Controle de Processos

Controle de Processos

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Controle de Processos

A primeira etapa consiste em entender e saber responder a perguntas tais como:

  • o que é controle de processos?

  • por que controlar um processo?

  • como controlar um processo?

  • o que o engenheiro é capaz de fazer para isto?

Por definição, o processo químico é toda unidade de processamento (ou a combinação de várias unidades de processamento) usada para converter matéria-prima em produto acabado através de mudanças químicas, físicas, mecânicas ou térmicas (Figura 1).

Figura 1 – Representação de um processo químico

A planta de um sistema de controle é definida como sendo a parte do sistema a ser controlada. Ex: reator químico, caldeira, gerador, etc. O processo é definido como sendo a operação a ser controlada na planta. Ex: processo químico, físico, biológico, etc.

Os processos químicos são, por natureza, "dinâmicos”, ou seja, estão variando continuamente no tempo, seja por interferências externas seja por mudanças (voluntária e involuntárias) na operação. Desta forma, para alcançar os objetivos básicos da operação de um processo químico faz-se necessário “monitorar” e ser hábil para “induzir mudanças” em certas variáveis chaves do processo que estão relacionadas à segurança, taxas de produção e qualidade dos produtos.

As duas tarefas - “monitorar certas variáveis do processo” e “induzir mudanças em variáveis adequadas do processo” - são as funções primordiais do Sistema de Controle. Controlar um processo significa, então, atuar sobre ele, ou sobre as condições a que o processo está sujeito, de modo a atingir algum objetivo - por exemplo, podemos achar necessário, ou desejável, manter o processo sempre próximo de um determinado estado estacionário, mesmo que efeitos externos tentem desviá-lo desta condição. Este estado estacionário pode ter sido escolhido por atender melhor aos requisitos de qualidade e segurança do processo

Os princípios básicos que norteiam a operação de um processo químico têm como objetivos básicos:

  1. Segurança – as unidades de processamento devem ser operadas de forma a garantir a integridade dos operadores, dos equipamentos e do meio ambiente.

  2. Taxas de Produção Estabelecidas – a quantidade de produtos requerida de uma planta a qualquer ponto no tempo é ditada, geralmente, pelas demandas de mercado e, portanto, deve ser perseguida em concordância com a capacidade de produção da unidade.

  3. Qualidade dos Produtos – as especificações de qualidade são de fundamental importância e devem ser mantidas para evitar reprocessamento e geração de descartes ou resíduos.

  4. Restrições operacionais – os equipamentos e o próprio processo têm restrição de operação. Exemplos: o refervedor não deve operar a seco, as colunas de destilação não devem operar inundadas, a temperatura de um leito catalítico não deve exceder um certo limite, etc.

  5. Produtividade – quantidade desejada e dentro da especificação para que a operação seja rentável.

  6. Econômicos – produtos finais dentro da especificação com o menor consumo de energia possível.

A sala de controle é a maior interface entre o operador e a planta. Nesta, através de uma interface homem-máquina (a tela de um sistema digital de controle distribuído, por exemplo) as variáveis do processo são apresentadas, em fluxogramas, na forma de frontais de equipamentos, em gráficos de tendências, etc. Estes sinais vêm do campo a partir de instrumentos instalados (sensores de vazão, temperatura, pressão e composição), que são padronizados e transmitidos para o computador de processo. Neste, algoritmos de controle definem a atuação em variáveis que são manipuladas para manter o processo em condições desejadas, através de atuadores (válvulas, bombas de velocidade variável, etc) que recebem o sinal padronizado de controle.

O desafio é, então, o de dominar a dinâmica do processo para que este se mantenha dentro dos limites de segurança e atenda às especificações no produto no nível mais econômico, respeitando regras de regulamentação ambientais. Nesta linha, surge a oportunidade de utilizar os conceitos matemáticos (dos mais simples aos mais avançados) para projetar estratégias de controle.

O engenheiro de controle busca como as variáveis de operação se relacionam, como atuar em certas variáveis de processo de forma que as variáveis controladas mantenham-se nos níveis desejados. A escolha das variáveis manipuladas e da lei de controle que calcula a ação sobre estas constitui uma estratégia de controle. A análise, o projeto e a implementação deste sistema é tarefa do profissional da área de controle.

Assim, o Engenheiro / Químico pode ter participação ativa nas seguintes atividades:

  • contribuir na fase de projeto (projeto controlável)

  • determinar estratégias de controle

  • selecionar sensores (tipo, localização)

  • selecionar elementos finais de controle

  • dimensionar sistemas de controle

  • contribuir no desenvolvimento da interface com os operadores (displays)

Um sistema de controle confiável permite operar próximo aos limites impostos pela segurança, pelo meio-ambiente e pelo processo (temperatura máxima, pureza mínima), o que permite alterar as condições de operação normais (Figura 2 - linha tracejada) para uma condição mais favorável (Figura 2 - linha contínua).

Figura 2 – Influência das ações de controle na variável de processo

Os ganhos associados a uma menor variabilidade se tornam ainda maiores em processos onde existem transições entre produtos com diferentes graus ou especificações, como ocorre freqüentemente no refino do petróleo e em unidades de polimerização. Inevitavelmente, durante a transição, haverá um período em que será gerado um produto fora de especificação, que será reciclado (maior gasto de energia) ou vendido (a preços mais baixos). A seleção de uma boa estratégia de controle permite reduzir o tempo de produção fora da especificação, e conseqüentemente melhora o resultado econômico do processo.

Perturbações ou distúrbios (ruído) – são sinais que tendem a afetar o valor da entrada e/ou saída de um sistema. Se a perturbação é gerada dentro do sistema, ela é denominada interna. Caso contrário, é considerada como um sinal de entrada do sistema. Estão sempre presentes, dificultam a ação de controle, e é impossível eliminá-las por completo

- Requisitos de um Sistema de Controle

A exigência fundamental de um sistema de controle é ser estável, isto é, apresentar estabilidade absoluta (a resposta de saída volta ao seu estado de equilíbrio quando o sistema é sujeito a uma perturbação). Deve também, apresentar um boa estabilidade relativa, isto é, a velocidade de resposta deve ser rápida e esta resposta deve apresentar um bom amortecimento. O sistema de controle deve ser capaz de reduzir os erros para zero ou para algum valor pequeno tolerável. As exigências de uma ótima estabilidade relativa e erro zero em regime, muitas vezes são incompatíveis. Deve-se portanto buscar um ponto ótimo entre estas exigências.

correção excessiva  instabilidade

atraso na correção  instabilidade

para uma boa regulação o controle deve satisfazer as duas condições: estabilidade e rapidez na resposta

Desviorepresenta o valor resultante da diferença entre o valor desejado e o valor da variável controlada.

Ganho – representa o valor resultante do quociente entre a taxa de mudança na saída e a taxa de mudança na entrada que a causou. Ambas, a entrada e a saída devem ser expressas na mesma unidade.

- Tipos de Controle

1) Controle Manual e Controle Automático

Para ilustrar o conceito de controle manual e automático vamos utilizar como processo típico o sistema térmico das Figuras 3 e 4 . Inicialmente considere o caso em que um operador detém a função de manter a temperatura da água quente em um dado valor. Neste caso, um termômetro está instalado na saída do sistema , medindo a temperatura da água quente. O operador observa a indicação do termômetro e baseado nela, efetua o fechamento ou abertura da válvula de controle de vapor para que a temperatura desejada seja mantida.

Deste modo, o operador é que está efetuando o controle através de sua observação e de sua ação manual, sendo portanto, um caso de “Controle Manual”.

Figura 3 – Controle manual de um sistema térmico.

Considere agora o caso da Figura 4, onde no lugar do operador foi instalado um instrumento capaz de substituí-lo no trabalho de manter a temperatura da água quente em um valor desejado. Neste caso, este sistema atua de modo similar ao operador, tendo então um detector de erro, uma unidade de controle e um atuador junto à válvula, que substituem respectivamente os olhos do operador, seu cérebro e seus músculos. Desse modo, o controle da temperatura da água quente é feito sem a interferência direta do homem, atuando então de maneira automática, sendo portanto um caso de “Controle Automático”.

Figura 4 – Controle automático de um sistema térmico.

2) Controle Auto-operado

Controle em que a energia necessária para movimentar a parte operacional pode ser obtida diretamente, através da região de detecção, do sistema controlado. Deste modo, este controle obtém toda a energia necessária ao seu funcionamento do próprio meio controlado. Este controle é largamente utilizado em aplicações de controle de pressão e menos comumente no controle de temperatura, nível, etc. A Figura 5 mostra um exemplo típico de sistema de controle de pressão, utilizando uma válvula auto-operada.

Figura 5 – Sistema de controle de pressão mínima de combustível auto-operado.

3) Controle em Malha Aberta e Malha Fechada

Os sistemas de controle são classificados em dois tipos: sistemas de controle em malha aberta e sistemas de controle em malha fechada. A distinção entre eles é determinada pela ação de controle, que é componente responsável pela ativação do sistema para produzir a saída.

3.a) Sistema de Controle em Malha Aberta

É aquele sistema no qual a ação de controle é independente da saída, ou seja, a decisão do controlador não está baseada em qualquer informação (medida) do processo. Neste caso, conforme mostrado na Figura 6, a saída não é medida e nem comparada com a entrada. A ação é implementada a partir de situações predefinidas. Um exemplo prático deste tipo de sistema , é a máquina de lavar roupa. Após ter sido programada, as operações de molhar, lavar e enxaguar são feitas baseadas nos tempos pré-determinados. Assim, após concluir cada etapa ela não verifica se esta foi efetuada de forma correta (por exemplo, após ela enxaguar, ela não verifica se a roupa está totalmente limpa). Outro exemplo comum para este tipo de configuração de controle são os semáforos de trânsito. O tempo de abertura e fechamento dos semáforos não é uma resposta de controle baseada na medida de fluxo de carros, mas sim uma resposta baseada num tempo predefinido de abertura e fechamento.

Figura 6 – Sistema de controle em malha aberta.

3.b) Sistema de Controle em Malha Fechada

É aquele no qual a ação de controle depende, de algum modo, da saída. Portanto, a saída possui um efeito direto na ação de controle. Neste caso, conforme pode ser visto através da Figura 7, a saída é sempre medida e comparada com a entrada a fim de reduzir o erro e manter a saída do sistema em um valor desejado. Um exemplo prático deste tipo de controle, é o controle de temperatura da água de um chuveiro. Neste caso, o homem é o elemento responsável pela medição da temperatura e baseado nesta informação, determinar uma relação entre a água fria e a água quente com o objetivo de manter a temperatura da água no valor por ele tido como desejado para o banho.

Figura 7 – Sistema de controle em malha fechada.

3.b.1) Controle por realimentação (Feedback) – opera de forma que a informação de saída do processo é sentida antes do controlador, conforme pode ser visto na Figura 8. É importante apontar a natureza intuitiva desta estrutura de controle. As decisões do controlador são tomadas “após o fato acontecido”.

Figura 8 – Esquema de controle feedback.

(ii) Controle por antecipação (Feedforward) – nesta configuração, como mostra a Figura 9, a informação da variável de entrada distúrbio é obtida e enviada para o controlador, tal que a decisão do controlador é tomada com base na informação de entrada, antes do processo ser afetado pelo distúrbio. A principal característica desta configuração é a escolha de medir a variável de distúrbio em vez da variável de saída que se deseja controlar. Apesar das vantagens deste controlador em relação à ação antecipatória, um inconveniente nesta configuração é o fato de que o controlador não tem informação sobre as condições de saída do processo e, portanto, não é hábil para determinar a precisão da compensação aos distúrbios pelo processo.

Figura 9 – Esquema de controle feedforward.

Vantagens

Desvantagens

Feedback

  • fácil compreensão

  • fácil implementação

  • fácil sintonia (ajuste dos parâmetros de controle)

  • independe do tipo de perturbação

  • necessita que ocorra o desvio p/ que atue

  • diferentes sintonias p/ diferentes perturbações

  • abordagem monovariável (uma variável controlada, uma variável monitorada)

Feedforward

  • reage antes que o sistema seja perturbado

  • adequado a sistemas lentos

  • requer medição de perturbação

  • específico p/ cada perturbação

  • controle é sob medida p/ cada processo

  • sensível a variações de parâmetros do processo

As variáveis de processo mais importantes que são selecionadas para receber a atenção do sistema de controle, tipicamente, possuem valores de interesse que são chamados de set-points. Manter estas variáveis chaves do processo em seus valores preestabelecidos (set-points) é o principal objetivo do sistema de controle, seja ele manual ou automático. No entanto, como já foi dito, os processos são dinâmicos por natureza e as variáveis de saída desviam-se dos set-points ao longo da operação, ou como respostas aos efeitos dos distúrbios ou por conta de mudanças de set-points.

Tem-se um controle regulatório quando a tarefa do sistema de controle é unicamente contra-agir os efeitos dos distúrbios, buscando manter a saída no set-point estabelecido (Figura 10a). Atua de modo a minimizar o transtorno causado pela perturbação.

Tem-se um controle servo quando, numa mudança de set-point, o sistema de controle tem a capacidade de fazer com que a variável de controle (saída) siga em direção ao novo valor de set-point (Figura 10b). O sistema de controle atua de modo a obedecer a mudanças de set-point.

(a) (b)

Figura 10 – Representação típica de resposta para controlador (a) regulatório e (b) servo.

- Atrasos no processo

Todo processo possui características que determinam atraso na transferência de energia e/ou massa, o que consequentemente dificulta a ação de controle, visto que elas são inerentes aos processos. Quando, então, vai se definir o sistema mais adequado de controle, deve-se levar em consideração estas características e suas intensidades. São elas: tempo morto, capacitância e resistência.

Tempo morto – é o intervalo de tempo entre o instante em que o sistema sofre uma variação qualquer e o instante em que esta começa a ser detectada pelo elemento sensor. Também é chamado de atraso de transporte. Quanto maior o tempo morto do processo, maior é a dificuldade de seu controle.

Como exemplo veja o caso do controle de temperatura apresentado na Figura 11. Para facilitar, suponha que o comprimento do fio de resistência R seja desprezível em relação à distância l (m) que o separa do termômetro e que o diâmetro da tubulação seja suficientemente pequeno. Se uma tensão for aplicada em R como sinal de entrada fechando-se a chave S conforme a Figura 11, a temperatura do líquido subirá imediatamente. No entanto, até que esta seja detectada pelo termômetro como sinal de saída, sendo V(m/min) a velocidade de fluxo de líquido, terá passado em tempo dado por L = l/V (min). Este valor L corresponde ao tempo que decorre até que a variação do sinal de entrada apareça como variação do sinal de saída recebe o nome de tempo morto. Este elemento tempo morto dá apenas a defasagem temporal sem variar a forma oscilatória do sinal.

Figura 11 – Exemplo do elemento tempo morto.

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