Controle de Processos - CEFET-MG

Controle de Processos - CEFET-MG

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Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS DEPARTAMENTO DE ENSINO DE 2º GRAU COORDENAÇÃO DE ELETROTÉCNICA

Prática de Automação Industrial Controle de Processos

1- Introdução

Denomina-se Automação Industrial o conjunto de técnicas destinadas a tornar automáticos vários processos produtivos em uma indústria, de modo a eliminar ou reduzir bastante a intervenção humana nos mesmos. Os principais objetivos da Automação Industrial são:

• Redução de custos; • Aumento da Produtividade;

• Maior segurança na operação da unidade produtiva;

Para a implementação da Automação Industrial existem várias técnicas e equipamentos que são aplicados conforme o sistema a se automatizar. Os principais equipamentos são:

• PLC ! equipamentos eletrônicos, programados por software, que controlam e coordenam a seqüência de operação de diversas máquina e equipamentos em uma indústria. Os PLCs trabalham com variáveis digitais e analógicas.

• SDCD ! Sistemas Digitais de Controle Distribuído: de tecnologia mais recente, são sistemas microprocessados que facilitam o controle e otimização dos processos por computador, diminuindo a interferência do operador durante a operação normal do processo e que passa a intervir somente durante instabilidades operacionais, paradas e partidas.

• Controladores (single loop, multi loop) !são controladores baseados em microcontroladores de ultima geração, criados para efetuar controle de processos. Por ser microprocessado, seu sistema operacional permite que se adapte à maioria dos processos, bastando para tal a seleção correta dos parâmetros de PID. Os controladores trabalham com variáveis analógicas e, eventualmente, podem possuir saídas digitais de alarme.

• CN (Comando Numérico) ! equipamentos utilizados na fabricação e montagem de peças mecânicas, através do controle de máquinas ferramenta, tais como tornos, fresas, furadeiras, etc. No CNC (comando numérico computadorizado), além das operações normais de um CN, realizada por computador, há às vezes o auxílio de programas CAD para se realizar o projeto gráfico das peças a serem produzidas.

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Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS

O Controle Contínuo de Processos ou Controle Automático de

Processos ou, simplesmente, Controle de Processos, refere-se à Automação de sistemas que possuem grandezas físicas, como temperatura, vazão, pressão, nível, pH, etc., presentes em diversos processos industriais. Pela natureza das grandezas, os sistemas de Controle de Processos estão associados a sinais analógicos.

Conforme visto anteriormente, pode-se criar um sistema de Controle de

Processos utilizando-se PLC, SDCD ou Controladores.

O Controle Automático de Processo é uma evolução do Controle manual. No controle manual operador é o elemento de definição e isso gera grandes desvantagens:

- O operador atua continuamente no processo e um operador apenas pode cuidar de poucas variáveis ao mesmo tempo. Essa desvantagem leva à baixa produtividade.

- O método utilizado pelo operador pode diferir de um para outro. Para se conseguir uma uniformidade na operação é preciso que todos tomem as mesmas ações no mesmo tempo para manter a qualidade e quantidade do produto. Isso é praticamente impossível e mais uma vez o operador fica limitado.

- O aspecto da segurança fica comprometido quando for exigida rapidez e ações que possam evitar acidentes.

Os processos evoluíram e também a forma de os controlar. Foram desenvolvidos sistemas de Controle Automático que possibilitaram ao homem controlar os processos com segurança, economia e liberá-lo para atividades não repetitivas e mais nobres.

Em qualquer processo industrial, as condições de operação estão sujeitas a mudanças ao longo do tempo.

O nível de líquido em um equipamento, a pressão em um vaso, a vazão de um reagente ou sua composição; todas estas condições podem (e costumam) variar. Mesmo os dados que consideramos constantes no projeto (por exemplo, a temperatura ambiente) têm o hábito de variar apesar de nossas premissas em contrário.

Controlar um processo significa 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.

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

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Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS normais (linha tracejada na figura) para uma condição mais favorável (linha contínua).

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 consequentemente melhora o resultado econômico do processo.

2- Definições Preliminares

2.1- SISTEMA ou PROCESSO – Sistema físico destinado, simplificadamente, a transformar energia de um tipo em outro e que possui suas reações próprias devidas às interligações entre seus componentes e às leis físicas que regem seu funcionamento .

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Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS ex: Um forno elétrico transforma energia elétrica em energia calorífera e as relações entre a potência elétrica entregue aos resistores de aquecimento e a quantidade de calor ou temperatura interna do forno dependem das leis físicas de transferência de calor , eficiência do sistema , perdas internas , etc .

2.2- VARIÁVEL DE CONTROLE – Na malha aberta , é uma variável primária (de acesso direto do operador) e que atua sobre a variável manipulada segundo as reações do dispositivo de controle .

ex: No forno , normalmente , o operador tem acesso a um resistor variável ou potenciômetro para ajustar o valor de temperatura desejado .

2.3- DISPOSITIVO DE CONTROLE – Sistema físico ou , mais comumente , eletrônico que é projetado para transferir ou adequar a variável de controle em variável manipulada .

ex: No forno , uma placa eletrônica sente o valor do resistor variável e ajusta , por exemplo , o ângulo de disparo dos SCR’s ou triacs , de forma a alterar a quantidade de potência entregue aos resistores de aquecimento .

2.4- VARIÁVEL MANIPULADA – Variável ou grandeza física que tem ação de alterar ou interferir na variável controlada ou grandeza de saída , através de dispositivos intermediários de controle ou por interdependência física ou química entre elas .

ex: No forno , a potência entregue aos resistores de aquecimento altera a temperatura interna .

2.5- VARIÁVEL CONTROLADA – Variável ou grandeza física que se deseja controlar ou manter dentro de certos limites para o perfeito funcionamento do sistema . Também chamada de variável do processo .

ex: Todo o sistema acima tem a função de controlar a temperatura interna do forno .

2.6- DISTÚRBIO – Alteração ou mudança em uma ou mais variáveis físicas do sistema que provoca alteração na variável controlada . Pode ser uma alteração previsível em qualquer grandeza inerente ao processo ou uma interferência extra não prevista .

ex: abrir , subitamente , a porta do forno , ou a queima de um dos resistores de aquecimento .

2.7- SET POINT - Valor desejado da variável controlada . Quase sempre é um valor ajustado na variável de controle e não na variável de processo , apesar de ser indicado como uma grandeza de processo . Pode ser ajustado manualmente por potenciômetro acessível ao operador ou vir fixado pelo fabricante ou ser alterado automaticamente .

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Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS ex: no forno , a temperatura pode ser ajustada manualmente para cada tipo de material a ser queimado , ou fixada em um valor único para qualquer material , ou ajustada automaticamente se houver algum dispositivo que reconheça qual material foi inserido nele e que possa enviar essa informação ao sistema de controle .

2.8- INSTRUMENTO: equipamento eletrônico que manipula sinais elétricos que representam grandezas físicas. Normalmente tem uma entrada de leitura de dados, que é um transdutor, a interface entre o mundo e o instrumento, urna parte que faz o processamento do sinal propriamente dito e urna saída de dados, o terminal que é urna outra interface entre o sistema e o ser humano. Os instrumentos medem, controlam, atuam, monitoram, transferem ou registram informações úteis relativamente a eventos naturais ou tecnológicos. Por instrumento podemos entender de voltímetros até analisadores digitais de espectro, desde computadores até robôs.

2.9- INSTRUMENTAÇÃO: conjunto de técnicas para o projeto de desenvolvimento e construção de equipamentos eletrônicos.

2.10- CONTROLE EM MALHA ABERTA – Tipo de controle no qual apenas a variável de controle altera a variável de saída, por simples relação matemática ou física . Não há nenhum tipo de correção automática na variável de saída e ela somente será alterada se houver alguma variação (intencional ou não) no processo ou na variável de controle .

Exemplo:

O circuito eletrônico recebe um sinal proveniente do potenciômetro e varia a potência entregue aos resistores. Se não houver nenhuma alteração no valor ajustado do potenciômetro , a potência entregue aos resistores e o calor

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Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS gerado por eles serão sempre os mesmos . Assim, se houver alguma alteração no sistema (ex: desregulagem no circuito eletrônico , queima de algum componente da placa , falha no controle, queima de algum dos resistores de aquecimento , etc.) ou a entrada de algum distúrbio (porta do forno aberta , defeito no isolamento térmico, etc.), não haverá correção, ficando o sistema comprometido , em função de não mais existir a relação que anteriormente havia entre o ajuste interno do circuito eletrônico ( ângulo de disparo ) e a temperatura interna do forno.

Ex. Dimmer para ajuste de intensidade de iluminamento de uma lâmpada . Ajusta-se o valor do potenciômetro para o iluminamento desejado . Caso a tensão da rede diminua ou a lâmpada altere suas características ou algum componente do dimmer se danifique , o ajuste antigo será perdido porque não haverá correção .

2.1- CONTROLE EM MALHA FECHADA – Também chamado de Controle

Realimentado. Tipo de controle em circuito fechado no qual a variável de saída altera a variável de controle, através do comparador, de forma a se conseguir uma correção automática na variável de saída ou variável controlada.

No comparador é feita a detecção do erro entre o valor desejado e o valor verdadeiro da variável de saída. Se houver uma redução na variável de saída, a variável de controle irá sofrer uma alteração positiva, como se aumentasse para corrigir o erro. No caso do forno , o ajuste na temperatura desejada ( set point de temperatura ) é feito pelo potenciômetro. Caso haja alguma variação no valor da variável de saída (a temperatura interna do forno ficou diferente da desejada , por algum motivo), o sistema se auto corrigirá porque o comparador irá detectar uma diferença entre o valor desejado e o valor real. O comparador é , essencialmente, um subtrator. Evidentemente , ele não pode comparar sinal de resistência com sinal de temperatura. O comparador é também um circuito eletrônico que deve transformar os 02 sinais em grandezas equivalentes , tanto quanto à natureza como quanto aos seus valores relativos , já que apenas uma amostra da variável controlada somente é computada.

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Exemplo:

Neste caso de malha fechada, enquanto a temperatura interna do forno estiver exatamente igual ao valor desejado, o comparador estará enviando um sinal = ZERO e o dispositivo de controle manterá seu ajuste anterior. Caso, por exemplo, a temperatura diminua , a entrada [ - ] do comparador terá seu valor reduzido, fazendo com que a saída aumente ( porque a saída do comparador é o resultado de uma subtração. Se o termo negativo diminuir , o resultado da operação aritmética será maior ). Com isso, a variável de controle terá um incremento em seu valor, fazendo com que o dispositivo de controle aumente o valor da potência entregue aos resistores de aquecimento, aumentando o calor gerado e compensando o evento que causou a diminuição da temperatura. Este sistema é auto controlado e não será necessária nenhuma intervenção externa do operador , a menos que se deseje outro ajuste .

3- Introdução à Instrumentação Industrial

Instrumentação Industrial é a aplicação de Instrumentos especiais com funções específicas no controle automático de processos industriais.

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Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS

Para cada variável de um processo industrial, podemos utilizar um ou mais Instrumentos para executar funções como:

- Transmitir - Registrar

- Indicar

- Controlar

- Analisar

A Instrumentação Industrial é a principal aplicação dos conceitos de regulação automática nos processos industriais.

Através dos instrumentos e dispositivos automáticos podemos controlar as diversas variáveis físicas e químicas existentes nos processos industriais

3.1- Características Gerais dos Instrumentos

Os instrumentos de controle empregados na indústria de processos, tais como: química, petroquímica, alimentícia, metalúrgica, têxtil, papel, etc., tem sua própria terminologia. Os termos empregados definem as características próprias de medida e de controle, bem como as características estáticas e dinâmicas dos diversos instrumentos utilizados.

A terminologia empregada foi unificada com objetivo de os fabricantes, os usuários e os organismos ou entidades que atuam direta ou indiretamente no campo da Instrumentação Industrial utilizem a mesma linguagem. As definições dos termos empregados se relacionam com as normas estabelecidas pela SAMA (Scientific Apparatus Markers Association) em sua norma PMC 20, e que são abordadas a seguir:

a) Faixa de medida [RANGE]

Conjunto de valores que estão compreendidos dentro dos limites inferior e superior da capacidade de medida, ou de indicação do instrumento. É expressada estabelecendo-se os dois valores extremos.

RANGE = Vi a Vs onde: Vi => Valor inferior da faixa. Vs => Valor superior da faixa.

Por exemplo: a faixa, ou Range de medida do instrumento de temperatura da planta de Temperatura didática é de: RANGE = 30 A 800 C b) Alcance [SPAN]

É a diferença algébrica entre os valores superior e inferior da faixa de medida, ou de indicação, ou de transmissão do instrumento.

SPAN = Vs - vi

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Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS onde: Vi => Valor inferior da faixa. Vs => Valor superior da faixa.

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