Revista Controle & Instrumentação Edição nº 220 2016
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Cover Page
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Nível e Vazão
Medição, Indicação e Controle |
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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. |
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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. |
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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: |
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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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