2 Teori
2.6 Dialog
2.6.5 Diskusjon
exemplos de nomes escolhidos estupidamente para instrumentos de processo. Não há nada particularmente inteligente nos instrumentos inteligentes. Porém, eles possuem características acima e além das de seus predecessores e estas capacidades devem ser
entendidas. A capacidade adicional tornou-se possível pelo desenvolvimento do admirável microprocessador e a sua inclusão nos instrumentos de medição. Isto significa que um transmissor inteligente possui um pequeno computador em seu interior que
geralmente lhe dá a habilidade de fazer, entre várias outras, duas coisas
principais:
1. modificar sua saída para compensar os efeitos de erros
2. ser interrogado pelo instrumento receptor da malha.
As capacidades peculiares dos instrumentos inteligentes são:
1. habilidade de transmitir medições do processo, usando um sinal digital que é inerentemente um método mais preciso do que o sinal analógico. O principal obstáculo é a falta de
padronização deste sinal digital e seu
respectivo protocolo. Algum dia isto será resolvido.
2. Todos os instrumentos de medição industriais contem componentes como foles, diafragmas e elos que exibem comportamento não linear ou cujo comportamento pode ser alterado por variações de temperatura, umidade, pressão, vibração, alimentação ou outros efeitos externos. Em outros casos, os efeitos não lineares
aparecem por causa dos princípios de medição, como a medição de vazão com placa de orifício. A estratégia, até hoje, era usar outros instrumentos para compensar estes efeitos. Como os instrumentos inteligentes possuem uma grande capacidade computacional, estas compensações, correções e linearizações são mais facilmente conseguidas através de circuitos embutidos no
microprocessador.
3. Além de transmitir a informação, o transmissor inteligente pode também ouvir. Um benefício prático disto é em verificação de pré-partida. Da sala de controle, o instrumentista pode perguntar ao transmissor que está no campo qual é o seu número de identificação.
4. Possibilitando a inclusão de um segundo sensor, de modo que os efeitos secundários do sensor principal possam ser compensados. 5. Um transmissor inteligente pode ter
sua faixa de calibração facilmente alterada através de comandos de reprogramação em vez de ter ajustes mecânicos locais. Na medição de vazão com placa de orifício, as verificações de zero do instrumento requerem a abertura e fechamento das válvulas do distribuidor no transmissor.
3.2. Transmissor smart e
inteligente
Para diferenciar o transmissor convencional daqueles em que são aplicadas correções no sinal do sensor primário, usando um microprocessador para manipular a informação que está incorporada na memória ou daqueles em
conjunto com um sensor secundário para derivar correções para o sinal do sensor primário, usa-se o termo smart (sabido).
Componentes de um transmissor smart
Fig. 7.9. Componentes de um transmissor smart com sensor secundário
Fig. 7.10. Componentes de um transmissor smart e inteligente com uma facilidade de comunicação
O fato de se incorporar um
microprocessador em um transmissor tem também fornecido uma oportunidade para sair de um regime em que somente o sinal de medição é transferido do transmissor para um receptor, tal como um controlador ou indicador ou
registrador, para um em que o microprocessador não somente implementa as funções smarts
mencionadas previamente, mas também gerencia uma facilidade de comunicação. Isto possibilita que os dados específicos ao próprio transmissor, tais como seu
tipo, número de série, tag de
identificação, sejam armazenados no transmissor e acessados através da malha de medição em que o transmissor está instalado. Outras funções, tais como ajuste ou reajuste de zero e largura de falha, detalhes da localização e aplicação e rotinas de diagnóstico para dar aviso de mau funcionamento também podem ser implementados. O termo inteligente tem sido usado para identificar tais
transmissores.
Uma evolução adicional que está sendo atualmente usada é a
multiplexação das saídas do transmissor em um circuito ou fieldbus, em vez de ligação dos transmissores através de circuitos individuais para a sala de controle. Para o conceito realizar seu potencial pleno, é necessária uma norma internacional para garantir que os
transmissores de diferentes fabricantes sejam intercambiáveis e interoperáveis. Intercambiável significa que um
transmissor de um fabricante pode ser substituído por um transmissor de outro fabricante sem qualquer alteração no sistema. Interoperável significa que um transmissor de um fabricante pode ser usado para substituir um transmissor de outro fabricante mas alguma
reconfiguração do sistema é necessária. Desde 1985 tem-se feito esforços para desenvolver uma única norma
internacional, mas neste período, foram desenvolvidas várias normas
proprietárias e nacionais que competem e atrapalham o aparecimento da nova norma internacional.
3.3. Terminologia
Há uma falta de consistência na terminologia usada para descrever os vários atributos e características destes novos transmissores e portanto, no contexto deste trabalho são usadas as seguintes interpretações:
Sensor
Dispositivo que converte um
parâmetro físico (por exemplo, pressão) em outro parâmetro (por exemplo, resistência elétrica). Memória Micro processador Conversor D/A Conversor A/D Sensor 4 a 20 mA Memória Micro processador Conversor D/A Conversor A/D 4 a 20 mA 1o sensor 2o sensor Memória Micro processador Conversor D/A Conversor A/D 4 a 20 mA 1o sensor 2o sensor Sistema Comunicação
Sensor primário é o sensor que responde principalmente ao parâmetro físico a ser medido.
Sensor secundário é o sensor montado adjacente ao primário para medir o parâmetro físico que afeta de modo indesejável a característica básica do sensor primário (por exemplo, os efeitos da temperatura na medição de pressão).
Transmissor
Instrumento, geralmente montado no campo, usado para sentir a variável do processo (e.g., temperatura) em um ponto onde ele está montado e para fornecer um sinal padrão (por exemplo 4 a 20 mA cc) que é uma função,
geralmente linear, desta variável.
Transmissor smart é um transmissor em que é usado um sistema
microprocessador para corrigir os erros de não linearidade do sensor primário através da interpolação de dados de calibração mantidos na memória ou para compensar os efeitos de influência secundários sobre o sensor primário incorporando um segundo sensor adjacente ao primário e interpolando dados de calibração armazenados dos sensores primário e secundário.
Transmissor inteligente é um transmissor em que as funções de um sistema microprocessador são
compartilhadas entre
1. derivar o sinal de medição primário,
2. armazenar a informação referente ao transmissor em si, seus dados de aplicação e sua localização e
3. gerenciar um sistema de comunicação que possibilite uma comunicação de duas vias (transmissor para receptor e do receptor para o transmissor), superposta sobre o mesmo circuito que transporta o sinal de medição, a comunicação sendo entre o
transmissor e qualquer unidade de interface ligada em qualquer ponto de acesso na malha de medição ou na sala de controle.
Fieldbus
Meio de comunicação único, (e.g., par de fio trançado, cabo coaxial ou fibra óptica), que transporta a informação (endereço, dados de controle e dados de parâmetros do processo) entre um número de transmissores, atuadores, controladores, indicadores e
registradores.
Genericamente, fieldbus é um meio de comunicação de dispositivos de campo. Atualmente, há a Fieldbus Foundation que gerencia a aplicação do protocolo escífico chamado de Fieldbus.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Delta P Temperatura Pressão Outros Nível Densidade Análise
Fig. 7.11 Estatística de transmissores de processo
História
A faixa de sistemas de medição smart hoje em uso cobre uma grande variedade de aplicações mas as que são
simultaneamente smart e inteligente tem sido desenvolvidas especificamente para uso em industrias de processo. Os tipos e números relativos de medições de processo variam de uma indústria para outra, mas a Fig. 7.11 mostra que as variáveis mais medidas são temperatura, pressão e pressão diferencial para vazão e nível, densidade e análise.
O principal desenvolvimento de transmissores smart tem sido concentrado em transmissores de temperatura, pressão e pressão diferencial. Para os transmissores de temperatura, são armazenados em sua
características de vários tipos de termopares, resistência de platina e outros sensores, para interpolação pelo microprocessador através da faixa selecionada do transmissor. Para os transmissores de pressão e de pressão diferencial, os dados de calibração relativos aos sensores primário e secundário são armazenados na memória para interpolação pelo
microprocessador através de toda faixa selecionada do transmissor. Os
transmissores de pressão diferencial são particularmente importantes porque metade das medições de nível e dois terços das medições de vazão são baseadas nesta medição, embora esta última proporção esteja declinando.
O segundo desenvolvimento importante aparece dos benefícios potenciais da possibilidade de comunicação com um instrumento remoto através do mesmo circuito que transporta o sinal de medição. Até então, nas indústrias de processo, os
instrumentos eram considerados como dispositivos que eram localizados em posições remotas e ligados por um par de fios trançado para o ponto onde o sinal de medição era necessário. A tecnologia que possibilitava dois tipos de informação a serem comunicadas sobre o mesmo par de fios, sem interferência mútua, tem sido disponível, mas somente recentemente tem sido aplicada e
explorada para medições de processo. Tendo desenvolvido transmissores em que os microprocessadores são usados para melhorar o desempenho pela linearização das características básicas do sensor ou pela compensação das influências secundárias, é uma progressão lógica adicionar mais memória, de modo que outros dados, específicos ao transmissor em si, tais como seu tipo, número de série, tag de identificação, sejam armazenados no transmissor. O microprocessador pode ser usado para controlar uma facilidade de comunicação, de modo que a
informação armazenada no transmissor possa ser interrogada via circuito de medição, em que ele está instalado e outras funções, tais como ajuste e reajuste de zero e largura de faixa,
acesso dos dados relativos à aplicação, posição instalada e história do serviço possam ser implementados. O termo inteligente é usado para identificar o transmissor com tais facilidades.
O conceito de transmissores que não apenas fornecem um sinal de medição, mas são também capazes de
comunicação em dois sentidos sobre o mesmo circuito provoca:
1. necessidade de uma norma que possibilite transmissores de diferentes fabricantes sejam intercambiáveis (tal como hoje se faz com os
transmissores convencionais de 4 a 20 mA cc)
2. necessidade de uma norma que possibilite a exploração das facilidades melhoradas.
3. possibilidade de substituir os circuitos individuais entre os transmissores e as saídas de controle com um
barramento (highway) de dados. O termo fieldbus é usado para descrever qualquer forma de barramento de dados que suporta a comunicação entre equipamentos de campo com a sala de controle.
Um fieldbus tem muitas vantagens sobre o sistema convencional de 4 a 20 mA cc, como:
1. reduzir os custos de fiação, comissionamento e manutenção 2. aumentar a versatilidade
3. melhorar a funcionalidade
Desde 1985 tem-se feito esforços para desenvolver uma única norma internacional, mas desde esta data, também foram desenvolvidas várias normas proprietárias e nacionais que competem para se tornar a norma predominante. A despeito desta situação confusa, a introdução de fieldbus
provavelmente provocará uma grande melhoria e versatilidade nas indústrias de controle, junto com as tecnologias
adjacentes tais como processamento de sinal, circuitos neurais, lógica fuzzy e matrizes de sensores. Um dos primeiros protocolos de comunicação de campo a ser explorado comercialmente com sucesso foi o Protocolo de Comunicação de Campo HART, desenvolvido pela Rosemount.
Um dos muitos problemas que existiram em grandes plantas de
processo, é a variedade de transmissores necessários para satisfazer as exigências operacionais e o conseqüente alto custo de suas peças de reposição. Esta
variedade é devida principalmente ao fato de os transmissores serem analógicos com ajuste de faixas limitado, de modo que são necessários muitos sensores diferentes. A introdução de um segundo sensor e o sistema de microprocessador aumentou grandemente a rangeabilidade e precisão dos transmissores, de modo que as medições de pressão e de pressão diferencial podem ser feitas por dois transmissores de cada tipo.
O padrão de transmissão atual de 4 a 20 mA cc forneceu uma base excelente para o desenvolvimento da
instrumentação de processo nos últimos 30 anos. Suas vantagens incluem:
1. o sinal de medição não é afetado pelas variações de resistência da malha,
2. transmissores de diferentes fabricantes podem ser intercambiáveis
3. dentro de grandes limites, podem ser inseridos instrumentos de alarme, indicação, registro sem afetar a precisão da medição 4. a potência necessária para
energizar o sensor e os circuitos condicionadores é fornecida com zero vivo, que é detectora de falha. Porém, a transmissão de 4 a 20 mA cc tem a limitação de apenas comunicar o sinal de medição, que é transmitido do transmissor para a sala de controle. É um sistema de comunicação com um único sentido.
A influência dominante na evolução dos sistemas de medição de processo é a necessidade de reduzir o custo de propriedade. Custo de propriedade é o custo do instrumento em si, mais os custos de instalação, comissionamento, partida, calibração e manutenção
subseqüentes. Os desenvolvimentos nos elementos sensores exploraram os métodos de CAD para melhorar as tecnologias de strain gauges com silício e a fabricação de microelementos sensores
progressos foram paralelos com os avanços dos microprocessadores de baixo consumo de potência e os
conversores analógico-digital (A/D). Um modo de reduzir o custo de fabricação é reduzir o peso e tamanho dos
componentes.