Baixe Instrumentação Básica - controle autom?tico de processos e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! SENAI-RJ • Automação FIRJAN CIRJ SESI SENAI IEL CONTROLE AUTOMÁTICO DE PROCESSO Teoria versão preliminar SENAI-RJ Rio de Janeiro 2006 FIRJAN CIRJ SESI SENAI IEL CONTROLE AUTOMÁTICO DE PROCESSO Teoria 6 SENAI-RJ FICHA TÉCNICA Gerência de Educação Profissional - SENAI-RJ Luis Roberto Arruda Gerência de Produto Carlos de Mello Rodrigues Coelho Produção Editorial Vera Regina Costa Abreu Elaboração de Conteúdo Alexandre Gonçalves do Nascimento Luciano Santos de Oliveira Revisão Técnica/Atualização Ézio Zerbone Revisão Pedagógica Neise Freitas da Silva Revisão Gramatical Maria Ângela Calvão Revisão Editorial Rita Godoy Colaboração Bruno Souza Gomes André Luis Campos Vieira Projeto Gráfico Artae Design & Criação Editoração Conexão Gravatá Edição revista das apostilas Introdução à instrumentação: sistemas de transmissão. Rio de Janeiro: SENAI-DR/RJ - STE, 1990; Controle automático de processo. Rio de Janeiro: SENAI- DR/RJ - STE, 1990. SENAI-RJ GEP - Gerência de Educação Profissional Rua Mariz e Barros, 678 - Tijuca 20270-903 - Rio de Janeiro - RJ Tel.: (21) 2587-1121 Fax: (21) 2254-2884 GEP@rj.senai.br http://www.rj.senai.br Controle automático de processo: teoria 2006 SENAI-RJ – Rio de Janeiro Diretoria de Educação SENAI-RJ 7 Prezado aluno, Quando você resolveu fazer um curso em nossa instituição, talvez não soubesse que, desse momento em diante, estaria fazendo parte do maior sistema de educação profissional do país: o SENAI. Há mais de sessenta anos, estamos construindo uma história de educação voltada para o desenvolvimento tecnológico da indústria brasileira e da formação profissional de jovens e adultos. Devido às mudanças ocorridas no modelo produtivo, o trabalhador não pode continuar com uma visão restrita dos postos de trabalho. Hoje, o mercado exigirá de você, além do domínio do conteúdo técnico de sua profissão, competências que lhe permitam decidir com autonomia, proatividade, capacidade de análise, solução de problemas, avaliação de resultados e propostas de mudanças no processo do trabalho. Você deverá estar preparado para o exercício de papéis flexíveis e polivalentes, assim como para a cooperação e a interação, o trabalho em equipe e o comprometimento com os resultados. Soma-se, ainda, que a produção constante de novos conhecimentos e tecnologias exigirá de você a atualização contínua de seus conhecimentos profissionais, evidenciando a necessidade de uma formação consistente que lhe proporcione maior adaptabilidade e instrumentos essenciais à auto-aprendizagem. Essa nova dinâmica do mercado de trabalho vem requerendo que os sistemas de educação se organizem de forma flexível e ágil, motivos esses que levaram o SENAI a criar uma estrutura educacional, com o propósito de atender às novas necessidades da indústria, estabelecendo uma formação flexível e modularizada. Essa formação flexível tornará possível a você, aluno do sistema, voltar e dar continuidade à sua educação, criando seu próprio percurso. Além de toda a infra-estrutura necessária ao seu desenvolvimento, você poderá contar com o apoio técnico-pedagógico da equipe de educação dessa escola do SENAI para orientá-lo em seu trajeto. Mais do que formar um profissional, estamos buscando formar cidadãos. Seja bem-vindo! Andréa Marinho de Souza Franco Diretora de Educação SENAI-RJ 11 Apresentação Controle Automático de Processo – Apresentação A dinâmica social dos tempos de globalização exige dos profissionais atualização constante. Mesmo as áreas tecnológicas de ponta ficam obsoletas em ciclos cada vez mais curtos, trazendo desafios renovados a cada dia, e tendo como conseqüência para a educação a necessidade de encontrar novas e rápidas respostas. Nesse cenário, impõe-se a educação continuada, exigindo que os profissionais busquem atualização constante durante toda a sua vida – e os docentes e alunos do SENAI/RJ incluem-se nessas novas demandas sociais. É preciso, pois, promover, tanto para os docentes como para os alunos da educação profissional, as condições que propiciem o desenvolvimento de novas formas de ensinar e aprender, favorecendo o trabalho de equipe, a pesquisa, a iniciativa e a criatividade, entre outros aspectos, ampliando suas possibilidades de atuar com autonomia, de forma competente . Considerando estas questões, o objetivo deste material é propiciar aos técnicos, que já atuam ou pretendem trabalhar na área de instrumentação, conhecimentos e atualização sobre o controle automático de processo, que é ferramenta fundamental à operação adequada dos processos industriais tanto do ponto de vista da produção, envolvendo quantidade e qualidade, quanto do ponto de vista da segurança. Por isso, tratamos de dois temas teóricos essenciais no estudo do controle automático de processo. Considerando que todo processo produtivo tem um sistema de monitoração, apresentamos no primeiro capítulo conhecimentos sobre telemetria, que é a técnica de transportarmos medições obtidas no processo para um instrumento receptor, localizado a curta distância. Já no segundo, abordamos o controle automático de processo de forma conceitual, abrangendo essencialmente os modos e os principais sistemas de controle. Ressaltamos que, para obter êxito neste estudo, é necessário ter domínio sobre vários conhecimentos, especialmente aqueles relativos à medição de pressão, de nível, de vazão e temperatura, assim como à classificação dos principais tipos de instrumento. 12 SENAI-RJ Temos a certeza de que, com a orientação do docente e o apoio deste material, que apresenta os assuntos em linguagem simples e ilustrados com figuras e tabelas, você vai ampliar ainda mais sua formação profissional quanto à instrumentação industrial e seus sistemas de controle. Mas seu sucesso depende de dedicação e muito estudo. Siga em frente e bom estudo! Controle Automático de Processo – Apresentação SENAI-RJ 13 Uma palavra inicial Controle Automático de Processo – Uma Palavra Inicial Meio ambiente... Saúde e segurança no trabalho... O que é que nós temos a ver com isso? Antes de iniciarmos o estudo deste material, há dois pontos que merecem destaque: a relação entre o processo produtivo e o meio ambiente; e a questão da saúde e segurança no trabalho. As indústrias e os negócios são a base da economia moderna. Produzem os bens e serviços necessários, e dão acesso a emprego e renda; mas, para atender a essas necessidades, precisam usar recursos e matérias-primas. Os impactos no meio ambiente muito freqüentemente decorrem do tipo de indústria existente no local, do que ela produz e, principalmente, de como produz. É preciso entender que todas as atividades humanas transformam o ambiente. Estamos sempre retirando materiais da natureza, transformando-os e depois jogando o que “sobra” de volta ao ambiente natural. Ao retirar do meio ambiente os materiais necessários para produzir bens, altera-se o equilíbrio dos ecossistemas e arrisca-se ao esgotamento de diversos recursos naturais que não são renováveis ou, quando o são, têm sua renovação prejudicada pela velocidade da extração, superior à capacidade da natureza para se recompor. É necessário fazer planos de curto e longo prazo, para diminuir os impactos que o processo produtivo causa na natureza. Além disso, as indústrias precisam se preocupar com a recomposição da paisagem e ter em mente a saúde dos seus trabalhadores e da população que vive ao seu redor. Com o crescimento da industrialização e a sua concentração em determinadas áreas, o problema da poluição aumentou e se intensificou. A questão da poluição do ar e da água é bastante complexa, pois as emissões poluentes se espalham de um ponto fixo para uma grande região, dependendo dos ventos, do curso da água e das demais condições ambientais, tornando difícil localizar, com precisão, a origem do problema. No entanto, é importante repetir que, 1 Nesta seção... Histórico sobre sistemas de transmissão Classificação dos transmissores Sinais padronizados Funcionamento dos transmissores Praticando Sistemas de transmissão SENAI-RJ 19 Controle Automático de Processo – Sistemas de Transmissão Histórico sobre sistemas de transmissão Para que melhor possamos compreender as modernas técnicas de transmissão, é interes- sante que nos reportemos a algumas décadas, quando ainda não haviam surgido os primeiros transmissores, o que somente ocorreu na década de 1940. Antes, a leitura dos valores de cada variável do processo era feita apenas no próprio local, mediante instrumentos como manômetros, termômetros, visores de nível etc. Essa situação pode ser demonstrada por meio do seguinte exemplo: suponhamos uma fabrica que disponha de quatro tanques (TQ1, TQ2, TQ3 e TQ4) para armazenamento de um determinado líquido. Na Figura 1, observamos as localizações dos tanques. Fig. 1 TQ1 TQ3 TQ2 TQ4 ÁREA TOTAL DA FÁBRICA 20 SENAI-RJ Controle Automático de Processo – Sistemas de Transmissão Considerando-se a importância da monitoração do nível de cada tanque e sabendo-se da inexistência de transmissores, surge a necessidade da instalação de visores de níveis em cada reservatório. Quando o operador da unidade desejasse saber a quantidade estocada em cada tanque, deveria locomover-se até próximo a eles. Com o uso dos transmissores, todo esse trabalho de locomoção pôde ser evitado, elimi- nando grande deslocamento por parte do operador. Os transmissores são instrumentos capazes de medir a variável do processo e transmitir um sinal proporcional a essa variável a distância. Utilizando o exemplo já citado, imaginemos a mesma fábrica com transmissores instalados em cada tanque. Essa inovação permitirá a centralização das informações, no caso, do nível de cada tanque. O local para o qual irá convergir a informação referente ao nível de cada reservatório denomina-se Sala de Controle. Veja, na Figura 2, a planta da fábrica já com a inclusão de modificação. Com a inclusão de uma Sala de Controle, ou simplesmente um Painel de Controle, o trabalho de monitoração de estoque de líquido da fábrica torna-se, sem dúvida, mais eficiente. Essa centralização de informações foi a grande contribuição dos transmissores para a automação dos processos. Embora sua função principal não tenha sido alterada, os transmissores vêm sofrendo um acelerado processo de modernização nas últimas décadas, originando diferentes tipos, com funções cada vez mais aprimoradas. TQ1 TQ3 TQ2 TQ4 SALA DE CONTROLE Fig. 2 SENAI-RJ 23 Controle Automático de Processo – Sistemas de Transmissão • Transmissor de nível • Transmissor de densidade • Transmissor de pressão Fig. 6 20psi 3 a 15psiBocal Palheta Fole Detalhe do folePressão R Tubo de Bourdon b a Fig. 7 Fig. 8 Regulador de vazão Indicador no local 20psi Escala de densidade Mercúrio Indicador a distância Nível constante Relé piloto Relé piloto P Sinal de saída 20psi Barra de torsão A B C DE F G H S M Z 24 SENAI-RJ Controle Automático de Processo – Sistemas de Transmissão O booster recebe um sinal de entrada fraco, mas transforma-o num sinal de saída ampliado, com uma fonte de alimentação. Esse dispositivo funciona da seguinte maneira: • Correspondendo a um aumento de pressão do sinal de entrada, a membrana fecha o escape para a atmosfera, pela válvula esférica do ar de alimentação, o que faz aumentar o sinal de saída. • Correspondendo a uma diminuição do sinal de entrada, a válvula esférica abre-se, deixando escapar maior quantidade do ar de alimentação, o que faz o sinal de saída diminuir. Quando a distância entre o transmissor e o receptor é muito grande ou se quer uma resposta rápida no receptor, emprega-se um dispositivo chamado booster ou amplificador de sinal, mostrado na Figura 9. Observação Importante Apesar de possuírem um custo mais elevado, estes transmissores apresentam a grande vantagem de não provocar risco de explosão, quando instalados em áreas perigosas, sujeitas a explosões. Fig. 9 Membranas de borracha Sinal de saída (P 2 ) Sinal de entrada (P 1 ) Alimentação Atmosfera SENAI-RJ 25 Controle Automático de Processo – Sistemas de Transmissão Transmissores eletrônicos Com o advento da microeletrônica e a crescente confiabilidade dos componentes eletrônicos, os primeiros transmissores eletrônicos puderam ser construídos. Esse tipo de transmissor emite um sinal elétrico proporcional à variável medida. Na Figura 10, pode-se observar um transmissor eletrônico de pressão. No exemplo observado na Figura 10, o transmissor de pressão (PT) envia um sinal elétrico, proporcional à pressão da linha. Os transmissores eletrônicos permitem o envio de sinais a distâncias muito superiores às conseguidas com transmissores pneumáticos. Na Figura 11, vemos um transmissor eletrônico de pressão. Transmissor de pressão HART LD 301 Fig. 11 Sinal de saída elétrico P T Fig. 10 28 SENAI-RJ Controle Automático de Processo – Sistemas de Transmissão No sistema métrico, a faixa de 3 a 15psi é expressa com 0,2 a 1 bar, e são praticamente equivalentes. Nos transmissores eletrônicos, independentemente de serem microprocessados ou não, o sinal considerado padrão é o de 4 a 20mAcc ou 1 a 5Vcc. Em escala bem mais reduzida, aparecem outras faixas, tais como: 0 a 20mA, 10 a 50mA etc. Como se pode perceber, na maioria das faixas utilizadas e, notadamente, nas faixas padronizadas (3-15psi e 4-20mA), o nível mínimo de sinal não é zero. Dizemos que existe um “zero vivo”. O “zero vivo” adotado no nível mínimo oferece a vantagem de podermos detectar avarias (descalibração ou rompimento do cabo), quando o sinal de entrada for 0%. Seja o sinal eletrônico ou pneumático, a relação com a variável medida é sempre linear. Assim sendo, torna-se muito fácil correlacionar o sinal enviado pelo transmissor com o valor da variável. Observe o exemplo a seguir. Exemplo: determinar o valor da temperatura no interior de um vaso cujo transmissor de temperatura é pneumático e está enviando um sinal de 10,2psi. Dados: Range: -10 a 50ºC Sinal padrão: 3 a 15psi 1. Comparando-se as duas faixas, tem-se: 2. Interpolando-se os valores, tem-se: 15 - 3 50 - (-10) 10,2 - 3 t - (-10) 12 60 7,2 t + 10 12 (t + 10) = 60 x 7,2 5 t = 60 x 7,2 - 10 12 1 t= 5 x 7,2 - 10 t= 36 - 10 t= 260C 10,2 psi ºC 15 3 50 t -10 SENAI-RJ 29 Controle Automático de Processo – Sistemas de Transmissão Funcionamento dos transmissores Apesar de existirem vários fabricantes, o funcionamento básico da maioria dos trans- missores encontrados no mercado é semelhante. Assim sendo, descreveremos, a seguir, o funcionamento de um transmissor pneumático e de um transmissor eletrônico. O funcionamento do transmissor microprocessado não é transparente à nossa percepção, uma vez que as principais funções desse instrumento são executadas pelo microprocessador (circuito integrado). Observe o esquema de um transmissor pneumático: Fig. 15 Transmissor pneumático de pressão Ajuste de faixa Restrição Suprimento Amplificador pneumático Fole de realimentação Saída de sinal Bico-palheta Barra de realimentação Ajuste de zero Célula de pressão Entrada de sinal Diafragma Barra de força Ponto A 100% 0% 30 SENAI-RJ Controle Automático de Processo – Sistemas de Transmissão Verifique o seu funcionamento: • O sinal aplicado na célula de pressão transmite o movimento à barra de força, por meio do diafragma. • Esta, por sua vez, encontra-se pivotada no ponto A e tenderá a aproximar mais o conjunto bico-palheta, de acordo com a intensidade do sinal aplicado (quanto maior for o sinal de entrada, maior será a proximidade do conjunto bico-palheta). • A maior proximidade do conjunto bico-palheta resultará numa contrapressão maior. • Esse aumento da contrapressão será amplificado no amplificador pneumático, que enviará um sinal diretamente proporcional ao aumento, ao mesmo tempo para a saída de sinal e para o fole de realimentação. • A força produzida no fole de realimentação provocará um deslocamento da barra de rea- limentação e, conseqüentemente, do ponto A. • O deslocamento do ponto A impedirá que a palheta feche totalmente o bico (realimentação negativa). A maioria dos transmissores eletrônicos de pressão fabricados atualmente no Brasil tem como sensor a célula capacitiva. Assim sendo, apresentamos, a seguir, uma descrição desse tipo de sensor. A pressão do processo é transmitida para um diafragma sensor no centro da célula, por meio de um diafragma isolador cheio de óleo de silicone. O diafragma sensor funciona como uma mola que se move em resposta à pressão diferencial sobre ele. O deslocamento do diafragma sensor (um movimento máximo de 0,01mm) é proporcional ao diferencial de pressão. A posição Fig. 16 Célula capacitativa (diferencial e absoluta) Fios Isolação rígida Placas do capacitador Diafragma sensor Óleo de silicone Diafragma isolador Selagens Isolamento rígido Placas do capacitador Diafragma sensor Fios Óleo de silicone Selagens Diafragma isolador Câmara de referência (evacuada) SENAI-RJ 33 Controle Automático de Processo – Sistemas de Transmissão Por meio de uma chave, podemos selecionar resistores que acrescentam um valor fixo de corrente de zero, para permitir maiores valores de supressão ou elevação (chave disponível apenas na opção 4 a 20mA). O ajuste do span é feito por intermédio de um potenciômetro que determina a quantidade de corrente realimentada para a entrada do amplificador de controle. Esse amplificador aciona os transistores de controle da corrente de saída. O detector de corrente realimentada para a entrada de um sinal corresponde à soma da corrente de zero e da corrente variável do sensor. Praticando 1. Com o surgimento dos transmissores, qual foi a grande contribuição dada para a área de controle de processos? 2. Cite uma vantagem do transmissor eletrônico em relação ao pneumático. 3. Descreva a diferença entre um transmissor microprocessado e o transmissor eletrônico. 4. Como é também conhecido o transmissor microprocessado? 5. Faça um resumo do transmissor eletrônico de pressão (tipo célula capacitiva), incluindo um diagrama de blocos do seu circuito. 2 Nesta seção... Considerações iniciais sobre o controle automático Processo Tipos de controle Tipos de processo Principais problemas para o controle de processo Elementos básicos de uma malha de controle Modos de controle Sistemas de controle Tecnologias afins ao controle de processo Praticando Referências bibliográficas Controle automático de processo SENAI-RJ 37 Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Considerações iniciais sobre o controle automático Para bem compreender o funcionamento de um controle automático, basta observar como agiria uma pessoa se tivesse que controlar manualmente uma variável. Temos um exemplo bastante familiar em nossa vida diária. Quando tomamos banho de chuveiro e temos a nossa disposição água quente e água fria, fazemos uma verdadeira regulagem. Operando com as duas torneiras, procuramos dar à água a temperatura que desejamos. O que acontece é que nosso corpo age com um medidor de temperatura. O nosso cérebro confronta a temperatura que desejamos com a medida e comanda, por intermédio de nossas mãos, a maior ou menor abertura das torneiras. O controle automático tem representado um papel vital no avanço da engenharia e da ciência. Além de sua extrema importância em sistemas de veículos espaciais, mísseis guiados, pilotagem de aviões, robótica e outros mais, o controle automático tornou-se uma parte importante e integral dos modernos processos industriais e de fabricação. Uma vê que os avanços na teoria e na prática de controle automático propiciam os meios para se atingir desempenho ótimo de sistemas dinâmicos, melhoria na produtividade, alívio no trabalho enfadonho de muitas operações manuais e repetitivas de rotina; é fundamental que técnicos, engenheiros e cientistas tenham um bom entendimento neste campo. O primeiro trabalho significativo em controle automático foi o de James Watt, no século X VIII, que construiu um controlador centrífugo para controle de velocidade de uma máquina a vapor. Atualmente, como os computadores têm-se tornado mais baratos e mais compactos, eles são usados como parte integrante destes sistemas de controle. Antes de iniciar o estudo do conteúdo desta unidade, é importante conhecer abreviaturas que são comumente usadas na área de controle de processos, como vemos na tabela a seguir. Podem-se obter combinações possíveis, de acordo com o funcionamento dos dispositivos automáticos. 40 SENAI-RJ Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo • Faixa de medida (range) É o conjunto de valores da variável medida/controlada, que está compreendido dentro dos limites superior e inferior de capacidade de medição, transmissão ou controle do instrumento. • Alcance (span) É a diferença algébrica entre os valores superior e inferior da faixa de medida (range) do instrumento. • Precisão (accuracy) É a tolerância de medição ou transmissão do instrumento. • Histerese (hysteresis) Diferença máxima que se observa nos valores indicados pelo instrumento, para um valor qualquer da faixa de medida, quando a variável percorre toda a escala, tanto no sentido crescente quanto no decrescente. • Ganho Representa o valor resultante do quociente entre a troca de mudança na saída e a taxa de mudança na entrada que causou. Controlar um processo É o ato de manter as variáveis do processo dentro de certas condições preestabelecidas. Ponto de ajuste (set point) ou valor desejado É o valor ajustado no controlador, no qual se deseja manter a variável controlada. Desvio (erro) É a diferença entre o valor do ponto de ajuste e o valor medido da variável controlada. De forma genérica, erro é a diferença entre o valor lido ou transmitido e o valor real da variável medida. Distúrbios de processo É qualquer alteração no processo que venha a modificar o valor da variável controlada. Estes distúrbios são também conhecidos como mudança de carga. Terminologia Para facilitar o entendimento do conteúdo desta unidade, apresentamos alguns termos mais usados dentro da área de controle de processos. SENAI-RJ 41 Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Tipos de controle Na área de processos, temos dois tipos de controle: o manual e o automático. Para que haja controle, as seguintes funções são obedecidas: medição, comparação e correção. Por isso, essas três funções são denominadas funções básicas do controle. Controle manual É o controle realizado por meio da intervenção humana. Na Figura 2, temos um exemplo de controle manual, em que as funções básicas do controle são desenvolvidas. Medição O operador verifica a temperatura do produto quente. Comparação O operador compara o valor obtido na medição com o valor em que essa temperatura deve ser mantida. Entrada da água fria Fig. 2 Correção Entrada de vapor Ciclo fechado de regulação Tomada de impulso Saída de água quente Computação e comparação Processo Regulador Feedback condensado Válvula de vapor 42 SENAI-RJ Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Correção Se for detectado um desvio, o operador procede à correção necessária, abrindo ou fechando mais a válvula de vapor. Controle automático É o controle realizado mediante instrumentos. Nesse caso, o controle independe da intervenção humana. Observe as Figuras 3 e 4. Vejamos o desenvolvimento das funções básicas do controle automático. Produto frio Produto quente TIC Fig. 3 Fig. 4 Processo Entrada de água fria Pressão de ar 3 a 15psi Motor pneumático Elemento final Válvula de vapor Força auxiliar Tubo de Bourdon Tubo capilar Relé piloto 20psi alimentação de ar Saída de água quente Restrição Sinal do regulador Amplificador de força Bulbo do termômetro Elemento primário Sinal de erro Elemento receptor Feedback Bocal e palheta Detetor de erro Botão de ajuste do Valor desejado Entrada de vapor SENAI-RJ 45 Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Os processos têm características que atrasam as mudanças nos valores das variáveis e, conseqüentemente, dificultam a ação de controle. Essas características estão sempre presentes, ou seja, são inerentes aos processos. São elas: • capacitância; • resistência; e • tempo morto. Capacitância São as partes do processo que têm a capacidade de armazenar energia ou material. Em um trocador de calor, as paredes das serpentinas e o produto no tanque podem armazenar energia calorífica. Essa propriedade de armazenamento de energia dá a essas capacitâncias a habilidade de atrasar uma mudança. Por exemplo, se a temperatura de entrada do vapor aumentar, será preciso um certo tempo para que mais energia seja adicionada ao produto no tanque, a fim de elevá-lo a uma nova temperatura. Resistência São as partes do processo que resistem a uma transferência de energia ou material entre capacitância. Usando novamente o exemplo do trocador de calor, as paredes da serpentina, que obstruem a vazão do vapor e o efeito isolante das películas de vapor e produto de cada lado dela, resistem Veja a figura a seguir. Fig. 7 – Resposta do nível de um tanque a uma variação de degrau na vazão de entrada Vazão de entrada N ív e l TempoVazão de saída h 2 h 1 h 2 h 1 46 SENAI-RJ Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo a uma transferência de energia calorífica entre o vapor na serpentina e o produto do lado externo desta. O efeito combinado de alimentar uma capacitância por meio de uma resistência produz atrasos de tempo na transferência de energia entre capacitâncias. Tais atrasos de tempo provocados por resistência e capacitân- cia (R-C) são freqüentemente chamados atrasos de capacitância ou atrasos de transferência. A Figura 8 mostra a comparação das res- postas de um termopar colocado diretamente na corrente de processo e com o mesmo termopar inserido em um poço termométrico de aço inox. Nota-se que o poço de proteção funciona como uma resistência à transferência de calor, retardando a resposta do conjunto de detecção. Tempo morto Tempo morto, também chamado de tempo de transporte, é aquele verificado entre a ocorrência de uma alteração no processo e a sua percepção pelo elemento sensor. São típicos nos sistemas de medição e controle de temperatura. A Figura 9 apresenta um sistema de controle que só começa a responder após decorrido um certo intervalo de tempo denominado “tempo morto”. Fig. 8 – Resposta de um termopar com e sem poço de proteção Termopar nu Tempo Termopar em poço de aço inox Te m p e ra tu ra Fig. 9 – Sistema de controle de temperatura com tempo morto Fluido quente Sensor de temperatura Tempo mortoVapor Fluido frio TIC d T T SENAI-RJ 47 Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Um resumo dos três tipos de atrasos (capacitância, resistência e tempo morto) aqui abordados pode ser ilustrado no sistema de controle da Figura 10. Os processos também podem ser classificados em: • monocapacitivo; • bicapacitivo; e • multicacacitivo. Os processos são geralmente analisados em função da sua curva de reação, ou seja, a reação da variáveis do processo provocadas por mudanças de cargas, em condição de não- controle. Na discussão que se segue, o processo representado na Figura 11 pode se encontrar em condição estável. É mostrado o efeito de mudanças bruscas em degrau na alimentação e o respectivo comportamento de saída. Processo monocapacitivo O trocador de calor da Figura 1, apresentada no início desta seção, pode ser considerado, aproximadamente, como um processo monocapacitivo, já que a capacitância calorífica da serpentina é quase insignificante, quando comparada com a capacitância do produto no tanque. Assim, nessa suposição, o processo se comporta como monocapacitivo. Fig. 10 – Trocador de calor – Atrasos na detecção, na transmissão e tempo morto Atraso na detecção Á g u a Atraso Transm./Controlador Atrasos devidos ao processo Tempo morto Sala de controle TIC Fluido processo Saída Fluido processo Entrada Atraso na resposta do atuador Atraso na transmissão Controlador/Válvula TT 50 SENAI-RJ Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Elementos básicos de uma malha de controle Entende-se como malha de controle um conjunto de instrumentos e equipamentos que, interligados, tem a finalidade de supervisionar e/ou controlar uma ou mais variáveis do processo. Se a informação sobre a variável controlada não é utilizada para ajustar quaisquer das variáveis de entrada, visando compensar as alterações que ocorrem nas variáveis do processo, estaremos diante de um sistema de malha aberta. Nas Figuras 14 e 15 são apresentados dois sistemas: sistema de malha aberta e sistema de malha fechada. Fig. 14 Processo típico de troca de calor em malha aberta Fluido aquecido Fluido a ser aquecido Condensado Vapor Fig. 15 Processo típico de troca de calor em malha fechada utilizando controle manual Fluido aquecido Fluido a ser aquecido Condensado Vapor SENAI-RJ 51 Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Ponto de ajuste Condensado Fluido aquecido Vapor Fluido a ser aquecido TRC TT TY O diagrama em blocos, a seguir, mostra as passagens de sinais entre os principais elementos de uma malha de controle. Sistema de medição O sistema de medição em uma malha de controle é constituído basicamente de: elemento primário, transdutor e sistema de transmissão. Ele é de suma importância, pois da medida correta depende um controle satisfatório. Processo típico de troca de calor utilizando controle automático Fig. 17 Distúrbios Elemento final de controle Modos de controle Erro Correção Controlador Set point + _ Processo Sistema de mediçãoVariável medida Variável controlada Variável manipulada Fig. 16 52 SENAI-RJ Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Controlador É o instrumento destinado a manter a variável controlada dentro de valores predeterminados. Ele reage ao desvio entre a variável controlada (variável medida) e o ponto de ajuste (set point), produzindo uma saída (correção). Na Figura 17, o bloco controlador tem um sinal positivo no lado do ponto de ajuste e um sinal negativo no lado da variável. Temos, entretanto, a possibilidade de fazer o controlador funcionar com o conjunto de sinais opostos, mediante um simples chaveamento. Esse chaveamento nos possibilita transformá-lo em controlador de ação direta ou controlador de ação reversa (inversa) para atender as necessidades do processo. A Figura 18 apresenta um controlador na sua forma convencional. Controlador de ação direta Recebe este nome porque, supondo-se o ponto de ajuste constante, se a variável controlada tender a subir, o sinal de entrada do bloco “modo de controle” tenderá a subir, e a saída (correção) idem. Portanto, diz-se que um controlador é de ação direta, quando um aumento de sinal da variável controlada provoca um aumento no seu sinal de saída. Observe a Figura 19. SP VP VM A/M L/R Fig. 18 SP: VP: VM: SP: P: I: D: A/M: L/R: VALOR DESEJADO VARIÁVEL DE PROCESSO VARIÁVEL MANIPULADA VALOR DESEJADO AÇÃO PROPORCIONAL AÇÃO INTEGRAL AÇÃO DERIVATIVA AUTOMÁTICO/MANUAL LOCAL/REMOTO P I D Fig. 19 – Controlador de ação direta Controlador Saída S.p. Vc Modo de controle+ _ SENAI-RJ 55 Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Independentemente do seu modo de controle, o controlador poderá ser de ação direta ou ação reversa. Controle de duas posições De todas as ações de controle, a ação em duas posições é a mais simples e também a de menor custo; por isso, é extremamente utilizada tanto em sistemas de controle industrial como doméstico. Neste modo de controle, o elemento final de controle é movido a uma velocidade relativamente alta, entre duas posições prefixadas. Visto que essas duas posições do elemento final de controle são, em geral, “totalmente aberto” ou “totalmente fechado”, este modo é chamado controle ON-OFF (liga-desliga). A Figura 23 ilustra um processo cujo controle de temperatura é feito por controle liga- desliga. Fig. 23 – Controle de temperatura com vapor atuado por válvula solenóide Vapor T IC S Quando a temperatura está no ponto de ajuste (set point) ou acima deste, o contato está fechado e a válvula também. Quando a temperatura está abaixo do ponto de ajuste, o contato está aberto e a válvula idem. A Figura 24 mostra as correções de posição da válvula quando a temperatura varia acima e abaixo do ponto de ajuste. 56 SENAI-RJ Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Controle de duas posições com zona diferencial É uma variante comum do controle de duas posições. Aqui, o elemento final de controle é movido rapidamente de sua primeira posição para a segunda, quando a variável controlada atinge um valor prefixado, e só poderá retornar à sua primeira posição depois que a variável Observação Nota-se que esse controle de duas posições não pode promover uma correção exata. Sua correção é maior ou menor que a exata. Não existe, então, nenhuma condição de equilíbrio entre as energias de entrada e de saída; conseqüentemente, a variável controlada irá oscilar para cima e para baixo do ponto de ajuste. Fig. 24 t t Abertura Válv. Ponto de ajuste 100% 0% Temp. Fig. 25 ProcessoVapor Saída Bourdon Relé controlada tiver passado por meio de uma faixa de valores (zona diferencial) e atingido um segundo valor também prefixado. Pode-se ajustar a zona diferencial de acordo com a necessidade do processo. A Figura 25 mostra o exemplo típico de um controle de duas posições com zona diferencial. SENAI-RJ 57 Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Fig. 26 t t Abertura Válv. Ponto de ajuste 100% 0% Temp. Contato de alta Zona diferencial Contato de baixa A Figura 26 mostra as correções da posição da válvula quando a temperatura passa pela zona diferencial. Nota-se que nenhuma ação da válvula ocorre quando a variável está dentro da zona diferencial. Observe a Figura 26. Observação 1. Como vemos, no controle de duas posições, a saída muda de uma condição fixa para outra, o que geralmente provoca correções maiores que o necessário, resultando numa oscilação contínua da variável controlada. Por isso, o seu uso fica restrito a processos que apresentam grande capacitância ou a processos em que a oscilação não seja prejudicial. 2. Em razão de suas características, o controle de duas posições é muito utilizado em sistemas de segurança. Controle proporcional Em processos que não permitam a aplicação do controle de duas posições, costuma-se recorrer ao controle proporcional, cuja amplitude de correção é proporcional à amplitude do desvio. Nesse caso, o elemento final de controle se move para uma determinada posição, para cada valor do desvio. 60 SENAI-RJ Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Redução de erro de regime Observando a Figura 28, podemos notar que, quanto maior a inclinação da reta, menor será o erro de regime. Veja a Figura 31. Isso é possível, desde que se altere o ajuste do controlador proporcional (faixa proporcional ou ganho, que será visto adiante). Cabe ressaltar, entretanto, que vamos obter uma redução do erro de regime, e não a eliminação dele. Eliminação do erro de regime Como artifício da eliminação do erro de regime em controladores de modo apenas pro- porcional, lança-se mão do reajuste manual (reset manual). O procedimento é “abrir” a malha de controle, ou seja, passar o controlador de automático para manual (o instrumento apresenta tal recurso) e, manualmente, alterar a saída do controlador. No caso em estudo, aumentar a saída do controlador; conseqüentemente, abrindo mais a válvula, até que o nível retorne ao ponto de ajuste, quando, então, ainda de forma manual, fazemos a válvula voltar à abertura que proporciona a vazão Q e + Q, para, finalmente, passar o controlador à posição “automático”. Com esse procedimento, “trazemos” a variável controlada de volta ao ponto de ajuste, eliminando, assim, o erro de regime. Uma outra maneira de se eliminar o erro de regime é mediante mudanças do set point (ponto de ajuste) ajustado no controlador, até que a variável controlada retorne ao valor desejado. Fig. 31 Ponto de ajuste 0,5 1 1,5 2 2,5 0 50 100 V C Sc% A B C Erro de regime 2 Erro de regime 1 SENAI-RJ 61 Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Faixa proporcional (banda proporcional) Faixa proporcional pode ser definida como sendo a variação percentual da variável controlada, necessária para provocar o curso completo (desde totalmente aberta até totalmente fechada) do elemento final de controle. A faixa proporcional é, normalmente, expressa em percentagem. A Figura 32 mostra que, para causar o curso completo da válvula (desde totalmente aberta até totalmente fechada), é necessária uma mudança na variável controlada, no caso “nível”, de 1 metro. Portanto, a faixa proporcional será de 1 metro em 2 metros, ou seja, 50%, pois: FP = 2m – 1m = 1m = 0,5 = 50% 2,5m – 0,5m 2m Pode-se obter, também, a faixa proporcional a partir da percentagem dos valores. No caso: FP = 75% – 25% = 50% Para solidificarmos o conceito de faixa proporcional, veremos um outro exemplo. Se a faixa completa de um instrumento é de 200ºC e é preciso uma mudança de temperatura de 50ºC para causar o curso completo da válvula, a faixa proporcional será de 50ºC em 200ºC, ou seja, 25%. A faixa proporcional pode variar de um valor menor que 1% até um valor maior que 200%. A Figura 33 mostra a relação entre a posição da válvula e a variável controlada, para vários valores de faixa proporcional. Fig. 32 Ponto de ajuste Toda Aberta Toda Fechada 100% 0% 0,5 V C1 1,5 2 2,5 Sc 0% 25% 50% 75% 100% 62 SENAI-RJ Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Observação Note que, quando a faixa proporcional for superior a 100%, o curso completo da válvula não será promovido. Ganho (sensibilidade) Um outro conceito para expressar a proporcionalidade é o ganho, também conhecido como “sensibilidade”. Ganho ou sensibilidade do instrumento é a relação entre a variação de saída e a variação de entrada (variação da variável controlada), como mostra a expressão abaixo: K = s e Quanto maior for o ganho, maior a variação de saída do instrumento para a mesma variação da variável. Em outras palavras, o instrumento reagirá tanto mais fortemente quanto maior for o seu ganho. Matematicamente, o ganho é recíproco da faixa proporcional, ou seja: K = 100% FP (%) Os instrumentos de controle possuem o ajuste de proporcionalidade expresso em ganho ou expresso em faixa proporcional. Note que, quanto menor for a faixa proporcional ajustada, maior será o ganho, e vice-versa. Fig. 33 – Variável controlada – Percentagem da escala 10 20 30 40 50 0%20%50% 200% 100% 60 70 80 90 100 10 20 30 50 60 70 80 100 40 90 0 500% A b e rt u ra d a v á lv u la e m p e rc e n ta g e m onde: K = ganho; s = variação de saída; e e = variação de entrada. SENAI-RJ 65 Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Fig. 36 – Exemplo típico de um controlador com ações P e I pneumático Tempo integral Valor setado Valor medido Volume integral C Alimentação Saída T i =RC Realimentação Válvula de restrição (integral) R Realimentação integral Ps Pr Pr PR Pn P Po posição, desde totalmente aberta até totalmente fechada, para um determinado valor da medição. A válvula é continuamente posicionada, conforme seja necessário, para manter a variável no ponto de ajuste. Apresentamos a seguir o esquema básico de um controlador P + I. O modo integral é normalmente utilizado em conjunto com o modo proporcional (controlador PI), pois a velocidade de resposta do modo integral sozinho é muito lenta, e seu tempo de estabilização é muito longo. Análise gráfica da resposta de um controlador proporcional + integral A Figura 37 mostra a resposta gráfica de um controlador PI, de ação direta, a um desvio tipo degrau, em malha aberta. Fig. 37 Tempo Variável Ponto de ajuste E to Saída Componente integral Componente proporcional Tempo to 66 SENAI-RJ Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Fig. 38 Tempo Saída SA KE KE t o t 1 No instante t o foi introduzido um desvio de amplitude E. O modo proporcional varia a saída de KE no momento em que surge o desvio, ficando constante a partir daí, uma vez que o desvio se mantém fixo. A saída do modo integral não varia instantaneamente com o surgimento do desvio, mas o fato de o desvio ser diferente de zero faz com que a saída do modo integral varie à medida que o tempo vai passando, e essa variação só irá cessar quando o desvio voltar a zero. Como o desvio é constante, a saída da componente integral será uma rampa. Vê-se, então, que o modo proporcional será mais efetivo do que o integral na resposta a rápidas variações do processo. Tempo integral Enquanto o modo proporcional é descrito pelo ganho K, o modo integral é descrito pelo tempo integral (reset time) Tt 1 , e que pode ser ajustado por meio do botão existente no controlador. Conforme mostrado na Figura 37, simulando-se, num instante t o , um desvio tipo degrau de amplitude E, em malha aberta, a saída do controlador PI terá o aspecto da Figura 38. No instante t o , a saída sofre instantaneamente uma variação igual a KE, devida somente ao modo proporcional. A partir desse instante, a saída passa a aumentar, graças ao modo integral. Repare que, no instante t 1 , o modo integral terá variado a sua saída no mesmo valor da variação do modo proporcional. Pode-se definir, portanto, tempo integral como sendo o tempo necessário para que o modo integral produza uma variação na saída igual àquela produzida pelo modo proporcional. O tempo integral (T i ) é usualmente expresso em minutos ou minutos por repetição (MPR). O tempo integral também é chamado “tempo de reajuste”, ou, ainda, “tempo por repetição”. SENAI-RJ 67 Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Taxa de reajuste Em alguns controladores, o ajuste do modo integral é expresso em repetições por minuto (RPM). Esse termo, chamado taxa de reajuste, representa o número de vezes que o modo integral produz uma variação na saída igual àquela produzida pelo modo proporcional, no tempo de 1 minuto. A taxa de reajuste também é chamada de “taxa de reset” ou, ainda, “velocidade de reajuste”. Matematicamente é definida como o inverso de T i , ou seja, 1 . Ti Assim, na Figura 38, apresentada anteriormente, se T i for, por exemplo, de 30 segundos, ou seja, 1/2 minuto, teremos a taxa de reajuste de 2 repetições/minuto. Cabe ressaltar que, quanto maior for o valor da taxa de reajuste, mais rápida será a correção devida ao modo integral. Equação característica do controlador proporcional + integral S = S o + K E + 1 Edt Ti Quanto menor for o valor do tempo integral, mais rápida será a correção devida ao modo integral. Onde: S = sinal de saída do controlador S o = sinal de saída para desvio nulo K = ganho E = desvio ou erro T i = tempo integral Note que, além da correção devida ao modo proporcional, temos agora uma correção adicional, que faz aumentar ou diminuir o sinal de saída, durante todo o tempo em que existir algum erro. A existência da ação integral não garante que o processo se encontre estável mas, sim, que não haverá erro de regime quando o processo atingir um estado estável. t o 70 SENAI-RJ Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Variável to Saída Ponto de ajuste Tempoto No instante t o , foi introduzido um desvio tipo rampa. A saída do modo proporcional será uma rampa. O modo derivativo varia a saída no momento em que a variável começou a variar, ou seja, no instante t o , ficando constante a partir daí, uma vez que a variação do desvio tem inclinação constante. Considerando-se um sistema de controle em malha fechada, pode-se constatar, pela Figura 41, que a aplicação da ação derivativa não elimina o erro, ou seja, tal como ação proporcional de modo isolado, ainda persiste um dado offset, ou afastamento da variável do processo em relação ao valor desejado. Legenda: Kc = ganho td = tempo derivativo Fig. 41 – Resposta de um controlador PD para diferentes valores de td Variável controlada Kc=Constante Ponto de ajuste Erro td Grande td Médio Análise gráfica da resposta de um controlador proporcional + derivativo A simulação de um desvio tipo degrau não é adequada para se estudar o modo derivativo, pois a derivada seria infinita no instante da aplicação do degrau. Por isso, a Figura 40 mostra a resposta gráfica de um controlador PD, de ação direta, a um desvio tipo rampa, em malha aberta. Componente proporcional Componente derivativa Tempo Fig. 40 td Pequeno SENAI-RJ 71 Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Equação característica do controlador proporcional + derivativo O controlador PD tem uma ação combinada pela relação: S = S o + K E + t d dE dt Observação 1. Os ajustes são os mesmos do controlador proporcional, mais o ajuste de tempo derivativo. 2. Quanto maior for o valor do tempo derivativo, mais forte é a ação derivativa. Entretanto, se esta for exagerada, existirá também a possibilidade de oscilações. Por outro lado, uma ação derivativa muito pequena não tem efeito significativo. Existe, portanto, um valor ideal que depende das características de cada processo. 3. O efeito estabilizante do modo derivativo permite que se utilize um ganho maior do que o que seria possível utilizar com um controlador puramente proporcional. 4. O controlador PD tem uso limitado na prática industrial, visto que, embora o modo derivativo tenha efeito estabilizante, o erro de regime não é eliminado. 5. O modo derivativo é mais indicado para processos lentos, porque sua aplicação resulta em respostas mais rápidas. Para processos que apresentam oscilações rápidas, não é indicado, uma vez que produzirá correções máximas ou mínimas do controlador, o que provocaria instabilidade ou um controle totalmente insatisfatório. Onde: S = sinal de saída do controlador S o = sinal de saída para desvio nulo K = ganho E = desvio t d = tempo derivativo 72 SENAI-RJ Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Combinam-se, dessa maneira, as vantagens de cada um dos modos: • o modo proporcional, que causa uma correção proporcional ao desvio, com um tempo de estabilização curto; • o modo integral, que elimina o erro de regime; e • o modo derivativo, que reduz o tempo de estabilização e, simultaneamente, o desvio máximo. Equação característica do controlador proporcional + integral + derivativo A saída de um controlador PID é representada por: S = S o ± K E + 1 Edt + Td dE T i dT e(t)=E o t P+I+D P+D P 0 0 t t Ke (t) Fig. 42 Controle proporcional + integral + derivativo (PID) O controlador proporcional + integral + derivativo (PID) resulta da associação dos três modos de controle. t o SENAI-RJ 75 Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Sistemas de controle Os sistemas de controle ou estratégias de controle constituem a filosofia empregada para se controlar uma variável em função de uma ou outras variáveis. Veremos, a seguir, os principais sistemas de controle. Controle feed forward (controle antecipativo) Nas malhas de controle até agora vistas, estivemos lidando com o controle feedback, que vem a ser realimentação negativa, ou seja, a saída do sistema envia um sinal que é usado para a correção dele; depois que o erro aparece é que se toma uma providência. No entanto, se conhecermos o efeito de uma determinada perturbação no processo, poderemos criar um sistema de controle que se antecipe a este efeito com uma correção adequada, ou seja, o sistema é levado a reconhecer novas condições mesmo antes que elas comecem a afetar o processo. A isso chamamos de controle feed forward, e, pelo motivo exposto, ele é também chamado “controle antecipativo”. O diagrama de blocos a seguir ilustra o conceito deste tipo de controle. Função de controle por antecipação Variável manipulada Valor desejado Processo Variável controlada Transmissor Cargas Fig. 44 – Sistema de controle por antecipação - Diagrama de blocos 76 SENAI-RJ Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo O controle feedback mede o erro na saída do processo e retroalimenta o sistema, até conseguir o equilíbrio da variável; porém o erro ocorre sem que o sistema possa evitá-lo, corrigindo-o, apenas. Quanto ao controle feed forward, observamos que ele regula a variável, evitando o distúrbio na entrada do processo; porém, se ocorrer um erro na saída, esse sistema não agirá. Por esse motivo, na prática, o sistema feed forward é raramente utilizado sozinho, sendo associado a um feedback, como mostra a Figura 45. Pela figura anterior, podemos observar que o relé somador “Fy” recebe os sinais do FT (malha feed forward) e do TIC (malha feedback), e envia a resultante para a válvula de controle de vapor. Nas condições de equilíbrio, a saída do relé somador será igual ao sinal recebido do FT, uma vez que a temperatura está no ponto de ajuste. Caso a temperatura saia deste ponto, a saída do TIC Fig. 45 Fy FT Produto frio Produto quente Vapor relé somador será diferente da do FT. Isso irá ocorrer até o sistema voltar às condições de equilíbrio, ou seja, até que a temperatura retorne ao ponto de ajuste. A utilização dessa malha permite que a temperatura na saída do trocador seja mantida de forma estável, mesmo quando ocorram variações na vazão do fluido por aquecer. Na prática, o controlador por ante- cipação raramente é utilizado sozinho, e, sim, em conjunto com o controle por alimentação. Veja a Figura 46. Fig. 46 – Controle por antecipação: trocador de calor Entrada de líquido Vapor Condensado Saída de líquido F=W.C.(Tsp-Ti) H TT FT TI FIC Tsp T o = Tsp T T SENAI-RJ 77 Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Controle split range (faixa dividida) O sistema de controle em split range é utilizado quando se deseja que um determinado evento seja realizado numa ordem tal, que uma certa variável manipulada tenha preferência sobre outra, como meio de controlar o processo. Este tipo de controle também é usado em aplicações em que se impõem limites de segurança. Vejamos o seguinte exemplo. Consideramos um processo de reação química em que determinados produtos são colocados em um reator, que deve ser aquecido para que se chegue à temperatura correta de reação. Ao se iniciar a reação, entretanto, há desprendimento de calor (a reação é exotérmica), e torna-se necessário resfriar o reator, para que a temperatura se mantenha no valor desejado. Nesse caso, convém, eventualmente, usar o arranjo da Figura 47. Os atuadores das válvulas serão de range dividido. A válvula de água fria estará aberta com 3psi (0,2 bar) no atuador, e fechada com 9psi (0,6 bar) ou mais. A válvula de vapor estará fechada com 9psi (0,6 bar) ou menos, e aberta com 15psi (1 bar). O controlador deverá ser de ação inversa, ou seja, a sua saída deve diminuir com o aumento da temperatura. Um outro exemplo típico de aplicação desta técnica de controle em faixa dividida é no controle de pressão de um tanque através da injeção de nitrogênio (N 2 ), como ilustra a Figura 48. Reator Vapor Bulbo Água fria TIC Fig. 47 80 SENAI-RJ Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Uma das vazões pode ser considerada independente, enquanto a outra será dependente. Vejamos o exemplo a seguir. Combinar a vazão de A com a vazão de B numa determinada razão. O esquema mostrado é o método mais comum, em que o sinal do transmissor da vazão independente é levado a um relé de razão, ou relé de relação, no qual é multiplicado por um fator (ajustado manualmente). O sinal de saída constitui o ponto de ajuste do controlador de vazão da variável dependente. Fig. 51 – Controle de razão Q f /Q q num processo de mistura Fig. 50 Vazão independente (A) Relé de razão FT FT FIC FY Vazão dependente (B) Um bom exemplo de um processo típico para a utilização de um controle de vazão é a adição de chumbo tetraetila à gasolina, para a manutenção da octanagem da mesma, uma vez que o índice de octanas é função da razão mantida entre as quantidades de chumbo tetractila e de gasolina. Um outro exemplo de controle de vazão é a mistura de dois fluidos, frio e quente, para obter- se, na saída, uma determinada temperatura da mistura. Neste caso, há que se ter uma razão bem determinada entre as razões dos dois fluidos (Q f e Q q ), para que se garanta a temperatura desejada da mistura. O esquema de controle, neste caso, é mostrado na Figura 51. FIC FT FY SP Mistura R Qq Qf FT X SENAI-RJ 81 Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Controle override (controle seletivo) Em sistemas de controle de processo, muitas vezes se torna desejável limitar uma variável de processo em um valor (alto ou baixo), para se evitarem danos ao processo ou a equipamentos. Isso se obtém com o auxílio de relés seletores de sinal (alto ou baixo). Enquanto a variável está dentro dos limites preestabelecidos, o funcionamento do sistema é normal. Quando o valor da variável ultrapassa um desses limites, o sistema realiza ações determinadas. Vejamos a Figura 52, a seguir. Fig. 53 – Controle seletivo: pressão alta comanda o desvio do controle do vapor No esquema apresentado, o seletor de sinal baixo (relé “passa baixo”) recebe sinal do FIC e do LC, seleciona o menor dos dois sinais e o envia para a válvula de controle. Em condições normais, a vazão é controlada pelo FIC. No caso, porém, da queda do nível no vaso, o comando da válvula passa para o LC, através do relé seletor de sinal baixo, restringindo a vazão até que o nível se recupere. Um exemplo de controle seletivo pode ser visto na Figura 53, na qual o sistema de controle protege um reator contra sobrepressão, reduzindo-se a entrada de calor no sistema. PIC PC PT FY FIC FT TT Produto vapor Condensado Alimentação Vapor d´água Produto líquido Fig. 52 Gás Líquido (Produto) LC Direto FT Fy F IC Fy Inverso AA 82 SENAI-RJ Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Controle de limites cruzados O controle de limites cruzados é usado, por exemplo, no controle de combustão em caldeiras. Nesse sistema de controle são utilizados dois relés seletores, sendo um seletor de sinal baixo e outro de sinal alto. Observe a Figura 54, a seguir. Na Figura 54, a variável principal é a pressão de vapor que deve ser mantida constante. O sinal de saída do controlador de pressão é levado a um relé seletor de sinal alto e a um relé seletor de sinal baixo. Esses seletores recebem também, respectivamente, sinais de vazão de óleo combustível e ar. Note que o sinal de vazão de ar é multiplicado por uma constante mediante um relé de razão, para manter a relação ar x combustível. Os sinais recebidos pelos relés seletores serão iguais, quando o sistema estiver estabilizado e operando nas condições especificadas. Caso ocorra um aumento de consumo de vapor, a pressão diminuirá, fazendo com que o sinal de saída do PIC aumente; esse aumento não será sentido pelo controlador de fluxo de combustível, pois a saída do seletor de sinal baixo continuará a mesma. O controlador de fluxo de ar sentirá imediatamente esse aumento, pois a saída do seletor de alta passará a ser o sinal do PIC. Com isso, haverá um aumento imediato do fluxo de ar. À medida que a vazão de ar for aumentando, a saída do seletor de baixa aumentará igualmente, com um conseqüente aumento da vazão de combustível. Isso acontecerá até que o sistema se equilibre na nova situação de consumo. Vê-se então que, no caso de um aumento do consumo de vapor, haverá, inicialmente, um aumento da vazão de ar e, a seguir, de combustível. A vazão de combustível só será aumentada após o aumento da vazão de ar. Durante a transição, o ponto de ajuste da vazão de combustível será dado pelo transmissor de fluxo de ar. Fig. 54 PT PIC Fy FIC Fy FIC Fy Fy FTFT Combustível Linha de vapor Ar Fy x SENAI-RJ 85 Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Estável e criticamente amortecida Os sistemas se estabilizam num tempo mínimo e sem oscilações. Esta é a situação ideal, porém difícil de ser conseguida na prática. Estável e superamortecida O sistema não oscila, mas pode requerer um tempo muito longo para que seja alcançado o novo estado de equilíbrio. A curva demonstra que há uma correção muito fraca por parte do controlador. Se o produto final não fugir das especificações com esses valores baixos, o sistema será aceitável. Na prática, devido às incertezas da operação do processo e à tendência a se garantir contra uma instabilidade, a maioria dos processos é operada com algum pico inicial e uma pequena oscilação com atenuação rápida. Este fato dá origem ao nome de resposta denominada “decaimento de 1/4” . Isto é, cada amplitude de pico é 1/4 da amplitude anterior. Fig. 60 A Fig. 58 t Estável e criticamente amortecida V C Fig. 59 t Estável e superamortecida V C A/4 86 SENAI-RJ Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Ajustes dos controladores automáticos (otimização ou sintonia) A qualidade do controle obtido por um sistema de controle automático depende muito do ajuste de suas ações. Para obter o melhor controle, deve-se usar um método sistemático de ajuste, já que os ajustes por tentativas ao acaso levariam muito tempo, devido ao grande número de combinações possíveis, e raramente dariam bom resultado. A avaliação de performance de uma regulagem é feita considerando-se os fatores ilustrados na curva de resposta. Veja a Figura 61. Observação Em geral, podem-se ajustar as “ações de controle” para obter a estabilidade de controle desejada. Muitas oscilações indicam “correção excessiva” (FP muito pequena, taxa de reset, reset rate, muito alta, ou às vezes tempo derivativo, rate time, alto). Uma resposta bem lenta, sem oscilações, indica “correção fraca” (FP alta, taxa de reset lenta, ou tempo derivativo insuficiente). O procedimento utilizado para determinação de ajuste individual das ações de controle será visto a seguir. Fig. 61 Degrau: m(t) = u(t) m(t) 0 c(t) 0 t s C ṕC p t p t Valor final Tolerância (±5% do valor final) t Cp = overshoot máximo em % do valor final tp = tempo correspondente ao overshoot máximo t0 = tempo em que a variável controlada corta o eixo correspondente ao valor final pela primeira vez t8 = tempo de estabilização (tempo necessário para que a variável controlada fique dentro da tolerância) E0 = offset (se existir) Onde: t o SENAI-RJ 87 Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Cabe ressaltar que pessoas com muita prática não seguiriam um método sistemático; elas saberiam interpretar as respostas para chegar ao melhor ajuste em pouco tempo. Os métodos descritos a seguir são os mais utilizados e permitem obter ajustes adequados para a maior parte das aplicações. Sensibilidade limite Curva de reação Tentativa sistemática Método sensibilidade limite (método de Ziegler e Nichols) Este método possibilita o ajuste do controlador através de dados obtidos por um teste em malha fechada. Consiste em fazer a malha fechada oscilar continuamente com amplitudes constantes e daí obter dois parâmetros: ganho limite e período limite, que serão utilizados no ajuste. Já verificamos que um ganho muito pequeno resultará numa resposta de controle muito lenta, e um ganho muito alto produzirá oscilações que podem aumentar em amplitude e exceder limites de operação segura. Entre esses dois extremos temos um ganho que produzirá oscilações com amplitudes constantes. Este ganho é o “ganho limite” ou “sensibilidade de limite” ou, ainda, “ganho último”. O período do Ciclo (P u ) é tirado do registro da variável controlada. Para se obterem esses parâmetros, procede-se da seguinte maneira: t c(t) Fig. 62 c(t) P u v(t) Valor desejado 0 1. Com o controlador em automático, retire toda a ação integral (taxa = 0 ou T i = co) e toda ação derivativa (T d = 0), caso haja qualquer dessas ações. {Métodos 90 SENAI-RJ Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Esta curva é denominada de “curva de reação do processo”. Ela representa a resposta característica da combinação de todos os componentes do sistema, exceto o controlador. O procedimento para “encaixar” o controlador ao processo é baseado em fórmulas empíricas, obtidas do estudo de ajuste de controladores para uma variedade de processos reais (Ziegler e Nichols). Primeiramente, a curva é aproximada por dois parâmetros característicos obtidos do gráfico: 1. Taxa de reação N (velocidade de reação). 2. Atraso de tempo L. Estes valores são usados, em seguida, nas fórmulas, para obter o ajuste do controlador, necessário para produzir resposta de amplitude 1/4. A taxa de reação N é calculada pela reação: N = tg α = dist. A = % da variação da variável dist. B intervalo de tempo da tg O tempo L em minutos é o tempo entre a introdução da variação tipo degrau e o ponto em que a tangente cruza o valor inicial da variável controlada. A magnitude da perturbação p é expressa em % da variação do sinal que vai para a válvula. Com esses dados, temos as fórmulas de ajuste: 1. controlador proporcional: FP (%) = 100NL p Variável Registrada Valor final Valor inicial Tangente N Ponto de inflexão L B A Fig. 64 Tempo SENAI-RJ 91 Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo 2. controlador proporcional + integral FP (%) = 110NL p 1 = 0,3 (rep/min) ou T i = 3,3L (min) T i L 3. controlador proporcional + integral + derivativo FP (%) = 83NL p 1 = 0,5 (rep/min) ou T i = 2L (min) Ti L T d = 0,5L (min) Tecnologias afins ao controle de processo Embora toda tecnologia vista nesta unidade tenha ainda uma vida longa, por ser a base de todo o processo produtivo, existem, atualmente, tecnologias mais evoluídas que complementam o que foi visto. O aprofundamento de cada item que será agora apresentado deve ser objeto de um outro curso. Nesta unidade, a inclusão de tais conteúdos tem a finalidade de mostrar o que existe de novidade em relação à transmissão e no tratamento dos dados. 92 SENAI-RJ Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo CLP Ainda no início da década de 1960, o hardware do controle seqüencial era dominado principalmente pelos relés, e a utilização desta técnica apresentava, entre outras, as seguintes desvantagens: • necessidade de instalação de inúmeros relés, execução de fiação entre os inúmeros terminais de contatos e de bobinas; e • complexidade na introdução de alteração na seqüência. No final da década de 1960, iniciou-se o desenvolvimento de microcomputadores, utilizando- se o circuito integrado (CI), e isso gerou uma enorme expectativa quanto ao surgimento de um hardware para controle, dotado de grande versatilidade de processamento. A partir de 1969, foi lançado, por meio de diversas empresas americanas, uma série de produtos denominados PLC (Programmable Logic Controller) ou CLP (Controlador Lógico Programável), mudando signi- ficativamente o conceito de projeto de equipamentos na área de automação e trazendo uma grande melhoria para a área de instrumentação. O Controlador Lógico Programável é um equipamento de controle industrial microprocessado, criado inicialmente para efetuar o controle lógico de variáveis discretas e atualmente usado para quase todos os tipos de controle. Finalidade O CLP foi projetado para substituir a lógica de relés de um circuito lógico seqüencial ou combinacional para controle industrial. Ele funciona seqüencialmente; recebe os sinais em suas entradas, operando a lógica de seu programa, e gera os sinais em suas saídas. O usuário carrega o programa, geralmente via software, que produz os resultados desejados. Aplicações atuais A evolução tecnológica acelerada, neste segmento, permitiu que o CLP assumisse outras funções que anteriormente não lhe eram destinadas, como o controle de variáveis analógicas, tráfego de informações do chão de fábrica, geração de relatórios, preparação de dados para interface homem-máquina. Embora tenha sua grande aplicação em processos industriais contínuos, seu uso é igualmente importante nos processos em bateladas e onde as variações da produção precisam ser modificadas freqüentemente. A gama de aplicações do CLP tem aumentado, e ele foi introduzido em vários segmentos, nos quais se necessita do controle de variáveis discretas, tais SENAI-RJ 95 Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Algumas limitações de aplicações para CLPs Algumas aplicações específicas levam o CLP a um regime de trabalho bastante pesado e, às vezes, impossível de suportar. • Uma das limitações de um CLP é a velocidade da CPU, que, embora seja atualmente bastante elevada, não permite uma resposta suficientemente rápida; por exemplo, no controle de compressores. • Às vezes, em algum ciclo de trabalho é necessário que empreguemos alguns artifícios de programação nem sempre disponíveis no CLP, reduzindo, assim, sua disponibilidade em certas aplicações. Neste tipo de aplicação, ainda é comum se recorrerem a controladores digitais dedicados para as variáveis analógicas. • Nos casos em que a própria lógica demanda uma resposta muito rápida, pode-se optar pela lógica fixa, que, por não respeitar um ciclo de varredura, como o CLP, pode agir tão rapidamente quanto o tempo de resposta que seus circuitos permitam. • Alguns usuários se esquecem de que os CLPs não são computadores de uso geral e, portanto, sua capacidade de computação é bem mais limitada. Isto acontece quando tentamos fazê-los executar algoritmos matemáticos pesados, como, por exemplo, a otimização do controle de processo, o que pode sobrecarregá-los, podendo tornar o controle inviável ou antieconômico. É melhor usar um micro para os cálculos e conectá- lo ao CLP que, então, executa realmente o controle. • Quando uma aplicação exigir uma aquisição de dados elevada, é melhor passar os dados do CLP para o micro, no qual pode residir até uma planilha eletrônica completa, capaz de “dirigir” a massa de dados e calcular os valores de que o usuário precisa, já formatados adequadamente para sua aquisição. C. P. U. Barramento (Dados + Controle + Endereçamento) Fig. 66 Processador Memória S A Í D A E N T R A D A 96 SENAI-RJ Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Tendências atuais De uma maneira geral, após a compra do CLP o usuário recebe do fabricante algum treinamento em programação e a partir daí deve fazer seu programa, desenvolver ou comprar uma interface homem-máquina, ou terceirizar este tipo de serviço por empresas especializadas. Atualmente, a maioria das empresas procura fabricantes que se responsabilizem por todo o funcionamento do sistema: especificar e fornecer o CLP, o(s) micro(s), o(s) programa(s), parti- cipação dos testes de aceitação do equipamento, do sistema configurado, dar suporte de treinamento e operação. Resumindo, procura-se alguém que integre todo o sistema. SDCD e redes de comunicação O Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD) é um sistema de controle industrial microprocessado, criado com a finalidade de efetuar o controle das variáveis analógicas. Com o tempo ele foi expandindo suas aplicações até absorver praticamente todas as aplicações de controle usuais, incluindo-se aí as variáveis discretas, o controle de bateladas, controle estatístico de processo, geração de relatórios etc. Finalidade O SDCD foi desenvolvido para substituir os controladores analógicos usados no controle de processos industriais e também permitir aos operadores uma melhor visualização da operação na unidade, podendo controlá-la melhor. Na composição de um SDCD podemos distinguir três elementos básicos: a interface com o processo (integrando os controladores e unidades de aquisição de dados), a Interface-Homem-Máquina (I-H-M) e a via de dados (data highway) que interliga as primeiras. Algumas das definições mais usuais de SDCD consideram o fato de que uma máquina (dispositivo microprocessado) é responsável pela ação de controle, enquanto outra é responsável pela interface como o operador humano. Na visão funcional, considera-se que em um SDCD um processador se conecta com o processo industrial, enquanto outro processador se conecta com o operador. Por esta definição, basta que os dois processadores sejam distintos para se ter um SDCD. SENAI-RJ 97 Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo A interface com o processo Em relação ao controle, SDCD tem como tarefa fazer tudo que os controladores eletrônicos tradicionais faziam. Por sua natureza digital, permitiu uma interface com computadores, o que amplia sua capacidade para um controle avançado, otimização, aquisição de dados, controle estatístico de processo etc. Em várias instalações, alguns projetistas optam por colocar os controladores próximos à Estação de Operação, apenas por disponibilidade de espaço. Em outras, a localização dos controladores e outras interfaces com o processo pode ficar bem mais próxima do campo, enquanto a localização das Estações de Operação pode ser feita de forma bem mais racional, desprezando-se o critério tradicional de economizar no custo da fiação. Podemos citar, como marco histórico, que o primeiro SDCD do mercado foi concebido, projetado, montado, configurado e distribuído pela Honeywell e chamava-se TDC-2000 (de Total Distributed Control). Este equipamento tinha um controlador que era capaz de controlar 8 malhas, com 4 a 20 mA na entrada. Neste controlador, havia uma quantidade de cartões para termopares e outros sensores e transmissores industriais. O registro da variável era feito através da entrada do sinal em uma PIU (Process Interface Unit). A variável controlada e registrada deveria ser ligada fisicamente à entrada de dois módulos eletrônicos distintos, sendo um controlador e o outro para aquisição de dados. Configurando um SDCD Quando adquirimos um SDCD, este já é fornecido com uma série de instruções pré- programadas, com as principais funções de que um usuário pode precisar em uma aplicação específica. Estas instruções são compostas de vários algoritmos usados em controle de aquisição de dados, de montagem das telas de visão geral, tela de grupos de malhas e telas de malhas individuais, de alarme, de registro etc. No momento em que o usuário introduz no SDCD as instruções ligadas à sua aplicação específica, como, por exemplo, endereços de entradas e saídas, fatores relativos ao ganho proporcional, integral e derivativo etc., tais informações são armazenadas na estação de controle, em sua base de dados. A inexistência de ligação feita entre os dois dispositivos de controle PID torna-se uma grande vantagem do sistema, já que estes são interligados por software, através da configuração. Na etapa da configuração do sistema, o usuário deve definir dentre as muitas opções existentes (alarmes, registros, controle, telas gráficas etc.) qual delas serão usadas para cada malha. No controlador da malha, encontra-se a parte da configuração referente ao tratamento da informação para fins de controle; na estação de operação, temos a parte referente à interface com o operador. 100 SENAI-RJ Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo A maior contribuição gerada pelo padrão Fieldbus deve-se ao fato de que um instrumento, cuja finalidade inicial era transmitir o valor medido de uma variável de processo como uso dos microprocessadores, permitiu-se processar o algoritmo de controle, o que possibilita transmitir diretamente para a válvula de controle o sinal de saída do controlador. Com o uso desta tecnologia, a sala de controle passa a trabalhar apenas nas funções de interface homem-máquina, pois o transmissor transforma-se em um transmissor controlador, eliminando a necessidade de se adquirir e instalar um controlador na sala de controle, e torna a malha de controle fechada no campo. Antes uma malha de controle tinha um transmissor, um controlador e uma válvula. Hoje, com dispositivo Fieldbus, pode ser feita apenas com o transmissor e a válvula. A função de controle está inclusa no microprocessador existente no próprio transmissor, na válvula ou em qualquer outro dispositivo ligado à rede. Por tudo que foi exposto, observamos que estamos diante de um sistema de controle bem distribuído e bastante versátil e que tem se tornado uma das tendências mais modernas na área de instrumentação. O uso de fibra ótica em redes industriais No ambiente industrial temos a geração de elevados ruídos elétricos e eletromagnéticos que causam interferências indesejáveis e prejudicam a instrumentação de controle de processo. O meio mais comum para diminuir a interferência é o uso de cabos blindados; porém, em alguns casos em que esta estratégia não é suficiente, podemos empregar as fibras óticas. Os sistemas de comunicação com fibra ótica usam impulsos luminosos, em vez de sinais elétricos, para transmitir os sinais. As fibras se excitam com diodos fotoemissores, ou laser, no espectro infravermelho, produzindo um feixe de luz que transporta a informação até a outra extremidade da fibra, e a recuperação do sinal elétrico se dá através de um fotodiodo ou fototransistor. O uso de fibra ótica como meio para a propagação do sinal traz alguns benefícios, tais como: • não é afetado pelo ruído magnético, elétrico e eletromagnético; • é imune a transitórios de tensão elétrica; • não é afetado por diferenças de potencial no aterramento em diferentes pontos da planta; • tem maior velocidade de transmissão em relação aos cabos blindados ou coaxiais; e • tem largura de banda muito grande. SENAI-RJ 101 Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Quando se usa fibra ótica, os problemas mais comuns são: • as distâncias a serem consideradas no projeto dependem do material empregado em sua fabricação, bem como da qualidade e quantidade dos conectores em cada ramo; • ela pode ser considerada, ainda, como uma tecnologia cara; • são necessárias mão-de-obra e ferramentas especializadas para instalação e manutenção. Os cabos de fibra ótica geralmente são constituídos por vários condutores óticos. Cada condutor tem uma seção muito pequena (alguns mícrons) e é formado por: • um núcleo de quartzo ou material plástico sintético; e • um revestimento composto de quartzo ou plástico, de índice de refração mais baixo do que o núcleo. Profibus Profibus é um protocolo de sistema aberto com a padronização inserida em um conceito bastante abrangente e por isso empregada em uma larga escala de aplicações dentro da área de manufatura ou de processos. Esta família foi desenvolvida em 1994, para permitir a comunicação entre os sistemas de controle (controladores) e os elementos de campo através da configuração mestre x escravo. O sistema pode ser configurado como monomaster (apenas um mestre) ou multimaster (com vários mestres). Neste último, as entradas podem ser lidas por todos os mestres, e cada um aciona apenas suas respectivas saídas. A topologia utilizada é em linha, empregando o par trançado ou fibra óptica como meio físico. A transmissão dos dados é feita através de RS-485 e a taxa de transmissão está relacionada com a distância do cabo [9,6 kbit/s(r) 1.200m, 500 kbit/s(r) 400m, 12.000kbit/s(r) 100m, por exemplo]. O sistema comporta 32 estações sem o uso de repetidores e até 127 estações com a utilização de repetidores. Quando do término do meio físico da rede, a mesma necessita da colocação de um terminador de rede (resistor de terminação), responsável por garantir a imunidade a ruídos e determinar o final da rede. O padrão Profibus subdivide-se em três famílias: • Profibus-DP (Decentralized Periphery) - periféricos descentralizados; • Profibus-FMS (Fildbus Message Specification) - especificação de mensagens em barramentos de campo; e • Profibus PA (Process Automation) - processos de automação. 102 SENAI-RJ Controle Automático de Processo - Controle Automático de Processo Profibus-DP Sua aplicação está voltada quase que exclusivamente para a área de fabricação. Tem como principal característica a possibilidade de poder operar em altas velocidades na transferência de dados. Apresenta grande aplicação ao chão de fabricação, visto que promove a conexão com dispositivos de campo (periféricos) de forma distribuída. Permite interface de conexão RS485 e fibra ótica. Seu barramento é projetado de tal forma a poder suportar até 32 estações sem uso de repetidores de linha. Profibus-FMS Suas características são semelhantes à família DP e é destinado à automação em dispositivos gerais. Possui grande flexibilidade, sendo utilizado em tarefas de comunicação complexas e extensas. Profibus-PA Nesta família é permitido que sensores e atuadores sejam conectados em um par de fios comuns, mantendo a segurança intrínseca dos elementos requerida pelo processo. Foi desen- volvida de acordo com a norma IEC 1158-2 e é utilizada na automação e no controle de processos contínuos, principalmente no setor químico e petroquímico. A transmissão é baseada nos seguintes princípios: • cada segmento possui apenas uma fonte de alimentação; • quando a estação está mandando dados, não existe energia no barramento; • todo equipamento possui um consumo constante de corrente; • são permitidas as topologias em linha, estrela ou árvore; • para aumentar a confiabilidade, segmentos de rede redundantes podem ser disponibi- lizados.