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F A C E N S – Faculdade de Engenharia de Sorocaba

FACENS – INSTRUMENTAÇAO E CONTROLE – Prof. Willerson Moreira Ferraz

1. Introdução

A primeira revolução industrial foi caracterizada pela substituição do trabalho artesanal do homem por máquinas motrizes. Atualmente, as máquinas não executam apenas trabalhos manuais, são capazes também de medir, analisar, comparar e tomar decisões.

Na automação, o sistema observa sempre o resultado do seu trabalho e dá essa informação ao elemento principal de controle (essa ação refletiva chama-se realimentação ou feedback). Este último compara a informação com um objetivo desejado, e, se existir diferença entre os dois, atua no sentido de diminuí-la para o mínimo valor possível. Pode-se dizer, portanto, que a noção fundamental da automação é radicada no feedback.

1.1 Controle ou regulação automática

A regulação automática de processos industriais, que constitui o objeto de nosso estudo, ocupa-se apenas de uma parte do vasto campo da automação e trata somente do controle, por meio de dispositivos automáticos, das diversas variáveis físicas e/ou químicas ocorrentes nos processos industriais.

Desta forma, controla-se indiretamente a qualidade do material através das variáveis mais importantes dos processos, a saber: pressão, temperatura, vazão, nível, densidade, umidade, peso e outras variáveis.Em alguns casos, porém, controla-se diretamente a qualidade do material por meio de analisadores automáticos.

1.2 Processo

Nas indústrias, o termo processo tem um significado amplo. Uma operação unitária, como, por exemplo, destilação, filtração ou purificação, é considerada um processo.

Mas, na regulação, um pedaço de tubo onde passa um fluxo ou um reservatório contendo água, ou seja o que for, denomina-se processo.

Isto quer dizer que processo é uma operação onde varia pelo menos uma característica física ou química de determinado material.

Portanto, antes de começar o estudo da regulação, é interessante conhecer as características dos processos e suas influências na regulação.

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Suponha um reservatório com alimentação constante de água e uma saída livre no fundo, como mostra a figura abaixo:

Figura 1.1 – Processo industrial

O nível se manterá a uma altura tal que entrada e saída estejam perfeitamente em equilíbrio. Aumentando, e assim mantendo, a vazão de entrada, haverá naturalmente desequilíbrio entre a entrada e a saída. Como a entrada é maior, a tendência do nível será subir. Porém, à medida, que o nível sobe, a vazão da saída também aumenta devido a uma pressão maior no fundo do reservatório.

Isto levará o sistema a um novo estado de equilíbrio, onde o nível permanecerá estável. Note que o raciocínio inverso também é válido. A essa característica dá-se o nome de autoregulação e seu comportamento pode ser ilustrado na figura abaixo:

Figura 1.2 – Auto regulação

Imaginemos, agora, outro reservatório idêntico, mas cuja saída de água é mantida constante – por exemplo, por meio de uma bomba, como mostra a figura a seguir:

Figura 1.3 – Reservatório com saída constante

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Neste caso, para um aumento qualquer da alimentação, o nível aumentará de maneira contínua, sem nunca encontrar novo estado de equilíbrio, porque a saída é sempre a mesma.

Esse tipo de processo não tem, portanto, a característica de auto-regulação e a relação entre a alimentação e o nível será como na figura a seguir:

Figura 1.4 – Comportamento de sistemas sem auto-regulação

De maneira geral, os processos dotados de auto-regulação são mais simples de serem regulados. São difíceis e, às vezes, até impossíveis de serem regulados aqueles que não tem auto regulação.

Como demonstrou-se em dois exemplos simples, cada processo tem sua própria característica e cada caso específico deve ser estudo detalhadamente antes de se aplicar qualquer técnica de regulação.

1.3 As vantagens da regulação automática a) Qualidade

Homens são sujeitos a erros devido ao cansaço ou à distração e agem um diferente do outro. O mecanismo automático, pelo contrário, não sofre tal defeito, prejudicial à homogeneidade do produto. Assim sendo, aos mesmos estímulos, reage de maneira sempre igual, durante as 24 horas do dia – o que quer dizer, em termos de qualidade do produto, melhoria quanto à uniformidade.

b) Produtividade As melhorias obtidas com a implantação de um sistema de regulação automática evita, ou pelo menos minimiza, as perdas por falhas humanas e economiza matéria prima, energia e mão de obra, propiciando, portanto, aumento de produtividade.

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FACENS – INSTRUMENTAÇAO E CONTROLE – Prof. Willerson Moreira Ferraz c) Segurança

Por estarem menos sujeitos a falhas, os sistemas automáticos apresentam índices de segurança bem superiores aos sistemas operados manualmente.

1.4 Princípios de funcionamento

Quando se fala em regulação, deve-se necessariamente subentender uma medição, isto é, a informação que o regulador recebe. Recebida esta informação, o sistema regulador compara-a com um valor preestabelecido chamado set point, verifica a diferença entre ambos e age de maneira a diminuir esta diferença.

Para compreender o funcionamento de um controle automático, basta observar como agiria uma pessoa se tivesse que controlar manualmente uma variável.

Temos um exemplo corriqueiro em nossa vida diária: Quando tomamos banho de chuveiro e temos à nossa disposição água quente e água fria, fazemos uma verdadeira regulação. Operando com as duas torneiras, procuramos dar à água a temperatura que desejamos. O que acontece é que nosso corpo age como um medidor de temperatura, nosso cérebro comporta a temperatura que desejamos com a medida e comanda, por intermédio de nossas mãos, a maior ou menor abertura das torneiras. Isto é regulação.

Vejamos outro exemplo.

Imagine um reservatório com uma entrada e uma saída de água. Suponha que o nível da água se mantém constante e que para o aquecimento desta água coloca-se uma serpentina de vapor. A tubulação de vapor compreende uma válvula na entrada e uma purga na saída da água condensada.

Um homem colocado de maneira que pudesse com uma das mãos sentir a temperatura da água na saída (como na figura abaixo) e que, com a outra, pudesse operar a válvula de vapor, teria a possibilidade de controlar a temperatura da água.

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Figura 1.5 – Sistema de controle

O andamento desta regulação seria o seguinte:

1) O homem sente com sua mão esquerda a temperatura da água na saída; 2) Tal sensação, através de seus nervos, vai a seu cérebro; 3) Este a compara com o valor desejado; 4) E verifica, então, a diferença existente entre ambos; 5) Conforme a diferença encontrada, o cérebro, por intermédio dos nervos, comanda a mão direita para abrir ou fechar a válvula de entrada de vapor; 6) A alteração da entrada de vapor modifica a temperatura da água que sai do reservatório. O ciclo, então, se repete, pois o homem sente esta mudança de temperatura com sua mão esquerda, faz nova comparação e, conseqüentemente, nova correção na válvula de vapor e assim por diante.

Como se vê, a regulação é um ciclo fechado, o que vem a constituir o conceito fundamental que se pode chamar de malha fechada ou, em inglês closed loop. O próximo passo seria agora automatizar este sistema, como segue:

1) Em lugar da mão esquerda do homem, coloca-se um termômetro a gás, no qual um aumento de temperatura causa aumento de pressão do gás dentro do recipiente que o contem. Transforma-se assim, a temperatura da água em pressão.

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