Sistema de calibração de válvulas industriais

Edição 41, Junho de 2009

Por Alãine Marques Lopes e Telma Côrtes Quadros de Andrade

Conjunto de equipamentos interligados e estruturados garante confiabilidade em sistemas de calibração de válvulas de controle de processo

Muitos processos requerem equipamentos de campo e controladores dedicados para gerenciar processos.  Um equipamento de campo é parte de um controle realimentado e sua localização permite medir e transmitir variáveis de processo.

 

Um dos elementos finais de controle mais utilizado é a válvula de controle, que é capaz de variar a restrição ao escoamento de um fluido em resposta a um comando recebido na forma de um sinal padrão. Após um determinado tempo de operação, as válvulas apresentam nível crescente de vazamento decorrente do desgaste natural das partes internas, necessitando manutenção para a substituição dos elementos vedantes para manter a confiabilidade de seu funcionamento.

 

A operação da maioria dos processos industriais, especialmente nas indústrias químicas e petroquímicas, envolve um grande risco de vazamentos de fluídos químicos, incêndios e até explosões. Os sistemas de instrumentação de segurança (SIS) foram especificamente desenvolvidos para a proteção do pessoal de operação, do equipamento e do meio ambiente por meio da redução da probabilidade ou da severidade desses acidentes.

Em muitos países existem normas relacionadas aos SIS que tem efeito de lei, com penalidades previstas quando há o seu descumprimento, podendo resultar em ação civil e criminal tanto contra empresas como contra indivíduos envolvidos. No Brasil já são utilizados os SIS em várias aplicações e, pensando na segurança de pessoas, equipamentos e processos, propõe-se neste trabalho a utilização de um sistema de calibração de válvulas eletropneumáticas de controle de processo industrial, denominado Works, que é um conjunto de equipamentos interligados e estruturados de forma a realizar a calibração de válvulas de controle de processo de maneira segura e confiável.

A partir da utilização de instrumentos adequados interligados a um computador, pode-se eliminar o erro de paralaxe e obter a real posição da válvula calibrada. O resultado é uma operação mais confiável, com menor tempo em bancada e registro dos dados, e maior precisão no controle de posição de abertura com consequente melhora no desempenho das malhas de controle e de otimização.

TECNOLOGIAS DE INTERCONEXÃO E TRATAMENTO DE SINAIS

Logo após o final da década de 1960, surgiram os controladores programáveis, revolucionando o controle de manufaturas e o controle discreto. Um controlador (computador dedicado) pode rodar um controle lógico para acionar válvulas de posição, motores, etc., que são elementos finais em um controle realimentado.

Na metade da década de 1970, com a evolução dos componentes eletrônicos, surgiu o primeiro Sistema de Controle Digital Distribuído (SDCD), mas mesmo sendo uma tentativa pela eficiência e pela performance, mostrou-se deficiente com o surgimento dos equipamentos microprocessados, pois estavam preparados para processar somente informações de controle.

No início dos anos 1980, com o crescimento da tecnologia baseada em microprocessadores, pode-se ver o lançamento de sistemas de controle distribuído com algumas particularidades, tais como: sinais de 4~20 mA, com dois ou quatro fios, medições analógicas e operações digitais. Foi então que apareceu a tecnologia Fieldbus, que tornou-se um protocolo de comunicação aberto, em que se pode observar sinais digitais explícitos, conexões de dois ou quatro fios, taxa de transmissão de 31,25 kbits/s para equipamentos de campo, etc.

Existem normas que exigem que a indústria determine um Nível de Integridade Desejado (SIL) para todas as aplicações de Sistemas Instrumentados de Segurança. Pode-se traduzir SIL como sendo o nível de robustez necessário a ser implantado, de forma a minimizar os riscos do processo a níveis aceitáveis. O SIS é um sistema que garante a segurança de instalações industriais pela automação, garantindo o controle das variáveis do processo e sua permanência nos valores especificados.

As normas atuais sobre Sistemas Instrumentados de Segurança têm como denominador comum não serem normas prescritivas, mas sim orientadas para exigir que se atinja um nível de performance desejado pelo sistema. As válvulas para controle de processo são, na maioria das vezes, o fator mais determinante quando se trata de calcular o SIL. Devido à enorme variedade de condições de aplicação na indústria de processo, existe carência de dados adequados, assim como de dispositivos aprovados.

Mediante pesquisa de mercado, observou-se que os métodos utilizados para calibração de válvulas de controle podem ser susceptíveis a falhas por, em geral, não possuírem um diagnóstico confiável das leituras observadas. Isto ocorre pelo fato de se realizar o procedimento sem utilizar um transmissor de posição, que fornece a real posição da válvula, implicando erros de paralaxe, isto é, a diferença entre o que é observado visualmente pelo operador e o que um instrumento mede com precisão.

Conforme Karte, “os procedimentos de teste do tipo teste de curso podem fornecer uma cobertura de diagnóstico mais abrangente, auxiliando na obtenção de dados mais confiáveis para a malha como um todo”. Entretanto, o teste de curso realizado sem a empregabilidade de instrumentos de verificação e controle faz  ele perder a confiabilidade.

Os softwares que acompanham sistemas de controles já gerenciam o funcionamento de alguns equipamentos. Para a implantação de soluções deste tipo, que podem ser adquiridas independentemente do sistema de controle utilizado, é necessário que estes sistemas utilizem instrumentos de campo inteligentes, que possuam a capacidade de se autodiagnosticarem.

TECNOLOGIAS E SUBSÍDIOS

A opção pela implementação de sistemas de controle baseados em redes requer um estudo para determinar qual tipo de rede possui as maiores vantagens de instalação ao usuário final, que deve buscar uma plataforma de aplicação compatível com o maior número de equipamentos possíveis.

Surge daí a opção pela utilização de arquiteturas de sistemas abertos que, ao contrário das arquiteturas proprietárias, em que apenas um fabricante lança produtos compatíveis com a sua própria arquitetura de rede, o usuário pode encontrar em mais de um fabricante a solução para os seus problemas.

A rede Fieldbus interliga os equipamentos de I/O mais inteligentes e pode cobrir distâncias maiores. Os equipamentos acoplados à rede possuem inteligência para desempenhar funções específicas de controle, tais como loops PID, controle de fluxo de informações e processos. Os protocolos de comunicação implementados no módulo DFI302 utilizado são o Ethernet TCP/IP e Fiedbus, os mais populares protocolos industriais da atualidade e que serão comentados a seguir.

OLE Server – Aplicativo servidor OPC/OLE
De acordo com a definição da OPC Foundation, OLE for Process Control (OPC) é um mecanismo que provê meios de padronizar a comunicação entre inúmeras fontes de dados, sejam eles equipamentos de chão de fábrica, ou bancos de dados numa sala de controle.

A OPC Foundation, uma organização com fins não lucrativos, estabeleceu um set de interfaces padronizadas Object Linking and Embedding / Component Object Model (OLE/COM), a fim de garantir uma grande interoperabilidade entre aplicações de automação e controle, equipamentos de campo, e aplicações comerciais no controle de processo de uma indústria. Este set de interfaces, baseados na tecnologia OLE/COM da Microsoft, definem objetos padronizados, métodos e propriedades para serv

idores de informação em tempo real, como sistema de processo distribuído, PLC, equipamentos inteligentes a fim de comunicar a informação que estes servidores possuem com aplicações que também entendam o padrão OLE/COM.

A arquitetura cliente / servidor via OLE é uma arquitetura de processamento distribuído que fornece uma única visualização do sistema aos usuários e aplicações e possibilita a utilização de serviços em um ambiente de rede, independente da localização, da arquitetura de máquina ou do ambiente de implantação.

Uma vez que o servidor tenha uma interface OPC, qualquer cliente pode acessar dispositivos de campo de forma padrão. O OLE/COM une os fornecedores de hardware com os desenvolvedores de software. O OLE Server para Windows é a porção servidor do software que realiza a conexão entre o lado cliente do software e a DFI302. O acesso ao OLE Server pode ser feito localmente (conexão local – Server instalado na mesma estação do cliente OLE) ou por uma rede (conexão remota – server instalado em outra estação).

Resumidamente, as aplicações OPC clientes, como um software supervisório, utiliza seu driver OPC client para comunicar-se de uma maneira padronizada com softwares que são servidores de informação, como o OLE Server.

ElipseSCADA – Sistema Supervisório
Sistemas Supervisórios são softwares que permitem que sejam monitoradas e rastreadas informações do processo. As informações poderão ser visualizadas por intermédio de quadros sinóticos animados com indicações instantâneas. O sistema a ser desenvolvido utilizará o supervisório ElipseSCADA. Os nós do Sistema de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA) são responsáveis pela aquisição e envio de dados ao processo, constituindo uma ponte de informação entre o supervisório e o instrumento digital supervisionado.

O ElipseSCADA é uma ferramenta para o desenvolvimento de sistemas de supervisão e controle de processos que permite a monitoração de variáveis em tempo real, via gráficos e objetos que estão relacionados com as variáveis físicas de campo. Também é possível fazer acionamentos e enviar ou receber informações para equipamentos de aquisição de dados.

O objeto OPC Server é um cliente OPC que possibilita a comunicação com um determinado equipamento ou dispositivo, utilizando o protocolo OPC. O OPC Server é a representação de um servidor OPC DA dentro do ElipseSCADA, o que permite o envio e recebimento de dados em tempo real.

Sensor HALL
Os sensores de Efeito Hall constituem uma das melhores opções para sensoriamento de campos magnéticos, principalmente quando se exige velocidade e precisão. O princípio de funcionamento do efeito Hall é a mudança da condutividade de um elemento em presença de campos magnéticos. Ele fornece uma tensão de saída que é proporcional ao campo magnético aplicado. Este sensor magnético é ideal para uso em sistema de sensor de posição linear ou rotativo, além de ser imune às trepidações mecânicas.

O produto externo indica que a força tem uma direção mutuamente perpendicular ao fluxo de corrente e ao campo magnético. Quando se tem um fluxo de corrente em um material sujeito a um campo magnético perpendicular, o ângulo por meio do qual o fluxo de corrente é mudado pelo campo magnético é conhecido como ângulo Hall e é um parâmetro dependente do material. As linhas equipotenciais ao longo do comprimento do material são inclinadas, e isso nos leva a tensão de Hall medida ao longo do material. Ou seja, tem-se uma tensão proporcional ao campo magnético aplicado.

DEFINIÇÃO DOS EQUIPAMENTOS

Os equipamentos inteligentes utilizados encontram-se detalhados a seguir, conforme definição do fabricante SMAR Equipamentos Industriais.

• DFI302 – Fieldbus Universal Bridge
  O DFI302 é um elemento-chave na arquitetura distribuída dos Sistemas de Controle de Campo. Este provê serviços de comunicação para controle, supervisão usando OPC, configuração e manutenção usando OLE.
• Fonte de alimentação para o Backplane
  É uma fonte de tensão AC de entrada universal e saídas 5 Vdc (alimentação para o backplane) e 24 Vdc (uso externo).
• DF52 – Fonte de Alimentação para Fieldbus
  O módulo de fonte utilizado é composto de uma fonte universal de entrada AC (90 a 264 Vac, 47 a 63 Hz ou um equivalente DC), e uma saída 24 Vdc isolada, proteção contra curto-circuito e sobrecorrente, pico (ripple) e indicação de falha, apropriada para alimentação de elementos Fieldbus.
• DF51 – Módulo processador
  O módulo processador DF51 é um módulo que manipula a comunicação e as tarefas de controle.
• PSI302P – Impedância para fonte de alimentação Fieldbus
  A função da impedância para fonte de alimentação é implementar um circuito com impedância de saída que, em paralelo com os dois terminadores de linha de 100? ±2% cada, resultaria em uma impedância de linha da ordem de 50 W. Esta impedância é implementada por um circuito de controle de impedância. O PSI302P é um dispositivo de controle de impedância ativa, não isolado, indispensável para a implementação de uma rede Fieldbus, de acordo com requisitos de normas vigentes. Este dispositivo apresenta uma impedância de saída que, em paralelo com os dois terminadores de linha Fieldbus (resistor de 100 W em série com capacitor de 1 mF exigidos pela norma IEC 11558-2), resulta em impedância de linha puramente resistiva para uma larga faixa de frequência. Ele evita a desagradável oscilação e distorção de sinal, decorrente da variação do sinal de comunicação.
• BT302 – Terminador Fieldbus
  Em Fieldbus, o frame de transmissão é feito pela modulação da corrente e o frame de recepção é feito pela tensão percebida. A principal função de um terminador é evitar reflexão do sinal de transmissão. Em uma linha infinita de transmissão de sinal com impedância característica Z0, os sinais de comunicação fluem de forma unidirecional. Caso a linha apresente uma junção, existirá um descasamento de impedância (impedância de entrada da junção diferente da impedância característica da linha). Sendo assim, o sinal encontra uma barreira, o que acarreta uma reflexão do sinal com uma amplitude proporcional a este descasamento. Esta reflexão, de sentido oposto ao sinal transmitido, irá se sobrepor a este sinal, ocasionando sérias distorções no sinal original. Se em todas as extremidades da linha e nas junções as impedâncias estiverem casadas, o efeito de reflexão será eliminado, como se a linha fosse infinita.

Por norma, uma linha Fieldbus deve apresentar uma impedância característica Z0 de 100? ±20% @ 31,25 kHz e os terminadores devem apresentar uma impedância de 100? ±2%, considerando a faixa de frequência de 7,8 kHz a 39 kHz (0,25 x 31,25 kHz a 1,25 x 31,25 kHz).

O dispositivo BT302 é um Terminador Fieldbus desenvolvido de acordo com os requisitos da norma ISA-S50.02-1992 (IEC 1158-2). Possui concepção simples, consistindo em uma rede RC com resistor de 100 ? em série com um capacitor de 1 µF.

Uma rede Fieldbus precisa de dois terminadores, um em cada final do tronco principal. Como a PSI302 utilizada já possui um terminador, somente um BT302 é requerido.

• FI302 – Conversor de Fieldbus para corrente
  O FI302 é um conversor destinado a interfacear Sistemas Fieldbus com válvulas de controle e atuadores. Ele produz uma saída de 4 mA a 20 mA, proporcional à entrada recebida pela rede Fieldbus.
• IF302

  – Conversor de corrente para Fieldbus
  O IF302 é um conversor destinado a interfacear transmissores analógicos com uma rede Fieldbus. Ele recebe sinais de corrente tipicamente de 4 mA a 20 mA ou 0 a 20mA e torna-os disponíveis para um sistema Fieldbus.

• TP301 – Transmissor de posição
  O TP301 é um transmissor inteligente para medidas de posição, com ele pode-se medir deslocamento ou movimento tipo linear ou rotativo. Pode ser usado para controlar posição da haste de qualquer tipo de válvula ou outra aplicação que necessite medir a posição. Seu princípio de funcionamento é baseado no sensor de posição por efeito hall.
• FY301 – Posicionador inteligente de válvulas
  O FY301 é um posicionador inteligente para válvulas de controle linear, ação simples ou ação dupla. O FY301 é baseado no bico-palheta, consagrado pelo uso no campo e no sensor de posição por efeito Hall, mencionado anteriormente.

BLOCOS FUNCIONAIS

A Figura 1 é a representação genérica de um bloco funcional que possui suas entradas, saídas e parâmetros de controle.

Figura 1 – Diagrama geral de um bloco de função

O protocolo de comunicação é tratado internamente pelos próprios blocos funcionais que são responsáveis tanto pelas comunicações cíclicas (publicações de parâmetros para supervisão e links) quanto pelas comunicações acíclicas (notificações de alarmes/eventos, informações de diagnóstico e de display, etc.).

CONSTRUÇÃO DO SISTEMA DE CALIBRAÇÃO DE VÁLVULAS

Para construção do sistema de calibração de válvulas, foi confeccionada uma bancada em aço carbono para apoio das válvulas, ferramentas e equipamentos, com dispositivos adequados para teste em válvula de diversos diâmetros (½” a 14”). Veja Figura 2.

Figura 2 – Foto do sistema de calibração de válvulas “Works”

O layout de fixação das válvulas de diâmetros maiores foi definido considerando seu centro de gravidade, tornando sua construção mais leve, além de atender aos requisitos de segurança do processo. O sistema de leitura da posição real da válvula utiliza a tecnologia de sistema de efeito Hall. Considerando que esse sistema atenderá também a válvulas com entrada de sinal 4~20 mA, utiliza-se um conversor FI para fazer o cancelamento dos sinais.

A definição do projeto emprega um conversor IF para captação do sinal de posição, considerando que no mercado existem posicionadores que já disponibilizam o sinal de posição da válvula em 4~20 mA, tornando dispensável a utilização do TP. O TP tem o objetivo de transmitir ao sistema a posição real da válvula, fazendo a leitura de posição pela leitura magnética do imã instalado na haste da válvula.

O módulo de comunicação Fieldbus comunica com o software de supervisão via Ethernet e, por meio do software de supervisão, pode-se monitorar todo o processo e gerar os relatórios de performance dos testes, que podem ser impressos.

Diagrama de funcionamento

Por meio do diagrama de funcionamento (Figura 3), pode-se observar melhor como trabalha o sistema “Works”. No diagrama, o FI recebe o sinal Fieldbus (sinal digital) e converte para 4~20 mA (sinal analógico), enviando-o para o posicionador. No posicionador o sinal analógico é convertido em pneumático, 3~15 psi. A válvula recebe o sinal pneumático e o converte em 0~100% , posição de sua abertura ou fechamento.

O TP recebe o sinal de posição e o converte, novamente em 4~20 mA,
enviando-o para o IF, que recebe este sinal e o converte para Fieldbus. Este sinal passa pelo módulo (DFI), segue via Ethernet para o computador e é utilizado pelo software que supervisiona todo o processo.

Os dados obtidos são lançados na planilha eletrônica que possui o Critério de Aceitação (CA) referente ao cliente em específico e que resulta em um certificado de calibração.

Figura 3 – Diagrama funcional do sistema Works

Por meio do SYSCON, o projeto é dividido em duas etapas: configuração lógica (arranjo lógico do processo dividido em células de processo e módulos de controle) e distribuição física da rede de instrumentos (distribuição física dos instrumentos nas interfaces).

A configuração dos instrumentos consiste, basicamente, no interligamento lógico dos diversos blocos funcionais implementados em cada device da rede por meio do SYSCON e a definição dos parâmetros de controle de cada bloco.

Pelo OPC Server, incluso no ElipseSCADA, e utilizando sua ferramenta Organizer e o OLE Server da SMAR foi realizada a comunicação entre os instrumentos Fieldbus e o sistema supervisório. Algumas telas que gerenciam o processo de calibração podem ser vistas nas Figuras 4, 5 e 6.

Figura 4 – Tela inicial do processo

Figura 5 – Tela de acompanhamento geral do sistema

Figura 6 – Tela de visualização e impressão de histórico

CERTIFICADO DE CALIBRAÇÃO (CA)

Para facilitar a visualização e registrar as operações desenvolvidas pelo sistema, têm-se, também, uma planilha eletrônica de análise dos resultados, com a qual foi possível diagnosticar a taxa de erro na válvula calibrada, conforme CA do cliente. Os valores colhidos resultaram em um certificado de calibração que é fornecido ao cliente, com gráficos e parecer dos resultados.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

O objetivo principal do trabalho foi desenvolver um sistema de calibração de válvulas eletropneumáticas de controle de processo industrial, implantando tecnologias de comunicação de dados analógicos e digitais para acionamento de válvulas e monitoração de sua posição durante os testes.

Por meio de uma bancada observando seu centro de gravidade, ganhou-se mais leveza, melhor facilidade de locomoção, além de poder atender ao cliente in loco, observando parâmetros de segurança em seu transporte. A adoção de leitura utilizando tecnologia de efeito Hall é um diferencial importante, pois não há contato mecânico de nenhuma das partes, implicando uma leitura segura, sem influências e sem desgaste de peças.

A utilização de conversores Fieldbus / corrente e corrente / Fieldbus, bem como do posicionador com entrada de sinal de 4~20 mA, faz o sistema ser universal, atendendo a todos os tipos de válvulas. Isto quer dizer que as válvulas que têm entrada de sinal de 4~20 mA utilizam o conversor FI para cancelar o sinal. O IF é utilizado para captação do sinal de posição naquela

s que já disponibilizam para o sistema o sinal de posição analógico; já aquelas que não disponibilizam este sinal, fazem uso do transmissor de posição.

A utilização de instrumentos Fieldbus permite o acompanhamento e toda a monitoração do sistema via supervisório, possibilitando também o registro, histórico e a elaboração de certificado de calibração, comprovando o comportamento da válvula calibrada.

CONCLUSÃO

O desenvolvimento de um sistema universal de calibração de válvulas eletropneumáticas de controle de processo industrial foi plenamente alcançado. Com toda a sistemática empregada, alcançou-se um sistema totalmente automatizado, confiável e com registro dos dados para impressão de resultados e geração de relatórios. Ainda tem como diferencial uma IHM agradável e de fácil manuseio e controle, além da monitoração e o histórico de todas as válvulas calibradas.

REFERÊNCIAS
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ALÃINE MARQUES LOPES é engenheira mecatrônica.

TELMA CÔRTES QUADROS DE ANDRADE é física, mestre e doutora em Geofísica, especialista em termodinâmica e Diretora de Fortalecimento Tecnológico Empresarial da Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação do Estado da Bahia.

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Este trabalho foi premiado pelo Programa de Bolsas de Apoio ao Desenvolvimento de Iniciação Tecnológica (BITEC), Instituto Euvaldo Lodi (IEL), Sebrae e CNPq.