Muitas pessoas novas em instrumentação se sentem sobrecarregadas ao verem pela primeira vez a multiplicidade de instrumentos no local.
Com nomes como manômetros, termômetros, medidores de vazão, medidores de nível, válvulas de controle, transmissores, CLPs, SDCDs, alarmes e analisadores, é fácil se confundir sobre como categorizá-los.
Na realidade, a instrumentação de automação não é tão complexa. De uma perspectiva no local, ela gira principalmente em torno de um único objetivo: medir parâmetros de processo, transmiti-los, exibi-los e controlá-los — ao mesmo tempo em que fornece alarmes e proteção de equipamentos quando necessário.
Com base na função, os instrumentos de automação podem ser geralmente divididos em seis categorias principais:
Instrumentos de medição de campo, instrumentos de controle de campo, atuadores de campo, instrumentos de exibição e gravação, instrumentos de regulagem/controle e instrumentos de medição especializados.
I. O que fazem os instrumentos de automação?
Instrumentos de automação não são meros dispositivos para "ler valores".
Em um loop de controle completo, os instrumentos de medição coletam parâmetros de campo, o controlador realiza análises e cálculos, o atuador executa ações e os instrumentos de exibição/gravação apresentam dados aos operadores e os armazenam para o sistema.
Considere um loop de controle de temperatura, por exemplo: um termopar ou termômetro de resistência mede a temperatura; um transmissor de temperatura envia o sinal para um CLP ou SDCD; o controlador calcula a resposta necessária e emite um sinal; e, finalmente, uma válvula de controle ajusta o fluxo de vapor, água quente ou água de resfriamento.
Portanto, os instrumentos não existem isoladamente. Ao solucionar problemas no local, não se pode simplesmente focar em um único medidor; o instrumento deve ser analisado no contexto de todo o loop de controle.
II. Instrumentos de medição de campo
Instrumentos de medição de campo servem como a fonte de dados para sistemas de automação. Se as medições forem imprecisas, as funções subsequentes de exibição, gravação e controle serão comprometidas.
Instrumentos comuns de medição de campo incluem aqueles para medir nível de líquido, pressão, temperatura e vazão, bem como instrumentos de análise de gases e líquidos.
Instrumentos de nível são usados para medir níveis de líquidos, níveis de materiais ou posições de interface em tanques de armazenamento, colunas, reatores e silos. Tipos comuns incluem medidores de nível de aba magnética, medidores de nível tipo boia, medidores de nível por radar, medidores de nível ultrassônicos, medidores de nível capacitivos, medidores de nível por pressão diferencial e chaves de nível.
Instrumentos de pressão são usados para medir níveis de pressão, pressão diferencial ou vácuo em tubulações, vasos e equipamentos. Tipos comuns incluem manômetros, transmissores de pressão, transmissores de pressão diferencial, sensores de pressão e chaves de pressão. Manômetros são usados principalmente para leituras no local, transmissores de pressão para transmissão remota de sinal e chaves de pressão para alarmes e funções de intertravamento.
Instrumentos de temperatura medem a temperatura de um meio ou a superfície de um equipamento. Tipos comuns incluem termômetros bimetálicos, termômetros de vidro, termopares, detectores de temperatura de resistência (RTDs), transmissores de temperatura, chaves de temperatura e termômetros infravermelhos. Termopares são adequados para aplicações de alta temperatura, enquanto RTDs são mais adequados para medições de temperatura de baixa a média.
Instrumentos de vazão medem a taxa de vazão de gases, líquidos ou vapor. Tipos comuns incluem medidores de vazão eletromagnéticos, de vórtice, de turbina, ultrassônicos, de massa, de placa de orifício e de área variável (rotâmetro). A seleção requer verificação cuidadosa do meio, faixa de vazão, pressão e temperatura, viscosidade, condutividade e requisitos de trecho reto de tubulação.
Instrumentos de análise de gases detectam a composição e concentração de gases. Tipos comuns no mercado incluem analisadores de oxigênio, detectores de gás combustível, detectores de gás tóxico, analisadores de gás infravermelho, analisadores de gás por condutividade térmica, analisadores de gás a laser e cromatógrafos a gás.
Instrumentos de análise de líquidos medem parâmetros como pH, condutividade, turbidez, concentração, densidade, viscosidade, oxigênio dissolvido, DQO e nitrogênio amoniacal. Esses instrumentos requerem manutenção relativamente alta; limpeza, calibração e inspeção de linhas de amostragem são tarefas essenciais.
III. Instrumentos de controle de campo
Instrumentos de controle de campo são responsáveis pelo processamento de sinais no local, conversão de sinais e controle local.
Tipos comuns incluem instrumentos de controle pneumáticos, elétricos e hidráulicos.
Instrumentos de controle pneumáticos usam ar comprimido como fonte de energia; eles têm estruturas relativamente simples e permanecem valiosos em aplicações à prova de explosão. Instrumentos de controle elétricos usam sinais elétricos, tornando-os mais fáceis de integrar com CLPs, SDCDs e computadores supervisores. Instrumentos de controle hidráulicos fornecem alta força de saída e são tipicamente usados em aplicações de carga pesada ou alto empuxo.
Fatores-chave na seleção desses instrumentos incluem sinais de entrada/saída, precisão de controle, velocidade de resposta, condições de alimentação, classificações à prova de explosão, ambiente de campo e interfaces de sistema.
IV. Atuadores de campo
Atuadores de campo são os componentes em um loop de controle que realmente executam a ação física.
Após o sistema de controle emitir um comando, o atuador o executa ajustando válvulas, dampers, comportas ou outras estruturas mecânicas para alterar condições de processo como vazão, pressão, nível de líquido ou temperatura. Dispositivos atuadores comuns incluem válvulas de controle pneumáticas, elétricas e hidráulicas; válvulas de bloqueio; válvulas borboleta; válvulas esfera; válvulas gaveta; atuadores; posicionadores de válvula e posicionadores de válvula inteligentes.
Durante a manutenção de campo, deve-se olhar além de se o atuador pode simplesmente abrir e fechar. É também necessário verificar a operação suave, o posicionamento preciso, os sinais de feedback normais, os tempos de resposta apropriados e se a posição de segurança atende aos requisitos do processo.
Muitas flutuações de controle não decorrem de configurações de parâmetros do controlador, mas de problemas como travamento de válvula, posicionadores imprecisos, pressão de suprimento de ar instável ou resposta lenta do atuador.
V. Instrumentos de exibição e gravação
Instrumentos de exibição e gravação mostram parâmetros de campo, status de equipamento e informações de alarme, ao mesmo tempo em que armazenam dados críticos.
Exemplos comuns incluem displays digitais, displays analógicos, controladores de exibição, scanners multiponto, registradores em papel, registradores sem papel, IHMs de tela sensível ao toque, terminais de estação operadora e dispositivos de alarme sonoro/visual.
Displays digitais são adequados para monitoramento de parâmetros de ponto único. Controladores de exibição podem incorporar funções de alarme e controle básico. Registradores sem papel são ideais para rastrear tendências em parâmetros como temperatura, pressão, vazão e nível. IHMs e estações operadoras são usadas para interfaces visuais, configuração de parâmetros, monitoramento de alarmes e operação de equipamentos.
Critérios chave de seleção incluem sinais de entrada, métodos de exibição, intervalos de gravação, capacidade de armazenamento, interfaces de comunicação, saídas de alarme e proteção contra perda de energia.
VI. Instrumentos de regulagem e controle
Instrumentos de regulagem e controle servem como o "cérebro" do sistema de automação, lidando com regulagem automática, controle lógico, controle de sequência e proteção de segurança.
Dispositivos de campo comuns incluem controladores PID, reguladores de loop único e multi-loop, CLPs, SDCDs, SFCs, ESDs, SISs e computadores industriais.
Controladores PID são tipicamente usados para regular parâmetros contínuos como temperatura, pressão, vazão e nível. CLPs são comumente empregados para operações de partida/parada de equipamentos, controle de sequência, proteção de intertravamento e processamento de sinais discretos (liga/desliga). SDCDs são adequados para o monitoramento centralizado e controle distribuído de unidades de produção contínua em larga escala. SISs e ESDs são usados principalmente para intertravamento de segurança e desligamentos de emergência; eles não devem ser tratados meramente como sistemas de controle padrão.
Fatores de seleção incluem o processo controlado, contagem de pontos de E/S, estratégia de controle, protocolos de comunicação, requisitos de redundância, níveis de integridade de segurança (SIL), gerenciamento de alarmes e capacidades de manutenção a longo prazo.
VII. Instrumentos de medição especializados
Instrumentos de medição especializados são usados principalmente para detectar parâmetros únicos, monitorar a saúde de equipamentos e realizar calibração de campo. Exemplos comuns incluem monitores de vibração de eixo, monitores de deslocamento de eixo, tacômetros, instrumentos de pesagem, medidores de espessura, calibradores de sinal, detectores de chama, analisadores de umidade online, medidores de densidade online e instrumentos de monitoramento de condição de equipamento.
Instrumentos para medir vibração de eixo, deslocamento de eixo e velocidade de rotação são tipicamente usados em equipamentos rotativos como compressores, turbinas a vapor, ventiladores e bombas. Instrumentos de pesagem são usados em silos, balanças de correia e sistemas de dosagem ou embalagem. Medidores de espessura são usados para medir a espessura de chapas, tubos e paredes de vasos, bem como a espessura de revestimento. Detectores de chama são comumente usados para proteção de combustão em caldeiras, fornos de aquecimento e incineradores.
A seleção desses instrumentos requer a consideração de fatores como tipo de equipamento, parâmetro a ser medido, local de instalação, velocidade de resposta, sinais de saída e requisitos de proteção.
VIII. Pontos chave para seleção e uso no local
Ao selecionar instrumentos de automação, não se deve focar apenas no número do modelo e no preço.
Primeiro, identifique o parâmetro a ser medido; em seguida, determine a faixa de medição, precisão, materiais de construção, método de instalação, fonte de alimentação e sinal de saída.
Se o meio for corrosivo, as partes molhadas devem ser feitas do material apropriado. Para meios de alta temperatura, considere dissipação de calor, condensação, isolamento e termopares. Se o meio for propenso a cristalização ou entupimento, ou contiver impurezas, considere o uso de diafragmas, purga, lavagem ou pré-tratamento da amostra. Em áreas com vibração significativa, considere montagem em suporte e local de instalação.
Uma vez que o instrumento esteja em serviço, verifique regularmente o ponto zero, a faixa, a fiação, a fonte de alimentação, a aterramento, a comunicação, as saídas de alarme e o status de intertravamento.
Ao solucionar problemas no local, siga esta sequência: verifique a fonte de alimentação, depois o sinal, depois a fiação, depois as configurações de parâmetro e, finalmente, o elemento sensor e as condições do processo.
Resumo
A classificação dos instrumentos de automação não é difícil de lembrar, pois cada tipo executa uma função específica.
Por exemplo, instrumentos de medição coletam dados; instrumentos de controle lidam com processamento de sinais; atuadores realizam ações físicas no campo; instrumentos de exibição e gravação mostram e salvam dados; instrumentos de regulagem e controle gerenciam controle e intertravamentos; e instrumentos de medição especializados detectam parâmetros únicos.
Ao estar realmente no local, não veja um instrumento como um dispositivo isolado. Considere-o no contexto de todo o loop de controle, e muitos problemas se tornarão mais fáceis de diagnosticar.
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