Revista Controle & Instrumentação – Edição nº 220 – 2016



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Nível e Vazão
Medição, Indicação e Controle

 
 
Nível foi uma das primeiras variáveis mensuradas pela humanidade: o conhecimento do nível dos recursos como a água facilitou a fixação de grupos.

De sistemas rústicos, onde o nível dos rios era marcado com troncos e servia de guia para plantar e colher, até os atuais sistemas magnetorresistivos e radares – cuja precisão chega a 0,1mm – os sistemas de controle evoluíram se tornaram precisos e extremamente seguros. E os sistemas de medição de nível variam em complexidade e investimento, desde simples réguas, controles visuais com cores até sistemas de controles e registros via software.

Até 2013, os levantamentos da ARC mostram um mercado geral de instrumentação de campo em leve ascensão; depois disso, a consultoria realizou levantamentos específicos por instrumento, como para os medidores de nível ultrassônico que, segundo a ARC, tem lugar garantido no mercado porque fornece uma solução madura e comprovada para uma variedade de aplicações não-intrusivas de medição contínua de nível. Para ele, o mercado cresce de forma moderada até pelo preço relativamente baixo e software de valor agregado associado – com ampla gama de prestadores de serviços. Também os medidores de nível por ultrassom têm a confiança do mercado e são utilizados em diversas indústrias e aplicações para medir líquidos e sólidos a granel; nas medições de inventário precisos, reduzindo derrames relacionados com transbordo; água e efluentes é uma indústria-chave para o medidor de nível por ultrassom – que deve ter crescimento de longo prazo.

A ARC destaca que ambos os tipos de medição podem ganhar com o maior uso de sistemas SCADA em nuvem onde instrumentos inteligentes são básicos e devem sofrer impacto positivo de crescimento.

Ainda segundo a ARC, tecnologia avançada e queda dos preços impulsionam o crescimento dos dispositivos de nível de radar, cujo mercado pode ser dividido em dois: aferição de inventário e nível de processo. Importante para os usuários são produtos com maior precisão e faixas de frequência mais amplos, o que permite que os dispositivos tenham um bom desempenho mesmo em aplicações historicamente difíceis. Além disso, a inteligência dos dispositivos de radar tem aumentado, melhorando a força e a integridade do sinal, reduzindo os requisitos de calibração e as capacidades de autodiagnostico.

A ARC lembra que todos os instrumentos inteligentes de campo têm como desafio a importância crescente do nível de integridade de segurança – SIL e outras medidas para melhorar a segurança. Além disso, algumas dinâmicas regionais afetam as decisões de compra dos usuários.
 
 
César Cassiolato, presidente da Vivace Process Instruments, ressalta que a medição de nível, embora muito simples em seus conceitos, requer, na prática, artifícios e técnicas avançadas, principalmente para fins operacionais e de custos (transferências fiscais, inventários). É amplamente utilizada nas mais diversas aplicações industriais e existe uma variedade de sistemas de medição de nível envolvendo líquidos, sólidos, vapor, gases; sendo que cada um possui suas vantagens e desvantagens. E ainda podemos ter interfaces entre líquidos e sólidos, entre liquido e gás ou vapor, mais de um liquido, ou mesmo entre um sólido e um gás. Podem variar em complexidade desde simples visores para leituras locais até indicação remota, registro ou controle automático.

Com o avanço tecnológico e exigências dos processos com exatidão, variabilidade dos processos, otimização de matéria-prima, existem hoje no mercado equipamentos com alta exatidão e performance. Um passo importante quando se está escolhendo instrumentos para a medição ou controle de nível é verificar se a área é classificada ou não; se for, os equipamentos têm que ser à prova de explosão ou atender a segurança intrínseca. O custo destes equipamentos, assim como os requisitos de instalação devem ser levados em conta, conforme os requisitos de segurança. “Outro ponto importante da especificação é a tecnologia a ser adotada: Hart, 4-20mA, Profibus-PA, Foundation Fieldbus...SIS... Um ponto que vale ressaltar é a diferença entre instalar equipamentos em uma planta em operação e na condição de montagem para partida.

Nem sempre as condições estão adequadas”, pontua Cassiolato. Tulio Domingues, engenheiro mecânico pela Facens, instrumentista pelo Senai e especialista em nível da Wika, lembra que no momento em que se cogita a instalação de sistemas de medição e indicação de nível, deve-se ter em mente alguns pontos chaves: os dados de processo, qual tipo de informação se deseja receber e qual é a finalidade desta medição. “Uma medição confiável de nível permite aplicações viáveis e que geram economia para a empresa como a medição para transferência de custódia e inventário (evitando movimentações desnecessárias e reduzindo o tempo utilizado). Conhecer o processo é a base para selecionar-se corretamente o material de construção dos instrumentos e assim adquirir um produto com uma durabilidade superior”.

Marcílio Pongitori, presidente da ISA Campinas e da Shevat engenharia, ressalta que tanto para simples monitoramento quanto para controle o que se deve sempre analisar é o processo e a importância da variável medida e/ou controlada para o desempenho do mesmo. E esses cuidados valem tanto para aplicações em plantas onshore quanto offshore, respeitando as normas para os diversos ambientes.

João Bassa, diretor de Relações Internacionais da ISA Campinas, ISA Editorial Advisory Board Member e consultor sênior da Maham Serviços de Engenharia Consultiva, também não vê diferença na abordagem para planta em terra ou no mar e não ressalta diferenças, mas abordagens para “monitoramento e/ou controle”: em qualquer caso os equipamentos disponíveis, de forma geral, oferecem tecnologias/soluções satisfatórias e eficientes para cada aplicação. “Para monitoramento, normalmente o fator mais importante é a exatidão; para controle, a estabilidade. Quando se trabalha em plataforma, a compatibilidade do invólucro com o meio salino é importante, além do tamanho do equipamento e forma de suporte. Já para os casos de plantas em terra, estes itens não são tão impactantes”, pontua Leandro Massaro, consultor técnico em instrumentação Foxboro da Schneider.

Jorge Souza, engenheiro da Metso, destaca que, na monitoração, tanto de vazão quanto de nível, é importante notar a interação dos posicionadores digitais com os usuários (manutenção / operação) apresentando autodiagnosticos e, para controle dessas variáveis, a disponibilidade e confiabilidade do elemento final de controle. “Não é muito diferente especificar vazão e nível – para monitoramento e/ou controle – para uma plataforma ou uma planta em terra; o que diferencia são os requisitos de segurança, robustez e espaço físico”. Ou seja, todos os novos conceitos de negócio que incluem big data e digitalização nascem nos dados gerados pelos instrumentos inteligentes – conhece-los bem mostra-se mais que importante. E os três tipos básicos de medição e controle de nível são direto, indireto e descontínuo. A medição direta pode ser feita medindo-se diretamente a distância entre o nível do produto e um referencial previamente definido. Neste tipo de medição podemos utilizar a observação visual, como por exemplo, réguas, gabaritos, visores de nível, boia ou flutuador, ou até mesmo através da reflexão de ondas ultrassônicas pela superfície do produto.
 
 
E se a ideia é apenas visualizar o nível contido em um espaço confinado, a opção mais interessante é o medidor magnético de bandeirolas (ou bicolor), de fácil visualização e controle da coluna de fluido, que ainda aceita upgrades como chaves de nível e transmissores de nível com os protocolos de comunicação disponíveis no mercado. Estes upgrades podem, muitas vezes, ser instalados com o instrumento em linha, sem a necessidade de paradas no processo.

Outra opção é visor de vidro que possui alta confiabilidade para aplicações críticas, principalmente em caldeiras, onde pressões de mais de 360 bar e temperaturas de 300ºC podem ocorrer. De porte robusto e maciço, sua medição direta, sem partes móveis ou interfaces, deve ser utilizado como referência para aferição de outros sistemas de controle e segurança.

Na medição indireta, o nível é medido indiretamente em função de grandezas físicas a ele relacionadas, como por exemplo, pressão (manômetros de tubo em U, níveis de borbulhador, níveis de diafragma, células de pressão diferencial, etc.), empuxo (níveis de deslocador) e propriedades elétricas (níveis capacitivos, detector de nível condutivo, níveis radioativos, níveis ultrassônicos, detector de nível de lâminas vibrantes, etc.).

Mas pode existir a necessidade de não apenas medir e mostrar o nível, mas o controlar de forma precisa e confiável. Com prós e contras, três opções podem ser instaladas na maioria dos tanques e trabalhar com a maioria dos fluidos. De trabalho mais simples, as chaves de nível verticais e horizontais podem apresentar diversos pontos de atuação com contatos reversíveis, gerando uma infinidade de combinações e usos. “De construção simplificada e enorme variedade de conexões ao processo, essa opção supre aplicações onde queremos certos pontos do tanque.

Abrir e fechar válvulas ou ligar e desligar bombas são alguns exemplos de como as chaves podem atuar no processo” explica Tulio. Os transmissores magnéticos de nível monitoram de forma contínua a altura da coluna de fluido através da movimentação do flutuador e transmitem de forma analógica ou digital o sinal. Além da transmissão remota, a indicação local também é possível utilizandose o display. Trabalham com precisões de até 0,1mm, e até as aplicações mais delicadas são possíveis de se monitorar.

Nas medições descontinuas têm-se a indicação apenas quando o nível atinge certos pontos especificados, como condições de alarmes de nível alto ou baixo. Na prática, a preferência é pelas medições diretas. Cassiolato conta que a tecnologia de medição de nível por pressão hidrostática ainda é a mais utilizada no mundo. “Mas ela depende da densidade. Se há mudança de temperatura ou composição do produto, o famoso trio p.g.h varia também, devido a ela” (p é a massa específica da água, g é a aceleração da gravidade e h é a altura).

Então, algumas empresas desenvolveram o transmissor de nível por onda guiada, que possui tecnologia baseada no princípio da Reflectometria no Domínio do Tempo (TDR), muito utilizado para medição de constantes dielétricas de líquidos, detecção de fissuras em grandes estruturas na construção civil, medição de concentração de soluções e umidade do solo na agricultura e, entre outras aplicações, para medição direta de níveis em processos industriais. “Através de um gerador de radiofrequência localizado no interior do equipamento, pulsos eletromagnéticos são emitidos através de uma sonda em contato com o processo cujo nível deseja-se medir. As ondas, ao entrarem em um meio com constante dielétrica diferente, retornam pela sonda graças à mudança da impedância desse meio. Este parâmetro é diretamente relacionado com a constante dielétrica do processo, sendo, portanto, fator decisivo na qualidade da reflexão da onda”, explica Cassiolato. “E independente de aplicação ou budget, inúmeras opções estão disponíveis para medirmos e controlarmos o nível de quaisquer tanques ou fluidos. E à medida em que reduzimos os gastos com perdas e manutenção, também os riscos de operação inerentes aos processos industriais são suprimidos, elevando a qualidade e a confiabilidade da produção. Ter essas noções é importante mas consultar o especialista de um fornecedor confiável é de grande valia para acertar”, pontua Tulio.

Vazão

A terceira grandeza mais medida nos processos industriais é vazão, com aplicações que vão desde a medição de vazão de água em estações de tratamento e residências, até medição de gases industriais e combustíveis, passando por medições mais complexas. A escolha correta de um determinado instrumento para medição de vazão depende de vários fatores, entre os quais se pode destacar a exatidão desejada para a medição; o tipo de fluido – líquido ou gás, limpo ou sujo, número de fases; a condutividade elétrica, transparência, etc.; as condições termodinâmicas: por exemplo, níveis de pressão e temperatura nos quais o medidor deve atuar; o espaço físico disponível; o tipo de tecnologia de medição; o tipo de protocolo de comunicação; as certificações necessárias; os custos, etc.

William Kishi, gerente do segmento de instrumentos para área de gás para América Latina da Bürkert, pontua que existem algumas diferenças ao especificar um medidor de vazão para plataformas e para plantas em terra que devem ser levadas em consideração.

A primeira delas é o tipo de certificação e aprovação que o medidor deve ter para trabalhar em ambientes offshore. Além disso, são ambientes diferentes em termos de agressividade, vibração, temperatura, atmosfera salina, exposição à umidade, além de todos os instrumentos terem certificação para área classificada.

Na hora de optar por uma tecnologia devemos entender alguns aspectos importantes para o correto dimensionamento e aplicação e é de extrema importância que se tenha todos os dados de processo em mãos para que a tecnologia seja definida. Dentre os dados mais importantes, estão o fluído de processo, densidade, a vazão mínima de operação e máxima, pressão, temperatura e viscosidade; o diâmetro e tipo de conexão ao processo, sinal de saída do medidor, protocolo de comunicação e tensão de alimentação elétrica.

Resumidamente, podemos classificar os medidores de vazão, segundo o quadro a seguir: Os requisitos para medições e controle de nível e vazão são parecidos e poderiam ser resumidos na exatidão desejada para a medição; tipo de material de partes molhadas, de carcaças etc.; características físico-químicas: densidade, condutividade elétrica, transparência, etc.; condições termodinâmicas: por exemplo, níveis de pressão e temperatura nos quais o medidor deve atuar; espaço físico disponível; tipo de tecnologia de medição; tipo de protocolo de comunicação; certificações necessárias e custos. Apesar disso, o usuário ainda encontra dificuldade na hora de comparar tecnologias e fornecedores. O ideal seria um resumo bem informativo como os elaborados pela Spirax Sarco e pela Omega nas tabelas abaixo:
 
 
Mas hoje, tão importante quanto a escolha da tecnologia e do fornecedor, é pensar nos conceitos de IIoT e Indústria 4.0 quando se especificar quaisquer equipamentos ou sistemas, não apenas de vazão e nível. Porque o futuro da produção industrial está amarrado a esses novos conceitos ciberfísicos.

Ao especificar um instrumento para sistemas de nível, vazão ou qualquer outra grandeza, a intenção é alcançar melhores resultados no processo, medições com menores erros, confiáveis, robustas, com economia de matéria-prima e insumos, aumento da segurança, conservação ambiental etc. E se a IIoT é uma evolução dos sistemas produtivos industriais, gerando como benefícios previstos nas plantas, a redução de custos, economia de energia, aumento da segurança, conservação ambiental, redução de erros, fim do desperdício, transparência nos negócios, aumento da qualidade de vida, personalização e escala sem precedentes, esses equipamentos fazem parte da IIoT, a chamada Indústria 4.0!

“Com base no conceito de IIoT e Indústria 4.0 e levando em consideração a inserção destes parâmetros em nosso trabalho, diria que é de extrema importância pensar neste modelo ao especificar hoje um medidor de vazão ou uma solução completa. Porque será cada vez mais comum os fornecedores oferecerem soluções com diagnósticos avançados, gráficos e simulações em tempo real, alarmes e parâmetros que permitem ao usuário uma visão estendida do processo industrial, nas chamadas Smart Factories. Atualmente, tecnologias vêm despontando fortemente com todos estes parâmetros e ferramentas avançadas e, o usuário adequando-se a este novo universo com certeza estará um passo à frente”, afirma Kishi.

Marcilio Pongitori comenta que tanto para vazão quanto para nível – ou outra variável –, controle ou monitoramento, a informação estará disponibilizada e a utilização destas para o pessoal de processo, TA e TI, é que vai determinar sua importância para os usuários e para a Automação 4.0 – que é a utilização dos dados de processo, obtidos via instrumentação e transmitidos via redes de comunicação que vai dar sentido na implantação desta solução. “Os maiores problemas que vemos hoje na indústria são em primeiro lugar a seleção das informações que causam impacto na gestão e no controle de processos. Há a necessidade de selecionar quais informações são importantes. Em segundo, deve existir entendimento entre as diversas áreas envolvidas – processo, TA, TI e as áreas de planejamento, vendas e logística. De posse destes entendimentos é que vamos ter a base da Automação 4.0 que é o conhecimento da operação como um todo e que leva a potencialização dos resultados”.

“As chances de ter uma produção e um fornecimento mais eficientes, com maior flexibilidade, escalabilidade, redução de recursos e custos, maior qualidade dependem, em última instância da confiabilidade e da robustez da grande diversidade de dados que constituem a entrada da cadeia de processamento e, consequentemente, dos equipamentos sensores/atuadores inteligentes que detectam a situação real e a transformam em sinais digitais e consequentemente em dados, informações e tomadas de decisões, etc. A Indústria 4.0 consolida avanços em equipamentos, sensores e atuadores inteligentes e comunicações em barramentos – já em curso e uma realidade. É o desenvolvimento e a implantação de dispositivos inteligentes. Isto engloba conceitos como a Internet das coisas (IoT), a Internet industrial das coisas (IIoT), a comunicação máquina a máquina (M2M), IPv6, RFID, computação em nuvem e data mining. Porque a Indústria 4.0 é a conexão lógica de todos os dispositivos e meios relacionados ao ambiente produtivo em questão, os sensores/atuadores, transmissores, estações de computadores, células de produção, sistema de planejamento produtivo, diretrizes estratégicas da indústria, informações de governo, clima, fornecedores, tudo sendo aquisitado online e analisado em um banco de dados”, destaca Cassiolato.

Os sistemas de automação devem estar orientados ao aumento da produção, redução de custos e visão das mudanças tecnológicas e, para que isso aconteça, a plataforma técnica deve estar estruturada com redes industriais, equipamentos inteligentes e com diagnósticos, sistemas de otimização e banco de dados. Mas a IoT só acontece se a comunicação dos componentes se basear em um padrão de comunicação aberto, global e preparado para os seus requisitos e exigências. Hoje, o OPC UA fornece essa semântica de interoperabilidade para o mundo inteligente de sistemas conectados.

Como a agregação de informação sobre muitas camadas é crítica e de fundamental importância e o OPC UA oferece uma solução completa para todas as necessidades de todas as camadas verticais de acesso em dispositivos remoto, a adoção deste padrão aberto é uma oportunidade que gera valor para fornecedores e usuários hoje e que vai facilitar a inserção do negócio na nova economia digital.

“A Indústria 4.0 é a conexão lógica de todos os dispositivos e meios relacionados ao ambiente produtivo em questão; é uma rede inteligente, onde cada dispositivo ou serviço pode iniciar uma atividade de forma autônoma em comunicação com os outros serviços ou departamentos da empresa, ou seja, quando dizemos que a internet está na indústria, no meio produtivo, devemos pensar num ambiente onde todos os equipamentos e máquinas estão conectadas em redes e disponibilizando informações de forma única e adicionalmente, deverá ser adequada aos modelos existentes e paradigmas de comunicação em relação a questões de segurança, estratégias de integração e conexões entre controladores e dispositivos em chão de fábrica. Além disso, informações devem ser estruturadas por uma semântica que descreva os dados e a sua finalidade em cada nível da estrutura industrial para garantir a integridade e sua utilização de dados coletados e transmitidos com eficiência. E ainda, é necessária escalabilidade horizontal e vertical e criação de redes de sistemas, máquinas e processos. Aí o OPC UA e a Ethernet serão os agentes favoráveis”, afirma Cassiolato.

A inclusão do Brasil na economia digital envolve grandes desafios e é essencial para o desenvolvimento e competitividade do país. Preocupa o fato de que a indústria brasileira pouco se utiliza dos benefícios das tecnologias digitais o que necessariamente aponta para muito investimento em equipamentos que incorporem essas tecnologias (hardware/ software), investimento na adaptação de infraestrutura e layouts nas plantas, adaptação de processos, das formas de relacionamento entre empresas ao longo da cadeia produtiva, cria ção de novas especialidades e desenvolvimento de competências – profissionais capacitados –, regulações e legislações nacionais, e muitas outras.

Cassiolato compara o momento atual com o desafio que foi – e ainda é – a introdução dos barramentos digitais em campo.

Bassa concorda com a importância de se pensar nos conceitos IIoT e levar em conta a possibilidade de interconexão e “disseminação” das informações, desde que exista um propósito para isto. “Se o planejamento estratégico de automação contempla uma evolução voltada à Indústria 4.0, envolvendo todos os elementos das unidades de produção, então será muito importante considerar estes fatores não apenas para os sistemas de vazão e nível, mas para todos os demais. Lembrando que o conceito da Indústria 4.0 não está baseado na forma como a informação está disponível e sim em como é utilizada”.

Jorge acredita que pensar hoje nos conceitos IIoT é muito importante. “É fundamental, pois é o futuro das indústrias, no conceito que os equipamentos têm que se comunicar de forma robusta, apresentar diagnósticos, reduzir o tempo de comissionamento e aumentar a confiabilidade de toda a planta. E se pensar em Ethernet e OPC UA é importante, é ainda mais garantir a robustez dos sistemas, independentemente do tipo de comunicação”.

Massaro considera que os conceitos de Indústria 4.0 já são importantes para a realização da gestão de ativos de uma forma integrada e que traga valor e, atualmente, para medições de nível e vazão, é mais importante discutir a utilização de DTMs, GSDs e DDs, porque usar aí Ethernet ainda é raro e OPC UA não pode ser considerada uma realidade.

“E ao contrário de aplicações de pressão, para se especificar vazão e nível, deve-se obrigatoriamente estudar o processo e o arranjo de instalação. A utilização de produtos verdadeiramente de nível e vazão trazem grandes avanços nas medições, aumentado a exatidão, rangeabilidade e confiabilidade.

Muitas indústrias ainda trabalham com transmissores de pressão diferencial para estas medições devido ao custo de aquisição, entretanto, algo que normalmente se negligencia é o custo de manutenção destes equipamentos. Transmissores de pressão requerem calibração a cada tempo, enquanto instrumentos genuinamente de vazão como Coriolis e Vortex não perdem a calibração desde que aplicados corretamente. O mesmo ocorre para muitas tecnologias de nível”.

“É um desafio de uma dimensão muito maior para ser conquistado e com consequências muito mais devastadoras para a indústria nacional caso não faça parte desta realidade a médio prazo. Estamos atrasados,” afirma Cassiolato.
 
 
 
 
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