Controle Automático de Processos
Processos de um modo geral é a combinação de materiais, equipamentos e instrumentos, que produzem ou modificam um determinado produto com determinados objetivos. O processo pode ser simples como, ligar ou desligar uma lâmpada, ou muito complexo como u ma moderna indústria.
A função principal de um processo, é, o controle de energia. Pela lei da conservação da energia, toda energia, pode ser perdida ou aproveitada. Essa energia aproveitada é condicionada para a obtenção do produto desejado.
No controle de processos industriais, condiciona-se geralmente, as características desejadas do produto, em termos de variáveis que indiretamente nos dão uma medida destas características. Como exemplo: temperatura, nível, pressão, densidade, pH, etc.
O controle automático
deve atuar, em situação dinâmica ( normal ), sobre alterações pré-determinadas
e não previstas da variável.
O controle automático (C.A), pode ser abordado de duas maneiras. A primeira
puramente matemática, que foge de nosso objetivo, e a segunda maneira menos
sofisticada e mais usada na indústria.
FUNÇÕES
O controle automático tem como função manipular a relação entrada-saída de
energia mantendo as variáveis de processo em limites desejáveis.
O controlador, é um mecanismo que mede o valor da variável, e opera de maneira a limitar o desvio em relação ao valor desejado. Esta variável controlada é mantida em certos valores pela atuação do controlador, na variável manipulada.
FUNDAMENTOS
O controle automático nem sempre reproduz o que o operador faz.
Um equipamento automatizado, dá uma atenção contínua e constante para as funções
de controle.
Os controladores automáticos, computam e recordam, mas não racionam nem ultrapassam os dados para quais foram construídos, quando surgem novas situações.
Um processo pode ter, uma troca de energia(trocador de calor), energia e material, ou só material.
No trocador, a energia de saída é igual a energia de entrada, menos as perdas. Essa energia de saída depende : vazão de água, da temperatura dessa água e das perdas de calor pelas paredes do trocador.
A energia de entrada está diretamente ligada com a vazão de vapor, qualidade e pressão do vapor e de sua temperatura.
É uma característica que auxilia a limitação do desvio da variável controlada.
Por exemplo, ocorre um
aumento de vazão de vapor, depois de algum tempo, a temperatura da água atinge
um novo e maior valor, não aumenta infinitamente. O aumento da temperatura
da água é progressivo, até que alcance um novo valor, onde as energias , de
entrada e de saída sejam iguais.
Existe a auto regulação positiva, neutra e a negativa e, a facilidade para
o controle é maior com a positiva, depois a neutra, e por fim a negativa.
Os processos tem a característica de retardar as variações dos valores de suas variáveis.
Estas
características dificultam enormemente o controle.
São os parâmetros fixos do processo, capacidade, capacitância, resistência,
tempo morto.
Cada processo apresenta
características que determinam sua controlabilidade. As características são
apresentadas em forma de reação do processo, para mudança de carga em processo
sem controle.
Esquema capacitivo do trocador de calor
PROCESSO MONO-CAPACITIVO
Considerando-se no trocador de calor, o valor da capacitância C2 bem maior
que C1, C1 pode ser desprezado ficando apenas um par R1C2.
MONO CAPACITIVO
a) para variação em degrau p/ carga de alimentação
No tempo (0) inicia-se exatamente a variação de temperatura.
Como existem diferentes capacidades e diferentes capacitancias, foi exemplificado
o atraso na resposta de temperatura, que alcançam o novo valor de temperatura
em tempos diferentes.
PROCESSOS BI-CAPACITIVOS
No trocador de calor, considerando-se que CI (capacitância da serpentina de
vapor), agora é suficiente grande para ser considerada significante quando
compara com C2 (capacitância da água), o processo torna-se bi-capacitivo.
A resistência R1 entre
C1 e C2 é a resistência á transferência de calor, oferecida pelas paredes
da serpentina e por película isolante de água situada nas suas faces, interna
e externa.
Na figura acima temos a curva de processo bi-capacitivo, não controlado, quando
é provocado uma variação repentina da carga de alimentação.
A temperatura em vez
de aumentar imediatamente, começa vagarosamente a seguir mais rápido e, então
lentamente outra vez reequilibrando-se gradualmente, com a forma de um "S".
PROCESSO MULTI-CAPACITIVO
Embora muitos processos tenham mais de um par RC de tamanho aproximado, o
comportamento destes processos multi-capacitivos é similar a dos bi-capacitivos
mostrado, sendo assim as curvas do gráfico anterior, podem ser consideradas
típicas de processos com dois ou mais pares RC com tamanhos iguais.
PROBLEMAS
DE CONTROLE
O estudo do processo do trocador de calor controlado manualmente, mostra o
problema básico do controle.
1- Controle em cadeia fechada
A correção de um distúrbio não pode ser feita antes de seu conhecimento. Mas
para que isso aconteça, leva algum tempo devido aos atrasos de tempo que o
retardam. Algum tempo mais para medir e corrigir e mais tempo para se sentir
os efeitos da correção .
Resumindo: o problema básico do controle, é compensar os efeitos dos atrasos
de tempo que ocorrem ao longo da cadeia fechada de controle.
2- Excesso de correção
Se a válvula fosse aberta completamente, a alimentação de vapor aumentaria
excessivamente, e a energia de entrada, seria bem maior que a energia de saída,
a temperatura teria voltado ao seu valor inicial mais rapidamente.
A função desejável do controlador é aplicar correções excessivas, tão grande quanto o processo permita e reduzi-las ao seu valor exato no tempo correto.
Estes excessos de correções,
permitem ao controlador recuperar parcialmente as perdas de tempo dos atrasos
do processo, em outras palavras, o excesso de correção fornece uma solução
parcial ao problema básico de controle. Este excesso de correção não podem
ser aplicados a processos onde os pares RC sejam muito pequenos.
AÇÕES
DE CONTROLE
Ação de Duas Posições
É o controle ON-OFF.
O elemento final de controle(EFC) é movido a uma grande velocidade entre dois
pontos pré fixados por um único valor da variável controlada. A correção desta
ação não é exata.
Ação de Duas Posições com Zona Diferencial
É uma variante do controle anterior. O EFC só sai de uma posição extrema depois
de cruzar uma faixa.
Ação Multi-Posições
O EFC é movimentado para uma das três posições pré-fixadas, correspondendo
cada uma a uma faixa de valores definidos da variável controlada.
Ação Posição Média
Agora, existe uma relação predeterminada entre o valor da variável controlada
e o tempo médio de posição do elemento final de controle de um controlador
de duas posições.
Ação Flutuante
Ação flutuante a uma velocidade, é o ON-OFF com velocidade pequena.
AF a uma velocidade com
zona diferencial, é o mesmo da segunda ação só que neste ultimo caso o EFC
é uma válvula com o motor reversível de baixa velocidade.
Ação Flutuante e Velocidade Proporcional ou Integral Pura
A posição do EFC é movida a uma velocidade proporcional ao desvio. Em outras
palavras, quanto maior for o desvio, maior a velocidade da válvula. Enquanto
continuar o desvio, continua a correção na posição da válvula.
Ação Proporcional
Nesta ação existe uma relação linear, contínua, entre o valor da variável
e a posição do EFC, dentro da faixa proporcional, ou seja, o movimento da
válvula é o mesmo para qualquer unidade de desvio.
Ação Proporcional + Integral
Já foi visto que a ação proporcional elimina o desvio, corrigindo a posição
da válvula. Adicionando-se a isso à ação integral, a característica indesejável
do OFF-SET será eliminada.
A ação proporcional ocorre instantaneamente ao desvio, mas devido a ação integral
a válvula continua a se movimentar com velocidade constante.
Ação Proporcional + Derivativa
O controle com essa ação tem uma relação contínua e linear entre a amplitude
de correção e a velocidade de desvio da variável (AC ~ Vd). Quanto maior a
velocidade de erro maior a amplitude de correção.
É um sistema de correção contínua por constituir-se de retroalimentação; onde o controle parte da variável controlada para a variável manipulada.
Este tipo de malha é aplicada em processos onde se permita o erro; pois a ação de controle nessa malha só é feita quando existe o erro. Um exemplo claro de malha fechada é o sistema Feed Back.
A correção não influencia na medição. Neste tipo de malha o valor da variável controlada não retroage.
Nestes sistemas o controle parte da variável secundária para a variável manipulada.
As aplicações são para processos cujo o erro é prejudicial, portanto a ação de controle visa eliminar o erro. Esta é sistema que não só controla como também estabelece uma proteção contra distúrbios.
O split-rang é um sistema onde nos permite controlar duas válvulas usando apenas um controlador.
Para isso faz-se necessário
dividir o sinal de controle que vai para cada uma, permitindo assim que elas
não hajam simultaneamente, ou seja, quando um a válvula estiver aberta a outra
estará fechada.
Podemos utilizar o split-rang por exemplo, num controle de um vaso pressurizado
contendo álcool.
O álcool precisa manter-se
a uma pressão, pois baixa pressão poderia transformá-lo em vapor, enquanto
que alta pressão iria forçar a bomba. Para pressurizar o álcool usamos o nitrogênio,
por ser um gás inerte.
É um método mais exato de usar a análise da caldeira fachada auto exercida.
Este método permite o
cálculo de três ajustes a partir dos dados em um teste simples das características
de caldeira de controle.
Controle da combustão da caldeira em função do vapor (variável principal).
Quando deseja-se aumentar
a queima, deve-se primeiro atuar no ar de combustão e depois no combustível
por questão de economia, segurança e eficiência da caldeira.
A malha de limite cruzado:
Funcionamento:
Considerando que houve uma redução na pressão de vapor, teremos um maior sinal
do PC, que irá para os dois relés de seleção, porém só modificando a saída
do relé de alta, aumentará o set-point do FRC de ação direta diminuindo o
erro, assim sendo a sua saída diminuirá abrindo a válvula de ar. A vazão de
ar aumentando seu sinal será transmitido ao FRC onde haverá a nova comparação
com o novo valor de set-point e a atuação sobre a válvula até atingir o equilíbrio
e também o relé de seleção de baixa, que tendo a sua menor entrada aumentada
terá sua saída também com aumento, que permitirá uma redução do erro do FRC
de ação inversa, aumentando sua saída e, consequentemente, abrindo a válvula
de combustível até atingir o equilíbrio. Este equilíbrio será atingido quando
o PIC indicar o valor desejada.
OBS: Com o aumento de
combustível e ar de combustão, teremos um conseqüente aumento de pressão de
saída da caldeira.
Um exemplo de controle de relação é o de um sistema de vazão do fluxo: Quando se quer manter uma relação entre dois fluxos quaisquer. Podendo ser através de um controlador de vazão de fluxo que muda a vazão entre a variável e set-point ou através de u m relé de vazão.
Um controle onde encontramos o sistema de relação é na torre de absorção. O ácido clorídrico (HCL) é misturado com água para fins comerciais, pois o seu armazenamento puro seria muito oneroso.
Atomiza-se
a água para permitir uma melhor mistura com o HCL. Podemos manter a concentração
de HCL na saída com o controle de alimentação de água de acordo com a sua
entrada. Como a vazão da água pode aumentar ou diminuir independentemente
da abertura da válvula, faz-se necessário que o valor de vazão seja enviado
n o controlador interferindo no sinal de controle toda vez que a vazão de
água varie.
Numa caldeira entre muitos controles feitos é preciso controlar o nível de
água, para que a produção de vapor não seja comprometida. Existem três tipos
de controle aplicado ao nível da caldeira: a um elemento, a dois elementos
e a três elementos.
CONTROLE DE NÍVEL DE ÁGUA DA CALDEIRA A UM ELEMENTO
CONTROLE DE NÍVEL DE ÁGUA DA CALDEIRA A DOIS ELEMENTOS
CONTROLE DE NÍVEL DE ÁGUA DA CALDEIRA Á TRÊS ELEMENTOS
São sistemas baseados
em microcomputadores ou computadores pessoais (Pcs), chamados de "sistemas
supervisórios". Têm sido utilizados freqüentemente em processos industriais
de pequeno porte para executar funções ligadas a controle, proporcionando
inte rface com operadores, aquisição de dados para relatório/análise e de
modo geral, funções supervisórias de controle.
A chave para esse sucesso está no baixo custo de hardware, em conjunto com
a facilidade da operação orientadas por menus, na grande variedade de pacotes
de software para configurações disponíveis no mercado. Os supervisórios possuem
interfaces de comu nicação modulares com os demais equipamentos que o compõem.
Os tradicionais SDCDs dão o necessário suporte à execução de diversas modalidades de controle e possuem um alto grau de confiabilidade e disponibilidade. Possuem distribuição de seus componentes em rede de comunicação de alta velocidade de transmissão de dados, tendo as funções de redundância padronizadas, garantindo a integridade do sistema na possibilidade de falha.
O controle básico nos SDCDs de pequeno porte, seguindo a arquitetura dos sistemas distribuídos, é realizado em unidades modulares de controle, que são conectadas ao processo por meio de cartões de E/S e condicionadores de sinais, que são ligados aos d ispositivos de campo por meio de fiação. A informação coletada é então transferida via barramento de comunicação de alta velocidade e apresentada ao operador através de vídeos em estações de operação. O operador interage com o processo via teclados dedica dos das próprias estações.
O controle regulatório
é realizado, via de regra, usando blocos funcionais de instrumentos (algorítimos),
que são conectados entre si por meio de ligação por software. Os blocos para
execução de cálculos de variáveis de controle, compensação de tempo morto,
atrasos e expressões computacionais gerais para cálculo dinâmico de variáveis
e parâmetros asseguram a capacidade e a flexibilidade necessárias para a implantação
de técnicas avançadas de controle, visando o aprimoramento da sintonia das
malhas de controle.
Os sequenciamentos, intertravamentos e operações de partida e parada são executadas
tipicamente por meio de estruturas do tipo if...then...tabeladas, que são
facilmente implementadas, e ainda possuem uma interface bastante livre com
as funções de cont role regulatório.
Controlador lógico programável é definido como o sistema eletrônico operando digitalmente, projetado para uso em um ambiente industrial, que usa uma memória programável para a armazenagem interna de instruções orientadas para o usuário para implementa r funções específicas, tais como lógica, seqüencial, temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de entradas e saídas digitais ou analógicas, vários tipos de máquinas ou processos. O controlador programável e seus periféricos associados s ão projetados para serem facilmente integráveis em um sistema de controle industrial e facilmente usados em todas suas funções previstas.
A necessidade de controladores versáteis, de baixo custo e facilmente operados resultou no desenvolvimento de sistemas de controle programáveis - unidades padrão baseadas em equipamentos com CPU e memória para o controle de máquinas e de processos. Or iginariamente projetado como uma substituição de lógica de relés e temporizados, os PLCs oferecem facilidade e flexibilidade de controle baseadas na programação e execução de instruções lógicas. Os PLCs tem funções internas como temporizadores, contadores e registros, fornecendo um controle complexo e sofisticado.
Um PLC opera através
do exame dos sinais de entrada do processo e da execução das instruções lógicas
(que foram programadas na sua memória), destes sinais de entrada, produzindo
sinais de saída para acionar equipamentos de processo ou máquinas. As int
erfaces padrão embutidas nos PLCs permitem que eles sejam ligados diretamente
a sensores e atuadores de processo, sem a necessidade de circuitos intermediários
ou relés.
Um sistema de controle com PLC pode ser modificado sem a necessidade de desligar
ou refazer a fiação. Apenas se muda o programa de controle através de um teclado
ou terminal de programação.
O PLC também requer menor
tempo de instalação e de comissionamento do que os sistemas com fiação física.
O Fieldbus é uma rede de transmissão de dados para comunicação com equipamentos de instrumentação e controle de plantas industriais, tais como transmissores, atuadores, e controladores, podendo, inclusive, ser utilizado em aplicações que requeiram esp ecificações quanto aos requisitos de segurança intrínseca. Esta rede é do tipo digital, serial, half-duplex e multidrop. Ela é digital porque as informações são transmitidas e recebidas bit a bit; half-duplex, porque a comunicação é bidirecional, porém, em uma única direção a cada instante e multidrop, porque é permitida a comunicação entre vários equipamentos conectados à rede.
O elemento de comunicação
que realiza a conexão de um equipamento ao meio físico se denomina
Medium Attachment Unit- (MAU) e esta conexão pode ser feita diretamente ao
meio físico ou através de componentes passivos
Os equipamentos conectados à rede Fieldbus podem ser ou não do tipo bus powered,
isto é, equipamentos que podem ou não extrair sua alimentação da própria rede
de comunicação.
Ao falar sobre Fieldbus é preciso definir alguns elementos dessa rede:
TRUNK: Via de comunicação principal agindo como uma fonte principal de alimentação.
JUNCTION BOX: Interface física entre trunk e spur.
SPUR: Uma ligação conectada a um ponto de uma linha maior.
BUS TERMINATOR: Um elemento conectado à linha para prever reflexão de sinal.
Um canal de Fieldbus pode ser composto de três elementos: linha tronco, ramais,
e junções. A determinação do comprimento total da linha Fieldbus é feita através
da somatória dos comprimentos de todos esses elementos.
A linha tronco é a linha principal do Fieldbus implementada com cabos com atenuação.
Os ramais são derivações realizadas através de cabos com mesma especificações da linha tronco, utilizados para conexão de equipamentos.
As junções são as demais partes componentes de uma linha Fieldbus nas quais o requisito de impedância característica não é atendido.
Quanto aos efeitos do
ruído eletromagnético, dependendo do nível de interferência eletromagnética
presente na planta industrial, a linha Fieldbus pode ser ou não blindada.
Geralmente uma linha não blindada é recomendada para pequenas distâncias,
mesmo que os níveis de interferências eletromagnéticas sejam desprezíveis.
Sintonizar controladores
é um método de ajustar seus parâmetros, para colocá-los em valores que sejam
de acordo com as características fixas do processo.
Os métodos mais usados são três:
1- Método de tentativa sistemática
2- Método de sensibilidade crítica
3- Método da curva de reação
Ajuste pelo Método da Tentativa Sistemática
Esta ajuste é feito no controlador instalado na malha de controle, e está
operando de maneira normal.
O procedimento é começar
com os ajustes grosseiramente regulados e ajustá-los aos poucos de maneira
a obter estabilidade desejada. Deverão ser pr ovocados distúrbios uniformes
e repetitivos no processo, dando-se pequenas mudanças no set-point.
As mudanças de carga devem ser para baixo e para cima do set-point normal,
de maneira suficiente para provocar um distúrbio considerável porém não de
maneira excessiva. Deverá ser deixado um tempo suficiente depois de cada mudança
de maneira a observa r o efeito completo do último ajuste.
Pelo Método da Sensibilidade Limite
É um meio mais exato de usar a análise da caldeira fechada auto exercida.
Com os ajustes I e D
nos seus valores mínimos, a banda proporcional é diminuída, e duas diminuições
ocorre uma mudança de set point, sendo feito este procedimento até que o processo
comece a ciclagem contínua. Faz-se anotações de alguns dados:
- Banda proporcional limite ( a que causou a oscilação ) ( Pbu)
- Período de ciclagem.
Os ajustes do controlador são calculados como segue:
a) Controlador proporcional
Banda proporcional (%) = 2 Pbu
O procedimento para se ajustar o controlador a partir do método da curva de reação consiste em abrir a cadeia de controle logo antes do elemento final de controle e criar uma mudança pequena e repentina na entrada do processo. Nos referimos a processo com temperatura sendo a variável principal.
Mantendo-se o processo
em equilíbrio no set-point. Faz-se uma rápida e pequena mudança de carga,
atuando-se na válvula. A curva do processo resultante é anotada em um registrador
de preferência.
A controlabilidade da cadeia pode ser analisada com uma precisão razoável
a partir de duas características da curva de reação: 1) Velocidade de Reação
(R). 2) Atraso de Tempo (L).
Para se obter o valor de R, traça-se uma tangente ao ponto de inflexão sendo:
R = % de mudança na variável / tempo (min).
EXEMPLO:
No processo anterior. No tempo zero (0), aumenta-se 2psi no atuador da válvula.
O DP, que é avaliação percentual da posição da válvula será 2psi em 12psi (3- 15psi) ou 16,6% do curso total. O atraso de tempo é 2min. A velocidade de reação R é a inclinação da tangente . A temperatura subiu 8°F, ou seja, 8% na escala de 100°F ( 100 °F a 200°F ) em 1,3 min.
Assim:
R = 8% / 1,3 min = 6,15
% / min. BP = 110x 6,15x 2 / 16,6 = 82% Reset = 0,3/2 = 0,15 RPM.
Estes ajustes são para o controlador P + I
Atualizado em 27-nov-00.
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