incêndio automaticamente. Outro tipo de sensor de fogo são os plugs fusíveis, que protegem os vasos da seguinte forma: Um anel pressurizado de ar é instalado sobre os vasos, neste anel existem diversos bocais onde são instalados os plugs fusíveis, em um ponto seguro distante mais interligado a este anel existe um pressostato que monitora a pressão do ar dentro do anel, ao se iniciar um incêndio no local o calor derrete o plug fusível e deixa o ar do anel sair gerando uma queda de pressão no anel, o pressostato atua iniciando uma seqüência de eventos de combate ao incêndio, onde é acionada a bomba de incêndio da plataforma e aberta as válvulas de dilúvio (ADV), que pressurizam com água o anel de incêndio dos vasos conforme a lógica pré-estabelecida. Este sistema envia sinais para o sistema de ESD, que gera os intertravamentos necessários


à segurança da plataforma.

Sistema de Geração e Distribuição de Energia Elétrica É responsável pela supervisão e operação de todo o Sistema Elétrico na Unidade de Produção. O CLP deste sistema é responsável pelo liga e desliga de 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.

Sistema de Lastro Presente apenas nos sistemas flutuantes de produção (plataformas semi-submersíveis e navios), este sistema é o 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, não deve ser desligado pelo ESD ou por qualquer outro sistema, por ser considerado essencial.

Sistema de 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 isto, foi criado um sistema especial instalado no próprio Turret, que recebe e trata todos os seus sinais. Este sistema tem um pouco de todos os outros e gera sinais que são compartilhados com os outros sistemas através de rede proprietária. Observação: os FPSOs P-43 e P-47 não possuem Turret, os raisers chegam à plataforma pelo costado da embarcação.

Outros Sistemas - Unidades Pacotes Alguns equipamentos possuem painel próprio para realização de intertravamento e controle, e são denominados Unidades Pacotes. Como exemplo tem-se: - Bombas de incêndio, - Compressores de gás, - Bombas de injeção de água, - Bombas de transferência de óleo, - Turbogeradores Estas unidades pacotes são interligadas ao sistema de automação da plataforma por meio de sinais básicos de intertravamento. Estes sinais têm como objetivo colocar as unidades pacotes em sintonia com o estado do sistema de ESD da plataforma.


4 HISTÓRICO A Bacia Petrolífera de Campos está situada no Norte do estado do Rio de Janeiro à leste do cabo de São Tomé, a aproximadamente 50 Km da costa. Esta bacia é explorada pela Petrobras através das unidades de negócio: UN-BC e UN-RIO. Os campos de óleo e gás da UN-BC estão divididos gerencialmente em 6 ativos: Norte, Centro, Sul, Nordeste, Marlim e Albacora. Enquanto que a UN-RIO está dividida em 5 ativos: Marlim Sul, Marlim Leste, Albacora Leste, Roncador e Barracuda-Caratinga.

Figura 3 – Campos de Petróleo da Bacia de Campos

UN-BC Nos ativos Norte, Centro e Sul, estão localizadas as Unidades de Produção Offshore da primeira geração de plataformas da Bacia de Campos, implantadas no período de 1980 a 86. No ativo Nordeste estão localizadas as Unidades de Produção da segunda geração, plataformas implantadas no período entre 87 e 90. Nos campos gigantes de Marlim e Albacora, estão as mais recentes Unidades de Produção instaladas na Bacia, onde os Sistemas de Automação contemplam as mais modernas tecnologias. Atualmente são 30 Unidades de Produção em operação. Estas unidades desempenham as seguintes tarefas: elevação do óleo e gás do poço até a plataforma, tratamento primário do petróleo (separação do óleo, água e gás), compressão e envio do gás para o continente, bombeamento do petróleo para o continente ou para navio tanque, e injeção de água no reservatório.


Nas Unidades semi-submersíveis, nas fixas da primeira geração e nas fixas de segunda geração, com tempo de operação entre 10 e 20 anos, estão sendo implantados diversos projetos de modernização, adotando-se como diretriz aumentar o nível de Automação industrial com o objetivo de operar com mais segurança e eficiência.

UN-RIO Esta unidade de negócio é muito recente. Suas plataformas (P-38 e P-40) estão com grau de automação de última de geração, além dos novos projetos para Bacia de Campos, que pertence a UN-RIO.

Unidades de produção de primeira geração Nas Unidades de Produção da 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. Estes painéis eram implementados via relés e dispositivos de lógica fixa, que tratavam os sinais recebidos do campo e faziam a indicação em numerosas unidades de alarme e em grandes painéis semigráficos localizados na sala de controle. Os sinais de alarme também eram mostrados no campo, em unidades remotas de alarme, localizadas próximo 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 confiabilidade e repetitividade dos instrumentos pneumáticos diminuem bastante com o tempo de uso, uma vez que utilizam 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. Estes 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 fixa, que além de ocuparem um espaço muito grande na sala de controle, dificultavam as modificações, já que elas requeriam inclusões de novos módulos e fiação. Os detectores de gás combustível eram do tipo catalítico (resistor que reage com a presença do gás combustível), detectores de fumaça, detectores de temperatura tipo termo-velocimétricos, detectores de chama do tipo Ultravioleta, detectores de temperatura tipo plug fusível instalados em rede pneumática pressurizada, válvulas de dilúvio e válvulas de CO2, interligados a painéis de Fogo & Gás, que eram implementados com relés e módulos eletrônicos tipo lógica fixa.


Unidades de produção de segunda geração Nas Unidades de Produção da segunda geração, a evolução aconteceu nas áreas de controle, com a utilização de controladores multi-malha e transmissores eletrônicos que disponibilizavam as informações na sala de controle de uma maneira mais amigável ao operador. A utilização de Controladores Lógicos Programáveis (CLP’s) para intertravamento e segurança aumentou a confiabilidade e a segurança das plataformas e facilitando alterações de lógicas de intertravamento.

Unidades de produção de última geração Nas plataformas mais modernas, os sistemas de automação industrial ganharam novas tecnologias. As principais melhorias foram: • Adoção de CLP’s para todos os sistemas da plataforma. • Adoção de estações de supervisão e controle para interface com o operador. • Transmissores eletrônicos inteligentes. • Utilização de unidades remotas de entradas e saídas de CLP’s instaladas no campo

para aquisição de dados; • Substituição dos detectores de gás combustível do tipo Catalítico pelo Infravermelho. • 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 ultima geração, foram implantados vários projetos de modernização nas plataformas de gerações anteriores. Ganhos obtidos com a Modernização dos Sistemas de Automação: • 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 operador, pelo supervisor de operações da plataforma e pelo seu gerente;

• Aumento da confiabilidade 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 operadores, 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;


5 CONTROLE DE PROCESSOS

Controle contínuo – PID Um sistema de controle automático tem como objetivo manter as variáveis de um processo, tais como: temperatura (T), pressão (P), nível (L) e vazão (F), em um valor de operação desejado. Os processos industriais são dinâmicos por natureza, portanto as mudanças estão sempre ocorrendo, se ações não são tomadas, as variáveis importantes, relacionadas com segurança, qualidade do produto e produtividade não se manterão nas condições de projeto. Na Figura 4, é mostrado um exemplo de controle de processo em que um aquecedor é utilizado para aquecer o produto a determinada temperatura através do controle da vazão de vapor.

Figura 4 – Exemplo de controle contínuo de processo – aquecendo um produto

O estudo do controle requer um vocabulário próprio. Na Tabela 1, estão definidos os termos mais utilizados e que podem ser identificados na Figura 4.

Tabela 1 – Glossário de Controle de Processos

Processo, Sistema ou

Planta.

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

Variável controlada ou de

processo

Grandeza física que deve ser mantida ou controlada em um valor desejado

Ex: Temperatura do Produto

Sensor Instrumento que mede a variável controlada (TE).

LTTT LC

misturador

aquecedorH1

TC

vapor

produto


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 (TT).

Referência ou Set-point

O valor desejado da variável controlada

Ex: Valor desejado da Temperatura do Produto

Variável manipulada

Grandeza física que é ajustada para manter a variável controlada no valor de referência.

Ex: Vazão de Vapor através do aquecedor

Elemento final de controle ou

atuador

Instrumento que ajusta a variável manipulada num processo (válvula de controle).

Distúrbio Qualquer variável que possa causar desvio da variável controlada em relação à referência

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

Ex: LC e TC.

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 operador. 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.

Em uma malha analógica, o sinal transmitido pelo transmissor acompanha a variação da variável controlada (unidade de engenharia) e transforma esta variação em um sinal elétrico de corrente que varia de 4 mA (mínimo) até 20 mA (máximo), conforme a Figura 5.

Figura 5 – Acompanhamento por Sinal Analógicot

nível (m)

mA


Controle PID O principal método de controle empregado é o controle PID, neste controle o objetivo é ajustar a variável manipulada de forma a manter a variável controlada igual a uma referência (SET-POINT), apesar de variações que possam ocorrer na variável controlada, devido a distúrbios externos ou a própria variação da referência. A principal característica desejada de um sistema de controle é a estabilidade. O sistema deverá ser estável em malha fechada, ou seja, para qualquer sinal limitado que entre no sistema, todas as variáveis do sistema deverão atingir valores limitados.

Figura 6 – Esquema de um Controlador PID

Abaixo a representação de um controlador PID em malha fechada.

Figura 7 – Controlador PID em Malha Fechada

Variável Manipulada (MV)

PID

Referência (SET-POINT)

+ Desvio ou Erro

PID=P + I + D= Proporcional + Integral + Derivativo

-

Variável Controlada (PV)

Nível (m)

PID Válvula Processo

Sensor/ Transm.

mA

mA mA Vazão

Ref

Controlador

+

erro Variável

Controlada

-


Ação Proporcional Esta ação de controle estabelece uma relação linear entre a entrada (erro (e) = referência (r) - variável controlada (y)) e a saída (variável manipulada) do controlador. O parâmetro de ajuste do modo proporcional é KP (ganho proporcional). O sinal de saída do controlador é proporcional ao erro. O modo proporcional apenas calcula o erro instantâneo e multiplica por um fator constante que é o ganho do controlador. O erro de regime é denominado desvio (off-set). Com o aumento do ganho proporcional o erro diminuirá, porém nunca será cancelado. Para alguns sistemas o aumento do ganho proporcional do controlador pode provocar instabilidade da sua malha, fazendo que seu processo perca o controle.

Ação Integral A ação de controle integral, também é chamada de modo RESET, porque para alguns tipos de processo, após uma alteração na carga do processo ou na referência, ele retorna a variável controlada para a referência e elimina o valor residual do erro gerado pelo modo proporcional. Este modo estabelece uma relação linear entre a saída do controlador (u) e a integral do erro, ou seja, a velocidade de correção do sinal de saída é proporcional ao valor do erro. O parâmetro de ajuste do modo integral é TI (tempo integral ou tempo de reset). Na prática, utilizam-se controladores integrais associados com controladores proporcionais.

Ação Derivativa Ao contrário do modo integral que atua sobre os valores passados do erro, o modo derivativo antecipa o estado futuro e atua na predição do erro. Quando o processo possui termos armazenadores de massa ou energia em grandes proporções o modo derivativo torna-se necessário pela capacidade de agir sobre a tendência da variável controlada, antecipando ações corretivas sobre efeitos enquanto esses ainda são pequenos, caso contrário, seria mais dispendioso cancelar ou reverter esses efeitos depois deles já terem se desenvolvido. O modo derivativo estabelece uma relação linear entre a saída e a derivada da entrada do controlador (erro), ou seja, o sinal de saída do controlador é proporcional à velocidade de variação do erro. O parâmetro de ajuste do modo derivativo é TD (tempo derivativo).


Sintonia do Controlador PID Sintonia de um controlador é a escolha dos parâmetros do controlador (Kp, Ti e Td) de forma que a variável controlada apresente um determinado comportamento (forma de resposta) após uma variação da referência ou da carga. Existem vários métodos de sintonia para o controlador PID. Alguns métodos são analíticos e requerem o conhecimento do modelo dinâmico da planta. Outros métodos são empíricos, e estabelecem regras baseadas no resultado de estímulos aplicados na planta. Esta apostila comenta-se sucintamente apenas de algumas regras práticas. Grande parte da literatura de controle de processo recomenda num controlador bem sintonizado, que sua variável controlada tenha uma taxa de amortecimento de ¼ para uma mudança de referência em degrau. Tendo também, um bom compromisso entre uma rápida subida e um curto tempo de acomodação, considerando apenas os critérios de estabilidade e sem falar em otimização.

REGRAS PRÁTICAS Antes de iniciar os métodos de sintonia, listaremos algumas regras práticas de escolha dos modos e parâmetros dos controladores para os processos mais comuns encontrados na indústria. Os valores abaixo são apenas referências históricas de plantas industriais disponíveis na literatura, e podem ser usados apenas como ponto de partida para a sintonia dos controladores. Para se obter um desempenho satisfatório, porém, devem ser aplicados os métodos de sintonia, que não.serão tratados nesta apostila. Controle de nível possui comportamento linear, rápido, ruidoso e com pequeníssimo tempo morto. A seleção apropriada é um alto ganho proporcional (KP = 2 a 20) e válvula de controle linear. Controle de temperatura possui resposta lenta, não linear, com tempo morto variável e não ruidoso. A seleção mais adequada é um PID (KP = 1 a 10, KI = KD = 1/3 do período de oscilação em malha fechada) e válvula de controle de igual percentagem. Controle de pressão de gás possui ausência de tempo morto e baixo nível de ruído. Com um controlador com ganho proporcional (KP ≥ 20) e uma válvula de controle linear estaremos bem atendidos. Controle de Vazão de líquido não apresenta tempo morto e é rápido, ruidoso e não linear. Requer os modos PI (KP = 0.2 a 2, KI =1/3 a 1/5 do período de oscilação em malha fechada).

Controle discreto – 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. Este controle é baseado no acionamento de algum equipamento quando a variável controlada atinge determinado ponto de ajuste. Na Figura 8, quando a pressão chega a um determinado valor é aberta a válvula (BDV) que deixa passar (despressuriza) o gás para que o tanque não seja danificado.


Figura 8 – Exemplo de um controle discreto – Sistema de Proteção do Tanque

A Figura 9 mostra o comportamento de um sensor do tipo discreto em relação a sua variável controlada.

Figura 9 – Acompanhamento por Sinal Discreto

Com o acionamento do sensor o controlador, normalmente um CLP, pode tomar as ações necessárias, no exemplo de nível ele pode acionar uma bomba para esgotar o 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 neste tipo de controle que é baseado todo o sistema de ESD da plataforma.

t

LSHH

TTAANNQQUUEE

SSDDVV SSDDVV

PSHH BBDDVV

GGÁÁSS

ÓÓLLEEOO

t

nível nível altoalto

normal normal 24 Vcc

SetSet --pointpoint

0 Vcc


6 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL (CLP) Em 1968, a General Motors (GM) solicitou aos fabricantes de instrumentos de controle o desenvolvimento um novo tipo de controlador mais fácil de configurar 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 fabrica para a alteração da lógica adequada ao novo modelo.

Figura 10 – PPLLCC 55 eemm ccoonnffiigguurraaççããoo HHOOTT SSTTAANNDDBBYY

O que é um CLP? O CLP é um microcomputador dedicado à automação de máquinas e processos, onde informações provenientes do processo (entradas) são processadas em um programa (processamento) que geram respostas para atuar no processo (saídas).

Figura 11 – Fluxo de Dados no CLP

E SProcessamento


Os CLPs também são conhecidos por sua sigla em inglês, PLC, Programable Logic Controler. As principais tarefas executadas por um CLP são: • Lógica de intertravamento • Retenção de variáveis • Temporização • Funções aritméticas • Controle PID • Manipulação de dados • Interface com computadores • Interface com impressoras • Conectividade com sistemas de comunicação • Totalização • Contagem de eventos Principais vantagens do CLP sobre o painel de reles: • Facilmente programável e reprogramável. • Manutenção fácil (módulos de encaixe) • Maior confiabilidade que os painéis a relé. • Tamanho reduzido. • Capacidade de comunicação com sistemas de coleta de dados. • Facilidade de expansão. Especificações ambientais típicas que diferenciam os CLPs de um PC comum: • Alta temperatura: 60o C • Alta umidade: 95% • Alta imunidade a ruídos elétricos • Variações de tensão: 85 a 140 Vca • Transitórios de rede: 1500 V • Vibrações, choques.

Tabela 2 – Principais fabricantes de CLPs e modelos utilizados nas plataformas da Bacia de Campos

Fabricante Modelos

Ge-Fanuc 90/70 e 90/30

Allen Bradley (Rockwell) PLC 5 e SLC 500

Sistema (Reliance) CP 3000

Altus AL 2003

Siemens SIMATIC S5 e S7


Componentes básicos de um CLP O CLP se divide em vários componentes com funções distintas. O conjunto destes elementos deve ser especificado no projeto do sistema de automação para garantir a sua boa performance. • Rack ou Chassi • Fonte de Alimentação • CPU • Memória • E/S digitais • E/S analógicas • Interfaces de Comunicação

Figura 12 – CLP da GE Fanuc completo

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. São fornecidos com diferentes números de ranhuras (slots): 4, 8, 12 ou 16. 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 (110 Vac, 24 Vcc, etc.). O projetista do sistema deverá especificar a fonte prevendo ampliações do sistema, caso contrário poderá ser necessário à substituição da fonte para a inclusão de novos componentes no CLP.


Figura 13 – Rack ou Chassi

Figura 14 – Fonte de Alimentação

Unidade central de processamento (CPU) É o cérebro do CLP, onde todo o processamento é realizado. Processa o programa lógico do CLP armazenado dados na memória, executando as funções lógicas, temporização, contagem, retenção, comparação, operações aritméticas, PID, totalização e manipulação de dados.

Figura 15 – CPU

Em função da configuração e da arquitetura, os CLPs podem ser classificados como: Simplex – É o CLP de configuração simples com apenas uma CPU, em caso de falha desta CPU dependendo do projeto todas as saídas do CLP são levadas ao estado seguro ou zeradas. Hot Stand-By – É uma configuração em que duas CPUs são utilizadas e apenas uma é a CPU ativa enquanto que a outra fica em “stand-by” apenas atualizando seus dados sem realizar a lógica implementada. Em caso de falha da CPU ativa a outra CPU assume possibilitando a troca do elemento defeituoso sem a parada do sistema. Esta configuração tem por finalidade aumentar a disponibilidade dos sistemas, 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. Por votação – São configurações em que todas as CPUs realizam os cálculos e o resultado final é colocado em votação. A finalidade desta configuração é aumentar a confiabilidade do sistema de intertravamento de segurança. São típicos desta configuração:


• Votação 2 de 3 (2oo3) - Onde três CPUs votam se duas votaram de uma maneira e uma

de outra o sistema considera as duas estão certas e despreza o resultado da terceira.

• Votação 2 de 2 (2oo2) - Onde duas CPUs votam e tem que achar um resultado, em caso contrário o CLP entra em falha e obriga as suas saídas à posição segura. Neste tipo de CLP a segurança é priorizada em relação à disponibilidade.

• Votação 1 de 2 (1oo2) – Onde qualquer CPU atuante aciona a saída correspondente. Memória Cada 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. Entradas e Saídas Digitais São os elementos responsáveis pelo tratamento dos sinais de entrada e saída do tipo 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 Bacia de Campos, o mais comum é o 24 Vcc.

Figura 16 – Cartão de

Entrada Digital

Figura 17 – Diagrama elétrico da uma entrada digital 24 Vcc

As entradas são isoladas por acopladores óticos que protegem o CLP e filtram o sinal do campo. São exemplos de instrumentos que geram entradas digitais: - Pressostatos; - Chaves de Nível; - Termostatos; - Chave fim de curso de válvulas; - Botoeiras de emergência;


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.

Figura 18 –

Cartão de Saída Digital à

Transistor

Figura 19 – Esquema elétrico de uma saída digital à transistor

São exemplos de instrumentos que recebem as saídas digitais: - Solenóides; - Contatores elétricos; - Alarmes sonoros; - Lâmpadas de sinalização; 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 20 mA e os transforma para o correspondente digital. O resultado da conversão é armazenado em um registro de 16 bits por um conversor analógico-digital (A/D).


Figura 20 – Cartão de Entrada Analógica

Figura 21 – Esquema elétrico de uma entrada analógica

São exemplos de instrumentos que geram entradas analógicas: - Transmissores (Pressão, nível, temperatura, etc.); - Sensores de Gás; - RTD; - Termopares

Saídas Analógicas Após o processamento da CPU o registro de oito bits correspondente à saída é transformado por um conversor digital /analógico (D/A) em sinal de controle de 4 a 20 mA que irá atuar o elemento final de controle para o posicionamento adequado.

Figura 22 – Cartão de Saída Analógica

Figura 23 – Esquema elétrico de uma saída analógica

São exemplos de instrumentos que recebem as saídas analógicas: - Válvulas de controle; - Variadores de velocidades de motores elétricos; - Aquecedores elétricos; - Posicionadores de válvulas com motores elétricos; Interfaces de Comunicação Permitem a comunicação com os CLPs, podem ser fornecidas em cartões independentes ou estarem incluídas nos cartões da CPU.


Figura 24 – Cartões de Comunicação

Estes cartões permitem a comunicação com diversos padrões elétricos e diversos protocolos de comunicação. São exemplos de padrões elétricos: • RS 232 • RS 485 • RS 422 • Ethernet São exemplos de protocolos de comunicação: • TCP/IP (Internet) • Modbus (Modcom) • Controlnet (ALLEN BRADLEY) • Genius (GE Fanuc) • Profibus Remotas de CLP Um dos recursos que os CLPs dispõe é o de se colocar cartões de entrada e saída próximo aos instrumentos de campo. Este recurso tem como principal vantagem à 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.


Figura 25 – I/O Remotas

Princípio de funcionamento do CLP

Figura 26 – Ciclo de Scan do CLP

O CLP trabalha em ciclos, estes ciclos são chamados de SCAN. Em um scan, o CLP primeiro atualiza todas os registros de suas entradas, depois processa os dados conforme sua programação e só ao final deste processamento atualiza as saídas.

INÍCIO DO SCAN

INÍCIO DA ATUALIZAÇÃO DAS

SAÍDAS

LEITURA DOS SINAIS DE ENTRADA

Processamento


Programação de CLP Para se programar um CLP deve-se conhecer sua linguagem de programação. A IEC padronizou quatro tipos de linguagens de programação: a LADDER, bloco de funções, Lista de instruções e texto estruturado. Destas a mais utilizada é a LADDER que se consolidou como a linguagem mais utilizada em todos os CLPs. Abaixo um exemplo de programação de uma linha nos quatro padrões da IEC:

1 - Diagrama Ladder

2 - Lista de Instrução

LD A

ANDN B

ST C

3 - Texto estruturado

C = A AND NOT B

4 - Bloco de funções

Para se programar um CLP é necessário computador e um software programador, isto é, uma interface que possibilite ao técnico inserir um programa no CLP. Cada fabricante tem seu programador que também depende do modelo do CLP, por exemplo:

Fabricante Programador GE Fanuc LM90 / Cimplicity Machine Edition Allen Bradley Contrologix / RSLogix Altus MasterTools Siemens Step7

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 3 exemplifica as diferentes formas de endereçamento da Allen Bradley e da GE Fanuc :

Tabela 3 – Exemplo de Endereçamento da Allen Bradley e GE-Fanuc

Tipo de Sinal Entrada Discreta Saída Discreta Entrada Analógica Saída Analógica AB I:001/00 O:001/00 N:001/00 N:001/00 GE %I00001 %Q00001 %AI00001 %AQ00001

Diagrama Ladder

( ) A B C

A

B

C

AND


Forma de programação usada para passar instruções ao CLP sobre como deve ser executado o plano de controle. Utiliza símbolos similares aos usados em diagrama elétrico de reles como linguagem de programação.

Tabela 4 – 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 Off

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)

Indica que todas as condições foram atendidas para que se energize a saída.

Com a associação destes símbolos básicos podemos programar vários circuitos com diversas utilidades. Por exemplo:


Circuito simples

Onde uma entrada energiza uma saída.

Circuito em série

Onde duas ou mais condições tem que ser

atendidas para energizar a saída.

Circuito em paralelo

Onde o atendimento de qualquer uma das

condições em paralelo energiza a saída.

Circuitos série-paralelos

Onde deve ser satisfeita a condição A ou B e a condição C

para energizar D.

Onde deve ser

satisfeita a condição A e B ou a condição C

para energizar D.

Circuito de selo

Onde o acionamento da entrada A aciona a

bobina B e o próprio sinal do acionamento da bobina mantém a bobina energizada.

Note que circuito anterior manterá a

bobina energizada após o primeiro

acionamento, para corrigir este problema deve-se combinar com

um circuito em série para desligar o circuito.

Onde o acionamento de C desligaria o circuito.

A C

B A C

A

B

C

A

B

C D

A B

C

D

A

B

B

A

B

C B


7 SUPERVISÓRIOS

Características e implementações O CLP, por si só, não apresenta uma interface apropriada para fornecer as informações necessárias aos operadores. Para isto, 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 operadores. Como características principais dos supervisórios podemos incluir: • Interface amigável com o operador; • Histórico de alarmes e variáveis; • Dinâmica com gráficos; • Integração dos dados de todos os CLPs dos sistemas da plataforma; • Emissão de relatórios; • Registro de eventos.

Figura 27 – Exemplo de Tela do Supervisório em VXL

Estrutura O sistema supervisório é constituído de telas e janelas. As telas têm como características principais à ocupação de todo o espaço disponível no monitor e a apresentação de vários dados de um sistema para o operador. A janela é normalmente acionada de dentro de uma


tela e tem como características principais à ocupação de apenas uma parte da área do monitor e de ser específica para um determinado instrumento.

Tarefas realizadas através dos supervisórios: • By Pass e Override - Para se executar alterações, manutenções e sanar defeitos

espúrios dos sistemas pode ser necessário à inibição dos sinais de campo ou das saídas do CLP. Em automação, a inibição do sinal de entrada é conhecida como By pass, assim como a inibição do sinal de saída é conhecida como override.

Figura 28 – Exemplo de Tela de Matriz Causa-Efeito no Supervisório

• Acionamento e desligamento de equipamentos – a operação de equipamentos à

distância por meio de “botões” virtuais nas telas. • Reconhecimento de alarmes – A operação de reconhecimento de alarmes registra no

histórico do supervisório o momento em que o operador respondeu a um alarme gerado pelo sistema de automação. Os alarmes no sistema supervisório geram uma indicação visual e uma indicação sonora, estas indicações só serão interrompidas ao se reconhecer o alarme.

• Sinalização do estado operacional dos equipamentos – O sistema supervisório indica


através de um código de cores o estado operacional dos equipamentos, válvulas de acionamento remoto (XV, SDV, BDV).

• Alteração de parâmetros – Para facilitar mudanças na estratégia de controle dos

controladores PID é disponibilizada uma janela onde os parâmetros relevantes ao operador podem ser alterados.

Na janela representada na Figura 29 o operador pode alterar o SET POINT, os ganhos do controlador a ação do controlador, direta ou reversa, e se o controlador está em automático ou manual.

Figura 29 – Exemplo de Janela dos Parâmetros do Controlador PID

ECOS e ESC Na Bacia de Campos, são utilizadas duas tecnologias de supervisórios: ECOS e ESC. A ECOS, Estação Central de Operação e Supervisão, é baseada em microcomputadores ALPHA/RISC com sistema operacional Open VMS da Digital/Compaq/HP, o software supervisório é o VXL da CSI (Control Systems International). A ESC, Estação de Supervisão e Controle, é baseada em microcomputadores padrão IBM/PC com sistema operacional Windows NT TM da Microsoft, o software supervisório é o InTouch TM da Wonderware Corporation. Ambas as tecnologias são utilizadas para indicar ao operador de forma gráfica a situação dos sistemas das plataformas. Os exemplos das figuras deste capítulo mostram uma tela que representa o manifold de produção de uma plataforma, e uma janela de configuração de um controlador PID.


Tabela 5 – Relação das plataformas da Bacia de Campos possui ECOS e ESC

Supervisório Plataformas

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, P-38 e P-40.

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, PNA-2, FPSO Espadarte, FPSO Brasil e FPSO Marlim Sul.

OBS: Estes três últimos FPSO’s são da SBM fretados pela Petrobras.

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 esta 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 elementos de supervisão, supervisórios. 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.


8 REDES As redes de automação e de informática são amplamente utilizadas para comunicação de dados em entre diversos equipamentos microprocessados. As redes de informática surgiram da necessidade de se compartilhar as informações em tempo real com outros usuários. Do mesmo modo a automação teve necessidade de fazer a comunicação entre os diversos sistemas. Podemos definir as redes de automação então como o meio através do qual os equipamentos microprocessados se comunicam entre si. Para se definir uma rede é necessário conhecer o seu padrão de transmissão e o protocolo de comunicação utilizado. O padrão transmissão se refere ao tipo de padrão condutor adotada pela rede, por exemplo, Serial (RS-232, RS-485), Ethernet, Token Ring, etc. Já o protocolo se refere a como são as regras de comunicação adotadas pela rede, por exemplo, TCP/IP, Modbus, Decnet, Profibus, etc...

Meio Físico de transmissão Uma informação importante a ser dada sobre a rede é o meio físico de transmissão de dados que a rede utiliza, é definido pelo meio condutor. O meio físico da rede pode gerar restrições para a rede, como distancia máxima, atenuação de sinal, ruídos, etc. Alguns exemplos de meio físico são: Cabos elétricos - Par trançado, fios paralelos, etc. Cabos óticos Ar - Rede por rádio-modem ou wireless Devido as suas características as redes de automação podem ser divididas em redes de campo, redes de controle e redes de informação.

Redes de campo As redes de campo são aquelas em que os instrumentos falam entre si ou com o mestre da rede. Normalmente são redes de baixa velocidade em que transitam poucas informações. São exemplos destas redes Foundation, Devicenet, Profibus, Hart, etc.

Redes Proprietárias/Controle São redes normalmente entre os CLPs principais e suas remotas, sendo usados também como redes de comunicação entre CLPs. A característica principal destas redes é que elas são proprietárias, isto é, foram desenvolvidas por um fabricante de CLP e só podem ser utilizadas entre CLPs do mesmo fabricante ou de seus parceiros. São redes determinísticas, isto é, todos os componentes da rede tem um tempo definido para a comunicação. São exemplos deste tipo de rede Genius (GE Fanuc), ControlNet (Allen Bradley), Alnet (ALTUS), Modbus (Modicom), etc.

Redes Abertas/Informação São as redes de comunicação de massa, normalmente de grande velocidade e destinadas


troca de informações entre os CLPs e os supervisórios. São exemplos destas redes TCP/IP, Decnet.

Figura 30 – Arquitetura de Redes de Automação nas Unidades de Produção (Arquitetura Geral)

curso de plc e automação industrial2

Documents