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1. n PV Datain Erron Derivativa O 5 000 128 0 0 1 5 010 128 0 0 2 5 020 128 0 0 3 5 030 128 0 0 4 5 040 129 1 3 5 5 050 129 1 3 6 5 060 129 1 0 7 5070 129 1 0 8 5 080 130 2 3 9 5 090 130 2 3 10 5 100 130 2 0 6 Sistema Expert Os sistemas experts se integram ao sistema de controle da planta para auxiliar o operador na detec o e solu o dos casos em que o processo sai fora de controle Os sistemas experts se tornaram poss veis gra as ao microprocessador O sistema expert detecta e diagnostica os problemas potenciais que possam aparecer no controle de processos de uma planta industrial A elabora o do pacote expert trabalhosa E necess rio adquirir o conhecimento do processo que possuem os operadores da planta e os engenheiros projetistas para incorpora lo ao sistema expert Este conhecimento se baseia fundamentalmente nos sinais de alarme que o operador humano capta antes de apresentar as situa es anormais no processo situa es que d o lugar a toda classe de fen menos prejudicais tais como parada da planta destrui o de produto explos es desprendimento de produtos t xicos Para a elabora o das bases do conhecimento se faz um uso amplo das telas e menus que permitem ao usu rio sem ter experi ncia nos sistemas experts e com a ajuda do programa construir os modelos do processo entrar os par metros do sistema especificar as vari veis criticas e outros dados do conhecimento O siste
2. Tipo do Sistema Entrada 0 1 2 Posi o A A 0 0 1 K Velocidade B infinito B 0 K Acelera o C infinito infinito c K K ganho do processo B velocidade Ay At C acelera o AB At A y At Tab 7 3 Tipos e caracter sticas de processo Tipo Nome Caracter stica 0 Regulante Entrada x constante resulta em sa da controlada constante 1 Integrante Entrada x constante resulta em varia o constante para a sa da 2 Runaway Entrada x constante resulta em acelera o constante para a sa da 6 2 Tipos de Controladores Controlador P O controlador proporcional simplesmente ajusta o ganho do sistema K Se o processo tem um ganho Kp e o controlador tem ganho Kg o ganho do sistema vale K Ko Kp Se o sistema inst vel para o ganho Kp deve se diminuir o ganho do controlador K para diminuir o ganho do sistema K Se a instabilidade n o o problema pode se usar o controlador proporcional e aumentar o seu ganho para se ter um pequeno erro permanente O controlador P estabiliza o processo por m s se tem a vari vel controlada igual ao ponto de ajuste para um nico ponto em todos os outros pontos o processo se estabiliza fora do ponto de ajuste ocorrendo um desvio permanente Como ele n o possui a o integral n o h perigo de satura o da sa da do controlador A sua resposta relativamente r pida Controlador PI O controlador PI tamb m chamado de compensador de a
3. chamado de programa assembler e o processo chamado de programa o em linguagem assembler A diferen a b sica entre o assembler e o compilador est na rela o das instru es da linguagem de maquina c digo bin rio geradas para cada uma das instru es da linguagem assembler ou compilada Para um compilador uma instru o em linguagem de compilador normalmente requer muitas instru es em linguagem de maquina Em linguagem assembly simb lica h uma correspond ncia uma para uma entre o n mero de instru es simb licas e de maquina Normalmente o programador do computador de controle de processo ir escrever o programa em linguagem de maquina simb lica Quando o programa escrito e testado no sistema inevitavelmente acontecer que algo n o funciona H duas possibilidades ou o programa n o est escrito corretamente ou h defeito no equipamento Desde que o programador sabe pouco acerca do funcionamento interno do equipamento do computador normalmente deixado para o t cnico trabalhar com o programador para procura e isolar o problema o que constitui uma boa raz o para o t cnico aprender programa o a ApostilasiAutoma o Substitui 17 JAN 94 ComputControle doc 03 NOV 97 11 22 Ap ndice A Enfoque Matem tico 1 Equa es do Processo O processo e o controle devem ser considerados como uma unidade na an lise do problema de controle Equa es simpl
4. 3 Construir uma tabela de s mbolos de diagrama ladder com uma explica o da fun o de cada s mbolo 4 Desenvolver um diagrama ladder da descri o narrativa de uma sequ ncia de eventos de um sistema de controle com estado discreto 5 Descrever a natureza de um controlador l gico program vel e como ele usado em controle de processo de estado discreto 6 Desenvolver um programa para um CLP de um diagrama ladder de uma aplica o de controle de processo de estado discreto 1 Introdu o A maioria das instala es de controle de processo industrial envolve mais do que simplesmente regular uma vari vel controlada A exig ncia da regula o significa que alguma vari vel tende a variar de modo cont nuo por causa de influ ncias externas Mas h muitos processos na ind stria em que n o uma vari vel que deve ser controlada mas uma sequ ncia de eventos Esta sequ ncia de eventos tipicamente leva produ o de algum produto de um conjunto de mat rias primas Por exemplo o processo para fazer torradeiras entra com v rios metais e pl sticos e sai com as torradeiras O termo estado discreto expressa que cada evento na sequ ncia pode ser descrito pela especifica o da condi o de todas unidades de opera o do processo Tais descri es das condi es s o apresentadas com express es tais como v lvula A est aberta v lvula B est fechada esteira C est ligada chave limite S es
5. A din mica dos processos qu micos consiste tipicamente de um grande n mero de constantes de tempo em s rie que resultam em um tempo morto equivalente Se a resposta da malha aberta do processo a uma varia o tipo degrau o tempo de in cio para o de fim da varia o menor que 10 do tempo morto e se registra a varia o de carga L ou a sa da do controlador C ent o pode se usar uma t cnica gr fica para determinar o tempo morto e a constante de tempo do processo Tra a se uma tangente ao primeiro ponto de inflex o e estende at cortar o eixo do tempo O tempo entre o in cio do dist rbio e a interse o da tangente com o eixo do tempo o tempo morto efetivo O tempo entre a interse o da tangente com o tempo e a interse o da tangente com o valor final da resposta a constante de tempo efetiva A Figura mostra a resposta em malha aberta dos tr s tipos principais de processo auto regulante integrante e com realimenta o positiva O processo integrante possui uma resposta em forma de S com a curva tendendo exponencialmente decrescente para um valor limite de regime O processo integrante n o tende para valor de regime mas sobe indefinidamente segundo uma rampa at um valor limite f sico A inclina o da rampa o ganho integrador A tangente n o facilmente constru da por que o ponto de inflex o n o pode ser facilmente identificado Como n o h valor final a constante de tempo o
6. O controlador com a a o proporcional isolada aplicado nos processos com pequena varia o da carga e em processos onde pode haver pequenos desvio da medi o em rela o ao ponto de ajuste O controlador proporcional aplicado no controle do processo onde a estabilidade mais importante que a igualdade da medi o com o ponto de ajuste O n vel a vari vel que tipicamente controlada apenas com a a o proporcional 1 I I Ee OON I I I l Set point I l Banda proporcional 1 A muito larga aparecimento do dist rbio D mito antenita Time tempo Fig 7 10 Caracter stica de um controlador P Na Fig 10 a curva A resultante de uma banda proporcional muito larga com grande desvio permanente O desvio pode ser diminu do pelo estreitamento da banda proporcional Instabilidade acontece quando a banda proporcional for muito estreita como na curva B Tem se o controle timo como mostrado na curva C quando se ajusta a banda um ponto mais larga que a banda que provoca oscila o Se os par metros do processo variam com o tempo ou se as condi es de opera o mudam necess rio fazer nova sintonia do controlador ou usar uma banda proporcional mais larga para evitar a instabilidade nanta de aiuste medic o Fig 7 11 Circuito de detec o do erro entre medi o e ponto de ajuste com amp op 1 8 Sintonia do Controlador
7. Qualquer processo pode ser descrito em termos das rela es entre as suas sa das e suas entradas As sa das do processo s o as vari veis dependentes e geralmente s o as vari veis a ser controladas As vari veis de entrada s o as independentes Embora todas as vari veis de entrada afetem as de sa da elas podem sob o ponto de vista de controle ser divididas em tr s grupos 1 vari veis de entrada que podem ser detectada e medidas 2 vari veis de entrada desconhecidas e n o poss veis de ser medidas praticamente 3 vari veis de entrada manipuladas para a obten o do controle As vari veis de entrada que chegam ao processo em pontos diferentes afetam de modo diferente as vari veis controladas A aplica o do sistema de controle preditivo antecipat rio requer o conhecimento pr vio e completo do processo a ser controlado Antes de se aplicar o controle preditivo antecipat rio deve ser poss vel desenvolver as equa es termodin micas geralmente de balan o de materiais e de balan o de energia que modelam o processo E principalmente deve se conhecer a integra o entre ambos balan os Ali s o desenvolvimento do controle antecipat rio foi atrasado por causa da falta de tais conhecimentos Assim que as equa es s o escritas e resolvidas para a vari vel controlada devem ser especificados os equipamentos de controle comercialmente dispon veis que as manipulem A falta desses equipa
8. a sua sensibilidade Na instrumenta o para um mesmo erro na entrada um controlador de alto ganho produz uma sa da maior que um controlador de ganho pequeno O ganho pode ser expresso por um n mero adimensional ou por um n mero com dimens es Por exemplo o ganho de pot ncia de um amplificador eletr nico igual a 1000 significa que a pot ncia de sa da do amplificador cerca de 1000 vezes maior que a entrada Em eletr nica para facilitar as opera es e diminuir o tamanho dos n meros o ganho expresso em decibel Por defini o o ganho em decibel db relaciona logaritmos decimais pot ncia de sa da Ganho db 10log pot ncia de entrada O amplificador eletr nico com ganho adimensional de pot ncia igual a 1000 possui o ganho igual a 30 db A vantagem do uso da unidade decibel a substitui o da multiplica o pela soma Em instrumenta o aplicando se a defini o de ganho a um transmissor eletr nico sa da de 4 a 20 mA cc de temperatura calibrado na faixa de O a 120 C tem se ganho do transmissor Seo mA 0a120 C Neste caso a entrada do transmissor temperatura e a sa da o sinal padr o de corrente Tem se a dimens o de mA C Em outro exemplo o ganho da v lvula de controle cuja entrada uma vaz o de 0 a 10 m h e sa da a abertura de 0 a 100 vale ganho da v lvula a 0a10m h Agora a dimens o do ganho h m O ganho para uma determin
9. o entre os fabricantes levou os a projetar computadores em torno de sistemas t picos de controle Os resultados finais refletem a diferen a nas opini es t cnicas de como o computador ideal de controle de processo deveria ser projeto como deveria ser sua arquitetura De modo a determinar qual a arquitetura de um computador para controle de processo deveria ter deve se investigar as fontes e os tipos de informa o necess rios para o computador de modo a controlar o processo depois se determina o processamento requerido para esta informa o e finalmente se estabelece a informa o exigida pelo processo Assim aplicando o enfoque onde as necessidades do processo s o definidas primeiro ser poss vel realmente chegar s especifica es funcionais para o computador digital de controle do processo Fig 9 7 Arm rio com m dulos de entrada sa da 11 11 Computador como Controlador 2 2 Informa o requerida pelo computador A informa o real requerida por qualquer controlador de processo se digital ou anal gica depende do processo em si Por m poss vel categorizar a maioria destas informa es eletr nicas pelo tipo do sinal el trico que o controlador deve manipular A vari vel b sica de processo sendo usada como fonte de informa o de entrada poderia ser a umidade pH press o for a velocidade movimento vaz o ou posi o Ser admitido que estas vari veis est o sendo m
10. o da Satura o do Integral 12 SE Conirole de mamas redundantes 5 A o Derivativa 13 7 Controles chaveados 11 5 1 Conceito 13 8 Controle Auto Seletor 12 5 2 Rela o Matem tica 14 8 1 Conceito 12 5 3 Caracter sticas 14 8 2 Exemplos 13 5 4 Aplica es 16 8 3 Caracter sticas 14 6 Escolha da A o de Controle 16 E PRO para nag aatifa o n 6 1 Tipos de Sistemas 16 Bra Aplicagoes a 6 2 Tipos de Controladores 18 9 Controle Feedforward 16 7 Controle das Vari veis 19 a opaca to 7 1 Press o 19 9 2 Fun es B sicas 16 7 2 Vaz o 20 9 3 Partes Fonda mEMA 16 7 3 N vel 20 9 4 peido 17 7 4 Temperatura 21 Jai Limita oes X 9 6 Compara o com o Feedback 18 8 Sintonia do controlador 22 9 7 Desenvolvimento do Controlador 20 8 1 Crit rios de Desempenho 23 9 8 Aplica es 22 8 2 Modos do Controlador 26 9 9 Conclus o 29 8 3 Componentes da Malha 28 8 4 Mec nica da Sintonia 29 8 5 Crit rios de Sintonia 30 8 6 Ajustes T picos 33 Controle de Processo 10 Controle de Rela o Ratio 10 1 Conceitos 10 2 Caracter sticas 10 3 Aplica es 11 Projeto do Controle 11 1 Crit rios Gerais 11 2 Controle Global da Planta 11 3 Otimiza o de controle 9 Controle L gico Objetivos 1 Introdu o 2 Processo com estado discreto 3 Caracter sticas do sistema 3 1 Vari veis de estado discreto 3 2 Especifica es do processo 3 3 Descri o da sequ ncia 4 Diagrama Ladde
11. oq 11 B 8 y 3 Solu o A equa o do sistema d2x dx e Um H RB T H m dt Rayf x xo dt Xq Z Xqo 4 27 onde H RqgC 5 min Substituindo os valores num ricos das constantes dx dx ga teart OX 08 x xo dt 04 Diferenciando esta equa o para eliminar a integral 2 E sas x 18 03 X x5 0 t t 4 29 As condi es iniciais em t 0 X X 0 4 29a dx o MM dt RC ao 0 1 0 5x10 Xq Xgo 4 29b A condi o final Rat x Xo Jdt Xg Xgo 05 0 5x3 0 33 4 290 Este tempo a solu o permanente zero se o dado escolhido foi tal que xo O A solu o transit ria que a solu o completa neste caso pode ser obtida pela substitui o de x xo ePt que leva a p3 2p2 1 3p 0 3 0 cujas ra zes s o p1 1 p2 3 0 5 0 224 i A solu o completa tem a forma seguinte x Xo B4e e t B cosbt B senbt 4 30 onde a 1 ap 0 5 b 0 224 Substituindo a primeira condi o inicial eq 4 29a na eq 4 30 tem se 0 B B 4 31 Diferenciando a eq 4 30 e usando a segunda condi o inicial eq 4 29b 1 Ba a B Bab 10 144 tdoDo 3 A 24 Enfoque Matem tico 0 1 B 0 5B 0 224B5 4 32 Integrando a eq 4 30 tem se ftx xo dt By e tat B e 2 cosbtdt Bs e senbtat que fazendo a integra o e usando a terceira condi o inicial eg 4 29c leva a 1 B X
12. transfer ncia e sem a necessidade de um balan o pr vio entre a sa da manual e a autom tica 1 5 Especifica es F sicas Montagem estante da s rie 102 Cada controlador ocupa uma posi o de estante O ngulo de montagem pode variar entre O e 75 A liga o estante feita por conectores pneum ticos e quando necess rios tamb m por conectores el tricos A escala vertical mede 100 mm possui marca o preta sobre pl stico branco transparente A escala horizontal graduada de 0 a 100 possui 20 divis es A plaqueta gravada de pl stico transl cido e pode receber 2 linhas de grava o com o m ximo de 17 caracteres e espa os por linha Cada letra mede 2 5 mm de altura O instrumento constru do de alum nio extrudado refor ado com tampas e a o inoxid vel O acabamento das superf cies em tinta acr lica EnamelQ cinza Dimens es aproximadas 205 mm de altura 70 mm de largura 555 mm de profundidade Massa aproximada de 5 kg 1 6 Caracter sticas Opcionais e Especiais Registro lateral com gr fico de 5 Conex o externa para o circuito de controle integral para evitar sua satura o L mpadas de alarme e atuadores Modifica o para controle tipo batelada S aplic vel aos controladores que incluem a a o integral suscet vel de satura o PI e PID Indicador de sa da em vez da esta o manual de controle modelo 131 Controlador autom tico sem esta o m
13. 100 Tamb m apresentam escala vertical ocupam uma posi o de estante S o a s rie 135 Ainda sobre as possibilidades existentes para se aumentar a garantia do controle autom tico proporcionando redund ncia de controle poss vel se ter um sistema constitu do de dois controladores para atuar em uma nica malha de controle Um dos controladores considerado a esta o manual do outro embora ambos proporcionem controle autom tico E o chamado sistema AUTO MANUAL autom tico ou manual remov vel Sempre que se retira um instrumento qualquer que seja o outro entra automaticamente assumindo o controle da malha 1 12 Transfer ncia Autom tica Manual A transfer ncia entre os modos de opera o de manual para autom tico e de autom tico para manual deve ser orientada para facilitar a efici ncia da opera o A transfer ncia entre os modos diferentes de opera o n o deve provocar dist rbio ao processo e dever ser feita de um modo simples e r pido n o exigindo nenhum balan o manual preliminar Na pr tica o controlador receptor pneum tico da linha PCI 100 satisfaz a essas exig ncias A opera o de transfer ncia A M e M A se processa por uma nica opera o o movimento de transfer ncia est localizada na parte superior da esta o manual de controle Na extremidade esquerda tem se a posi o AUTOMATICA e na extremidade direita tem se o modo de controle MANUAL N o existe nenhum indic
14. 2 1 Introdu o O sistema de controle com malha fechado constitu do pelo 1 processo 2 elemento de medi o 3 controlador e 4 elemento final de controle O controlador autom tico recebe um sinal do elemento de medi o e transmite um sinal corretivo para o elemento final de controle Fig 2 1 Por quest o de simplicidade o elemento de medi o o elemento final de controle os sistemas de transmiss o s o considerados como parte do circuito do controlador No capitulo anterior as equa es b sicas descri es matem ticas dos processos de uma duas e tr s capacidades foram desenvolvidas em termos de vaz o de entrada F para um processo de n vel de liquido a vari vel controlada x e as constantes do processo O objetivo deste capitulo o de estabelecer equa es da por o do controlador do circuito em termos de F x e das constantes do controlador 2 2 Circuito do controlador ideal Assume se que toda a se o de controle ideal isto que n o h tempo de atraso entre o recebimento e a transmiss o de um sinal para o elemento seguinte A Fig 2 1 representa um processo de uma nica capacidade e o circuito de um controlador ideal Essencialmente o que se est assumindo na Fig 2 1 que n o h capacidade ou resist ncia no sistema de medi o no controlador ou no elemento final de controle Assim uma varia o no n vel do ponto desejado resultar em uma varia o
15. 2 5 Transdutor 2 6 Computador Anal gico 2 7 Contador 2 8 Controlador 2 9 Esta o Manual de Controle 2 10 V lvula de Controle 3 Malha Aberta 3 1 Indica o e Registro 3 2 Controle Manual 3 3 Controle Programado 4 Malha Fechadas 4 1 Realimenta o 4 2 Realimenta o Positiva 4 3 Realimenta o Negativa 20 20 21 21 21 23 25 25 25 26 26 S N NN So ua res rsUUUN KNO N 4 Controlador Objetivos de Ensino 1 Conceito 1 1 Medi o 1 2 Ponto de Ajuste 1 3 Esta o Manual 1 4 Unidade de Balan o Autom tico 1 5 A o Direta ou Inversa 2 Circuitos do Controlador 2 1 Controlador Paralelo 2 2 Controlador S rie 2 3 Controlador Anal gico 2 4 Controlador Digital 2 5 Controladores Pneum ticos 3 Controlador Pneum tico 3 1 Controlador Liga Desliga 3 2 Controlador de Intervalo Diferencial 3 3 Controlador Proporcional md o o VDNDNHDOIDULNLA UU a 8 3 4 Controlador Proporcional mais Integral 10 3 5 Controlador Proporcional Derivativo 11 3 6 Proporcional Integral e Derivativo 4 Controladores Eletr nicos 4 1 Controlador Liga Desliga 4 2 Controlador Proporcional 4 3 Controlador Proporcional Integral 4 4 Controlador Integral 4 5 Controlador Proporcional Integral 4 6 Controlador Derivativo e PID 4 7 Controlador Derivativo 4 8 Controlador PID Paralelo 4 9 Over Run Derivativo 12 13 13 14 16 16 18 22 22 24
16. Ele pode tamb m ter a habilidade de trocar sua pr pria equa o de controle para fornecer um desempenho timo sem interven o do computador principal ou do operador Isto chamado de auto sintonia self tuning A comunica o entre todos os controladores baseados em microcomputadores o computador supervis rio feita atrav s de cabos coaxiais de RF Este nico cabo pode ser compartilhado por centenas de controladores localizados ao longo da planta Os dados relacionados com os valores atuais das vari veis de processo pontos de ajuste sintonia do controlador alarmes intertravamentos passam atrav s deste circuito de rea local nos dois sentidos Os controladores remotos podem ser reprogramados do computador supervis rio do circuito de comunica o O controle distribu do a computador combina as vantagens do controle supervis rio e do controle digital direto Um computador controla sua flexibilidade e pot ncia de fazer contas matem ticas controla cada malha O status do sistema pode ser monitorado e a opera o dirigida de uma esta o supervis ria central Falha de qualquer elemento no sistema controlador circuito de comunica o ou computador supervis rio n o faz o processo inteiro parar Em adi o gr ficos sofisticados diagn sticos e gera o de relat rios para centenas de malhas e at de toda a planta podem ser feitos com o computador supervis rio desde que ele n o monitora e cont
17. Enfoque Matem tico controles autom ticos s o classificados genericamente como processos Eles podem ser simples ou complexos Como este estudo est relacionado com a an lise e a s ntese matem ticas dos processos controlados necess rio expressar primeiro o processo em forma matem tica Para o prop sito de derivar as equa es do processo ser empregado um sistema de n vel de liquido N o h perda de generalidade nesta escolha de processo porque os outros processos tais como temperatura press o e vaz o possuem equa es matem tica id nticas Primeiro necess rio decidir acerca de um sistema padr o para representar o processo O sistema mais facilmente aplic vel o de representar o processo por um n mero de capacidades e resist ncias Capacidade habilidade do processo armazenar energia liquido press o ou qualquer outro meio que o processo possa ser Resist ncia a propriedade que o processo apresenta para restringir a vaz o da subst ncia entre as v rias capacidades Elas ser o representadas por Ce R respectivamente nos desenvolvimentos seguintes Fig 1 1 O s mbolo x com um ndice apropriado ser usado para denotar o potencial ou n vel em cada capacidade O s mbolo xy ser usado para significar o potencial para o qual a vaz o de sa da descarregada Os valores de Re C ser o assumidos constantes 1 3 Processo com nica capacidade O sistema elementar b sico um
18. Obviamente o controlador de regime permanente mais f cil de ser desenvolvido e modelado que o transit rio O procedimento a ser seguido mais ou menos o seguinte 1 definir todas as vari veis do processo separando as em dist rbios mensur veis vari veis 8 20 Controle Multivari vel controladas e vari veis manipuladas Tamb m devem ser conhecidas as constantes do processo tais como capacidades de tanque di metros de tubula es densidades de produtos pontos de ajuste das vari veis controladas Sempre que uma vari vel de processo pouco alterada ela deve ser considerada como constante Os fatos de medir ou n o medir um dist rbio de entrada e de considerar ou n o considerar constante uma vari vel do processo podem tornar linear o modelo do controlador preditivo antecipat rio fazer as hip teses simplificadoras relativas ao processo Por exemplo quando se tem um tanque de mistura deve se considerar perfeita a mistura As perdas de calor nas vizinhan as de um tocador de calor devem ser consideradas desprez veis O ac mulo de calor nas paredes de um reservat rio nula As capacidades de calor independem da temperatura do processo S o essas simplifica es que tornam n tidos e separados os modelos est ticos e din micos do controlador escrever as equa es termodin micas e diferenciais na forma dimensional padr o Rescrever as equa es atribuindo se as entradas
19. a de produzir o processo est vel com uma resposta desejada aos dist rbios do processo O bom sistema de controle deve estabilizar o processo que seria inst vel sem o sistema de controle As vezes fisicamente imposs vel se conseguir um sistema est vel em todas as condi es de processo Como consequ ncia o sistema deve ser est vel apenas para determinadas condi es de opera o Existem sistemas que s o est veis mesmo sem a utiliza o de controle autom tico O sistema est vel se para qualquer entrada limitada a sa da tamb m limitada O sistema est vel quando os dist rbios transit rios introduzidos no processo desaparecem imediatamente com o tempo O sistema inst vel quando a introdu o de um dist rbio no processo mesmo transit rio provoca a oscila o na vari vel ou a leva para um valor que cresce continuamente O processo considerado inst vel quando sua sa da se torna cada vez maior com as oscila es com amplitudes crescentes Na pr tica a m xima amplitude do sistema inst vel limitada pelas pr prias caracter sticas f sicas do sistema Por exemplo a v lvula abre no m ximo at 100 e a temperatura m xima do vapor saturado de 100 OC press o atmosf rica Fig 2 19 Sistema inst vel dist rbio aparece e cresce N o h controle 3 25 Malha de Controle Fig 2 20 Sistema com estabilidade limite dist rbio aparece e permanece Contro
20. efetivamente a toler ncia aceit vel do processo em percentagem Os tr s ltimos par metros s o ajustados atrav s da sintonia do sistema em opera o para obter o melhor resultado poss vel do controle Habilita Bloco t pico de controle no CLP 6 19 Controlador Digital PIDE C INPUT OUTPUT SETPT LIM ERROR PGAIN IGAIN Fun o PID t pica do CLP O bloco de controle pode ser mais complexo ainda Neste caso h uma folha de especifica o work sheet listando todas as fun es dos registros como ponto de ajuste valores de sintonia tempo palavras de configura o N mero refer ncia Tipo gt LT XXXX Manual Op Code 94 Ego Ponto de Ajuste Vari vel do Processo Cascata Sa da C lculo Fim da tabela da malha Op Code 94 Define a fun o literal LT como sendo uma fun o de controlador LC da malha Ponto de Ajuste Este valor o valor desejado da vari vel de processo Pode ser um valor constante ou armazenado em um espec fico e Registro de Hold HR Registro de entrada IR Registro de sa da OR Grupo de entrada IG Grupo de sa da 0G Vari vel de Processo Este o valor medido da vari vel independente envolvida no processo sob controle Ela pode ser armazenada em e Registro de Hold HR Registro de entrada IR Registro de sa da OR Grupo de entrada IG Grupo de sa da 0G Sa da Esta a sa da do co
21. energizado ou desenergizado aceso ou apagado alto ou baixo 1 ou 0 O processo discreto requer controle l gico Aplica es de controle l gico incluem o alarme e intertravamento do controle cont nuo de processos industriais Geralmente o processo discreto requer a automa o em vez de controle cont nuo 1 5 Processo de Manufatura de Pe as No processo discreto cada item a ser fabricado processado em uma etapa como um item separado e individual Embora seja um sistema de processo muito comum n o ser tratado neste trabalho A ind stria automobil stica e a manufatura de pe as mec nicas s o exemplos de processos onde h a manufatura de pe as individuais Neste tipo de ind stria atualmente usam se robots para executar estas s ries de opera es repetitivas Fig 2 7 Processo de montagem de pe as 2 Vari veis do Processo 2 1 Introdu o A vari vel do processo qualquer quantidade f sica que possui o valor alter vel com o tempo e com o espa o Controlar uma vari vel significa manter constante a grandeza que tenderia a variar N o se deseja e nem se pode controlar uma grandeza constante As vari veis do processo geralmente s o interdependentes entre si Para se controlar uma vari vel preciso fazer medi es geralmente mas nem sempre da vari vel controlada e deve se manipular outra vari vel dependente Existem vari veis mais facilmente detect veis e outras mais facilme
22. o Diz se que um sistema possui uma realimenta o quando se faz a medi o de uma vari vel em sua sa da e se faz uma corre o na sua entrada baseada nessa medi o Aqui deve ser feita uma considera o especial acerca dos conceitos de sa da e entrada do processo Quando se diz que se mede na sa da e atua na entrada significa que se realiza uma realimenta o Fisicamente a medi o pode ser na entrada do processo e a atua o na sa da do processo Por exemplo no controle de vaz o o elemento sensor colocado depois da v lvula de controle para n o provocar dist rbio na medi o 4 2 Realimenta o Positiva A realimenta o pode ser positiva ou negativa A realimenta o positiva quando a atua o no processo se faz para aumentar o desvio entre a medi o e o ponto de refer ncia Faz se uma medi o compara se com um valor de refer ncia e se atua no processo quando a medi o maior que o ponto de ajuste atua se no processo para aumentar ainda mais a medi o e quando menor atua se para diminuir ainda mais a medi o Uma malha apenas com realimenta o positiva leva o sistema para um dos extremos ou para o m nimo ou para o m ximo Em controle de processo a realimenta o positiva isolada ou predominante n o apresenta nenhuma utilidade pr tica Nos circuitos dos controladores tem se a realimenta o positiva associada a realimenta o negativa para fins de balanceament
23. o corretiva com erro A a o derivativa adianta o sinal de corre o A a o proporcional est relacionada com o ganho do controlador e as a es integral e derivativa com o ngulo de fase da corre o Em resumo a a o proporcional determina o quanto da a o corretiva e as a es integral e derivativa estabelecem quando conveniente a aplica o da corre o de modo que n o haja desvio permanente e que a elimina o do erro seja a mais r pida poss vel O uso da a o derivativa permite o uso de uma menor banda proporcional e de um menor tempo integral para a mesma estabilidade Menor banda proporcional implica em menor erro de pico e menor erro acumulado Quando se aumenta a a o derivativa aumenta se o tempo derivativo e se reduz o overshoot da sa da devido ao dist rbio da carga mas a sa da fica mais oscilat ria Quando se aumenta muito a a o derivativa a curva de sa da n o ultrapassa o ponto de ajuste e a a o corretiva muito amortecida Quando se aumenta ainda mais a a o derivativa haver oscila o com um per odo de oscila o menor que o natural do processo 7 15 Sintonia do Controlador A quantidade de a o derivativa permitida para um processo com determinado tempo morto diminui quando a constante de tempo caracter stico diminui processo mais r pido desde que o per odo natural diminui de 4 tm para 2 tm 5 4 Aplica es Erradamente se acha que t
24. o controlador O ajuste adequado do ganho do controlador o respons vel principal pela estabilidade ou n o do sistema de controle 5 10 Condi es de Estabilidade O objetivo de cada malha de controle encontrar um valor para o sinal de controle que mantenha a medi o constante e igual ao ponto de ajuste para as condi es de carga existentes Os enfoques de realimenta o negativa e de predi o antecipa o poder ser usados O sistema completo de controle inclui os instrumentos e o processo A 3 31 Malha de Controle estabilidade do sistema global depende de todos os equipamentos do processo e de todos os instrumentos da malha O ganho total da malha fechada deve ser menor que a unidade para que os dist rbios que aparecerem no sistema sejam amortecidos e eliminados No caso limite com ganho igual a um qualquer dist rbio no processo permanece constante com as amplitudes das oscila es constantes Um sistema de controle est vel se e somente se o ganho total da malha for menor que 1 e o ngulo de fase da a o corretiva for igual a 180 graus O ganho deve ser menor que 1 para que qualquer erro introduzido no sistema por dist rbios externos seja atenuado e eliminado O ngulo de fase deve ser de 180 graus para que a a o corretiva seja exatamente contr ria ao erro O ganho total da malha igual ao produto dos ganhos individuais de cada componente do sistema incluindo o processo Ha
25. o derivativa para um erro tipo rampa A a o derivativa est adiantada em rela o proporcional de seu tempo derivativo O uso da a o derivativa permite que a banda proporcional seja diminu da ganho aumentado O uso da a o derivativa melhora o desempenho da malha de controle pois o overshoot e o pico do erro provocado por dist rbios na carga s o 7 21 Sintonia do Controlador diminu dos mas a resposta se torna mais oscilat ria Se a a o derivativa aumentada demais aparece oscila es com per odo muito menor que o per odo natural do processo 8 3 Componentes da Malha Din micas da Malha Os principais componentes de uma malha s o o controlador a v lvula de controle o processo e a medi o elemento sensor ou transmissor Cada componente tem um ganho est tico e um ou mais par metros din micos para descrever sua resposta O tempo morto o tempo requerido para a sa da come ar a variar ap s uma varia o na entrada Ganho integrador a inclina o da rampa na sa da para uma varia o degrau na entrada Constante de tempo da realimenta o negativa o tempo requerido para a sa da atingir 63 da entrada multiplicada pelo seu ganho ap s a sa da come ar a variar para uma varia o degrau na entrada A sa da se aproxima de um novo estado de regime com um inclina o exponencialmente decrescente Constante de tempo da realimenta o positiva o tempo re
26. o possa ser obvia para o instrumentista o controlador n o pode ver a diferen a Desde que o tempo morto torna o controle mais dif cil e a capacidade o faz mais f cil uma estimativa da dificuldade do controle pode ser feita pelo c lculo da rela o do tempo morto aparente e da constante de tempo aparente Esta rela o tg t4 possui tamb m um grande significado para os ajustes do controle Concluindo o controle seria perfeito se o processo tivesse tempo morto igual a zero e apenas uma constante de tempo Infelizmente tal processo n o existe Na pr tica quanto menor o tempo morto e menor a ordem quantidade de constantes de tempo mais f cil o controle do processo O processo com pequeno tempo 2 15 morto e com uma nica constante de tempo o mais f cil de ser controlado 4 Tipos B sicos de Processo H tr s tipos b sicos de processos quanto a sua capacidade de se controlar sem o auxilio externo ou quanto a sua habilidade de amortecer os dist rbios que aparecem 1 auto regulante 2 integrante 3 com realimenta o positiva A maioria da literatura t cnica concentra se no estudo do ganho e dos termos din micos dos processos auto regulantes com realimenta o negativa interna Os outros processos s o menos discutidos embora sejam frequentes na pr tica 4 1 Processo Auto Regulante O processo auto regulante possui uma esp cie de controle interno inerente a ele Ele possui um
27. para a v lvula de processo deve haver um comando para o controlador do campo bloquear sua sa da Por isso quando h transfer ncia entre autom tico e manual deve haver um sinal l gico para orientar o controlador do campo Controlador cego montado no campo Raramente se tem um controlador cego pois o controle pressup e medi o compara o atua o e realimenta o pelo processo Por m o controlador pneum tico modelo 138 cego n o tendo indica o nenhuma A malha de controle contudo possui indica o A indica o provida pela esta o do painel O circuito de controle est no campo pr ximo ao processo O controlador modelo 138 um controlador com todos os circuitos do controlador de painel modelo 130M por m montado no campo Como o local de montagem o campo o controlador deve satisfazer as exig ncias de prova de tempo veda o poeira Ou seja deve se comportar como um transmissor de campo quanto classifica o mec nica do inv lucro tipicamente classificado conforme NEMAS ou IEC IP 53 H duas vers es do controlador modelo 138 1 caixa pequena modelo 138S E mais econ mica cerca de 20 que o outro modelo Por m s dispon vel com a a o proporcional pura ou proporcional mais integral 2 caixa grande modelo 138L Pouco mais cara por m possui maior op o de a o de controle proporcional proporcional mais derivativa proporcional mais i
28. respectivamente A press o px no elemento de medi o diretamente proporcional altera o na vari vel de controle x xo portanto Px C X Xo Pxo 2 23 Passando atrav s do controlador assumido proporcional pode se escrever a seguinte equa o para a sa da de um instrumento pneum tico Po a Pm Pmo Poo 2 24 A 10 Enfoque Matem tico onde a representa o ganho em passando atrav s do controlador Ele ser combinado com outros termos para fornecer o fator total do controle proporcional o Os termos pmo Peo representam os valores iniciais das press es de entrada e de sa da respectivamente Controlador Pm P Fig 2 3 Processo com nica capacidade com controlador ideal mas com atraso no sistema de medi o e na v lvula A altera o da vaz o atrav s da v lvula de controle do tipo linear diretamente proporcional varia o na press o do diafragma F b Ppy Pvo Fo 2 25 onde b representa o fator da v lvula e tem as unidades de m3 por minuto por kPa As eq 2 21 a 2 25 fornecem as rela es necess rias para se obter a express o final para um circuito de controle proporcional tendo dois atrasos d2F dF Tal q tlm Ty dt F a x xo Fo 2 26 onde as constantes de tempo Tm e Ty s o o produto da resist ncia e capacidade de cada se o da malha respectivamente Esta equa o a express o final para um controlador pr
29. usado em computadores para controle de processo Em resumo as necessidades computacionais do computador de controle de processo s o baseadas no somador bin rio com as capacidades adicionais de deslocamento de palavras de dados e com a manipula o de cada bit individualmente Tamb m s o necess rios e usados os circuitos l gicos para testar os resultados da adi o bin ria testar cada bit na palavra de dados do computador executar as compara es l gicas de AND e OR de palavras bin rias e testar os resultados destas opera es l gicas 2 12 Computador no controle de processo O computador como desenvolvido nas discuss es anteriores tem os bus separados de entrada e sa da para dados de 16 bit os bus separados de endere o de entrada e sa da a estrutura de interrup o de prioridade a mem ria a unidade aritm tica e finalmente a unidade de sincronismo e controle necess ria para fazer todos os outros componentes trabalharem juntos O enfoque tomado para definir as especifica es funcionais do computador de controle de processo foi baseado nas necessidades pr prias do processo e mostrou a necessidade de 4 unidades b sicas de qualquer computador digital unidade de entrada sa da unidade aritm tica mem ria e unidade de sincronismo e controle A discuss o seguinte estudar cada uma destas quatro unidades b sicas do ponto de vista de como elas controlam o fluxo de dados e quais opera es ela
30. 4 16 Estas tr s equa es podem resolvidas simultaneamente para dar os valores das constantes arbitrarias B4 Bo e Bg Se um grande n mero de solu es desejado de qualquer forma de equa o dada o m todo geral apresentado acima seria til Por m para uma nica solu o os n meros f sicos dos v rios processos e constantes do controlador seriam substitu das imediatamente nas equa es diferenciais do sistema para economizar tempo na an lise 4 5 Controle integral A equa o combinada do processo e controle para a Fig 2 5 onde o controle integral inclu do seria igual a eg 4 10 exceto que o lado esquerdo da equa o teria um termo a mais para incluir a a o integral Este termo Rayf x xo dt Como isto aumenta efetivamente a ordem da equa o de um a solu o teria 4 constantes arbitrarias Assim 4 condi es s o necess rias para se obter estas constantes tr s delas seriam as mesmas condi es iniciais expressas nas eq 4 10a b e c A quarta a condi o final para um sistema est vel f x xo dt ai Xgo 4 17 Ray 4 6 Processo com duas capacidades O processo com uma nica capacidade foi analisado com e sem atrasos no sistema O mesmo procedimento se aplica aos processos com capacidade adicional Por exemplo a equa o geral para um processo com 2 capacidades foi determinada na eq 3 2 Desta equa o a equa o para um processo com 2 capacidades com um c
31. 4 2 Processo Integrante A resposta de malha aberta do processo integrante n o atinge um valor limite est vel quando se aplica um degrau unit rio em sua entrada A sua sa da varia conforme uma rampa ascendente crescendo continuamente at atingir o valor limite natural do processo por exemplo 100 don vel do tanque e a explos o do tanque no controle de press o Ele chamado de integrante por que a resposta na sa da igual a integral da entrada Exemplos de processos integrantes 1 a malha de controle de n vel com bomba na descarga onde a vaz o da sa da independe da coluna liquida ou com a v lvula de controle na entrada do tanque 2 a malha de controle de press o sem abertura de descarga ou com pequena rela o entre a vaz o de entrada e o volume do tanque 3 a malha de controle de pH de xido redu o e de concentra o em processo tipo batelada n o cont nuo sa da entrada Processo Industrial Fig 2 18 Processo integrante quando a entrada um degrau a sa da uma rampa Como o processo integrante n o se balanceia por si e n o possui um valor de regime ele n o pode ser deixado sem controle autom tico durante longo tempo Ele deve ter um sistema de seguran a que evite a vari vel controlada atingir o valor perigoso quando o controle autom tico falhar No processo integrante quando se pode ajustar a banda proporcional em faixa menor que 10 n o necess r
32. Assim a solu o usar um amp op a FET ou CMOS para U2 e sem Rcomp Fig 4 19 Controlador integral Uma segunda caracter stica n o ideal tamb m atrapalha a estabilidade do integrador U2 Todos os capacitores possuem uma resist ncia de vazamento O capacitor equivalente a um resistor em paralelo com as suas placas Assim 4 50 Controlador alguma carga armazenada no capacitor ir descarregar lentamente atrav s da resist ncia de vazamento Na realidade o capacitor est fornecendo a Reomp Para capacitores eletrol ticos de alum nio a constante de tempo CRyazamento de alguns segundos Por m capacitores de teflon filme polipropileno polistireno poletileno e policarbonato possuem constante de tempo formada pela resist ncia de vazamento de tipicamente 1 Ms Deve se sempre especificar um capacitor de baixa corrente de vazamento Em resumo um controlador integral continua a variar sua sa da at que o erro vai para zero A integra o realizada por um amp op com um capacitor na realimenta o negativa Deve se controlar as correntes de polariza o cuidadosamente ou compensa las Deve se tamb m selecionar o tipo de capacitor apropriado para evitar sua auto descarga 4 5 Controlador Proporcional Integral O controlador integral puro tem uma resposta a transiente muito ruim O erro deve produzir uma entrada tipo degrau no controlador integral Ele ir responder atrav s de u
33. Controle auto seletor com prote o contra satura o do modo integral dos controladores 8 15 Controle Multivari vel 9 Controle Feedforward 9 1 Introdu o Alguns assuntos da rea de teoria de controle de processo s o conhecidos apenas pelo ouvir dizer As pessoas mesmo as do ramo sabem de sua exist ncia conhecem superficialmente alguns conceitos mas n o passam disso Certamente o controle preditivo antecipat rio feedforward um desses assuntos que o pessoal considera muito complicado e avan ado para ser aplicado no controle do processo de seu interesse O autor traduziu livremente o termo feedforward como preditivo e antecipat rio Na literatura t cnica esse tipo de controle chamado indistintamente de preditivo e de antecipat rio Ambos os nomes s o justificados e fazem sentido a a o preditiva do controlador antecipa o aparecimento do erro no sistema No presente trabalho mesmo parecendo uma redund ncia ser o usados os dois nomes simultaneamente A maioria das estruturas de sistema de controle usa o conceito de realimenta o negativa feedback Um erro deve ser detectada na vari vel controlada antes do controlador tomar uma a o corretiva para a vari vel manipulada Assim os dist rbios devem perturbar o processo antes que o controlador possa fazer algo Parece muito razo vel que se pudesse detectar um dist rbio entrando no processo se come asse a corrigir o antes
34. Est gio 2 Tanque esvaziando enchendo a colune e funil cheio lt gt l J FU 3 TA 1 c Est gio 3 Tanque coluna e funil esvaziando e reator enchendo Fig 11 9 Sistema multibatelada 10 14 Controle Batelada FU 3 PROCESSO 1 PROCESSO 2 Eno RE 3 TA 4 CL 1 FU 1 PROCESSO 3 ka RE 1 TA 3 Dad al e Fig 11 10 Sequ ncia com v rios processos multibatelada 10 15 Controle Batelada Controle Sequencial O controle sequencial adiciona a habilidade de seguir um conjunto predeterminado de instru es uma folhe de batelada ou receita para simultaneamente controlar processos m ltiplos e independentes cada um envolvendo m ltiplas bateladas e v rias atividades Uma folha de batelada a receita manual do processo para o operador Para opera o autom tica um programa supervis rio rodado em um CP permite que v rios processos rodem automaticamente na planta O programa de sequenciamento que uma vers o da folha de batelada ou receita para o computador preparada pelo engenheiro de processo usando linguagens de baixo n vel de programa o que s o as fun es de monitora o e regulagem O sequenciador rastreia o estado do programa que conduz o processo atrav s de sua progress o l gica exatamente como faria um operador apertando botoeiras Interface do Operador O sistema deve fornecer os registros permanentes de todos os dados e eventos per
35. O controlador com a banda proporcional infinita precisa de uma varia o infinita na medi o para fazer a v lvula variar de O para 100 de abertura e portanto n o realiza nenhum controle O controlador com banda proporcional zero ou seja um nico ponto provoca uma varia o na v lvula de controle de 0 a 100 este controlador ultra sens vel o liga desliga Como consequ ncia o mesmo controlador proporcional pode ser aplicado para controlar v rios tipos de processos Apenas sua banda proporcional ajustada para torna lo mais ou menos sens vel Os processos lentos s o pouco sens veis possuem ganho pequeno e 3 29 Malha de Controle requerem o controlador com banda proporcional muito estreita por exemplo a banda proporcional para o controle de temperatura tipicamente menor que 100 Os processos r pidos s o muito sens veis possuem alto ganho e requerem o controlador com banda proporcional muito larga por exemplo a banda proporcional para o controla da vaz o normalmente maior que 100 5 6 ngulo de fase O segundo par metro da resposta de um elemento a uma entrada c clica o ngulo de fase Por causa dos atrasos dentro do elemento o pico da sa da n o coincide com o pico da entrada O ngulo de fase de um elemento mede este deslocamento Um ciclo completo em qualquer sinal peri dico se comp em de 360 graus Se o pico do ciclo da sa da ocorre 1 4 do caminho do ciclo de entra
36. Quando o filme do rolo puxador se forma a tens o tende a aumentar Isto faz o rolo acionador subir O terminal m vel do potenci metro se eleva fazendo a entrada inversora do amplificador diferencial ficar maior do que a entrada n o inversora do ponto de ajuste A sa da do amplificador diferencial fica negativa Puxando o fundo do divisor de tens o abaixo do terra diminui a tens o de entrada do amplificador de pot ncia O amplificador de pot ncia diminui a pot ncia de acionamento entregue ao motor e o motor gira mais lentamente Diminuindo a velocidade do motor diminui se a tens o do fio Uma das aplica es mais usadas do controle de servomecanismo o robot O bra o rob tico revolucionou a industria de manufatura Sua velocidade exatid o precis o durabilidade flexibilidade diminu ram drasticamente os custos de produ o aumentando a qualidade do produto O robot industrial tipicamente possui tr s ou mais pontos de jun o joint Cada juntura possui tr s graus de liberdade ou modos de movimento x y e z ou rolar bater e dobrar Para fornecer um movimento r pido suave e bem coordenado da ferramenta sendo manipulada a posi o velocidade e acelera o de cada grau de liberdade de cada juntura devem ser controladas simultaneamente Fig 1 10 Bra o de robot industrial Cincinnati Milacron O controle coordenado da posi o velocidade e acelera o de todos os graus de liberdade melh
37. Solu es das equa es Para muitos tipos de sistemas controlados as equa es definidas s o ordinariamente lineares e de ordem baixa e possuem coeficientes constantes As solu es anal ticas convencionais destas equa es s o apresentadas com exemplos pr ticos 4 1 Introdu o Foram estabelecidas as equa es de defini o para v rios tipos de processos controlados Agora ser o investigadas as equa es e suas solu es Os m todos gen ricos para determinar as solu es transientes de equa es diferenciais lineares com coeficientes constantes s o bem conhecidos tamb m a maioria da informa es relacionada com o sistema pode ser obtida de modo frequente e simples pelo estabelecimento de equa es com suas condi es iniciais apropriadas Para estudar a resposta de qualquer tipo de sistema conveniente escolher alguma fun o dist rbio e usa la como meio padr o de compara o Para este estudo ser assumida uma varia o tipo degrau Xq Xgo no potencial de sa da xq A estabiliza o inicial no ponto de ajuste tamb m ser assumida isto o sistema est em equil brio em algum ponto predeterminado A solu o completa ser mostrada na forma simb lica para um n mero suficiente de casos para demonstrar os procedimentos tamb m dois exemplos pr ticos e ilustrativos ser o mostrados em detalhe 4 2 Processo com uma capacidade e controlador ideal Um processo com uma
38. a medi o se afasta do ponto de ajuste O controlador sente o erro e produz um sinal de corre o que ir aproximar a medi o nova do antigo ponto de ajuste Por m a nova medi o nunca ser igual ao ponto de ajuste pois as condi es do processo foram alteradas H um desvio permanente Quando a banda proporcional do controlador muito larga o controlador pouco sens vel e haver um grande desvio permanente Para diminuir o desvio permanente deve se estreitar a banda 15 Sintonia do Controlador proporcional do controlador tornando o mais sens vel Pode se pensar que a solu o para eliminar o desvio permanente a diminui o da banda proporcional Quando se diminui a banda proporcional al m de um determinado limite o processo oscila A sa da do controlador come a a variar segundo uma sen ide de modo aleat rio e independente do erro Na pr tica e na teoria imposs vel se eliminar o desvio permanente com o controle proporcional Para cada processo existir um ajuste de banda proporcional cr tico que produz o m nimo desvio permanente Quando se diminui a banda al m do valor cr tico tentando eliminar o desvio permanente aparece a oscila o no processo O desvio permanente resultado da varia o da carga do processo Para uma determinada carga do processo e para um determinado ponto de ajuste se conseguiu uma estabilidade do processo e se tem a medi o igual ao ponto de ajust
39. an lise portanto estas vari veis s o apenas limites ou restri es As vari veis controladas podem ser relacionar com a produtividade ou efici ncia da planta A otimiza o causa o fim da era das malha de controle isoladas e o in cio do controle de envelope multivari vel O envelope um pol gono com os lados representando vaz o press o temperatura n vel an lise e outras vari veis de processo Dentro deste envelope est o processo que continuamente movido para a m xima efici ncia A otimiza o multivari vel o enfoque do senso comum ou a t cnica de controle aplicada pela natureza e frequentemente tamb m o m todo de controle mais simples e mais elegante S se aplica otimiza o a um processo que j opere Otimizar um controle aumentar o modelo do processo adicionando o custo com ponto de ajuste zero Fl APOSTILA CONTROLE CONPROC2 DOC 15 JAN 94 8 35 Controle Multivari vel Workstation Interface HART A EER do Sistema Gabinete de terminais Rede LAN Ethernet Neg cios Fig 8 11 Vista de una planta insrunentada globalmente 8 36 Controle Multivari vel 9 Controle L gico Objetivos 1 Definir a natureza de sistema de controle de processo com vari veis discretas 2 Explicar como um processo com estados discretos pode ser descrito em termos de objetivos e equipamento do processo
40. ar a aquecer alimentar a coluna colocando FRC 04 1 em auto em uma vaz o de 5 0 e ligar a bomba PU 03 ou PU 05 N o exceder a vaz o de 5 5 kg h at que a coluna se equilibre Em caso de dificuldade de ter n vel abaixar ou cortar o vapor 14 Aumentar a vaz o de vapor para 400 kg h e ajustar a alimenta o para manter o n vel em torno de 50 Nota estes ajustes podem estar entre 4 0 e 7 0 15 Depois de aproximadamente 2 horas a coluna deve estar em 100 C Neste ponto tente manter uma temperatura de 125 a 135 C Abrindo a v lvula de sa da ajuda a manter a temperatura acima de 110 C abrir a v lvula esfria a coluna 16 Ligar a bomba PU 040 ou PU 12 17 Ajustar manualmente a vaz o do vapor para obter uma temperatura da bandeja de 130 C Tamb m observar o n vel que n o pode estar abaixo de 25 18 Quando a coluna se estabilizar ajustar o controlador de temperatura em auto ou manual para controlar a temperatura em 130 C Instala o Exemplo de tarefas feitas durante a fase de instala o de um sistema de controle do Na instrumenta o a Confirmar continuidade da fia o de todos os instrumentos b Atuar v lvulas c Simular transmissores 2 Verificar as condi es ambientais como temperatura press o atmosf rica e umidade relativa 3 Verificar aterramentos 4 Avaliar ru do e interfer ncia el trica condicionamento da pot ncia de al
41. batelada Em um processo cont nuo uma ou mais caracter sticas do material sendo processado s o manipuladas quando material passa por alguma parte do processo O material est continuamente entrando e saindo do processo A produ o de filme um exemplo de processo cont nuo O l quido continuamente injetado em um tambor rotativo onde ele se esfria e vira uma folha A folha puxada aquecida e tencionada no comprimento e na largura Estas opera es definem as dimens es corretas de espessura e largura Dependendo do uso final do filme outros processos adicionais podem ser usados como revestimento pintura secagem 5 2 Controle de temperatura O controle de temperatura um bom exemplo de controle de processo O circuito eletr nico usado padr o para a maioria das malhas de controle independente da vari vel sendo medida ou manipulada Um sensor converte a vari vel de processo em um sinal eletr nico ou mec nico de baixo n vel Este sinal enviado para um transmissor que condiciona e o converte em 4 a 20 mA cc 0 a 100 Este sinal padr o enviado para um controlador registrador ou indicador se este instrumento receptor possuir um circuito buffer filtro na entrada com uma alta rela o de rejei o de modo comum os fios de transmiss o podem ser comuns trancados e n o blindados Se os instrumentos receptores n o tiverem este circuito filtro na entrada os fios de transmiss o devem
42. causar o sistema de controle de temperatura superaquecer e queimar o vaso Ou se a vaz o de sa da for ajustada para valor muito baixo o tanque pode ficar cheio e derramar Condensado Bomba descarga Fig 1 12 Malha de controle de temperatura e vaz o 5 4 Controle de temperatura vaz o e n vel A solu o deste problema adicionar um sistema de controle de n vel manipulando a vaz o de entrada do produto O controle de n vel evita que o tanque fique totalmente vazio ou cheio totalmente Outra vantagem que o n vel constante tamb m facilita o controle o controle de temperatura 1 9 Controle do Processo 5 5 Controle de temperatura vaz o n vel e an lise Pode ser desej vel ou necess rio alterar a composi o do material no vaso Isto pode ser feito pela adi o de uma segunda tubula o de alimenta o v lvula sensor de composi o e transmissor de composi o e controlador Tamb m se coloca um misturador apropriado Condensado Bomba descarga Fig 1 13 Malhas de controle de temperatura vaz o e n vel Se o volume do aditivo desprez vel em rela o ao volume do A este controle adequado Por m a malha de controle de n vel que manipula o produto A afeta o n vel e tamb m a percentagem da mistura Do mesmo modo qualquer varia o da quantidade de B devida ao controlador de composi o ir afetar o n vel por m em um grau muito
43. combinar o poder que o CLP tem de manipular com efici ncia e rapidez as grandes quantidades de entradas e sa das discretas provendo naturalmente uma l gica sequencial e de intertravamento com o poder que o SDCD tem para fazer controle regulat rio cont nuo PID c lculos e algoritmos para controles avan ados e as fun es das camadas mais elevadas do controle hier rquico tendo uma interface homem m quina flex vel e poderosa Esta integra o tamb m estimulada para preencher as lacunas de automa o e o desejo de apresentar ao operador uma janela de processo uniforme A integra o do CLP com o SDCD geralmente envolve um CP onde rodado o programa aplicativo supervis rio Configura o m nima inicial P dam de Comunica o Adaptador ptico Para a integra o de todos estes sistemas digitais de controle devem ser tomadas as seguintes precau es 1 As entradas e sa das devem ser intercambi veis 2 O operador deve saber claramente se o sinal confrontado vem do SDCD ou CLP 3 Deve haver uma interface de operador uniforme especialmente para manipular alarmes e dados hist ricos 4 Deve ser dispon vel uma manipula o de diagn sticos para manuten o apresentada e controlada de modo centralizado 5 Devem ser integradas as fun es e as facilidades de engenharia para evitar ferramentas separadas 6 A comunica o peer to peer entre os controladores e blocos funcionais do CLP e o S
44. considerado o sistema a balan o de for as quando poderia ter sido escolhido o de balan o de movimentos O circuito b sico do controlador pneum tico com a o proporcional constitu do dos seguintes elementos 1 fole de medi o que recebe o sinal da medi o da vari vel do processo 2 fole de ponto de ajuste estabelecido manualmente ou de modo remoto Esse fole sempre est em oposi o ao fole de medi o a fim de que seja detectado o erro ou o desvio entre ambos os valores 3 conjunto bico palheta rel para gerar o sinal de sa da do controlador A alimenta o pneum tica de 120 kPa aplicada ao bico atrav s do rel pneum tico 4 fole proporcional ou fole de realimenta o negativa que recebe o sinal de sa da do rel que a pr pria sa da do controlador A finalidade do fole proporcional a de estabilizar o sistema em uma posi o intermedi ria A realimenta o negativa a respons vel pela estabilidade do sistema 5 mola usada para contrabalan ar a for a do fole proporcional Normalmente a mola ajustada para prover a polariza o do controlador Ela ajustada para o controlador produzir uma sa da de 60 kPa quando o erro for igual a zero 6 o fulcro ou ponto em torno do qual as for as se equilibram O deslocamento desse ponto em torno da barra de for as que estabelece o valor da banda proporcional do controlador Quanto mais pr ximo o ponto estiver do
45. de vezes A principal aplica o do controle de intervalo diferencial em sistema de medi o de n vel quando n o se quer o controle exato do n vel mas se deseja apenas evitar que o tanque vaze ou fique vazio O motor da bomba de enchimento ligado no n vel m nimo e desligado no n vel m ximo Entre os dois n veis o motor permanece numa situa o est vel ligado quando estiver subindo e desligado quando estiver descendo Desse modo o motor da bomba ligado poucas vezes 4 41 Controlador 3 3 Controlador Proporcional Para se entender os princ pios b sicos ser visto aqui o circuito b sico do controlador proporcional Por simplicidade e por exigir menos pr requisitos ser mostrado primeiro o esquema simplificado do controlador pneum tico Ser admitido que seja sabido o funcionamento do conjunto bico palheta rel pneum tico O conjunto bico palheta gera um sinal pneum tico padr o de 20 a 100 kPa proporcional a dist ncia relativa entre o bico que sopra e a palheta que obstrui O bico alimentado pela alimenta o pneum tica de 120 kPa O rel serve para amplificar pneumaticamente a press o e o volume de ar comprimido Os foles pneum ticos exercem for as que s o proporcionais aos sinais de press o recebidos Assim quando se falar do fole de medi o pode se estar referindo indistintamente ao valor da medi o a press o exercida no fole ou na for a exercida pelo fole Foi
46. diferentes podem ter o mesmo tipo de controladores com ajustes diferentes Modo Proporcional Quase todos os controladores tem o modo proporcional Este modo varia a sa da do controlador por uma quantidade proporcional varia o do erro A banda proporcional a varia o percentual no erro necess ria para causar uma varia o de toda a faixa na sa da do controlador A banda proporcional o inverso do ganho do controlador multiplicada por 100 A maioria dos controladores anal gicos usa a banda proporcional enquanto a maioria dos novos controladores digitais usa o ganho Note que o ajuste da banda proporcional tamb m afeta os modos integral e derivativo Quando a banda proporcional ajustada mais estreita o desvio permanente do controlador diminu do por m a resposta se torna mais oscilat ria Se a banda proporcional diminu da al m de um limite a sa da do controlador oscila com amplitude constante Se n o h nenhuma outra a o de controle integral ou proporcional o per odo destas oscila es o per odo natural da malha Este per odo natural chamado de ultimo per odo e depende da din mica do processo e dos componentes da malha Modo Integral A maioria dos controladores tem tamb m o modo integral ou reset Este modo muda a sa da do controlador por uma quantidade proporcional integral do erro O tempo integral o tempo requerido para a contribui o do modo integral seja igual
47. energia armazenada na gua dos tubos 5 energia armazenada no termopar e no sensor Se os controles s o pneum ticos um tempo morto e uma capacidade efetivos Processo Industrial est o tamb m associados com cada linha de transmiss o A situa o t pica inclui um ou dois tempos mortos identific veis e v rios pequenas capacidades Os tempos mortos em s rie s o aditivos um tempo morto de 1 minutos seguido de um atraso de 2 minutos combinam para formar um tempo morto de 3 minutos Entretanto o efeito combinado de um n mero de capacidades em s rie n o t o obvio O efeito combinado de v rios atrasos capacitivos parece para o controlador como a combina o de um atraso de tempo morto seguido de uma nica capacidade com uma constante de tempo igual a maior constante de tempo individual Na resposta de malha aberta de um trocador de calor a uma varia o degrau na sa da do controlador inicialmente a temperatura permanece constante por m mais tarde ela come a a crescer e se aproxima para um novo valor constante segundo uma exponencial Embora o processo possa realmente ser uma cole o intrincada de elementos de tempo morto e de capacidade ele pode ser representado por um modelo com um tempo morto mais uma capacidade de modo a projetar a malha de realimenta o Os par metros para este modelo podem ser obtidos como um tempo morto aparente e uma constante de tempo aparente Enquanto esta representa
48. es que lhe permitem testar virtualmente cada bloco mostrado em seu diagrama Uma mensagem mostrando que o autoteste foi completado deve aparecer antes do inicio da opera o normal De fato tais sistemas podem ter mais de um c digo dedicado ao autoteste Este momento tamb m ideal para fazer a autocalibracao dos conversores A D e D A Sempre que houver falha no autoteste o operador e o computador supervis rio devem ser notificados A malha deve ser desligada ou o controle transferido para o computador supervis rio Ali s desej vel permitir que o computador supervis rio force o controlador single loop a fazer o autodiagn stico permitindo o rodar testes sistem ticos de rotina e detalhados como feitos por um microcomputador pessoal Estes autotestes s o uma ferramenta poderosa do controlador e simplificam e diminuem drasticamente o tempo de manuten o programada 6 5 Controlador Digital LEA E haidai maie h ba rrm a her np 1 ereraa r E e T E Du Lis la p ma Y E T Hii ROM el Fig 6 4 Diagrama de blocos de um controlador single loop baseado em microprocessador O c lculo dos termos integral e derivativo do controlador PID requer que a entrada seja amostrada em intervalos uniformemente espa ados Para garantir isso usa se um temporizador timer O intervalo estabelecido por v rios fatores Certamente o microprocessador deve ter tempo suficiente para completar todo o processament
49. gicas 3 pontos 1 a 5 V cc ou 4 a 20 mA cc fun es seq enciais display de dados manipula o de at 10 pontos de status I O cada um definido pelo usu rio como entrada ou sa da 8 teclas de fun o program veis 4 na frente do painel para controlar a partida das sequ ncias 9 l mpadas associadas 4 para indicar o progresso da sequ ncia ou servir como cursor 10 cerca de 43 fun es computacionais NDU Fig 6 12 Controladores J ohnson Yokogawa 7 11 Controlador Moore O controlador digital microprocessado single loop da Moore possui as seguintes caracter sticas f sicas 1 Display com barra gr fica de cristal l quido LCD para vari vel do processo ponto de ajuste e valores da v lvula 2 Display digital para unidades de engenharia 3 Display alfanum rico para status e indica o de alarmes 4 Fun es e opera es como entradas sadias controles e computa es s o armazenadas dentro da mem ria do modelo como modular 5 Facilidade de sele o dos blocos funcionais Tipicamente os blocos de fun o tem valores de par metros limites de calibra o e informa es de comunica o com 6 17 Controlador Digital outros blocos de fun o selecionados pelo usu rio 6 Possibilidade de expans o com blocos funcionais adicionais para implementar controle avan ado 7 Uso como computador de vaz o com compensa o de temperatura e press o do sinal de vaz
50. interven o manual do operador Vaz n constante an Fig 1 6 Controle manual de malha aberta 3 Controle de Malha Fechada O controle de malha aberta n o pode garantir a sa da desejada de um processo sujeito a varia es de carga A t cnica usada para se obter o controle de um processo com varia es frequentes de carga a malha fechada com realimenta o negativa Esta t cnica monitora a sa da real comparando a com um valor desejado e repondo o atuador para eliminar qualquer erro Essa a ess ncia do controle autom tico Virtualmente todos os sistemas de controle autom tico possuem os mesmos elementos b sicos 1 medi o 2 compara o 3 atua o A sa da real que se pretende controlar medida por um sensor condicionada e transmitida para o controlador O controlador pode ser um computador um circuito eletr nico um conjunto de bico palheta pneum tico ou uma simples alavanca A segunda entrada do controlador o ponto de ajuste set point que indica o valor da sa da desejado O controlador toma a diferen a entre estas duas entradas para determinar o valor do 1 4 Controle do Processo erro O controlador altera sua sa da de modo calculado para igualar ou aproximar a sa da real do valor desejado O sinal de sa da do controlador transmitido para o atuador da v lvula O atuador governa a aplica o da energia para o processo Variando a energia para o sistema fa
51. levado para um mecanismo de compara o que est no 8 3 Controle Multivari vel atuador do v lvula No mecanismo h um ajuste do valor da press o a ser controlado Automaticamente a v lvula vai para a posi o correspondente press o ajustada Nos dois sistemas sempre h medi o da vari vel controlada ajuste do valor desejado compara o entre medi o e ajuste atua o para tornar medi o igual ao ponto de ajuste Enquanto a medi o estiver igual ao ponto de ajuste situa o ideal a sa da do controlador est constante cuidado N o igual a zero S haver atua o varia o na sa da quando ocorrer diferen a entre medi o e ponto de ajuste A maioria absoluta dos sistemas de controle se baseiam no conceito de realimenta o negativa Embora seja lento e suscept vel oscila o ele o mais f cil de ser realizado A minoria dos sistemas utiliza outras estrat gias de controle ou combina o de v rias malhas a realimenta o negativa O advento da instrumenta o microprocessada chamada estupidamente de inteligente permite a implementa o econ mica e eficiente de outras t cnicas de controle EOD 3 Controle Cascata 3 1 Introdu o O controle cascata permite um controlador prim rio regular um secund rio melhorando a velocidade de resposta e reduzindo os dist rbios causados pela malha secund ria Uma malha de controle cascata tem dois controlad
52. manual e sem indica o modelo 132 Normalmente as esta es de controle s o integrais ao controlador Por m h configura o modular quando a esta o de controle usada em conjunto com um controlador cego montado remotamente Nessa configura o as esta es do painel s o modificadas e h uma distribui o de circuitos e de fun es entre a esta o de leitura montada no painel e o controlador cego montado no campo Os modelos s o 5 1 2 REACTOR Ponteiro Indicador do A Ponto de Ajuste Modelo 130F Local E Modelo 130F Remoto e Modelo 130P Remoto Ponteiro de Medi o Modelo 130F Somente Chave de Transferencia Local Remoto Bot o de Comando o Ponto E A de Ajuste Local dra TI Chave de Transfer ncia Indicador da Saida Bot o de Ajuste Manual ca Saida Fig 5 2 Vista frontal do controlador pneum tico 1 esta o do painel para leitura da medi o ponto de ajuste contem a chave de transfer ncia Auto Manual modelo 130 D 2 controlador cego montado no campo cont m os circuitos de controle a o integral derivativo modelo 138 As outras esta es de controle para aplica es em sistemas completos de controle como auto seletor cascata e rela o s o especiais e geralmente incorporam em um nico instrumento circuitos de v rios instrumentos para facilitar a opera o e diminuir as liga es externas As mais usadas s o 1 sis
53. mbolos de dispositivos de entrada do diagrama ladder Motores O s mbolo para um motor um circulo com uma letra M seguida de um n mero sequencial O sistema de controle trata este circuito como o motor real embora de fato o sistema atua no starter do motor O sistema de controle usa este s mbolo para representar de fato o motor mesmo que outras opera es possam ser necess rias no equipamento real para partir o motor Solen ides O s mbolo para uma solen ide pode ser tamb m um circulo com uma letra CR seguida de um n mero sequencial quando for a bobina de rel O s mbolo pode ser similar ao rolamento de transformador ou ent o o mostrado na Fig 16 O s mbolo da solen ide em si nada diz acerca da fun o da solen ide do processo A solen ide pode estar associada a uma v lvula a um rel a uma esteira Geralmente a designa o da solen ide SOL seguida por um n mero sequencial L mpada A l mpada serve para dar informa o visual acerca do estado do equipamento ao operador A l mpada chamada de sinalizadora ou piloto O s mbolo de uma l mpada um circulo com tra os externos e com uma letra interna relacionada com a cor da l mpada Chaves Um dos elementos de entrada prim rios em um sistema de controle de estado discreto uma chave A chave um dispositivo usado principalmente para ligar e desligar equipamentos A chave pode ser atuada manual ou automaticamente por v rios m
54. menor a dist ncia entre os pontos menor o tempo de atraso quanto maior a velocidade de transfer ncia menor tamb m o tempo morto Matematicamente L tu onde tm o tempo morto L a dist ncia percorrida Processo Industrial v a velocidade de propaga o A dimens o do atraso ou do tempo morto a de tempo a unidade Sl o segundo Entrada Saida Tempo Fig 2 12 Resposta de um elemento simples com tempo morto O tempo morto o tempo transcorrido entre o aparecimento do dist rbio e o in cio da resposta do sistema de controle Durante o tempo morto o controlador n o responde aos dist rbios do processo porque ainda n o tomou conhecimento destes dist rbios O tempo morto afeta o sinal atrasando o Um tempo morto puro permite a passagem do sinal de entrada inalterado por m atrasado Quando o sinal senoidal o tempo morto tamb m atrasa o sinal por m nessa configura o se diz que h um atraso no ngulo de fase O tempo morto desloca o ngulo de fase O tempo morto pode ser tomado como o par metro de refer ncia para o estudo do grau de dificuldade de controle do processo Quanto maior o tempo morto do processo maior a dificuldade de seu controle Como o tempo morto muitas vezes causado pelo tempo requerido para movimentar material de um ponto a outro ele chamado de atraso de transporte ou atraso dist ncia velocidade O tempo real 2 11 depende da d
55. o do controlador ap s as a es integral e proporcional 5 5 Durante as condi es de regime a unidade derivativa age como um receptor 1 1 sem afetar o controle Quando ocorrer uma varia o da medi o a fim de apressar a a o corretiva total do controlador O sinal de medi o que vai posicionar o ponteiro de medi o do controlador alimenta paralelamente o fole receptor da medi o da unidade derivativa O fole transmite uma for a para atuar no conjunto bico palheta A unidade recebe a alimenta o de ar comprimido de 140 kPa atrav s do rel aspirador linearizador A sa da do rel fun o da press o do bico do conjunto bico palheta A posi o da palheta fun o da medi o da vari vel A sa da do rel aspirador realimentada de volta unidade derivativa atrav s de um fole simples e de um fole com restri o O conjunto restri o fole que desempenha a fun o matem tica de derivada Assim a sa da da unidade derivativa reflete a varia o da medi o mais a resposta derivativa da medi o O sinal de sa da da unidade derivativa vai alimentar o fole de medi o da unidade autom tica de controle central do controlador Matematicamente quando a medi o variar segundo uma rampa a sa da da unidade derivativa soma essa varia o tipo rampa uma componente tipo degrau ideal Na pr tica como na natureza nunca h degrau perfeito a a o derivativa acrescenta ram
56. o do modo integral Um modo de se evitar esta satura o fazendo uma realimenta o externa do sinal de medi o do controlador secund rio ao circuito integral do controlador prim rio Em vez do circuito integral receber a realimenta o do sinal de sa da do controlador ele recebe a alimenta o do sinal de medi o do controlador secund rio 3 3 Objetivos H dois objetivos do controle cascata 1 eliminar os efeitos de alguns dist rbios varia es da carga pr ximas da fonte de suprimento 2 melhorar o desempenho din mico da malha de controle reduzindo os efeitos do atraso principalmente do tempo morto Para ilustrar o efeito da rejei o do dist rbio seja o refervedor reboiler da coluna de destila o Quando a press o de suprimento do vapor aumenta a queda da press o atrav s da v lvula de controle ser maior de modo que a vaz o de vapor ir aumentar Com o controlador de temperatura convencional nenhuma corre o ser feita at que a maior vaz o de vapor aumente a temperatura na bandeja 5 Assim o sistema inteiro perturbado por uma varia o da press o do suprimento de vapor Com o sistema de controle cascata com a temperatura da coluna cascateando a vaz o de vapor o controlador de vaz o do vapor ir imediatamente ver o aumento na vaz o de vapor e ir fechar a v lvula de vapor para fazer a vaz o de vapor voltar para o seu ponto de ajuste Assim o refervedor e a colun
57. o manual do ponto de ajuste local atu vel somente quando o controlador est com ponto de ajuste local uma lenta e outra r pida uma subir e outra para descer Esta chave n o est habilitada quando o controlador est em ponto de ajuste remoto Indica es digitais dos valores do ponto de ajuste SP vari vel medida PV e sa da do controlador MV logo abaixo das barras gr ficas Bot o cone parecido com gr fico para chamar a tela de tend ncia da vari vel controlada Indica o do status da abertura da v lvula A para aberta e F para fechada Bot o para chamado das telas de sintonias P le D 6 22 Controlador Digital A o Autom tica ou Manual Todos os controladores possuem a op o de modo Autom tico ou Manual FIRE ZUINA Fig 22 Frontais do controlador opera o do controlador em modo Autom tico ou Manual Em modo autom tico Auto a chave de altera o da sa da n o est habilitada O operador pode alterar o ponto de ajuste local atuando nas chaves esquerda SP para aumentar ou diminuir de modo r pido ou lento Em modo Manual a chave de altera o do ponto de ajuste n o est habilitada Atrav s das chaves de atua o da sa da o operador pode atuar diretamente no processo para aumentar ou diminuir de modo r pido ou lento Quando o operador clica na chave virtual Manual ou Auto do frontal aparece uma janela para confirmar ou cancelar a mudan a
58. o operador e o computador supervis rio devem ser notificados Para problemas s rios pode se programar para que haja um desligamento autom tico seguro e ordenado do processo pelo controlador 5 Modos de Opera o H dois modos t picos para a opera o do controlador manual e autom tico Opcionalmente pode haver um terceiro chamado de auto sintonia Em modo manual o c lculo do erro alarmes de desvio e c lculo de PID s o removidos Em vez disso um comando de sa da entrado do painel frontal ou do computador supervis rio enviado diretamente para acionar a sa da Em modo autom tico s o feitos os c lculos do erro dos alarmes de desvio e c lculos do PID s o executados pelo controlador sem independente do operador A transfer ncia entre o controle autom tico e manual n o deve permitir que a sa da tenha saltos bump A altera o do modo no pior caso pode somente causar a sa da rampear para um novo n vel em uma taxa aceit vel Isto chamado de transfer ncia sem salto bumpless A vers o mais simples de auto sintonia requer uma inicializa o do operador ou do computador supervis rio Uma vez iniciado este tipo de auto sintonia aciona sua sa da para cima e para baixo v rias vezes O algoritmo avalia a resposta do processo para estes dist rbios tipo degrau no atuador Baseado nesta informa o s o computados e entrados valores de Kp KI e Kd no c lculo do PID Depois volta o
59. o sensor do sistema de controle autom tico A tens o de um terminal a indica o da posi o A posi o realimentada para o amplificador diferencial A tens o correspondente a posi o subtra da da tens o do ponto de ajuste e a diferen a erro amplificada O amplificador diferencial o controlador A pot ncia de sa da do controlador amplificada e aciona o motor Amplificador de pot ncia Amplificador diferencial Fig 1 8 Sistema servo para controle de posi o Quando o sinal do potenci metro de realimenta o da posi o sensor se iguala ao ponto de ajuste o sistema fica em repouso N o h sa da do amplificador diferencial desde que n o h erro O amplificador de pot ncia n o fornece sinal para o motor O motor n o se move Se quiser mover o acionador para a direita a tens o do ponto de ajuste deve ser aumentada Isto produz um erro positivo na sa da do amplificador diferencial e como consequ ncia na sa da do amplificador de pot ncia para o motor O motor come a a girar no sentido hor rio acionando a roda dentada no sentido hor rio e movendo o sistema para a direita Quando a roda dentada se move para a direita o potenci metro tamb m o faz Este alimenta o sinal de volta para o amplificador diferencial O erro se torna menor uma tens o menor aplicada ao amplificador de pot ncia e para o motor O motor gira com menor rota o Eventualmente
60. observa se no dial qual o valor da banda proporcional que provocou a oscila o constante e ajusta o no dobro deste valor Matematicamente quando se dobra a banda divide se pela metade o ganho do controlador O ganho total da malha fechada igual a 0 50 quando se provocar um novo dist rbio no ponto de ajuste o processo ira responder com uma oscila o com taxa de amortecimento de 4 para 1 Quando se tem o controlador P 1 0 procedimento quase o mesmo com as seguintes diferen as 1 inicialmente deve se retirar toda a a o integral do controlador ajustando se o dial no m ximo se os ajustes s o em tempo por repeti o ou em zero se s o em repeti o por tempo quando se atingir a oscila o constante provocada por um ajuste cr tico da banda proporcional deve medir e anotar o per odo de oscila o al m da banda proporcional O ajuste do tempo integral deve ser fun o deste tempo correspondente ao per odo natural de oscila o do processo Este per odo deve ser anotado no controlador para uso futuro para distinguir a causa de uma eventual oscila o os ajustes do controlador agora s o tamb m diferentes A adi o da a o integral tornou o controlador menos est vel ou mais sens vel Para compensar isso o ajuste da banda proporcional deve ser mais conservador Ent o em vez de ajustar a banda proporcional em 2 0 vezes o valor da banda que provocou a oscila o constante ajusta
61. pela rela o desta constante de tempo do instrumento para a constante de tempo do processo Se os erros forem muito grandes investigar a possibilidade de controle de cascata para isolar os dist rbios ou o controle feedforward para dist rbios mensur veis Sintonia DOC 30 MAR 00 Substitui 03 DEZ 98 8 8 Conclus o N o adiantaria maior rigor e precis o nestes ajustes quando se bot es e dials de ajuste com imprecis o maior que 10 como os dispon veis nos controladores eletr nicos e pneum ticos existentes Felizmente a imprecis o do menor que um permite ajustes em valores aproximados que funcionam na pr tica Dos tr s m todos de sintonia do controlador o da estabilidade limite o melhor por ser o mais r pido e conveniente para as condi es normais do processo Qualquer que seja o m todo escolhido por m os dist rbios devem ser considerados quando se determinam os ajustes 1 dist rbios de baixa frequ ncia ou lentos usar banda proporcional estreita e a o integral grande 2 dist rbios de alta frequ ncia ou r pidos usar banda proporcional larga a o integral pequena e a o derivativa pequena ou nem usar a o derivativa pois esta a o apresenta problema com ru do O processo com grande tempo morto dif cil de ser controlado e sintonizado Um procedimento pr tico mas ainda demorado e tedioso para processo com tempo morto n o exagerado e desde que se conhe a antecipadame
62. perigoso 3 iniciar a abertura de uma v lvula quando a press o atingir determinado valor perigoso Rel eletromec nico Rel um dispositivo geralmente de opera o eletromec nica usualmente operado por uma mudan a em um circuito el trico de baixa pot ncia para controlar um ou mais circuitos el tricos na sa da Rel uma chave operada eletromagneticamente usado para fun es de computa o ou l gica O rel um magneto el trico e o circuito el trico composto de um n cleo montado em uma armadura junto com um conjunto de contatos Uma bobina com uma ou mais bobinas montado em torno do n cleo Se uma corrente el trica suficientemente alta circula atrav s do enrolamento da bobina aparece um campo magn tico suficientemente poderoso para atrair e alterar os contatos de sa da O movimento do n cleo transferido para os contatos e dependendo do tipo de contatos o circuito associado aberto ou fechado As constru es podem ter varia es mas o objetivo do rel sempre abrir e fechar contatos mudando o estado do circuito associado Fig 11 1 Rel eletromec nico O arranjo dos contatos determinado pelo n mero e a sequ ncia do chaveamento bin rio a ser executado Rel s s o dispon veis em muitas formas com v rios arranjos e n meros de contatos O rel n o necessariamente operado ou ativado pela corrente el trica H rel que pode tamb m responder a var
63. poss veis Se houvesses tr s vari veis de entrada e tr s vari veis de sa da ent o um estado consiste da especifica o de todos os seis valores Como cada vari vel pode assumir dois valores h um total de 64 estados poss veis 29 Um evento no sistema definido por um estado particular do sistema ou seja valor atribu do particular de todos os valores das vari veis de entrada e de sa da Um evento dura enquanto as vari veis de entrada permanecem no mesmo estado e as vari veis de sa da s o deixados nos estados atribu dos Para um simples forno pode se ter a temperatura baixa e o aquecedor ligado Este estado um evento que dura at que a temperatura suba e fique alta Com estas defini es em mente o controle do processo com estado discreto uma segu ncia particular de eventos atrav s da qual o processo atinge algum objetivo Para um simples aquecedor uma sequ ncia poderia ser 1 temperatura baixa aquecedor desligado 2 temperatura baixa aquecedor ligado 3 temperatura alta aquecedor ligado 4 temperatura alta aquecedor desligado O objetivo do controlador da Fig 1 dirigir o sistema de estado discreto atrav s de uma sequ ncia espec fica de eventos Ser visto agora como a sequ ncia de eventos especificada e descrita e como um controlador pode ser desenvolvido para direcionar a sequ ncia de eventos Controlador Processo Fig 1 Processo de estado discreto e controla
64. redundantes O objetivo do controle com malhas redundantes fornecer controle mesmo quando h falha de uma malha ou fazer controladores operarem em tempos diferentes atrav s da inclus o de a es de controle ou ajustes de ganho ou em pontos de diferentes atrav s de diferentes pontos de ajuste s Set 104 kPa A Set 102 kPa LA Set 100kPa Fig 8 15 Backup simples malhas redundantes Fig 8 16 Malhas redundantes com ajustes de ganhos diferentes controlador com maior ganho atua primeiro A a o integral torna o controlador mais lento de modo que um controlador PI mais lento que um controlador P A a o derivativa torna o controlador mais r pido de modo que um controlador PID mais r pido que um controlador PI Controlador com ganho grande banda proporcional estreita mais r pido que um com ganho pequeno Fig 8 17 Malhas redundantes com a es de controle diferentes controlador P atua antes do controlador P I 7 Controles chaveados Os conceitos de controle chaveados s o divididos em 1 seletivo 2 seletor alta ou baixa 3 estrutura vari vel O controle eletivo Fig 8 18 envolve um chaveamento na entrada do controlador que recebe o sinal de dois transmissores de an lise Quando um deles falha o outro assume a fun o de enviar o sinal de medi o O controle seletor Fig 8 19 envolve dois ou mais controladores
65. repita a contribui o da a o proporcional para um erro constante A a o integral est atrasada em rela o proporcional do tempo integral O uso do modo integral aumenta a banda proporcional permiss vel mas elimina o desvio permanente deixado pela a o proporcional A maioria dos controladores usa o inverso do tempo integral de modo que os ajustes s o feitos em repeti o por unidade de tempo uma minoria de controladores ajustada em tempo integral ou seja em unidade de tempo por repeti o Quando o tempo integral diminu do a a o integral aumentada o desvio permanente eliminado mais rapidamente mas a resposta se torna mais oscilat ria Se o tempo integral diminu do demais a malha oscila em per odo muito maior que o per odo natural Modo Derivativo O modo derivativo usado em apenas poucas malhas porque o m nimo ajuste dispon vel muito grande para a maioria das malhas a a o derivativa amplifica o ru do de alta frequ ncia e a sintonia mais complicada como resultado da intera o entre os outros modos O modo derivativo muda a sa da do controlador em uma quantidade proporcional derivada do erro em rela o ao tempo Ela d uma a o corretiva que se antecipa corre o proporcional tipicamente usada em processos lentos com varia es r pidas de carga O tempo derivativo o tempo requerido para a contribui o da a o proporcional se igualar a
66. requerido como na Fig 4 Pode se agora especificar que periodicamente uma garrafa vai para debaixo da v lvula de sa da como mostrado na Fig 5 O n vel deve ser mantido no ponto de ajuste enquanto a v lvula de sa da estiver aberta e a garrafa cheia Esta exig ncia pode ser necess ria para garantir uma coluna de l quido constante durante o enchimento da garrafa Este processo ir requerer um sistema de controle cont nuo usado para ajustar a vaz o de entrada durante o enchimento da garrafa atrav s da v lvula de sa da O sistema de controle cont nuo ser ligado ou desligado como um equipamento discreto Pode se ver que o processo de controle cont nuo justo uma parte do processo global de estado discreto 9 4 Controle L gico vaz o entrada ligado desligado vaz n sa da cheia vazia ligado v lvula desligado garrafa A motor da esteira Ee f ausente fcio desligado Fig 5 Controles cont nuo e discreto combinados 3 2 Especifica es do processo A especifica o da seq ncia de eventos em algum processo de estado discreto diretamente ligada ao processo em si O processo especificado em duas partes 1 objetivos do processo 2 natureza do equipamento para conseguir os objetivos Para participar no projeto e desenvolvimento de um sistema de controle para o processo essencial entender estas duas partes Objetivos do processo Os objetivos do proce
67. rios m todos e estrat gias de controle O desenvolvimento matem tico o m nimo poss vel e usado apenas para enfatizar os aspectos f sicos e a teoria de opera o das a es de controle O presente trabalho faz uma revis o dos conceitos de Processo Industrial cont nuo e discreto mostrando os par metros de dificuldade de controle como tempo morto e caracter stico S o apresentadas as diferentes estrat gias de controle atrav s da Malha de Controle enfatizando a realimenta o negativa que a base da maioria absoluta das aplica es praticas E apresentado o Controlador com suas partes constituintes e para fixar id ias s o detalhados os funcionamentos do Controlador Anal gico pneum ticos de painel e campo eletr nico com amplificadores operacionais e o Controlador Digital microprocessado como single loop e o bloco de controle de sistemas digitais As a es de Controle s o explicadas quando s o mostradas caracter sticas e aplica es das a es Proporcional Integral e Derivativa e apresentados os v rios m todos de Sintonia do Controlador opera o fundamental para a opera o est vel e eficiente da malha de controle De um modo simples s o apresentados os esquemas mais complexos envolvendo o Controle Multivari vel onde s o vistos os conceitos configura es e aplica es dos sistemas de controle cascata rela o de vaz es faixa dividida e auto seletor Finalmente atendendo sugest es de alunos
68. t o pequena por causa do elevado per odo natural que n o dispon vel no controlador pr tico E Apostilas Controle 2Processo DOC 24 ABR 00 Substitui 02 DEZ 98 2 18 3 Malha de Controle Objetivos de Ensino 1 Conceituar malha de controle com as fun es dos instrumentos 2 Mostrar as diferen as b sicas entre malhas passiva e ativa aberta e fechada 3 Apresentar as caracter sticas da malha fechada com realimenta o negativa 1 Malha de Controle Por mais complexo que seja o processo seu controle autom tico realizado pela malha de controle O sistema de controle com muitas vari veis independentes pode ser dividido sucessivamente at se chegar ao m dulo unit rio mais simples que a malha de controle de uma nica vari vel A malha uma s rie de instrumentos interligados entre si que produz um resultado til e desejado com pequena ou nenhuma supervis o humana A principal caracter stica de uma planta de processo bem projetada sob o ponto de vista de controle a grande produ o com poucos operadores de processo Ha muitos modos diferentes de se instrumentar um processo sob o ponto de vista de equipamentos Pode se usar a instrumenta o pneum tica ou a eletr nica pode se usar a t cnica anal gica ou a digital pode se escolher entre a arquitetura modular ou a integral pode se ter o controlador montado no campo ou na sala de controle remota Por m a de
69. tico de 3 a 15 psig e eletr nico de 4 a 20 mA cc S o pouco usados 0 a 20 mA cc n o faixa detectora de erro 10 a 50 mA cc n vel elevado e perigoso 1a 5 V cc tens o n o conveniente para a transmiss o Fig 3 5 Transmissor eletr nico com indica o J s o dispon veis transmissores que incorporam o microprocessador em seu circuito eletr nico Isto possibilita e facilita as opera es de computa o matem tica de alarme de sequ ncia l gica e de intertravamento S o os chamados transmissores inteligentes 2 5 Transdutor i p Entre o controlador eletr nico e a v lvula de controle com atuador pneum tico necess rio o instrumento condicionador de sinal transdutor i p O transdutor converte o sinal padr o eletr nico de 4 a 20 mA no padr o pneum tico de 20 a 100 kPa 3 a 15 psi O transdutor permite o uso de instrumentos 3 20 Malha de Controle pneum ticos e eletr nicos na mesma malha Eles s o chamados incorretamente de conversores Fig 3 6 Transdutor i p montado na v lvula 2 8 Controlador O controlador o principal instrumento da malha e por isso ser estudado longamente em um cap tulo especial A fun o do controlador a de receber o sinal da medi o da vari vel compara lo com um valor de refer ncia e atuar no processo para que a medi o seja igual ou pr xima ao valor de refer ncia Normalmente o controlador recebe o sinal do transmi
70. trica sem a interfer ncia do operador humano Um sistema de controle autom tico deve ser capaz de monitorar e controlar o status ou estado dos dispositivos do processo Em termos de fazer a sopa isto significa que devem ser instalados 1 um vaso com tubula es associadas 2 equipamentos de pesagem e dosagem 3 instrumentos de medi o de press o temperatura vaz o n vel 4 v lvulas de controle e de seguran a 5 motores para agitadores e bombas 6 aquecedores e resfriadores Depend ncia do tempo A ess ncia de um sistema de controle de processo batelada operando corretamente garantir que baseado se em uma receita os equipamentos de controle do processo tenham o status apropriado ou a posi o correta no tempo requerido para uma determinada dura o de tempo durante o processo ou at que certos valores de par metros do processo sejam atingidos Uma caracter stica de um processo de batelada a depend ncia do tempo Os produtos da batelada s o feitos em uma unidade de processo transferidos para outra unidade requerendo a partida ou parada destas unidades de processo O produto de uma unidade pode ser totalmente diferente do produto de outra unidade mesmo que requeiram o mesmo equipamento O controle do processo de batelada est relacionado portanto com estados transit rios de controle bem como estados de regime permanente no processo Neste aspecto o processo de batelada diferente do proce
71. vel Condensador 0 TC Alimenta o EN gt lt FC Vapor Refervedor T a o 7 she 4 Produtos leves Coluna de Distila o CN Condensado Produtos pesados Dad Fig 3 1 Esquema simplificado do controle convencional com realimenta o negativa aplicado a uma coluna de destila o 8 25 Controle Multivari vel Alimenta o Vapor Refervedor E OEO A Coluna de Distila o T x Condensado Condensador Acumulador POL Produtos leves Produtos pesados Fig 3 1 Esquema simplificado do controle com realimenta o negativa cascateado pelo controlador preditivo antecipat rio aplicado a uma coluna de destila o 8 26 Controle Multivari vel Controlador Preditivo Antecipat rio Va Y E acumulador iT Alimenta o CA di D Reflixn Vapor CA a Ca 2 4 Coluna de Distila o E Fig 3 1 Esquema simplificado do controle preditivo antecipat rio aplicado a uma coluna de destila o associado ao controle com realimenta o negativa Condensador LC Produtos leves Produtos pesados LDE 8 27 Controle Multivari vel O sistema de controle pode ter o controlador com realimenta o negativa associados ao controlador preditivo antecipat rio A medi o da vaz o de entrada do efluente deve ser modificada de modo que se tenha a mesma natureza logar tmica do pH O instrumento a ser usado al m do eventual extrator de raiz
72. vel do processo para o processador central em passos discretos A vari vel do processo est subindo em uma taxa devagar e est vel No controlador anal gico isto produz um termo derivativo lento e constante Por m como estes dados s o amostrados e convertidos em passos discretos Como a a o derivativa toma o dado que chega como novo responde de modo r pido primeiro para cima e depois para baixo E esta oscila o brusca que torna o uso do controlador digital com apenas a a o derivativa question vel As vezes pode ser necess ria uma computa o mais sofisticada da a o derivativa ou ent o n o se usa esta a o 4 Sa da do comando Depois que termina o c lculo do bloco PID fica se pronto para acionar a sa da Esta sa da pode ser liga desliga com banda morta com tempo proporcionado acionada por ngulo de fase modulada por largura de pulso ou corrente ou tens o anal gica Para processos com resposta lenta e com pouca varia o de carga o controle liga desliga trabalha bem Quando o c lculo PID mais positivo que um n vel positivo definido de banda morta a sa da ligada usualmente 115 V ou de contatos de forma C Quando o c lculo PID fica mais negativo que um n vel de banda morta negativo definido a sa da desligada Os n veis de banda morta s o necess rios para evitar que o atuador e o processo ciclem Processos com resposta lenta que requerem controle melhor que o liga
73. 1 Um qu mico desenvolve o processo no laborat rio ou na planta piloto atrav s de uma receita geral 2 Um engenheiro produz uma receita local da receita geral do qu mico 3 O engenheiro de controle adapta a receita local para adequar ao equipamento espec fico da planta criando uma receita mestre 4 O operador ajusta a receita mestre para fazer uma batelada espec fica criando uma receita de controle 10 17 Controle Batelada EA a lt gt Programas Console Seq ncia do Operador Regula o Detec o e Atua o Fig 11 12 N veis hier rquicos de controle Console do Operador Fig 11 13 Instrumenta o para diferentes n veis hier rquicos de monitora o e controle 10 18 Controle Batelada 3 Controle da Batelada 3 1 Introdu o H duas t cnicas b sicas e diferentes para controlar um processo batelada 1 controle sequencial temporizado 2 controle acionado por eventos 3 2 Controle de batelada sequencial temporizado Esta t cnica de controle batelada envolve a execu o de tarefas espec ficas baseadas apenas no tempo O pessoal de pesquisa e desenvolvimento e o engenheiro de aplica o elaboram uma sequ ncia correta com tempos determinados para fazer um produto repetit vel Esta t cnica pode ser usada quando n o se tem rea o exot rmica ou outra condi o perturbadora que possa causar resultados indesejados Geralmente inclui as fun
74. 17 2 7 Controle PH D 15 e 7 9 Controlador WEST 17 2 8 Sistema Autom tico Manual 15 ui 7 10 Controlador Yokogawa 18 2 9 Desligamento autom tico 16 7 11 Controlador Moore 18 2 10 Ponto de ajuste remoto 16 2 11 Sintonia do Controlador 17 8 Bloco PID 19 2 12 Elemento Sensor 18 8 1 Introdu o 19 2 13 Instru es para Especifica o 18 8 2 Princ pios PID 19 8 3 Fun es PID do CLP 20 3 Controlador SPEC 200 19 ii 3 1 Descri o e Fun es 19 9 Controlador virtual 22 3 2 Instru es para Especifica o 21 3 3 Especifica es Normais 21 Controle de Processo 8 7 Sum rio 34 7 Sintonia do Controlador Ba Bone aao 5 Objetivos de Ensino 1 8 Controle Multivari vel 1 A o ou modo de controle 1 Objetivos de Ensino 1 2 A o Liga Desliga 2 1 Introdu o 1 2 1 Conceitos 2 2 2 Aplica es 3 2 Realimenta o negativa 2 3 A o Proporcional 4 3 Controle Cascata 3 3 1 Conceito 4 3 1 Introdu o 3 3 2 Rela o Matem tica 5 3 2 Conceito 4 3 3 Desvio Permanente 6 3 3 Objetivos 5 3 4 Reset manual e autom tico 7 3 4 Vantagens 6 3 5 Aplica es da A o Proporcional 8 3 5 Satura o do modo integral 6 3 3 6 Aplica es 6 4 A o Integral 9 4 1 Conceito 9 4 Controle de Faixa Dividida 8 4 2 Rela o Matem tica 9 4 1 Conceito 8 4 3 Caracter sticas 10 4 2 Aplica es 8 4 4 Satura o do Modo Integral 11 5 Balan o de Cargas 9 4 5 Aparecimento da Satura o 12 4 6 Elimina
75. 4 A o Integral 4 1 Conceito A a o integral proporcional integral no tempo do erro entre a medi o e o ponto de ajuste Ou interpretando a integral a a o corretiva proporcional a dura o do erro existente entre a medi o e o ponto de ajuste A a o integral discrimina o erro entre a medi o e o ponto de ajuste pela sua dura o O erro que dura muito tempo para ser eliminado produz uma grande a o corretiva o erro de curta dura o gera uma pequena a o integral de corre o banda proporcional movida curva do processo 20N Ann Ann RNN 1000 SP Fig 7 12 Mecanismo pelo qual a a o integral elimina o erro permanente offset do controlador temperatura reset manual aiustado anui Fig 7 13 Reset manual do controlador proporcional A a o integral uma a o de controle complementar a o proporcional O seu prop sito o de prover a a o de controle adequada com as varia es da demanda ou do suprimento do processo Como estas varia es de carga do processo implicavam na exist ncia do desvio permanente entre a medi o e o ponto de ajuste o objetivo da a o integral o de eliminar o desvio permanente deixado pela a o proporcional Por esta fun o a a o integral chamada de a o reset ou de reajuste Ela elimina o erro residual reajustando o valor da medi o igual ao ponto de ajuste A a o integral elimina o des
76. 5 finalmente ajustam se os valores dos par metros do seguinte modo dobrando se o valor da banda proporcional ou se divididno por 2 0 valor do ganho BP 2 BP ou Gf 0 5 Ge onde BP a banda proporcional final a ser ajustada no controlador BP a banda proporcional que provoca oscila es constantes ou Gr o ganho final a ser ajustado no controlador Ge o ganho que corresponde ao processo com oscila es n o atenuadas nem crescentes mas com amplitudes constantes Quando se usa o modo integral associado ao modo proporcional deve se aumentar a largura da banda proporcional Os valores a serem ajustados no controlador P s o BP 2 2 BPC Ti 0 83 Pc onde Pc o per odo da oscila o permanente Finalmente quando o controlador possui os tr s modos de controle P D os ajustes s o BP 1 67 BP Ti 0 5 Pe Td 0 125 P Note se que a introdu o da a o derivativa possibilitou o estreitamento da banda proporcional portanto melhoramento a sensibilidade do controlador A a o derivativa permite tamb m uma maior a o integral ao controlador As desvantagens desse m todo de sintonia s o as mesmas que o m todo anterior Ali s calcular a banda proporcional que provoca oscila es com amplitudes constantes e dobrar essa banda proporcional na realidade tamb m provoca amortecimento de 4 1 Como o anterior o m todo do ponto final 1 um m todo i
77. Controle de T FeL 5 5 Controle de T F Le A 5 6 Controle preditivo antecipat rio 5 7 Controle supervis rio 5 8 Controle digital direto 5 9 Controle digital distribu do 8 8 8 9 10 10 11 11 12 12 2 Processo Industrial Objetivos de Ensino 1 Processo Industrial 1 1 Conceito 1 2 Processo Cont nuo 1 3 Processo Batelada Batch 1 4 Processo discreto 1 5 Processo de Manufatura de P e as 2 Vari veis do Processo 2 1 Introdu o 2 2 Vari vel Controlada 2 3 Vari vel Medida 2 4 Vari vel Manipulada 2 5 Vari veis Aleat rias e Dist rbios 2 6 Grau de Liberdade e Vari veis 3 Controle do Processo 3 1 Controlabilidade do Processo 3 2 Par metros Din micos 3 3 In rcia 3 4 Tempo Morto 3 5 Tempo Caracter stico 4 Tipos B sicos de Processo 4 1 Processo Auto Regulante 4 2 Processo Integrante 4 3 Processo Runaway N N UVU N AO co o o u N 10 11 11 12 12 13 17 17 18 19 1 1 Controle de Processo 5 Estabilidade do Processo 5 1 Rea o ao Degrau do Processo 5 2 Crit rios de Estabilidade 5 3 Fun o de Transfer ncia 5 4 Ganho 5 5 Banda Proporcional 5 6 ngulo de fase 5 7 Oscila o 5 8 Satura o 5 9 Amortecimento 5 10 Condi es de Estabilidade 3 Malha de Controle Objetivos de Ensino 1 Conceito de Malha 2 Instrumentos da Malha 2 1 Elemento Sensor 2 2 Indicador 2 3 Registrador 2 4 Transmissor
78. E 15 x BP XE 1100xK xk xK BP 1 25 Sintonia do Controlador A adi o da a o integral usualmente n o afeta o pico do erro apreciavelmente desde que a dura o do pico pequena em rela o ao tempo integral Se a banda proporcional pequena BP lt lt K xK X Km x 100 a equa o do pico do erro se simplifica KxBP Ee xE 100 xK x K xKm BP ou e KxBP a 100 onde E o pico do erro da vari vel controlada K uma constante de proporcionalidade K 1 1 para amortecimento de 4 1 PB a banda proporcional do controlador T o tempo integral do controlador minutos repeti o K o ganho em regime da v lvula de controle K o ganho em regime do processo Km O ganho em regime da medi o Eo o erro em regime da malha aberta A equa o do pico do erro mostra que ele igual ao erro acumulado multiplicado por K Ti Todas as conclus es relativas ao erro acumulado como fun o do tamanho do dist rbio sintonia do controlador rangeabilidade e resolu o da banda proporcional e dos ganhos componentes da malha tamb m se aplicam ao pico do erro A precis o da equa o para o pico do erro n o t o boa como a do erro acumulado desde que a constante de proporcionalidade K varia com o grau de amortecimento b Pontos de sintonia de um controlador pneum tico Fig 7 26 Sintonia em controlador anal gico 8 2 Modos do Controlador Os control
79. K K3 dx peac Tm Ty K R dt 1 Rqu xa x0 RaYf x3 xo dt Xq Xgo 3 3 A eq 3 3 representa o caso geral de um sistema com tr s capacidades sendo controlado por uma se o de controlador contendo dois atrasos de tempo E uma expresso comprida mas uma vez as constantes do sistema sejam inseridas obt m se valores num ricos simples para todos os coeficientes tamb m a eq 3 3 envolve um controlador possuindo as tr s a es proporcional integral e derivativa Como descrito anteriormente a mesma equa o pode ser usada para obter a equa o de malha fechada para um processo de tr s capacidades controlado menos envolvido Por exemplo seja um processo de tr s capacidades sendo controlado por um controlador ideal com apenas a a o proporcional e com nenhum atraso no sistema Deste modo os termos Tm Tv beta e gama s o zero Substituindo estes valores na eq 3 3 tem se 3 2 d o XI qa K 3 gt dt dt 1 Rqo xa Xo Xg Xgo 3 38 q Assim uma vez obtida a express o geral para um dado processo e controlador simples obter outras equa es de malha fechada 3 5 Conclus es Completou se o objetivo de combinar as equa es do processo e do controlador para se obter a equa o do sistema de malha fechada V rias combina es de processos e de controladores foram descritas para possibilitar a aplica o de procedimentos em casos an logos Uma vez obtida a exp
80. Partir o sistema de controle de n vel 1 Operar por um tempo suficiente para se atingir o ponto de ajuste ou 2 Colocar outro sensor de modo que o sistema saiba quando o ponto de ajuste atingido C Quando o n vel atingido parar o controle de n vel D Ir para a fase de opera o Il Fase de opera o A Ligar a esteira das garrafas B Quando a garrafa estiver na posi o 1 Parar a esteira 2 Abrir a v lvula de sa da 3 Ligar o sistema de controle de n vel para manter o n vel constante durante o enchimento da garrafa C Quando a garrafa estiver cheia 1 Fechar a v lvula de sa da 2 Parar o sistema de controle de n vel D Ir para o passo II A e repetir Notar que equipamento foi adicionado ao sistema quando a sequ ncia de evento era constru da Equipamento hardware e programa software s o geralmente desenvolvidos em conjunto Diagrama de fluxo da sequ ncia de eventos Flowchart normalmente mais f cil visualizar e construir a sequ ncia de eventos se uma diagrama de fluxo usado para apresentar em forma de figuras o fluxo de eventos Embora existam v rios tipos sofisticados de diagramas de bloco o conceito pode ser apresentado facilmente usando tr s s mbolos mostrados na Fig 9 A narrativa descritiva pode ent o ser simplesmente reformatada em s mbolos de diagrama de fluxo Geralmente mais f cil expressar a sequ ncia de eventos diretamente em termos de s mbolos de diagrama
81. T h MoMa o 613 M4 Ma de modo que as ra zes para M4 s o 2 M MoMa MoMa MM5 2M 2M M 6 14 A inspe o da eq 6 14 mostra que para M4 ter qualquer raiz real necess rio que 2 MM3 MoM5 eis 2M4 Ma ou escrevendo de modo diferente 2 2 M3 M2 mo gt 0 6 16 M 4M 5 8 Gr fico da eq 6 13 para mostrar efeito de Tornando o valor da eq 613 igual a Q tem se M3 M3 Um gr fico de M4 versus Q mostrar o efeito de M4 que contem o coeficiente no limite da estabilidade do sistema quando todas as outras constantes permanecem inalteradas Este gr fico mostrado na Fig 5 1 2 M Tr h MM q 617 5 9 Efeito das a es integral e derivativa O efeito da resposta integral que est contida no coeficiente Mo aparece na eq 6 16 Aqui aparente que para existir estabilidade deve se satisfazer a seguinte desigualdade 2 M lt M2 6 18 AM Substituindo o valor real de Mg tem se MZ Roy lt amp 6 19 aY lt ZM I que mostra que o valor da resposta integral deve sempre satisfazer a eq 6 19 ou o sistema ser inst vel O coeficiente Mo contem a resposta derivativa que se modificada pode agir para satisfazer a eq 6 19 se o controle est pr ximo da faixa apropriada Para resumir as conclus es acima pode se estabelecer os seguintes efeitos sobre um sistema deste tipo que quase n o est vel ou est no limite de ficar inst
82. Tem se a mesma situa o da Fig 4 por m os objetivos s o diferentes e as vari veis n vel e ajuste s o discretos porque agora eles podem assumir somente dois valores Isto significa que a v lvula pode somente estar aberta ou fechada e o n vel est acima ou abaixo do ponto de ajuste Agora o objetivo encher o tanque at um certo n vel sem vaz o de sa da Para fazer isto especifica se uma sequ ncia de evento 1 Fechar a v lvula de sa da 2 Abrir a v lvula de entrada e deixar o tanque encher at o n vel desejado como indicado por uma chave 3 Fechar a v lvula de entrada quando o n vel atingir o valor desejado v lvula liga aberta desliga A fis chave n vel aberta tikadi vaz o sa da Fig 4 Controle discreto de n vel O n vel certamente n o vai se alterar at quando em algum momento mais tarde a v lvula de sa da aberta e h vaz o de sa da Notar que as vari veis medi o de n vel ajuste da v lvula de entrada e ajuste da v lvula de sa da s o quantidades de dois estados N o h medi o cont nua ou sa da cont nua sobre uma faixa Controle composto discreto e cont nuo poss vel para um sistema de controle cont nuo ser parte de um sistema de controle de processo com estado discreto Seja ainda o exemplo do sistema de tanque descrito na Fig 3 Neste caso especifica se que a v lvula de sa da est fechada e o tanque se enche at o n vel
83. a o integral pode ser prejudicial ao controlador provocando a satura o da sua sa da Na pr tica a sa da do controlador ultrapassa o valor de 100 da sa da e vai atingir o valor da alimenta o do sistema Em n meros no controlador pneum tico a satura o do modo integral leva a sa da do controlador at 20 psig muito al m do limite de faixa que 15 psig Se o controlador eletr nico com o sinal padr o de 0 a 10 V cc alimentado por 15 Vcce 15Vcc a sa da ir para 15 V cc tamb m al m 50 do fim de escala que seria 10 V cc Ali s o fen meno de satura o a depender da a o direta ou 111 Sintonia do Controlador inversa do controlador pode acontecer tamb m no in cio da faixa Nesse caso o controlador fica com a sa da saturada em 0 psig ou O V cc Esse fen meno chamado de satura o do modo integral ou reset wind up ou menos comumente de reset wind down quando a sa da vai para o princ pio da faixa 4 5 Aparecimento da Satura o A satura o do modo integral pode ocorrer nas seguintes situa es 1 a ocorr ncia de uma varia o brusca e demorada tipo degrau entre a medi o e o ponto de ajuste da vari vel de processo 2 a carga do processo excede os limites da vari vel manipulada 3 a manipula o da vari vel obstru da por uma falha de equipamento como desligamento de bomba falta de energia bloqueio da v lvula emperro da haste da v lv
84. a ind stria de produ o de a o o engenheiro metal rgico para a ind stria de alimento o engenheiro qu mico de alimento Equipamento do processo Depois de estabelecidos os objetivos do processo vem o projeto do equipamento para realizar estes objetivos Este equipamento est ligado intimamente a natureza da ind stria e seu projeto deve vir dos esfor os combinados do pessoal de produ o processo e controle Para o especialista do sistema de controle o essencial desenvolver um bom entendimento da natureza do equipamento e suas caracter sticas 9 5 Controle L gico A Fig 7 mostra uma representa o pictorial do equipamento de processo para um sistema de esteira O objetivo encher caixas movendo as em duas esteiras de um silo de alimenta o comum e um sistema de esteiras de material O especialista de controle de processo pode n o estar envolvido no desenvolvimento deste sistema Para desenvolver o sistema de controle deve se estudar o equipamento cuidadosamente e entender as caracter sticas de cada elemento Em geral o especialista analisa o equipamento e considera como cada parte est relacionada com o sistema de controle H realmente apenas duas categorias b sicas 1 Equipamentos de entrada para o sistema de controle A opera o destes equipamentos similar fun o de medi o de sistema de controle cont nuo No caso de controle de processo a estado discreto as entrada
85. a m xima quantidade de material ou energia que pode ser armazenada em um equipamento ou sistema A capacidade uma grandeza est tica relacionada apenas com o tamanho de armazenagem de fluido ou de energia A capacit ncia uma grandeza din mica que relaciona a capacidade com outra vari vel de processo E definida como a varia o da quantidade de material ou energia necess ria para fazer uma varia o unit ria na vari vel do processo Por exemplo capacit ncia o n mero de litros de gua necess rios para variar um n vel do tanque por um metro Em outras palavras para fazer uma varia o na vari vel controlada alguma quantidade de vari vel manipulada deve ser fornecida ou removida esta quantidade dividida pela varia o a capacit ncia A Fig 2 16 mostra dois tanques tendo a mesma capacidade 72 m mas com alturas diferentes 6 metros e 4 metros Suas capacit ncias s o diferentes a do tanque alto vale 72 m3 6 m 12 m3 m a do tanque baixo vale 72 m3 4 m 18 m3 m Em tanques de mesma capacidade mas de diferentes capacit ncias para a mesma varia o de volume do l quido em ambos os tanques o n vel no de maior Processo Industrial capacit ncia mais est vel Geralmente quanto maior a capacit ncia de um processo mais f cil seu controle Quando se quer controlar o n vel dos dois tanques o processo mais sens vel no tanque alto menor capacit ncia do que no tanque baixo maior
86. ao microprocessador necess ria por causa do desempenho confi vel em um ambiente industrial hostil A perda de alimenta o deve ser detectada e a unidade de processamento central notificada Par metros e informa o chave acerca do estado do processamento devem ser armazenados em uma mem ria que n o pode ser perdida ou afetada pela falta de energia As sa das e alarmes devem ser levados automaticamente para uma condi o segura predefinida e programada Quando a energia restaurada estes par metros devem ser recuperados e o processamento deve continuar de onde ele foi interrompido ou reiniciado de algum outro ponto pr programado Esta fun o do bloco Reset e Power up Deve se evitar a tenta o de limpar todos os par metros e come ar do zero depois de cada volta de energia Seria impratic vel e intoler vel ter que reentrar com os par metros de opera o atrav s do painel do controlador ou de um computador supervis rio ap s cada interrup o de alimenta o Indica o digital Indica o de barra gr fica Chave do Indica o 1 pulsador digital crose EEE OPEN ENTER E STEP TUNE STE TUNE pano Chaves para Tese para Ghana n configura o sintonia Painel de acesso Fig 6 3 Controlador single loop Moore Autodiagn stico uma caracter stica inigual vel do controlador single loop No inicio das opera es o controlador deve executar as instru
87. at restaurar o equil brio interno e eliminando o desvio entre a medi o e o ponto de ajuste O ajuste da restri o que determina o valor da a o integral Quando se restringe muito a realimenta o integral diminui a a o integral e o controlador leva muito tempo para restabelecer o equil brio No caso extremo quando se fecha completamente a restri o o controlador fica sem a a o integral resumindo se em um controlador proporcional puro incapaz de tornar a medi o igual ao ponto de ajuste Quando se abre muito a restri o aumenta se a a o integral do controlador fazendo se mais rapidamente eliminado o desvio permanente No caso extremo quando se abre totalmente a restri o a realimenta o do fole integral anula imediatamente a realimenta o do fole proporcional Ou seja n o h realimenta o o controlador fica inst vel p s na realidade um controlador liga desliga 2 7 Controle Proporcional Integral Derivativo A a o derivativa geralmente associada s outras duas a es proporcional e integral Raramente usado apenas com o modo proporcional A a o derivativa envolve tamb m o uso de uma restri o ajust vel e um tanque capacitivo O circuito derivativo colocado na linha de realimenta o negativa que vai para o fole proporcional O funcionamento agora o seguinte 1 o processo est balanceado a sa da do controlador est constante a medi o e
88. bricas e l gicas A solu o de equa es dentro do computador digital bin rio forma a base da programa o do computador Essencialmente o sistema de numera o bin rio n o facilmente adapt vel solu o de equa es com a exce o de equa es l gicas bin rias Para resolver mesmo as equa es alg bricas mais simples s o usadas t cnicas complexas como de 11 18 Computador como Controlador aproxima es de s ries infinitas procura em tabela simula o da equa o itera o aproxima es sucessivas A maioria destas t cnicas requer manipula es aritm ticas relativamente muito simples que coletivamente simula a solu o de processos matem ticos mais complexos tais como multiplica o divis o integra o diferencia o potencia o radicia o O que torna o computador digital bin rio aceit vel para a solu o de equa es a sua extremamente alta velocidade de execu o das opera es elementares O computador digital pode fazer literalmente centenas de milhares de adi es subtra es e deslocamentos em um segundo compensando assim a dificuldade de programa o para estes c lculos A solu o de equa es alg bricas e diferenciais pode ser obtida pelos mesmos elementos l gicos aritm ticos bin rios anteriores A capacidade computacional e a velocidade do computador seriam aumentadas com a multiplica o digital por m isto muito caro e raramente
89. caixa para uso e recupera o posterior enquanto sua localiza o for lembrada As palavras armazenadas nestes caixas possuem um n mero especifico de bits bin rios em comprimento O n mero de bits manipulados pelo computador e normalmente pela sua unidade de mem ria simultaneamente em uma opera o simples tecnicamente referido como o comprimento da palavra do computador A grande maioria dos computadores usa correntemente palavra de 32 bits computadores muito pequenos usavam 16 bits e os grandes usam 64 bits L Fig 9 3 Computador com interfaces E S H v rios tipos de mem ria cada uma basicamente muito diferente na estrutura f sica e na aplica o que s o normalmente usadas com um computador de controle de processo A mem ria do tipo n cleo magn tico tem sido a reserva para as mem rias prim rias do computador por causa de sua flexibilidade e pelo fato que ela n o perde sua informa o quando desenergizada Ela requer uma consider vel quantidade de pot ncia el trica para operar e o tipo mais caro de mem ria baseado no custo bit armazenado H v rios projetos b sicos de mem rias a semicondutor que se tornaram pr ticas para uso em computadores de controle de processo Estas mem rias requerem muito menor energia el trica para operar s o fisicamente muito menores e s o muito mais baratas custo bit mas perdem todas 11 7 Computador como Controlador a capacidade de armaze
90. capacit ncia Para a mesma varia o de volume em ambos os tanques o n vel no tanque alto ter uma maior varia o O tanque alto tem menor capacit ncia resposta mais r pida e mais dif cil de ser controlado dentro de uma dada faixa Aumentando a capacit ncia para uma dada faixa de controle melhora a estabilidade da vari vel controlada em resposta a um dist rbio Capacidade T 6x4x3 72 metros c bicos Capacit ncia rm A Tanaue alto Capacidade 4 x 6 x 3 72 m3 Capacit ncia 72 m 18 m3m l fi f T T T T Tanaue baixo Fig 2 16 Capacidade e capacit ncia do tanque Na pr tica e em controle de processo o par metro mais significativo do tempo caracter stico a capacidade Quando se compara a dificuldade de controle de um sistema com tempo morto e com capacidade a capacidade um elemento mais f cil de ser controlado A vari vel de processo com predomin ncia capacitiva o n vel de liquido em tanque Outro exemplo a press o de g s em volume constante As respostas dos elementos de capacidade diferem das respostas do 2 14 elemento de tempo morto em dois pontos significativos 1 n o ocorre atraso antes da medi o come ar a variar isto nenhum tempo morto est associado com o elemento capacitivo 2 a capacidade inibe a taxa em que a medi o pode variar Por causa do n vel ser uma medi o da armazenagem
91. causa do tamanho do dial ou do bot o da falta de gradua o intermedi ria e da imprecis o dos ajustes do modo Os controladores digitais nos sistemas de controle distribu do SDCD e os single loop s o sintonizados tipicamente pela entrada de n meros digitais via teclado do console ou por um pequeno sintonizador port til Os ajustes do modo s o variados em incrementos discretos mas o tamanho do incremento tipicamente t o pequeno que a resolu o dos ajustes do modo muito maior do que para os controladores anal gicos O ajuste do modo indicado digitalmente com tr s ou mais algarismos significativos As unidades dos ajustes do modo devem ser verificadas cuidadosamente para n o haver enganos grosseiros O modo proporcional pode ser ajustado em percentagem de banda proporcional anal gicos ou em ganho adimensional digitais As unidades do modo integral podem ser em repeti es por unidade de tempo a o integral ou unidade de tempo por repeti es da a o proporcional tempo integral As unidades do modo derivativo s o em unidades de tempo A unidade de tempo t pica para os modos integral e derivativo o minuto A sintonia do controlador uma opera o que deve ser feita com o processo em regime permanente na condi o mais prov vel de opera o depois que todas as condi es do projeto tenham sido satisfeitas os equipamentos instalados e os instrumentos calibrados Quando a malha de
92. como engenheiro de pesquisa e desenvolvimento especialista de processo operador e instrumentista Os processos de batelada originais eram t o elaborados que requeriam muita aten o e experi ncia para fazer produtos com uma qualidade consistente Atualmente tem se um enfoque mais cientifico e muitas incertezas na qu mica e f sica foram reduzidas ou resolvidas Historicamente o crescimento do conhecimento dos fen menos f sicos e qu micos junto com o aparecimento de novas tecnologias m todos e t cnicas possibilitaram o engenheiro de controle automatizar as fun es descritas acima A automa o come ou com as medi es do processo e com os atuadores diretos na planta Depois se seguiu a automa o das fun es de controle l gico de intertravamento e do controle regulat rio Gradualmente a automa o foi aplicada ao controle da sequ ncia e nos n veis de programa o A automa o sempre foi inspirada pela exig ncia ou demanda de 7 aumentar a seguran a 8 proteger o ambiente 9 melhorar a sa de e trabalho do operador 10 melhorar a qualidade do produto 11 aumentar a efici ncia e produtividade 12 controlar os tempos de entrega Equipamento Para automatizar o controle do processo vital e necess rio instalar equipamentos e dispositivos em linha com o processo para a medi o e controle das vari veis de interesse e atuadores que possam ser acionados atrav s de energia mec nica e el
93. controlador fechada desaparece da tela Tela de ajuda Quando operador clica na tecla virtual ATUALIZA o novo valor entra e foi feita a altera o Quando o operador clica na tecla virtual AJUDA aparece a tela de ajuda Teia de Ajuda PID l l Fig 33 Tela de ajuda de sintonia 6 25 Controlador Digital Janelas de modifica o de ajustes Em todas as telas de modifica o de ajustes Modify Tag Value h as seguintes informa es 1 Nome do tag Tag Name Descri o do par metro alterado Valor corrente Novo valor a ser ajustado Janela com o novo valor Teclas para confirmar OK Cancelar Cancel ou de Ajuda Help Se operador clica em OK o novo valor confirmado se clica em Cancel o antigo valor mantido Quando ele clica em Help aparece a janela de ajuda Se o valor entrado est fora da faixa aceit vel aparece uma janela informando o fato e o operador tem que entrar com um valor aceit vel o EON Cannot change tag value x IN Number out of range 0 100 Fig 34 Janela de alerta para entrada de valor inv lido de qualquer par metro Tend ncia do controlador Quando o operador clica na chave virtual com um cone de gr fico aparece a tela com a tend ncia real ou hist rica da vari vel controlada E FAE ZU A Eis star foder Qpsstioro Ogio jise t gt fem LEHTE E iinn idii ra Fig 35 Imagem
94. controlador que pode ser considerado um amplificador ou um computador O controlador autom tico o instrumento que recebe dois sinais a medi o da vari vel e o ponto de ajuste compara os e gera automaticamente um sinal de sa da para atuar a v lvula de modo a diminuir ou eliminar a diferen a entre a medi o e o ponto de ajuste O controlador detecta os erros infinitesimais entre o valor da vari vel de processo e o ponto de ajuste e responde instantaneamente de acordo com os modos de controle e seus ajustes O sinal de sa da a fun o matem tica can nica do erro entre a medi o e o valor ajustado que inclui as tr s a es de controle proporcional integral e derivativa A combina o dessas tr s a es e os seus ajuste adequados s o suficientes para o controle satisfat rio e aceit vel da maioria das aplica es pr ticas Para executar estas tarefas O controlador deve possuir os seguintes blocos funcionais 1 Medi o Ponto de ajuste Unidade de compara o Gera o do sinal de sa da Atua o manual opcional Esta o de balan o autom tico Fonte de alimenta o Escalas de indica o PSIO OT E W O 1 1 Medi o No controlador a realimenta o negativa a vari vel controlada sempre deve ser medida Na maioria absoluta dos controladores a vari vel controlada medida tamb m indicada na frente do controlador Nos controladores a microprocessador a indica o feita
95. controlador de vaz o do destilado tamb m dever ser retratada O compensador din mico avan o atraso cuidar desse atraso Outra configura o simplificada esquematizada mostrando como as vari veis de entrada podem ser medidas e usadas para prover o controle preditivo antecipat rio O computador anal gico recebe os sinais de medi o da composi o do produto de alimenta o vaz o da alimenta o temperatura do topo da coluna temperatura do refluxo executa as opera es matem ticas previamente calculadas Os controladores devem atuar nas vari veis manipuladas vaz o do refluxo e vaz o do produto de fundo A sa da do controlador que atua na vaz o do produto de fundo al m da componente de computa o sofre um atraso din mico e uma corre o na realimenta o do controlador convencional Neutraliza o de pH O controle de pH um dos mais complexos e dif ceis pois envolve fun es n o lineares grande tempo morto e grande tempo caracter stico A atividade do on H de uma solu o pode ser medida continuamente atrav s de um eletrodo de pH Esse eletrodo desenvolve uma milivoltagem proporcional a atividade do fon H na solu o aquosa A medi o de pH n o linear mas logar tmica pH log10 H A n o linearidade do pH significa que pr ximo da neutralidade pH 7 pequenas varia es do reagente causam grandes varia es no pH e longe do ponto de neutraliza o pr ximo
96. controlador em termos dos valores presente e pr vio do erro coeficientes e tempo de amostragem Com esta equa o do controlador uma entrada de I s causa uma resposta tima na vari vel de processo PV s Somente para esta entrada um tipo de entrada a sa da otimizada Outros tipos de entradas produzem sa das radicalmente diferentes e inaceit veis Esta deriva o de uma fun o de controle tima H s requer que se conhe a a fun o de transfer ncia do processo G s Quando menos se conhece do processo G s mais pobremente definida ser a sua resposta O segundo enfoque para obter a equa o do controlador o controlador proporcional integral e derivativo PID O controlador PID gen rico Quando sintonizado corretamente ele produz um controle aceit vel para a maioria dos processos industriais Tamb m chamado de controlador tr s modos o controlador PID permite estocar um tipo de controlador para usar com temperatura press o vaz o n vel analise velocidade pH O controlador PID representa o controle de um processo continuo para o qual n o se pode escrever uma fun o de transfer ncia Pode se ter v rias vers es anal gicas do controlador PID No dom nio anal gico cont nuo a sa da do controlador vale 6 9 Controlador Digital de vo Kpe K edt K4 o P f d dt onde e o erro Kp KI e Kd s o constantes Colocando Kd 0 anula se o termo derivativo e resulta u
97. controle sofre modifica o como por exemplo a altera o da faixa de medi o a coloca o ou a retirada do extrator de raiz quadrada a modifica o da caracter stica da v lvula de linear para igual percentagem a coloca o ou a retirada do posicionador da v lvula mesmo que o processo continue est vel para aquela determinada condi o as suas margens de ganho e de fase foram alteradas e a malha deve ser sintonizada de novo A sintonia do controlador envolve os ajustes da banda proporcional do tempo integral e do tempo derivativo O ajuste da banda proporcional equivale ao ajuste do ganho do controlador Os ajustes do tempo integral e do tempo derivativo implicam no atraso e ou adiantamento da a o corretiva Estes ajustes equivalem aos ajustes do ngulo de fase da a o corretiva A maioria dos m todos te ricos e emp ricos de sintonia do controlador estabelece o ganho total da malha igual a 0 50 equidistante do zero n o h controle e um controle inst vel Com este ganho de 0 50 as oscila es do sistema s o amortecidas numa raz o de 4 1 os te ricos sabem e gostam de demonstrar isso matematicamente Pode se chegar facilmente a estes ajustes mesmo sem instrumentos de medi o ajustando se inicialmente o 7 29 Sintonia do Controlador controlador para estabelecer o ganho total igual a 1 e depois ajustando o pela metade O ganho igual a 1 facilmente realiz vel pois tem se a osci
98. da quantidade total de mat ria prima que se desvia da rela o estequiom trica especificada Se a vari vel controlada uma vaz o de utilidade o erro acumulado representa o uso de energia em excesso do ponto de ajuste O erro acumulado o erro integrado onde os erros positivos e negativos s o cancelados pelo volume do sistema para fornecer um erro total acumulado positivo ou negativo O erro absoluto integrado IAE integral absolute error igual ao erro acumulado para uma resposta superamortecida sem oscila es O erro quadr tico integrado ISE integrated squared error pode ser aproximado pela combina o do erro acumulado e o pico do erro Um pequeno erro acumulado n o necessariamente significa uma malha est vel bem sintonizada Um erro acumulado pequeno pode resultar de uma malha que marginalmente est vel desde que os erros positivo e negativo se cancelam na oscila o constante O erro acumulado pode ser precisamente calculado pelo uso de equa es matem ticas relativamente simples se as oscila es tem amplitudes decrescentes O erro acumulado para uma malha fechada pode ser calculada para um dist rbio degrau se a banda proporcional ganho da medi o e ajustes do modo integral do controlador s o todos conhecidos Shinskey mostrou que po ane 100K onde Ei o erro acumulado integrado da vari vel controlada ou o erro da vari vel medida se Km 1 PB a banda proporcional
99. da xq a vaz o de entrada F e as constantes de processo de resist ncia e capacidade Uma lgebra comparativamente mais A4 Enfoque Matem tico complexa necess ria na combina o das equa es acima para a obten o de uma nica express o que ser chamada de equa o do processo E necess rio decidir o n vel do tanque de interesse Por exemplo seja o n vel do tanque 3 x3 O selecionado como o local de interesse Usando se determinantes para derivar a equa o final do processo para o sistema de tr s capacidades 3 2 xX 1 jes X3 nie ok x 4 F q R at dt dt Rg 1 17 onde K3 C4C2C3R2R3R4 1 18a K no C Co5R5Rs C CoR5R9 C1C3R2R4 C1C3R3Rq C2C3R3Rq 1 18b K4 C R gt C R5 C Ry CoRs CoRy CaRy 1 18c Fig 1 3 Processo de n vel de l quido com tr s capacidades A eq 1 17 com valores das constantes K como dados nas eq 1 18 a equa o final do processo para um sistema com tr s capacidades Ela representativa de todos os sistemas com tr s capacidades do tipo mostrado na Fig 1 3 As resist ncias e capacidades do processo est o sendo tratadas como constantes na presente an lise Deste modo uma vez os valores num ricos delas sejam conhecidos e substitu dos na eg 1 18 os valores de K1 K2 e K3 ser o n meros As tr s rela es dadas na eq 1 18 s o extremamente valiosas na determina o de como estes coeficientes podem ser alterad
100. da malha do controlador prim rio deve ser mais lenta que a do prim rio 3 o per odo natural da malha primaria deve ser maior que o da malha secundaria 8 5 Controle Multivari vel 4 o ganho din mico da malha primaria deve ser menor que a da primaria 5 a banda proporcional do controlador prim rio deve ser mais larga que a do controlador secund rio 6 a banda proporcional do controlador prim rio deve ser mais larga que o valor calculado para o seu uso isolado Quando os per odos das malhas primaria e secundaria s o aproximadamente iguais o sistema de controle fica inst vel por causa das varia es simult neas do ponto de ajuste e da medi o da malha secundaria Usualmente o controlador prim rio P I D ou P l e o secund rio P I As combina es t picas das vari veis primaria P e secundaria S no controle em cascata s o temperatura P e vaz o S composi o P e vaz o S n vel P e vaz o S temperatura P e press o S e temperatura lenta P e temperatura r pida S Quando o controlador secund rio de vaz o e recebe o sinal de um transmissor de press o diferencial associado a placa de orif cio deve se usar o extrator de raiz quadrada para linearizar o sinal da vaz o a n o ser que a vaz o esteja sempre acima de 50 da escala Quando se tem controle de processo em batelada ou quando o controlador secund rio est muito demorado pode ocorrer a satura
101. dados usada para representar o valor do erro Um bit em alguma outra palavra definido como um flag para indicar que o erro negativo Neste ponto pode se avaliar e acionar os alarmes Estes alarmes s o de dois tipos absoluto e de desvio Se a vari vel de processo excede o limite absoluto de alarme de alta o alarme absoluto de alta deve ser ativado Se a vari vel de processo cai abaixo do limite absoluto de alarme de baixa o alarme absoluto de baixa deve ser ativado Os alarmes de desvio s o baseados no erro Erro mais positivo do que o limite de alarme de desvio de alta atua este alarme Erro mais negativo do que o limite de alarme de desvio de baixa atua este alarme Os valores destes quatro limites de alarmes devem ser entrados em um ciclo anterior do painel de controle ou do computador supervis rio Alguns controladores fixam os limites de alarme de desvio em 0 5 Como o ponto de ajuste deve se garantir que os valores dos alarmes n o s o perdidos na falta de alimenta o principal do controlador A ativa o de um alarme deve causar duas a es 6 8 Controlador Digital Uma sa da para o mundo real deve ser chaveada Tipicamente isto um tipo de rel C dois contatos normalmente abertos ou normalmente fechados capaz de suportar correntes de contato de 1 A ou mais Assim que detecta uma condi o de alarme o microprocessador deve mostrar o flag apropriado um bit Quando hora
102. das chaves s necess ria e justific vel quando o processo sofre varia es bruscas se aproximando de um processo descont nuo tipo batelada 8 5 Aplica es O sistema de controle unit rio de sele o autom tica empregado nos seguintes casos 1 para prote o de equipamentos quando a sa da do controlador da vari vel que atinge valores perigosos cortada e outro controlador assume o controle 2 para aumentar a confiabilidade da malha de controle quando s o colocados instrumentos redundantes E o que ocorre em 8 14 Controle Multivari vel instrumenta o de plantas nucleares onde se utilizam geralmente tr s transmissores para cada vari vel cr tica um seletor de sinais escolhe o valor mais seguro conforme uma programa o pr determinada para otimizar o controle do sistema de modo que a vari vel com valor mais pr ximo do valor cr tico seja a respons vel pelo controle Tem se v rios controladores por m apenas o controlador da vari vel com o valor cr tico assume o controle do sistema O operador final do controle estar sempre numa posi o segura Controle de Compressor O funcionamento correto do compressor depende basicamente de tr s vari veis 1 a press o de suc o que n o pode ser muito baixa Se a press o de suc o for muito baixa h problema de cavita o na bomba e o compressor pode inverter o sentido do fluxo a carga do motor que n o
103. de 16 bit ser retirada da mem ria do computador e armazenada no registro A Assim uma instru o do computador realmente fez com que v rios comandos internos sejam executados sequencialmente 1 a mem ria foi ciclada e a palavra de dado desejada foi retirada 2 a alimenta o necess ria foi estabelecida de modo que esta palavra de dado seja transmitida para o registro A 3 o comando apropriado pulso gatilho foi gerado e a palavra dado foi armazenada no registro A programa o do computador neste n vel chamada de programa o de linguagem de maquina ou programa o simb lica E o n vel mais baixo de detalhe que qualquer programador deve ou pode trabalhar O programador codifica cada comando individual para a l gica do computador que executa o controle elementar do fluxo de informa o de um ponto a outro dentro do computador ou entre um componente especifico do equipamento interno do computador e um perif rico externo Cada uma destas instru es do programa realmente gera uma sequ ncia de opera es mais b sicas e elementar a ser executada pelos elementos l gicos do computador Por m o programador do computador n o tem controle sobre estas opera es mais b sicas elas s o programadas por fia o na l gica de controle do computador s o acionadas pelas suas instru es e controladas sequencialmente por um mecanismo interno de sincronismo Provavelmente a opera o do computador mais b
104. de atuar no painel frontal ou para comunicar com o computador supervis rio este flag causa o display de aviso no painel frontal e envia mensagem para o computador supervis rio Agora hora de calcular o valor da sa da Obviamente o principal objetivo do controlador acionar o atuador levando o a um ponto que corresponda a medi o igual ao ponto de ajuste erro igual a zero H dois enfoques para determinar o valor da sa da do controlador single loop Pode se escrever a fun o de transfer ncia para o sistema de controle do processo com malha aberta atuador processo sensor e condicionador usando a teoria de controle timo Um sistema de malha simples representado na Fig 6 6 Sua fun o de transfer ncia de malha fechada PV s G s s 1 G s H s Assumindo que se saiba quanto deva ser a vari vel de processo PV s para responder a uma dada varia o de entrada I s pode se derivar uma fun o tima para o controlador H s Resolvendo a eq 1 1 para H s tem se H s s a 1 PV a G s Entrada RG Is Processo de malha aberta Controlador H s Fig 6 7 Sistema de controle com malha fechada Um processo chamado de transformada Z permite a convers o desta equa o no dom nio de Laplace para o controlador no dom nio Z Ent o pode se escrever uma equa o no dom nio do tempo que o mais humano A equa o no dom nio do tempo expressa a sa da do
105. de calor adicionar ingredientes ou remover a panela do fogo 3 seguran a como evitar ou extinguir o fogo na caverna ou cozinha certamente com uma lata d gua para a emerg ncia 4 manipula o anormal redu o do fogo em caso de excesso de fervura Processo Industrial ou aumento da agita o para evitar que sopa grude na panela 5 controle regulat rio mantendo a temperatura da sopa no ponto de ebuli o 6 sequ ncia execu o dos passos do processo em ordem predeterminada 7 coordena o do processo certos ingredientes foram medidos pesados ou preprocessados para servir como mat ria prima antes de come ar o processo principal de cozinhar a sopa 8 programa o onde algu m programa e supervisiona o processo de fazer v rios potes de sopa para todo o pessoal da tribo E f cil imaginar que o controle de qualidade em termos de se garantir um gosto agrad vel e consistente para v rios potes de sopa era requerido pelo usu rio final O controle de qualidade era uma considera o importante para o cozinheiro continuar no neg cio ou mesmo continuar vivo A otimiza o do uso do ingrediente e do tempo de cozimento foi muito importante no passado especialmente quando era pobre o suprimento da comida Este exemplo mostra que as fun es inclu das no controle do processo de batelada de hoje n o eram diferentes daquelas da pr hist ria A principal diferen a que hoje se tem os meios pa
106. de fluxo A Fig 10 mostra a fase de inicializa o do sistema de esteira da Fig 7 expressa em formato de diagrama de fluxo 9 8 Controle L gico Todas sa das desligadas Chave limite direita entrada Fechada Sa da direita alimenta o linada Sim Sa da esquerd alimenta o Chave limite direita de entrada Chave de centrg de entrada N o Fechada Sim Fechada N o lvula do silo sa da aberta desligadas Fig 10 Diagrama de fluxo da inicializa o parcial Descri es de vari vel de estado bin rio Cada evento que constitui a sequ ncia de eventos descrita pelo esquema narrativo corresponde a um estado discreto do sistema Assim tamb m poss vel descrever a sequ ncia de eventos em termos da sequ ncia de estados discretos do sistema Para fazer isto necess rio simplesmente que cada estado do evento incluindo o das vari veis de entrada e sa da seja especificado As vari veis de entrada fazem o estado do sistema mudar porque as opera es dentro do sistema provocam a mudan a de uma das vari veis de estado por exemplo uma chave limite fica acionada As vari veis de sa da por outro lado s o mudan as no estado do sistema que s o causadas pelo sistema de controle em si O sistema de controle funciona como uma tabela de procura O estado da entrada vari vel com a sa da se torna um endere o de mem ri
107. de programa o simplificada chamada de linguagem a n vel de compilador como Fortran Basic Cobol Uma quest o obvia seria porque algu m se aborrece em escrever programas de computador em linguagem de maquina quando s o dispon veis linguagens de compilador mais f ceis de serem usadas A resposta a esta quest o economia e rapidez Al m disso como um t cnico est envolvido com a manuten o do computador que responde somente s instru es de linguagem de maquina independente do tipo de linguagem compilada usada Assim o t cnico deve aprender a programa o em linguagem de maquina de seu computador especifico 2 17 Programa o simb lica Voltando programa o do computador em linguagem de maquina h dois m todos de programa o para o mesmo computador 1 estabelecendo um c digo bin rio onde cada bit ou combina o de v rios bits tem um significado especifico para a unidade de sincronismo e controle do computador 2 pela programa o simb lica onde o fabricante do computador fornece um programa teoricamente similar ao compilador Cada instru o de c digo bin rio de linguagem de maquina associada normalmente a um c digo mnem nico de 3 ou 4 letras facilmente decor veis O programa de linguagem de maquina ent o escrito usando se estes s mbolos mnem nicos e um programa do computador translada estes s mbolos em bits bin rios que o computador requer Este programa
108. decodifica o 9 10 Computador como Controlador Teclado m a e q Fig 9 5 Diagrama de blocos de um sistema de computador com perif ricos t picos impressora Modem 2 Computador Digital como Controlador de Processo 2 1 Introdu o Como deduzido das informa es precedentes n o f cil nem barato aplicar computadores digitais para aplica es de controle de processo Por m foi provado ser poss vel e inquestionavelmente econ mico fazer isso em muitas aplica es a despeito da complexidade e do custo Este assunto ser visto a seguir H dois enfoques basicamente opostos para estudar as aplica es de computadores digitais em sistemas de controle de processo O primeiro enfoque estudar um t pico computador digital e ent o tentar trazer o sistema de controle de processo para trabalhar com o computador Isto foi necessariamente o enfoque tomado para os primeiros projetos de sistemas digitais de controle por causa da disponibilidade limitada dos computadores digitais Embora seja um enfoque pr tico de projetar sistemas de controle n o o melhor m todo O outro enfoque b sico 1 definir as necessidades do processo e ent o 2 escolher o computador digital em torno destas necessidades No projeto moderno de sistema de controle este o enfoque mais pr tico por causa da grande variedade de computadores digitais presentemente dispon veis no mercado A competi
109. deve cortar seja 0 1 Hz Dados abaixo desta frequ ncia s o dados v lidos da vari vel de processo enquanto qualquer sinal variando mais r pido que 0 1 Hz considerado ru do e ser cortado Se a vari vel de processo tem muitas harm nicas acima de 0 1 Hz n o se usa o filtro Confie somente em filtro anal gico externo para remo o do ru do Termopares e alguns outros sensores e g placa de orif cio s o n o lineares Quando os sinais v em destes sensores eles devem ser linearizados pelo programa Deste modo os c lculos de display e controle s o feitos baseados nos valores reais do processo H dois enfoques para linearizar um sensor Para ambos deve se ter um registro de calibra o que relaciona a sa da do sensor com a vari vel real do processo O enfoque de procurar na tabela coloca o registro de calibra o em uma ROM A vari vel de processo usada como endere o na tabela O valor linearizado correto dado neste endere o Este m todo da tabela o mais r pido e simples Por m ele ocupa muita mem ria Se a tabela inteira n o colocada na mem ria por economia deve se ter uma rotina de interpola o A segunda t cnica de lineariza o representa a rela o entre a sa da do sensor x e a vari vel verdadeira do processo PV por um polin mio O n mero de termos PV a tax a x a x determina a precis o da lineariza o polinomial do sinal do sensor Os coeficien
110. dio am Auto Manual Cancel Fig 23 Imagem que aparece para confirmar ou canelar a transfer ncia Auto Manual da sa da do controlador Se o operador clicar em Auto a a o muda ou continua em autom tico se clicar em Manual a a o muda ou continua em manual e se clicar em Cancel a a o continua como est nada alterado Ponto de ajuste Remoto ou Local H controladores com ponto de ajuste local e controladores com ponto de ajuste local ou remoto p ex controlador de rela o de vaz es Em modo Manual a chave de altera o do ponto de ajuste n o est habilitada Em modo autom tico Auto e com o ponto de ajuste selecionado para Local a chave de altera o do ponto de ajuste fica habilitada o operador pode alterar o ponto de ajuste local atuando nas chaves esquerda SP para aumentar ou diminuir de modo r pido ou lento Enquanto o controlador estiver em modo Auto e com a chave de ponto de ajuste em Remoto as chaves de altera o do ponto de ajuste desaparecem Neste caso o ponto de ajuste alterado automaticamente atrav s de algum sinal externo que chegue ao controlador tipicamente a sa da de outro controlador quando os dois est o em controle cascata A Fig 24 Frontais do controlador Local ou Remoto 6 23 Controlador Digital FOC ZE A Fig 25 Frontais do controlador Local ou Remoto Quando o operador clica na chave virtual Local ou Re
111. do conversor A D deve ter n veis l gicos que sejam compat veis com a estrutura do bus de entrada do computador Certamente as especifica es reais da estrutura do bus ser o determinadas economicamente de modo a otimizar a distribui o dos circuitos entre a interface e o computador A interface da informa o de entrada digital paralela tem circuito na interface para manter temporariamente a informa o de modo que ela permane a constante quanto esteja realmente presente no bus de entrada do computador Tipicamente os circuitos de interface s o simplesmente registros buffer flip flop que realizam esta fun o O registro flip flop tem a habilidade de ignorar a informa o presente em usa entrada at que um comando de mem ria seja recebido Ele ent o armazena a 11 14 Computador como Controlador informa o presente em sua entrada quando do comando de mem ria dado e ret m esta informa o at que seja recebido outro comando de mem ria O interfaceamento entre os sinais de entrada digitais individuais cada um contendo um bit valioso de informa o tais como os reles um pouco mais complico Como previamente notado cada entrada pode requerer deslocamento do n vel casamento de imped ncia e ou filtro O problema agora que para o computador adquiri informa o de apenas estes equipamento se requer um ciclo completo das entradas do computador Os ciclos do computador ser o discutidos mais t
112. do processo e mantenha os seus valores dentro dos limites de seguran a ligando ou desligando os equipamentos e evitando qualquer sequ ncia indevida que produza condi o perigosa Fig 1 5 Plataforma mar tima uma rea de risco Os primeiros sistemas de intertravamento utilizavam contatos de reles contadores temporizadores e integradores Hoje s o utilizados os Controladores L gicos Program veis CLP a base de microprocessadores que possuem grande efici ncia em computa o matem tica sequencial e l gica que s o os par metros b sicos do desligamento Alguns instrumentistas fazem distin o entre o sistema de desligamento trip e o de intertravamento interlock enquanto outros consideram os dois conceitos id nticos 1 3 Controle do Processo 2 Controle Manual A forma mais simples de controle a malha aberta com controle manual A energia aplicada ao processo atrav s do atuador pelo operador O ajuste calibrado no atuador determina com precis o quanta energia aplicada O processo usa esta energia para produzir sua sa da Mudando o ajuste do atuador se altera a energia no sistema e a sa da resultante do processo Um sistema de n vel de l quido de tanque um exemplo do controle manual O produto entra no topo do tanque e sai do fundo A quantidade de l quido que sai do tanque controlada pela v lvula poderia ser escolhida a v lvula de entrada A quantidade de l q
113. duas vias V lvula solen ide de tr s vias Fig 17 S mbolos mais comuns O SOL Fig 16 S mbolos para dispositivos de sa da do diagrama ladder 4 3 Exemplos de diagrama ladder Em muitos casos poss vel preparar um diagrama ladder diretamente de uma descri o narrativa de uma seq ncia de eventos de controle Um exemplo muito elementar e comum o circuito de reten o de rel latch ilustrado na Fig 14 Em termos de um diagrama ladder a mesma situa o descrita na Fig 18 Este diagrama tem tr s degraus 1 selo do contato CR1 do rel 2 l mpada verde 3 l mpada vermelha L 1 sa da 1 2 3 sa da 2 4 caida 2 Fig 18 Diagrama ladder para controle de duas l mpadas 9 14 Controle L gico Exemplo O elevador mostrado na Fig 19 emprega uma plataforma para mover objetos para cima e para baixo O objetivo principal 1 quando o bot o UP estiver apertado a plataforma sobe levando algo 2 quando o bot o DOWN estiver apertado a plataforma desce trazendo algo Os seguintes equipamentos s o usados Elementos de sa da M motor para acionar a plataforma para cima M2 motor para acionar a plataforma para baixo Elementos de entrada LS chave limite NF para indicar posi o UP LS chave limite NF para indicar posi o DOWN PARTIDA Botoeira NA para partida PARADA Botoeira NF para parar UP botoeira NA para comando UP DOWN botoeira NA para
114. e feedforward O sistema com realimenta o negativa feedback gera o sinal de controle baseado na diferen a entre o valor real da medi o e o valor do ponto de ajuste desejado Para o sistema preditivo antecipat rio feedforward o sinal de controle gerado de valores baseados em diversas vari veis de carga quando elas afetam o processo 3 1 Controlabilidade do Processo No sistema a controlabilidade ou o grau de dificuldade de controle do processo de import ncia fundamental pois s quando um processo control vel pode se projetar e aplicar um sistema de controle adequado para ele H processos dif ceis de controlar onde a vari vel controlada fica distante ao ponto de ajuste o tempo de recupera o longo ou a amplitude das oscila es maior do que o desejada O que torna um processo dif cil de ser controlado s o os atrasos que aparecem no processo em si e Processo Industrial na malha dos instrumentos O controle seria trivial se o sistema respondesse instantaneamente as varia es na entrada do processo 3 2 Par metros Din micos Diz se que um par metro din mico quando ele assume valores diferentes no decorrer do tempo Contrariamente um par metro est tico constante no tempo dentro de determinada toler ncia O desempenho do sistema depende das caracter sticas din micas de todos os componentes da malha fechada de controle Quando se estuda o comportamento din mico do si
115. em reas classificadas Interface de calibra o de dispositivos inteligentes Esta caracter stica permite o uso de transmissores inteligentes que se comunicam com o sistema de controle atrav s do sistema de comunica o compat vel HART Fieldbus Profibus Sistemas Expert A aplica o de sistemas expert que j s o dispon veis em CLP livremente formatados pelo usu rio ou em pacotes fechados Capacidade CIM Computer Integrated Manufacturing Isto significa integracao do sistema de controle da batelada com a rea de manufatura com computadores externos para compra venda controle de qualidade invent rio de produtos A responsabilidade desta implementa o do usu rio por m o fabricante do sistema de controle deve prover as interfaces e links para integrar todo sistema 4 7 Seguran a A instrumenta o de uma planta pode ser dividida em tr s categorias com rela o seguran a da planta 1 Medi o e controle para manter as condi es de opera o seguras 2 Instrumenta o b sica para indicar e alertar as condi es correntes de opera o 3 Intertravamentos que param o processo em caso de condi es inseguras As condi es cr ticas da planta geralmente s o aquelas que envolvem press o e temperatura aquecimento e as que envolvem subst ncias toxicas e perigosas Se uma opera o considerada perigosa pode se considerar a redund ncia de certos instrumentos
116. equa es das se es 1 e 2 para se obter as express es finais para processos controlados automaticamente envolvendo sistemas simples e complexos 3 Equa es da malha fechada O passo final preparat rio para analisar um sistema de controle com malha fechada de modo matem tico combinando as equa es do sistema de malha aberta e do controlador para se obter as equa es do sistema de malha fechada A ordem da equa o final determinada pelo n mero de capacidades no sistema A avalia o precisa das constantes de todo o sistema essencial para o sucesso da an lise 3 1 Introdu o As equa es de malha aberta para processos com uma duas e tr s capacidades foram desenvolvidas nos primeiros cap tulos Na se o 2 foram desenvolvidas as equa es para a se o do controlador do sistema controlado incluindo o elemento de medi o o controlador e o elemento final de controle O passo final no desenvolvimento da matem tica que descreve um sistema controlado automaticamente consiste na combina o de equa es do processo com as do controlador para se obter as equa es do sistema controlado com malha fechada H um grande n mero de combina es poss veis de processos e controladores e n o seria pratico dar uma lista tabelada das equa es matem ticas descrevendo cada situa o que pode acontecer ser enfatizado o procedimento para se obter as equa es de malha fechada para processos com
117. esconder fen menos complexos Por exemplo eventualmente a rea o da figura pode ser exot rmica e nada percebido so Sa da Produto do ta o tato tao ta E gt Taen Fig 8 8 Controle convencional de temperatura Lanneta Sa da Produtn Fandancad Fig 8 9 Controle de cascata temperatura temperatura No controle cascata a temperatura do vaso mais lenta cascateia a temperatura da jaqueta mais r pida Quando houver dist rbio no vapor fazendo a temperatura da jaqueta cair o controlador secund rio corrige esta varia o mais rapidamente que o controlador prim rio tc FCV Fig 8 10 Controle cascata controlador de n vel estabelece ponto de ajuste no de vaz o 3 2 Conceito O controle em cascata divide o processo em duas partes duas malhas fechadas dentro de uma malha fechada O controlador prim rio v uma malha fechada como parte do processo Idealmente o processo deve ser dividido em duas metades de modo que a malha secundaria seja fechada em torno da metade dos tempos de atraso do processo Para timo desempenho os elementos din micos no processo devem tamb m ser distribu dos eq itativamente entre os dois controladores E fundamental a escolha correta das duas vari veis do sistema de cascata sem a qual o sistema n o se estabiliza ou n o funciona 1 a vari vel primaria deve ser mais lenta que a vari vel secundaria 2 a resposta
118. execu o da sequ ncia de programa ser condicionalmente alterada baseada no resultado de outros testes 11 9 Programador carrega todas as instru es na mem ria sie E carrega endere o da primeira instru o no 1 registro de endere o de instru o Mem ria endere o r n mmetrar a o w 3 D 3 w 0deJepua p os y Uma vez o bot o PARTIDA ou RUN apertado o T amp C da CPU envia o endere o da primeira instru o para o registro de endere o i T amp C da mem ria usa conte do do registro da mem ria endere o mem ria como endere o e copia o o aq eonte do deste local no registro de dados da lt mem ria Depois comanda unidade T amp C da mem ria 5 para LER a primeira instru o eee i y Registro do caminho da mem ria v Depois faz o registro de endere o da instru o ser T amp C do computador transfere a instru o do e incrementado na prepara o para a pr xima instru o registro de dados da mem ria para o registro de fetch instru o Registro da instru o A instru o no registro de instru o decodificada e faz o computador executar esta instru o ap s a T amp C aa Aa do computador ter completado seu ciclo b sico de PR E E instru o e come a um novo ciclo para obter e executar a pr xima instru o T amp C timing sincronismo e controle Fig 9 6 Diagrama de blocos da opera o t pica da instru o fetch e
119. fluxo de liquido mais rico em um componente mais pesado de modo que o vapor fica cada vez mais rico do componente mais leve e o liquido cada vez mais pobre desse componente mais leve O vapor gerado no refervedor e o liquido gerado no condensador Para se garantir que os produtos finais fiquem dentro da especifica o de pureza desejada s o controladas as temperaturas e press es da coluna bem como o balan o de energia as vaz es de alimenta o principal de sa da do destilado do vapor do refervedor do refluxo Simplificando s o envolvidos essencialmente os balan os de energia e de materiais prop cios para a aplica o do controle preditivo antecipat rio H v rios problemas associados com o controle da coluna de destila o resposta lenta por causa da grande capacidade da coluna e dos tempos envolvidos influ ncia de muitas vari veis dificuldades de uso de analisadores em linha intera o entre os balan os de energia e de materiais As vari veis de entrada independentes e n o controladas s o composi o da alimenta o vaz o da alimenta o entalpia da alimenta o entalpia do vapor do refervedor temperatura do refluxo As vari veis manipuladas de entrada s o vaz o do refluxo do destilado do produto de fundo calor de entrada no refervedor calor de sa da do condensador As vari veis de sa da dependentes das vari veis de entrada e manipuladas a serem controladas s
120. foi escrito um cap tulo totalmente novo acerca do Controle L gico mostrando as diferen as de id ias e equipamentos aplicados ao controle cont nuo convencional e o controle de processo discreto No Ap ndice apresentado um Enfoque Matem tico ainda simples do controle de processo envolvendo equa es integrais e diferenciais Este trabalho constitui a base de um curso de Controle de Processo que o autor ministra por todo o Brasil principalmente para o pessoal da Petrobr s e usado como livro texto em Escolas T cnicas Centros de Tecnologia e Faculdades de Engenharia As sugest es as criticas destrutivas e as corre es s o benvindas desde que tenham o objetivo de tornar mais claro e entendido o assunto Endere o f sico do autor Rua Carmen Miranda 52 A 903 CEP 41820 230 Fone 0xx71 452 3195 Fax 0xx71 452 3058 e Celular 071 9989 9531 E mail marcotekQuol com b Marco Ant nio Ribeiro Salvador BA Outono 2001 1 1 Controle de Processo Conte do 1 Controle Industrial Objetivos de Ensino 1 Vantagens e Aplica es 1 1 Qualidade do Produto 1 2 Quantidade do Produto 1 3 Economia do Processo 1 4 Ecologia 1 5 Seguran a da Planta 1 6 Prote o do Processo 3 2 Controle Manual 3 Controle de Malha Fechada CC N MN NN a 4 4 Controle com Servomecanismo6 5 Sistemas de Controle 5 1 Introdu o 5 2 Controle de temperatura 5 3 Controle de temperatura e vaz o 5 4
121. gera o interna de um sinal padr o e com pequena capacidade de ar A unidade de ponto de ajuste recebe a alimenta o de 140 kPa O ajuste manual da chave altera diretamente a posi o da palheta em rela o ao bico A posi o relativa entre bico palheta modula o sinal de sa da da unidade O sinal de sa da do rel aspirador vai para o fole de realimenta o negativa que mant m est vel a posi o da palheta A sa da da unidade de ponto de ajuste vai alimentar o fole de ponto de ajuste localizado na unidade de controle autom tico Quando o controlador possui apenas ponto de ajuste remoto o sinal padr o do ponto de ajuste gerado externamente por outro controlador transdutor ou esta o manual de controle Neste controlador n o h unidade de ponto de ajuste O sinal pneum tico padr o de 20 a 100 kPa atua diretamente no fole de ponto de ajuste da unidade de controle autom tico Simultaneamente e paralelamente ele alimenta o fole receptor que posiciona o ponteiro de indica o do ponto de ajuste Finalmente na vers o combinada dos dois modos ponto de ajuste local ou remoto as duas fun es s o associadas 1 h o conjunto bico palheta rel aspirador e fole de realimenta o para a gera o do sinal interno local O acionamento manual da chave posiciona o ponteiro do ponto de ajuste principal local 2 h o fole receptor do sinal externo para a indica o do ponto de ajuste secund rio
122. gica booleana na informa o A informa o pode ser apresentada aos terminais de entrada do computador ou pode ser gerada internamente Todo computador digital tem a capacidade de armazenar internamente e indefinidamente grandes volumes de informa o Esta informa o armazenada pode ser de dois tipos diferentes O primeiro tipo s o os dados que o computador usa ou modifica em seus c lculos O segundo tipo de informa o armazenada consiste dos programas que s o as instru es codificadas binariamente que o computador interpreta e executa para fazer alguma opera o til O computador n o um equipamento isolado Ele requer para a opera o do 11 1 Computador como Controlador sistema uma grande quantidade de equipamentos auxiliares que s o chamados de perif ricos Por exemplo o computador requer um condicionador dos sinais de entrada que converte sinais anal gicos em digitais A D outro condicionador dos sinais de sa da que converte sinais digitais em anal gicos D A multiplexador para melhor tratamento compartilhado de v rios sinais teclados e mouses para operador entrar com dados v deos para operador ler e monitorar a informa o impressoras para fazer copias em papel plotadores para formar e imprimir gr ficos e scaner para copiar figuras gr ficas Estes equipamentos auxiliares perif ricos podem custar mais caro e ocupar mais espa o que o computador em si 1 3 Diferen as en
123. imediata na vaz o de entrada do processo 2 3 Modos de controle Os tipos b sicos de controle autom tico que ser o considerados s o proporcional integral ou reset derivativo ou rate combina o de PI combina o de PD combina o de PID O controle proporcional um modo de a o de controle em que a sa da proporcional ao sinal de entrada O controle integral uma a o de controle em que a sa da varia em uma taxa que proporcional amplitude do sinal de entrada OORUN Controlador Fig 2 1 Processo com nica capacidade e controlador ideal v lvula e sistema de medi o ideal porque n o tem tempo de atraso O controle derivativo uma a o de controle em que o valor da sa da proporcional a taxa de varia o da entrada As express es matem ticas para cada uma destas tr s a es do controlador s o Proporcional F 0 X X Es5 2 1 Integral F yf x xa dt Fo 2 2 Derivativa A 6 Enfoque Matem tico Fa Es 2 3 Proporcional mais Integral mais Derivativa dx F a x xo Y x xo dt B F x xo yf x xo dt B o 2 4 Nestas equa es as constantes a proporcional y derivativa e B integral representam os fatores de controle totais que relacionam a entrada varia o do n vel em metros sa da varia o na vaz o em m3 por segundo e assim n o s o os ajustes encontrados nos controladores comerciais O sinal negativo n
124. implica na capacidade de testar os resultados de manipula es l gicas A necessidade de ser capaz de trabalhar independentemente com cada bit na palavra do computador pode requerer a capacidade de deslocar a palavra para a direita ou esquerda com um elemento l gico test vel lembrando o valor de cada bit um por vez Al m disso o computador deve ser capaz de f rmular e dissecar palavras de 16 bit bit por bit na informa o do status do contato do rel de entrada e de sa da Todas estas manipula es de dados internas mencionadas requerem que os valores pr vios e ou limitantes sejam facilmente dispon veis na mem ria do computador Estes valores devem ser armazenados em locais l gicos e facilmente endere veis Normalmente eles s o armazenados em tabelas internas Constantes num ricas curvas trigonom tricas e outras n o lineares c digos bin rios tabelas de convers o podem tamb m ser armazenados no computador em formato de tabela Isto introduz a necessidade que a l gica interna de endere amento de mem ria do computador inclua a capacidade de executar aritm tica simples no endere o de mem ria Isto requerer uma l gica interna adicional por m a unidade aritm tica do computador ter a capacidade de executar a aritm tica necess ria e portanto n o necess ria nenhuma l gica aritm tica adicional A categoria final de processamento aritm tico de dados inclui a solu o de equa es alg
125. independente de sua complexidade pode ser resolvida pelo programa sem a necessidade de qualquer projeto especial do equipamento Assim o computador digital pode resolver problemas mais complexos do que poss vel com computadores anal gicos Os computadores anal gicos desde que consistem de amplificadores operacionais e outros componentes eletr nicos cada um deles tem uma precis o determinada e cada um deles muda sua caracter stica com a temperatura e o tempo introduzindo erros devidos s altera es destes componentes Como os computadores digitais trabalham em somente dois n veis 0 e 1 n o s o alterados pelas varia es dos componentes como ocorre com os computadores anal gicos Assim nenhum erro devido s altera es dos componentes afeta a precis o inerente das solu es do computador digital Eventualmente o computador digital pode falhar mas at este ponto ser atingido nenhum erro introduzido A maior aplica o do computador anal gico em Instrumenta o foi no computador de vaz o instrumento que m dia as vari veis press o est tica temperatura e vaz o indicava os valores instant neos destas vari veis fazia a compensa o da vaz o em rela o a press o e temperatura fazia a convers o de vaz o volum trica em m ssica apresentava o valor acumulado da vaz o executava equa es de medi o como a AGA Report n 3 e NX 19 Atualmente mesmo o computador de vaz o cons
126. instrumento que recebe um sinal de medi o da vari vel controlada PV recebe um ponto de ajuste estabelecido pelo operador SP e gera um sinal de sa da MV que uma fun o matem tica espec fica da diferen a entre a medi o e o ponto de ajuste Tipicamente o sinal de sa da vai para uma v lvula de controle O ponto de ajuste pode ser 1 local estabelecido pelo operador 2 remoto determinado por um outro sinal por exemplo sa da de outro controlador 3 remoto ou local selecionado por uma chave Todo controlador possui uma chave seletora para definir o modo de opera o 1 autom tico quando a sa da determinada apenas pelo controlador em fun o das a es e da diferen a entre a medi o e o ponto de ajuste 2 manual quando a sa da gerada diretamente pelo operador 6 21 Controlador Digital 6 vz13 ttrt Fig 20 Controlador aparecendo na tela de monitora o O controlador pode ter ou n o ter alarme O alarme pode ser de baixa de alta ou ambos Como nos indicadores o controlador sem alarme possui uma linha do bal o preta e o controlador com alarme linha vermelha Todo controlador possui um bal o com cinza escuro para permitir a chamada da sua face frontal atrav s de um gatilho A sequ ncia do alarme do controlador id ntica do indicador Chaves para Chaves de atua o manual To ainnanba Abart Foke lentamente altera o do GP Sobe
127. inversa Uma a o direta do controlador significa que a sua sa da aumenta quando a vari vel de processo aumenta Isto t pico para sistema de resfriamento Para uma a o direta do controlador tem se Edireta PV SP Uma a o inversa do controlador significa que a sua sa da aumenta quando a vari vel de processo diminui Isto t pico para sistema de aquecimento Para uma a o direta do controlador tem se Cinversa SP PV O controlador single loop permite a altera o da a o direta ou inversa com uma chave atr s do painel frontal ou do computador supervis rio Para fazer o c lculo do erro deve se decidir qual equa o usar Quando se est programando em linguagem de alto n vel a subtra o para obter o erro simples e em linguagem assembly mais complicado Tipicamente um n mero negativo representado em um formato com complemento de dois Mas a vari vel de processo e o ponto de ajuste s o entradas usando bin rios diretamente Esta diferen a em expressar estes n meros causa confus o e resultados errados Os n meros devem todos ser expressos no mesmo formato Conversores n o trabalham facilmente com completo de dois Complemento de dois tamb m corta a faixa de contagem do microprocessador pela metade desde que um bit deve representar a polaridade Assim recomend vel que se converta o resultado da subtra o do erro para o formato valor mais sinal A palavra inteira de
128. m diminui e o ponto de ajuste do controlador de vaz o tamb m diminui No controle de cascata a vaz o diminu da continuamente pelo abaixamento do n vel No controle auto seletor a vaz o constante e o valor estabelecido externamente pelo operador de processo Em opera o normal a vaz o a vari vel controlada e manipulada ao mesmo tempo Quando o n vel atinge um valor cr tico automaticamente o controlador de n vel assume o controle A partir deste ponto a vaz o de sa da do tanque tende a diminuir com a diminui o do n vel do tanque Quando o n vel baixo a vari vel controlada passa a ser o n vel e a manipulada cont nua sendo a vaz o Outro exemplo de sistema de controle seletivo envolve sistemas com mais de um elemento sensor Os sinais de tr s transmissores de temperatura localizados em v rios pontos ao longo de um reator tubular entram em um seletor de alta HS A temperatura mais elevada enviada ao controlador de temperatura cuja sa da manipula a gua fria Assim este sistema controla o pico de temperatura no reator qualquer que seja o ponto onde ela esteja Outro exemplo comum o controle de duas vaz es de um reator onde o excesso de um dos reagentes poderia levar a composi o no reator para uma regi o onde poderia haver explos o Assim vital que a vaz o deste reagente seja menor do que algum valor cr tico relativo a outra vaz o S o usadas medi es m ltiplas
129. malha para controle manual direto das sa das do processo durante manuten o 5 auto sintonia A configura o e sintonia s o obtidas atrav s de um terminal port til propriet rio que usa cursor acionado por menu para o operador navegar atrav s de procedimentos de preencher campos em branco O controlador tem capacidade de monitorar controlar configurar at 1500 pontos de controle atrav s de um computador pessoal Tamb m na mesma fam lia do produto h um controlador sequencial que fornece entradas e sa das digitais adicionais para controlar at tr s sequ ncias um link serial de comunica o RS 232 C para ligar a dispositivos externos como impressora ou sistema de aquisi o de dados As aplica es comuns incluem controle vaz o temperatura e press o de alimenta o de caldeira a tr s elementos e controle de surge de compressor controle de motor gerenciamento de queima e outras com partidas e paradas e Fig 6 10 Controlador Bailey e HHT 7 9 Controlador WEST O controlador programador isolado West dispon vel em um inv lucro DIN de 1 8 96 x 48 mm Suas caracter sticas s o 1 Display com duas linhas por LEDs 2 Sete LEDs dedicados s o usados para mostrar a legenda do cursor durante a configura o e o status do instrumento quando um programa estiver rodando 3 Sa da de controle PID que pode ser oferecida com uma sa da 1 aquecimento e uma sa da 2 resfriamento com
130. manipulada est na entrada do processo A vari vel manipulada determina o tipo do elemento final de controle Como a maioria dos elementos finais de controle a v lvula com atuador pneum tico a vaz o do fluido que passa atrav s da v lvula a vari vel manipulada As vari veis manipuladas incluem a posi o da v lvula a posi o do damper a velocidade do motor Uma malha de controle muitas vezes manipulada para controlar outra vari vel em esquemas de controle mais complexos Por exemplo o controle da temperatura vari vel controlada pode ser realizado atrav s da atua o na vaz o vari vel manipulada de vapor O vapor considerado o meio de controle Deve se notar que o meio de controle pode conter outras vari veis al m da que est sendo manipulada que tamb m influem na vari vel controlada Por exemplo a qualidade do vapor superaquecido depende da temperatura e da press o A capacidade de aquecimento do vapor fun o de sua quantidade e de sua qualidade A vaz o relacionada com a quantidade de vapor Para a mesma quantidade de vapor a capacidade de aquecimento pode se alterar pelas varia es da press o e da temperatura do vapor O vapor com menor press o menos eficiente para o aquecimento que o de maior press o 2 5 Vari veis Aleat rias e Dist rbios Al m das vari veis controlada e manipulada de interesse direto para o controle do processo existem outras vari veis q
131. menor Condensado Bomba descarga Fig 1 14 Malhas de controle de temperatura vaz o n vel e an lise 1 10 Controle do Processo Vapor Condensado Bomba descarga Fig 1 15 Malhas de controle de temperatura vaz o n vel an lise e feedforward 5 6 Controle preditivo antecipat rio Uma malha de controle preditivo antecipat rio pode ser adicionada baseada na vaz o do produto A Esta malha permite ao controlador de composi o antecipar varia es no produto A Ele pode manipular B antes que o sensor de composi o tenha detectado uma varia o O controlador de composi o deve ser mais complexo que os controladores convencionais A opera o deste processo come a a ficar complicada Al m disso na pr tica varia es na alimenta o de B afetam o n vel necess rio tamb m tornar suaves e coordenadas as varia es nos quatro par metros controlados simultaneamente O ajuste manual do sistema com as chaves de ponto de ajuste de cada controlador um modo limitado de operar O controle por computador pode ser acrescentado 5 7 Controle supervis rio O controle digital supervis rio mostrado na Fig 1 16 Os controladores anal gicos existentes s o mantidos intactos Os sinais de todos os transmissores s o enviados para o computador e para os controladores Os controladores devem ter a op o de ponto de ajuste remoto Nesta configura
132. mm 3 8 x 3 8 in 1 8 DIN 96 x 48 mm 3 8 x 1 9 in 1 16 DIN 48 x 48 mm 1 9 x 1 9 in O mais popular o 1 16 DIN 7 3 Fun es de controle Muitos controladores cnamados de single loop s o de duas malhas Atrav s do circuito microprocessado muitos controladores oferecem os formatos de liga desliga e PID Outros controladores incorporam fun es matem ticas ou no pr prio circuito ou atrav s de m dulos funcionais opcionais incorporados na caixa Estas fun es matem ticas incluem Somador subtrator Ganho ajust vel com polariza o Desvio com ganho ajust vel com polariza o Multiplicador divisor Compensador lead lag avan o atraso Filtro dual Limitador de rampa Limitador de sinal Rastreamento tracking anal gico Extrator de raiz quadrada Seletor de sinal alto baixo Seletor de sinal m dio Peak picker Conversor de sinal termopar RTD Potenci metro n o isolado e isolado VV wv vyv VVNVNNNVVNNNN 7 4 Auto sintonia Esta propriedade dispon vel na maioria dos controladores single loop exceto nos de baixo custo 7 5 Sequencial e programa o de tempo A maioria dos controladores single loop possui capacidade de programa o temporal e sequenciamento de opera es A programa o envolve quaisquer duas vari veis por m o mais comum se ter o tempo e a temperatura Em siderurgias comum a aplica o de programas de temperatura onde se tem uma rampa de aquec
133. modo autom tico de controle Esta t cnica requer a interven o do operador Ele tamb m remove o processo do controle suave enquanto o controlador est fazendo experi ncias com ele Isto pode ser inaceit vel A auto sintonia cont nua mais complicada Ela opera com conjunto com o modo de controle autom tico Sempre que houver um dist rbio apropriado do ponto de ajuste ou a vari vel de processo notificada o algoritmo de auto sintonia monitora o desempenho do controlador regulando esta altera o Da avalia o de malha fechada novos valores de Kp Kl e Kd s o computados Este procedimento acontece continuamente sem interven o do operador ou interrup o do controle autom tico Ao longo do tempo este tipo de controlador com auto sintonia aprende com o processo e coloca seus pr prios valores para o controla timo Pode haver problemas quando processo muito est vel e o controlador n o tem nada a aprender e deixa de operar corretamente Exemplo A vari vel de processo come a em 5 000 V e aumenta 10 mV s O ponto de ajuste 5 000 V O conversor A D de 8 bts o fundo de escala 10 V Assumindo Ka 3S T 1 s calcula o termo de sa da derivativo da eq 6 15 A Tab 5 deve ser completada PV sobe na taxa de 10 mV s Data in Nona valor inteiro 10V Erro 128 data in E 3s Derivativa FERA 2epn 1 t Een 2 S 6 12 Controlador Digital Tab 5 Solu o do exemplo 1
134. mostra o esquema de um amp op diferenciador b sico Note que justo um integrador em que o resistor e o capacitor trocam de lugar O ganho do amp op inversor Ze E Os Vo Rp RpCps ve ioe e H dois grandes cuidados que devem ser tomados Primeiro para entradas senoidais Vo Zap Vi CD Vos Rpvi 1 27fCp Vo 2nfCpRpVi Para sinais de baixa frequ ncia a sa da muito pequena Por m a sa da aumenta com a frequ ncia Ru do de alta frequ ncia recebe um grande ganho Em altas freq ncias esta grande sa da por ser realimentada atrav s da capacit ncia parasita refor ando se na entrada Ru do de alta frequ ncia e poss veis oscila es perturbam o circuito da Fig 4 24 Ro Fig 4 24 Diferenciador b sico com amp op Isto pode ser resolvido adicionando se um resistor s rie Ri como mostrado na Fig 4 24 O resistor Ri junto com CD formam um filtro passa baixa na entrada Esta solu o simples para o problema de alta frequ ncia aumenta a complexidade de analisar o circuito A transformada de Laplace deve ser aplicada do inicio Vo 4 Vi Zi onde Zi Rp Zi Ri A Cps ou Vo EN Rp Vi R 1 Cs Vo mi RpCs Vi RCs 1 4 54 Controlador Fazendo RoC Kp e RC 7 tem se Vo o KpCs Vi T S 1 A resposta desta diferencia o pr tica para a entrada mostrada na Fig 4 25 dada na Fig 4 26 A segunda maior preocupa o a ser observada que o co
135. multiplicador 8 32 Controle Multivari vel Controle de rela o e cascata Sejam as duas vaz es dos componentes A e B alimentando o tanque O n vel do liquido afetado pela vaz o total por isso o controlador de n vel cascatea o controlador da vaz o A ou seja o ponto de ajuste do controlador da vaz o A estabelecido pela sa da do controlador de n vel do tanque A vaz o A por sua vez est relacionada fixamente com a vaz o B atrav s do controlador de rela o de vaz o A composi o do liquido do tanque depende exclusivamente da rela o das vaz es A e B O controlador de analise de composi o estabelece o fator de rela o do multiplicador O controlador de rela o atua na vaz o B Para se evitar altos ganhos em baixas vaz es por causa das placas de orif cio usam se extratores de raiz quadrada Para diminuir o efeito do controlador de composi o no n vel do l quido a vaz o B deve ser a menor das duas vaz es Q g EDEA AO ses d Sa da V 8 33 Controle Multivari vel 11 Conceitos de Projeto do 4 Controle Ap s ter aprendido um pouco acerca do equipamento e de v rias estrat gias usadas em controle poss vel agora falar acerca de alguns conceitos b sicos de projeto do sistema de controle Neste ponto a discuss o ser totalmente qualitativa fornecendo uma vis o ampla de como encontrar uma estrutura de controle efetivo e projetar um processo facilme
136. necess rio as seguintes facilidades Base de dados global Linguagem de alto n vel Intertravamentos Valida o Documenta o M dulos I O remotos Interface de calibra o Capacidade CIM Base de Dados Global A base de dados global permite o acesso da informa o em qualquer ponto do sistema sem necessidade de programa o adicional Todos os pontos s o acess veis instantaneamente para quaisquer programas ou intertravamentos sem interfaces para qualquer dispositivo no barramento de dados Linguagem de alto n vel Uma linguagem de alto n vel parecida com ingl s prefer vel a qualquer outro programa Um programa de batelada em linguagem de alto n vel permite ao operador seguir manualmente passo a passo atrav s das linhas de uma sequ ncia tornando a pesquisa de defeito e a elimina o de bug mais f cil Durante esta avalia o os usu rios se familiarizam com a linguagem e entendem as implica es de diferentes instru es em si Quest es detalhadas precisam ser colocadas acerca de tais assuntos como o planejador da batelada como tratar as fontes compartilhadas como v rias bateladas podem ser rastreadas ao mesmo tempo na tela qual relat rio est dispon vel e como os dados do arquivo podem ser carregados 10 25 Controle Batelada HV 54 PVFL 0 HV 50 PVFL 1 HV 55 PVFL 0 1 Box Fi 305 R HV 50 PVFL 0 Fecha HV 08 Fig 11 15 Tabela l gica empregando portas OR e AND f
137. nica capacidade com controlador elemento de medi o e v lvula ideais sem atraso mostrado na Fig 2 1 O controlador assumido ter as a es proporcional e derivativa A equa o para este sistema controlado foi determinada na eq 3 1 e vale dx ERGP r CER Xg Xgo 4 1 onde H a constante RqS a o fator de controle proporcional B o fator de controle derivativo x o n vel controlado Xq a press o para a qual a vaz o descarregada Xo O n vel desejado e Xgo a press o de sa da original antes do dist rbio O termo Xq Xqo representa a varia o degrau em Xq ou O dist rbio unit rio Controlador Fig 4 1 Processo com nica capacidade e controlador ideal v lvula e sistema de medi o ideal porque n o tem tempo de atraso Neste capitulo as express es 1 R40 e H R B aparecer o frequentemente Por simplicidade a primeira ser express o pela constante M4 e a ultima pela constante Mo A eq 4 1 ent o se torna Mo M x x0 xq Xp 4 1a A 17 Enfoque Matem tico A eq 4 1 uma equa o diferencial ordin ria linear com coeficientes constantes Ela ordin ria porque o sistema envolve somente uma vari vel independente t ela linear porque a vari vel dependente x e todos as suas derivadas aparecem somente na primeira potencia e ela tem coeficientes constantes porque os par metros do sistema s o estabele
138. no controlador para garantir a m xima precis o de suas indica es da medi o e do ponto de ajuste e tamb m para assegurar que sua a o corretiva proporciona ao processo uma opera o est vel 5 15 Atrav s de ajuste dos elos mec nicos pode se conseguir a calibra o da faixa de medi o da vari vel e tamb m do ponto de ajuste do controlador Essa calibra o pode ser feita em bancada simulando se a vari vel do processo e comparando a indica o do controlador com uma indica o de refer ncia Os ajustes dos par metros das a es de controle constituem sua sintonia A opera o de sintonia normalmente uma opera o din mica que deve ser feita com o controlador de sintonia normalmente uma opera o din mica que deve ser feita com o controlador em linha e em opera o pois os ajustes s o fun o das caracter sticas do processo sob controle Fig 5 17 Circuitos de controle do 43 AP O controlador com tr s modos de controle possui os seguintes ajustes 1 banda proporcional com ajustes entre 4 a 400 A banda proporcional est relacionada com a sensitividade do controlador banda proporcional larga significa controlador pouco sens vel processo est vel possibilidade de grande desvio permanente O controlador com banda proporcional estreita muito sens vel diminui o desvio permanente entre medi o e ponto de ajuste por m pode levar o processo para a instabilidade A banda
139. no m nimo a oscila o constante da vari vel controlada Quando se faz o estudo da estabilidade do sistema de controle atrav s da t cnica de Root locus sabe se que a adi o de p los na fun o transfer ncia piora a estabilidade relativa do sistema de malha fechada A coloca o da a o integral significa acrescentar um termo 1 sT ou seja um polo na fun o transfer ncia da malha fechada Quando se diminui o tempo integral ou aumenta se a a o integral diminui se o erro permanente mas a malha mais oscilat ria Quando se diminui demais o tempo integral aparece uma oscila o com um per odo maior que o per odo natural do processo Na realiza o pr tica do controlador proporcional mais integral a a o integral desempenhada por um elemento capacitivo e um elemento resistivo O ajuste da fino da a o integral feita atrav s da restri o que pressuriza o fole capacitivo O ajuste grosso feito atrav s da sele o de diferentes elementos capacitivos Quando se ajusta o tempo integral muito curto a o integral muito grande o controlador pode levar o sistema para a oscila o pois a realimenta o positiva da a o integral anulou a realimenta o negativa da a o proporcional muito rapidamente Quando se tem um controlador proporcional mais integral em uma malha que est oscilando poss vel saber se a oscila o foi provocada pela banda proporcional muito estreita ou pela a
140. o 8 Capacidades avan adas de compensa o de tempo morto controle preditivo antecipat rio cascata auto seletor faixa dividida 9 Op o de terceira entrada adicional para acomodar termopares frequ ncia militens o resist ncia detectora de temperatura ou pulso de computador 10 Interface de comunica o serial para liga o com rede de computadores Fig 6 13 Controlador single loop Moore 8 Bloco PID 8 1 Introdu o Quando se usa um controlador l gico program vel ou um sistema de controle distribu do ou um controle supervis rio com computador o controle PID feito atrav s de blocos que devem ser configurados no interior do sistema O bloco PID de um sistema de controle distribu do muito poderoso e complexo pois o sistema aplicado a controle de processos cont nuos de grandes plantas A maioria dos CLPs possui fun es de controle PID que s o capazes de realizar o controle anal gico efetivamente por m este bloco bem menos elaborado e eficiente que o do sistema distribu do Quando se tem um sistema com controle supervis rio e aquisi o de dados o bloco PID pode ser dispon vel tanto no computador pessoal aplicado ao supervis rio como no controlador l gico program vel respons vel pela aquisi o de dados do sistema Por m recomend vel e pratico fazer o controle PID no controlador l gico program vel e n o no computador pessoal por quest o de confiabili
141. o de dados com gera o de alarmes e relat rios ou como uma base para controle mais sofisticado Controle Regulat rio O controle regulat rio adiciona monitora o a capacidade de controlar as vari veis do processo comparando os valores correntes medidos com os valores ajustados ideais e tomando as a es corretivas apropriadas Isto pode ser feito diretamente por instrumentos com v rias estrat gias diferentes e usando v rias tecnologias dispon veis comercialmente A fun o regulat rio permite o controle direto das vari veis do processo com instrumentos intervindo no processo O controle de processo procura manter as vari veis do processo em valores constantes e iguais aos valores ideais mesmo que esteja aparecendo dist rbios no processo tendendo afastar estas vari veis destes valores ajustados Assim que vari veis saem fora dos limites de controle s o gerados alarmes que pertencem ao n vel de monitora o A fun o de regula o pode rodar junto com a de monitora o para estabelecer um sistema de controle com capacidade de alarme e relat rio e ambos podem suportar um sistema de controle sequencial 10 12 Controle Batelada TA a Primeiro est gio enchimento do tanque TA a Segundo est gio enchimento da coluna TA c Terceiro est gio enchimento do reator Fig 11 8 Tr s est gios sucessivos de uma batelada simples 10 13 Controle Batelada b
142. o integral muito grande desde que se conhe a a frequ ncia de oscila o natural do processo A oscila o provocada pela banda proporcional muito estreita possui a mesma frequ ncia da oscila o natural do processo oscila o provocada pela a o integral muito grande possui menor frequ ncia de oscila o que a frequ ncia natural do processo A oscila o provocada pela a o integral relativamente mais lenta que a provocada pela a o proporcional temperatura iria estabilizar aqui sem integral Integral A muito curto B muito longo PR altera o de carga Fig 7 17 A es proporcional e integral Para aplica es onde h grande e frequente varia o de carga do processo usa se um controlador P l Constante de tempo integral muito grande faz o processo voltar para o ponto de ajuste de modo demorado como na curva B Constante de tempo muito pequena faz o processo oscilar de modo amortecido cruzando o ponto de ajuste v rias vezes antes de se estabilizar como mostrado na curva A A curva ideal quando a vari vel controlada volta para o ponto de ajuste 4 4 Satura o do Modo Integral A maioria dos controladores de processo possui a a o integral ora associada apenas ao modo proporcional ora associada as outras duas a es proporcional e derivativo A utilidade da a o integral a de eliminar o desvio permanente entre a medi o e o ponto de ajuste Por m a
143. o modo derivativo quando 1 quer se evitar integral de saturar a sa da do controlador quando o desvio demorado 2 quer compensar as varia es bruscas do processo 6 Escolha da A o de Controle 6 1 Tipos de Sistemas O tipo do sistema determinado considerando se o contra classificados como tipo O um sinal de entrada constante x resulta em uma valor constante para a sa da controlada y O sistema tem a posi o constante Este processo equivalente ao regulante tipo 1 um sinal de entrada constante x resulta em uma velocidade constante para a sa da controlada y Este processo equivalente ao integrante tipo 2 um sinal de entrada constante x resulta em uma acelera o para a sa da controlada y Ele equivalente ao processo com realimenta o positiva Tipo 0 A resposta em regime de um sistema tipo O a um degrau uma exponencial decrescente Se o sistema possui um ganho K o erro permanente para o dist rbio degrau com amplitude A que ocorre frequentemente com a varia o do ponto de ajuste vale fai re Ele P 14K Quanto maior o ganho menor o erro permanente por m mais o processo se aproxima da instabilidade Se a entrada do sistema tipo 0 uma velocidade ou uma acelera o a sa da n o pode seguir a entrada e o erro aumenta com o tempo tendendo para o limite natural do sistema infinito No sistema tipo 0 faz se uma compensa o de valor constante para resp
144. o o computador estabelece os pontos de ajuste de cada controlador Dependendo do programa o computador pode mostrar display imagens din micas de alta resolu o dos estados atuais do processo ou a historia de cada vari vel O computador pode estabelecer os pontos de ajustes de todas as malhas de modo coordenado O computador tamb m pode executar o controle preditivo antecipat rio e a interdepend ncia das quantidades de alimenta o de A e B com a composi o e o n vel O controle digital supervis rio pode ser facilmente adicionado ao sistema de controle anal gico existente Se o computador digital falha o sistema continua a operar em seus ltimos pontos de ajuste e pode ser chaveado para opera o manual Como os controladores anal gicos manipulam a din mica de malha o computador n o precisa ser muito r pido Para uma nova instala o o controle digital supervis rio requer muita instrumenta o eletr nica O desempenho final do sistema limitado pelas caracter sticas dos controladores anal gicos Este sistema n o muito flex vel 1 11 Controle do Processo 5 8 Controle digital direto A Fig 1 17 mostra um segundo enfoque controle digital direto DDC Todos os controladores e indicadores anal gicos s o removidos Os transmissores e sensores enviam seus sinais diretamente e somente para o computador O computador l todas estas entradas compara cada uma com o seu corresponden
145. o sinal realimentado determinando a a o integral Ela pode ficar totalmente fechada de modo que 4 43 Controlador ela corta a realimenta o e elimina a a o integral ou totalmente aberta quando n o produz nenhuma restri o nenhum atraso e a a o integral a m xima poss vel Na pr tica o circuito pneum tico completo da unidade integral possui o fole o tanque integral e a restri o Aqui por simplicidade sup e se que o pr prio fole integral possui uma capacidade suficiente id lt Eulcro Ajuste da banda proporcional ug 20a 100 kPa Fig 4 10 Controlador PI pneum tico O controlador proporcional mais integral possui duas realimenta es da sua sa da 1 a realimenta o negativa aplicada diretamente ao fole proporcional 2 a realimenta o positiva aplicada ao fole integral atrav s de uma restri o pneum tica ajust vel Com a restri o numa posi o intermedi ria as press es do fole proporcional e do fole integral n o podem ser simult neas A a o proporcional imediata e a a o integral atrasada imediatamente ap s o aparecimento do erro h a realimenta o negativa e depois de um intervalo ajust vel atrasada h a realimenta o positiva Quando o processo se estabiliza tem se o circuito do controlador equilibrado a for a da medi o igual a do ponto de ajuste e a for a do fole proporcional igual a do integral Quando
146. o controle batelada 1 Hist ria da Batelada 1 1 Origem do Controle Batelada O processo batelada aquele em que as fun es de transfer ncia de material ou processamento de material s o c clicas com resultados repetit veis O processo batelada faz um produto em quantidades finitas Em uma situa o ideal este produto determinado por 6 uma receita que tem um nome e contem informa o sobre 7 os ingredientes ou as mat rias primas usadas 8 a ordem dos passos e 9 as condi es do processo e 10 equipamento usado no processo Fazer uma sopa um exemplo t pico de um processo de batelada e possivelmente a receita foi passada oralmente de uma gera o para a seguinte No passado cozinhar a sopa era feito e controlado manualmente por m os passos e fun es t picos de um processo de batelada j eram expl citos e reconhecidos 1 medi o ou sensa o por meio de ver tocar escutar e degustar 10 Controle Batelada 2 atuador ou a interfer ncia direta de cozinhar com processo como mexer a sopa aumentar ou reduzir a fonte de calor adicionar ingredientes ou remover a panela do fogo 3 seguran a como evitar ou extinguir o fogo na caverna ou cozinha certamente com uma lata d gua para a emerg ncia 4 manipula o anormal redu o do fogo em caso de excesso de fervura ou aumento da agita o para evitar que sopa grude na panela 5 controle regulat rio mantendo a temperatura da
147. o ganho que provoca a atenua o 4 1 As desvantagens desse m todo s o 1 o m todo da oscila o amortecida de tentativa e erro portanto requer paci ncia e experi ncia 2 o m todo requer uma perturba o ao processo 7 30 Sintonia do Controlador M todo Final Foi um m todo desenvolvido em 1942 por Ziegler e Nichols E cnamado de m todo final porque o seu uso requer a determina o do ganho e do per odo finais E chamado de ganho final Gf o m ximo do valor do ganho permiss vel para o controlador com apenas o modo proporcional para o sistema permanecer est vel O per odo final Pf o per odo da oscila o da resposta com o ganho ajustado em Gf Os procedimentos do m todo de sintonia final s o 1 coloca o das a es integral e derivativa em zero deixando o controlador proporcional T infinito e Tg zero 2 coloca o do controlador em autom tico 3 provoque uma pequena perturba o ao processo variando o ponto de ajuste rapidamente e durante um pequeno intervalo de tempo Deve se observar o comportamento da medi o da vari vel controlada 4 repete se o passo seguinte alterando sucessivamente a banda proporcional do controlador at obter uma oscila o constante na medi o Esse ponto correspondente ao ponto de ganho igual a um O processo est no limite de sua instabilidade Anotam se os valores da banda proporcional e do per odo de oscila o
148. o sinal de realimenta o do potenci metro de posi o se iguala ao sinal de ponto de ajuste O erro foi reduzido a zero O sistema permanece em repouso O controle de velocidade tamb m classificado como servo ou servomecanismo A Fig 1 9 um sistema de controle de velocidade O objetivo do sistema fornecer a tens o constante no filme papel pano ou pl stico Acionando a velocidade do rolo de puxagem take up causa um aumento da tens o quando o di metro do roto aumentar O rolo acionador a chave Ele colocado sobre o fio e livre de girar quando o filme passa sob ele Ele pode tamb m se elevar em resposta ao aumento da tens o no filme ou se abaixar quando a tens o do filme diminuir Mecanicamente acoplado ao rolo acionador est o terminal m vel wiper do potenci metro Juntos o rolo acionador e o potenci metro formam um sensor de tens o gerando na sa da uma tens o cc proporcional tens o do filme Quando a tens o for correta a tens o do potenci metro do rolo acionador se iguala tens o do ponto de ajuste A sa da do amplificador diferencial zero volts Isto efetivamente aterra o divisor de tens o na entrada do amplificador de pot ncia A tens o do divisor aciona o amplificador de pot ncia fazendo o motor girar na velocidade nominal 1 6 Controle do Processo v Pontode ajuste Amplificador diferencial Fig 1 9 Controle de velocidade do cilindro
149. os equipamentos externos de modo que os dados possam ser confiavelmente transferidos entre eles A unidade E S a principal avenida de comunica es entre a CPU e o mundo exterior A unidade tamb m chamada de m dulo O tipo do m dulo de entrada depende das entradas se anal gicas ou bin rias Quando anal gicas as entradas podem ser de 4 a 20 mA sinal padr o anal gico militens o de termopares tipos J K R S T B valores de resist ncia el trica dependentes de temperatura ou de press o Estes detalhes s o importantes pois geralmente necess ria tamb m a lineariza o do sinal feita por software Quando a entrada bin ria pode ser contato de chave aberta ou fechada A unidade aritm tica inclui todo o equipamento usado para modificar os dados no processo de resolver equa es ou executar outras opera es matem ticas ou l gicas nestes dados Ela inclui a l gica que ir indicar a execu o completa e bem sucedida de cada opera o matem tica Esta l gica pode ser testada pela unidade de controle e de timing de modo a tomar decis es quanto ao procedimento a ser seguido em rela o ao resultado aritm tico conseguido de modo correto ou n o A unidade de mem ria pode ser visualizada simplesmente como um grande almoxarifado cheio de caixas tipo caixa postal do correio escaninhos cada uma numerada seq encialmente A informa o digital pode ser armazenada l uma palavra em cada
150. ou a eq 3 1 para o sistema com uma capacidade f cil obter a equa o de malha fechada para qualquer combina o poss vel de modos de controle 3 4 Processo controlado com tr s capacidades O processo final a ser considerado um sistema relativamente complexo como mostrado na Fig 3 3 Este processo com tr s capacidades sob controle de um controlador contendo dois atrasos de tempo produzir uma equa o integral diferencial de quinta ordem A equa o de malha aberta deste processo eq 1 17 foi desenvolvida previamente e repetida 3 2 x q R dt dt dt Rg 1 17 onde Kg C41C2C3R2R3Rq 1 18 K C1C2R2R3 C41C2R2R4 C1C3R2R4 C1C3R3Rq C2C3R3Rq 1 19 K4 C R gt C R5 C Ry CoRs CoRy CaRy 1 20 Fig 2 3 Processo com tr s capacidades com controlador ideal mas com atraso no sistema de medi o e na v lvula A equa o para o sistema de controle com malha fechada uma equa o integro diferencial de quinta ordem refletindo as cinco capacidades no sistema C1 C2 C3 Cm e Cv Quando uma capacidade adicional introduzida no sistema as express es se tornam muito longas e deve se tomar cuidado na avalia o dos coeficientes A 15 Enfoque Matem tico Combinando as eq 1 17 e 2 28 como feito para se obter a eq 3 1 tem se 5 4 d x dx TmT K3 a e TmK3 T K3 i d xa dt Tm 1yK4 TmKo T K2 K3 d xa dt TmIy ITmK1 T
151. par qualquer que seja o n mero de graus de liberdade 4 4 Efeito do atraso na medi o e na v lvula O mesmo procedimento pode ser usado para resolver as equa es para situa es mais complicadas O procedimento consiste em 1 obter a equa o diferencial apropriada que uma equa o diferencial linear com coeficientes constantes das equa es gerais desenvolvidas 2 expressar a solu o como soma das solu es em regime permanente e em regime transit rio com as constantes arbitr rias iguais em n mero ao grau da equa o e 3 encontrar as constantes das condi es iniciais do sistema Deve haver um n mero de condi es iniciais igual ao de constantes arbitrarias Aplicando este procedimento a um processo com nica capacidade com controlador ideal contendo as a es proporcional e derivativa e com atraso no elemento de medi o e na v lvula encontra se a equa o dx dx in liga Tny TmH Aa Tm Mo Mi x xo Xq T Xqo 4 10 onde Tm RmCm A 19 Enfoque Matem tico 1 Ry6 H R4C M RU Mp H RyB Xg Xoo dist rbio unit rio q q X Xo desvio inicial do ponto de ajuste do n vel Pm Px Controlador Fig 4 2 Processo com nica capacidade com controlador ideal mas com atrasos nos circuitos da medi o e da v lvula A equa o de terceira ordem possui uma solu o com tr s constantes arbitrarias B4 B2 B3 Para encontrar estas con
152. permitem ao usu rio integrar verticalmente e conectar seu sistema de controle de processo com o mundo de neg cios corporativos incluindo as partes de produ o e log stica Os sistemas abertos permitem tamb m a integra o horizontal das aplica es industriais atrav s da conex o dos sistemas de controle regulat rio monitora o de alarme sistema de laborat rio sistema de monitora o de m quinas rotativas gerenciamento de invent rio e log stica e at os sistemas de manuten o qualidade e documenta o No futuro os sistemas de controle de processo batelada ser o facilmente aplicados pelo usu rio e ser o embutidos e ligados com os sistemas perif ricos de informa o baseados em tecnologia Estes sistemas estar o de conformidade com as normas e terminologias desenvolvidas tais como ANSI ISA S88 01 e NAMUR NE 33 2 Gerenciamento da Batelada 2 1 Introdu o N o f cil projetar um sistema de controle de processo batelada para uso geral Parece f cil no in cio mas quando se examinam as exig ncias operacionais e funcionais se v que elas s o mais complexas que a maioria das outras aplica es De fato o projeto de um sistema para controle de processo cont nuo relativamente mais f cil O controle cont nuo pode ser visto como uma parte de um controle de processo batelada 2 2 Exig ncias As exig ncias operacionais b sicas s o 3 mover quantidades discretas bateladas d
153. por que n o foram consideradas Todo dist rbio que afete a vari vel controlada deve ser detectado e medido quando n o se pode medi lo n o se pode usar o conceito de controle preditivo antecipat rio deve se saber como os dist rbios e as vari veis manipuladas afetam a vari vel controlada Deve se conhecer o modelo matem tico do processo e a sua fun o de transfer ncia no m nimo de modo aproximado Uma das caracter sticas mais atraente e fascinante do controle preditivo antecipat rio que mesmo sendo rudimentar aproximado inexato e incompleto o controlador pode ser muito eficiente na redu o do desvio causado pelo dist rbio 3 As imperfei es e erros das medi es dos desempenhos dos instrumentos e das numerosas computa es provocam desvios no valor da vari vel controlada Tais desvios n o podem ser eliminados porque n o s o medidos ou conhecidos 4 a pouca disponibilidade ou o alto custo de equipamentos comerciais pudessem resolver as equa es matem ticas desenvolvidas e simulassem os sinais anal gicos necess rios para o controle Por m com o advento da eletr nica de circuitos integrados aplicada a computadores a microprocessadores e a instrumentos anal gicos foram conseguidos instrumentos de alt ssima qualidade baixo custo f cil opera o extrema confiabilidade e principalmente adequados para implementar a t cnica avan ada de controle preditivo antecipat rio
154. portanto tr s tipos diferentes de ganhos no sistema de controle o ganho do processo que vari vel com as altera es de sua carga S o as varia es do ganho do processo que devem ser controladas e administradas o ganho do controlador que ajust vel O nico instrumento que possui um ajuste de ganho o controlador os ganhos dos outros instrumentos que formam a malha de controle que s o estabelecidos e fixos quando se define o projeto do sistema O ganho do transmissor depende da faixa a ser calibrada o ganho da v lvula de controle depende de sua caracter stica inerente O ganho da malha de instrumentos depende ainda do uso n o uso do extrator de raiz quadrada do posicionador da v lvula Na malha de controle constitu da de transmissor t extrator de raiz quadrada e controlador C transdutor I P i p v lvula de controle com atuador pneum tico v e usada para a regula o do processo P tem se o seguinte ganho total T GT Gt Ge Gc Gip Gy GP A condi o necess ria para a estabilidade do sistema GT Gt Ge GC Gip Gy Gp lt 1 Agrupando se os ganhos do transmissor do extrator do transdutor e da v lvula em um ganho fixo e constante K tem se uma express o mais simples para o ganho total Gr Gr Gc Gp Este ganho total deve ser sempre menor que 1 para se ter uma das condi es da estabilidade do sistema Deste modo o controlador deve ter um ganho ajustad
155. quadrada o caracterizador de sinais Quando se utiliza a Calha Parshall essa modifica o pode ser dispensada Reagente Efluente Fig 3 1 Controle de pH convencional com realimenta o negativa Ffliente Fig 3 1 Controle de pH preditivo antecipat rio Os sistemas de controle avan ado se aplicam a processos determinados e seu objetivo o de obter o melhor controle do processo As vantagens que apresentam a aplica o dos sistemas de controle avan ado s o a economia de energia conseguido na opera o da planta o aumento da capacidade de fabrica o a diminui o do custo de opera o e a diminui o da percentagem de recupera o dos produtos que saem fora de especifica o durante o processo de fabrica o Os rendimentos t picos que oferecem os sistemas de controle avan ado s o 1 economia de energia com 5 de aumento na produ o 2 capacidade de fabrica o da planta aumenta de 3 a 5 3 custo de opera o da planta se v reduzido de 3 a 5 4 recupera o dos produtos melhora de 3 a 5 5 retorno da invers o de produz em um tempo de 1 a 5 anos 6 rendimento global de 5 a 35 As aplica es dos sistemas de controle avan ado aumentam dia a dia e se aplicam a processos tais como fabrica o de am nia processos batelada fornos caldeiras de vapor plantas petroqu micas sistemas de economia de energia reatores qu micos plantas de g s natural compres
156. quantidade de uma vari vel primaria n o controlada Geralmente se aplica quando se requer alta precis o e se utilizam turbinas que s o apropriadas para a totaliza o e s o muito precisas 4 rela o entre duas ou mais vari veis n o necessariamente vaz es S o usados computadores anal gicos para executar as opera es matem ticas envolvidas 8 31 Controle Multivari vel 10 3 Aplica es Controle de rela o com o divisor As duas vaz es s o medidas e sua rela o computada pelo divisor Esta rela o computada entra no controlador convencional PI como o sinal de medi o do processo O ponto de ajuste a rela o desejada A sa da do controlador faz a vaz o controlada seguir uma rela o fixa com a outra vaz o n o controlada Este sistema e usado quando se quer saber continuamente a rela o entre as vaz es O sinal da rela o pode ser usado para alarme override ou intertravamento Vaz o n o controlada divisor Vaz o controlada Fig 8 27 Controle de rela o com divisor Controle de rela o com o multiplicador A vaz o n o controlada medida e passa por um multiplicador cuja constante a rela o das vaz es desejada A sa da do multiplicador o ponto de ajuste remoto do controlador de vaz o A sa da do controlador manipula a vaz o controlada Vaz o n o controlada multiplicador Vaz o controlada Fig 8 28 Controle de rela o com
157. que usada para seletivamente permitir que cada equipamento de sa da particular registro buffer possa receber a informa o do computador o bus de endere o de sa da e a l gica de decodifica o de endere o de sa da Este bus adicional e sua l gica decodificadora fornecem os meios para o computador selecionar qualquer equipamento particular para transferir informa o para seu registro buffer e ou para alertar o equipamento para receber a informa o Duas estruturas de bus adicionais devem ser mencionadas para o 11 17 Computador como Controlador endere amento dos equipamentos Desde que o computador pode fazer somente uma coisa a um tempo frequentemente estas estruturas de bus de endere o s o multiplexadas no tempo para os fios do bus de E S de dados com o controle e o sincronismo necess rios de modo que os equipamentos saibam como e quando ligar aos mesmos 16 fios bus E S Neste trabalho duas estruturas de bus de endere o E S separadas ser o assumidas em adi o s duas estruturas de bus de dados independentes 2 11 Processamento de dados Neste ponto o computador deve ter a capacidade de endere ar cada um dos poss veis equipamentos ligados a ele na entrada ou na sa da e transferir a informa o do ou para este equipamento Frequentemente quando chega ao computador o valor escalonado de uma vari vel de processo ele verifica este valor contra os valores m ximo e m nimo que e
158. raio cat dico TRC separado do painel do controlador Por exemplo o sistema TDC 2000 possu a oito controladores regulat rios em seu Controlador B sico e 16 controladores regulat rios e blocos l gicos no Controlador B sico Estendido O console centralizado do operador inclu a fun es como controle supervis rio 10 8 Controle Batelada da malha fechada tend ncia em linha e aquisi o de dados para tend ncias hist ricas Console Operador Console Operador Console Operador o Opera o p Sistemade Z I E Comunica o TE ZE X pai EN G pi Sala de onto Impressora Console 7 Computadi Controlador Controlador Supervis rio Controlador O Fieldbus pa Campo M dulo M dulo M dulo vo uo uo 1 ER Processo 7 Q 4 o L Interface Robot Fig 11 4 Sistema de controle com SDCD Os SDCDs evolu ram e passaram a oferecer ao usu rio 1 condicionamento e processamento de valores do processo 2 controle regulat rio e discreto 3 capacidade de combinar estas op es em esquemas de controle poderosos 4 capacidades computacionais 5 escolha de t cnicas de controle avan ado 6 armazenamento de dados 7 capacidade de display com listas de alarmes facilidad
159. rbio r pido e de pequena amplitude tipo degrau na sua entrada e estudar o comportamento da resposta A resposta do sistema est vel depende do seu amortecimento 1 o sistema super amortecido quando a varia o da resposta ao degrau lenta e sobe com pequena inclina o 2 o sistema criticamente amortecido quando a varia o da resposta ao degrau varia mais r pida mas ainda n o apresenta oscila o 3 o sistema sub amortecido quando a resposta apresenta oscila es por m com amplitudes decrescentes Para haver estabilidade o ganho total deve ser menor que 1 pois o dist rbio amortecido e eliminado com o tempo Quando o ganho maior que 1 as oscila es aumentam e n o h interesse pr tico Para a passagem de sistema amortecido para sistema com instabilidade crescente tem se o sistema com instabilidade com oscila es constantes o ganho total da malha igual a 1 H interesse em se conseguir essa oscila o apenas como caminho intermedi rio para calibra o do controlador E desej vel na pr tica que todos os sistemas de controle apresentem um sub amortecimento idealmente na propor o de 4 1 Quando s o definidos todos os par metros do processo a faixa de medi o o uso do transmissor com sinal padr o de sa da o modo de controle o tipo e o tamanho da v lvula de controle o uso de posicionador o nico instrumento que apresenta uma chave para o ajuste do ganho
160. sentida a press o do sistema de enchimento termal 3 a vari vel manipulada a vaz o de entrada de vapor na serpentina 4 a temperatura ambiente pode afetar a temperatura do produto mas n o controlada 5 a sa da do produto a carga do processo 6 pode haver dist rbio afetando o produto de entrada ou o produto dentro do tanque 2 6 Grau de Liberdade e Vari veis O par metro associado a quantidade tima de controladores em um sistema o grau de liberdade definido como a diferen a entre o n mero de vari veis e o n mero de equa es independentes entre as vari veis O n mero de controladores autom ticos atuando independentemente em um sistema ou parte do sistema n o pode exceder o n mero do grau de liberdade Quando o n mero de controladores menor que a diferen a entre o n mero das vari veis controladas e o das equa es independentes poss vel se controlar o processo por m o controle insuficiente Existem vari veis que n o s o controladas e podem afetar a efici ncia do sistema global Por m quando o n mero de controladores usados igual ou maior que a diferen a entre das vari veis e o n mero de equa es matem ticas que existem entre as vari veis o sistema contradit rio e n o poss vel se conseguir um controle Os controles se anulam ou ent o o controle de uma vari vel torna imposs vel o controle de outra vari vel 80 a 90 das malhas de controle de
161. ser removido resetado manual ou automaticamente Na instrumenta o eletr nica tradicional o reset manual usa um potenci metro para deslocar a banda proporcional eletricamente A quantidade do desvio da banda proporcional deve ser dado pelo operador em pequenos incrementos durante um per odo de tempo at que a sa da do controlador satisfa a a demanda do processo no ponto de ajuste O reset autom tico usa um integrador eletr nico para fazer a fun o de reset O sinal desvio erro ou diferen a entre medi o e ponto de ajuste integrado em rela o ao tempo e a integral somada ao sinal de desvio para mover a banda proporcional A sa da assim aumentada ou diminu da automaticamente para trazer a medi o de volta ao ponto de ajuste O integrador mant m variando a sa da do controlador e assim a vari vel controlada at que o desvio fique igual a zero medi o igual ao ponto de ajuste Quando o desvio fica zero a sa da para o integrador tamb m zero e sua sa da para de variar Assim que esta condi o atingida o valor correto do reset mantido pelo integrador Assim que ocorrer nova altera o no processo haver novo desvio que faz o integrador integrar e aplicar nova a o corretiva sa da O termo integral do controlador age continuamente para tentar fazer o desvio igual a zero Esta a o corretiva deve ser aplicada lentamente mas lentamente que a velocidade de resposta da carta
162. sica e de rotina a ciclagem da unidade de mem ria As instru es do programa s o sempre armazenadas em algum lugar dentro da mem ria e quando cada instru o do programa executada o computador deve simultaneamente causar o pr ximo passo do programa ser retirado da mem ria independe do que as outras opera es internas sejam requeridas por esta instru o particular 11 20 Computador como Controlador 2 15 Ciclo do computador Isto leva necessidade para uma sequ ncia de eventos de rotina ser feita durante a execu o de quase toda instru o do computador Esta sequ ncia de eventos controlada pela unidade l gica e de sincronismo do computador automaticamente a cada momento que qualquer instru o seja executada e isto n o precisa ser especificamente estabelecido pelo programador humano Esta sequ ncia de rotina requer um per odo de tempo que junto com o intervalo de tempo requerido para executar a maioria das instru es elementares do programa chamada de ciclo do computador ou ciclo da maquina Este o tempo b sico de execu o da instru o requerido pelo computador e a especifica o que o fabricante deve estabelecer claramente Assim um ciclo do computador de 1 76 bus o tempo total requerido para que este computador faca toda sua rotina obter a pr xima instru o levar os dados para os v rios equipamentos funcionais verificar a interrup o de prioridade mai
163. simultaneamente por barras gr ficas e por d gitos O controlador pode estar ligado diretamente ao processo quando possui um elemento sensor determinado pela vari vel medida O controlador de painel recebe o sinal padr o proporcional a medi o do transmissor e deve possuir circuitos de entrada que condicionam o sinal de medi o O controlador pneum tico possui o fole receptor de 20 a 100 kPa e o eletr nico possui o circuito receptor como a ponte de Wheatstone circuito potenciom trico ou galvan metro 3 34 Controlador Medi o Ponto de ajuste Escala v A o direta ou inversa Indicador Sa da Unidade de Unidade Wi controle Balan o autom tico Controle Manual Proporcional Integral Derivativa Fig 4 1 Diagrama de blocos funcional do controlador a realimenta o negativa Indica o digital Indica o de barra gr fica Indica o Chave do digital pulsador Chaves para sintonia Teclado para configura o Painel de acesso Fig 4 2 Vista frontal de controladores anal gicos a Com ponto de ajuste manual b Com ponto de ajuste autom tico c Com pontos de ajuste manual local e autom tico remoto Fig 4 3 Vista frontal de controlador digital 4 35 1 2 Ponto de Ajuste Quanto ao ponto de ajuste h tr s modelos de controladores com diferentes pontos de ajuste 1 manual 2 remoto 3 manual ou remoto O controlad
164. sopa no ponto de ebuli o 6 sequ ncia execu o dos passos do processo em ordem predeterminada T coordena o do processo certos ingredientes foram medidos pesados ou preprocessados para servir como mat ria prima antes de come ar o processo principal de cozinhar a sopa 8 programa o onde algu m programa e supervisiona o processo de fazer v rios potes de sopa para todo o pessoal da tribo E f cil imaginar que o controle de qualidade em termos de se garantir um gosto agrad vel e consistente para v rios potes de sopa era requerido pelo usu rio final O controle de qualidade era uma considera o importante para o cozinheiro continuar no neg cio ou mesmo continuar vivo A otimiza o do uso do ingrediente e do tempo de cozimento foi muito importante no passado especialmente quando era pobre o suprimento da comida Este exemplo mostra que as fun es inclu das no controle do processo de batelada de hoje n o eram diferentes 10 1 Controle Batelada daquelas da pr hist ria A principal diferen a que hoje s o dispon veis meios para armazenar os ingredientes necess rios e de executar as fun es manuais por meio de equipamento mec nico ou eletr nico de modo autom tico Como havia muitos fen menos qu micos e f sicos pobremente conhecidos o controle do processo batelada foi considerado uma arte ou uma habilidade no passado O cozinheiro pr hist rico fez v rias fun es tais
165. termal o grau de dificuldade de transfer ncia de calor energia entre dois corpos Por exemplo as respostas da varia o da temperatura de um reator quando se aplica um degrau de varia o no vapor de entrada s o diferentes quando se tem a inje o direta de vapor o aquecimento atrav s da serpentina a medi o com um termopar pelado com bulbo de prote o e com bulbo po o A serpentina apresenta uma resist ncia para a transfer ncia de calor do vapor para o produto do processo e o bulbo e o po o apresentam resist ncia para a transfer ncia de calor do produto para o termopar Capacit ncia A capacidade o local onde a massa e a energia se armazenam Uma capacidade age como um filtro ou amortecedor entre um fluido de entrada e um fluido de sa da Em sistema mec nico um vaso tem a propriedade de armazenar fluidos A medi o mec nica da capacit ncia a in rcia que determina a quantidade de energia que pode ser armazenada em um equipamento estacion rio ou m vel Em sistema el trico o capacitor usado para armazenar cargas el tricas O tamanho de uma capacidade medida por sua constante de tempo Na resposta do n vel desde que as duas vaz es se aproximem assintoticamente elas nunca se tornam totalmente iguais pelo menos na teoria O n vel para de variar e deste modo a resposta n o pode ser medida pelo tempo que ele leva para encher o tanque Em vez disso a resposta quantificada po
166. transferida bidirecionalmente entre a unidade aritm tica e a mem ria e os equipamentos externos Este arranjo t pico de qualquer computador digital e cada canal de comunica o chamado de barramento bus A unidade de controle e timing tamb m ligada bidirecionalmente com as outras tr s unidades De fato ela controla a opera o das outras tr s unidades funcionais e deve ser entendido que ela est sempre l mesmo que n o esteja mostrada no diagrama A seq ncia de opera es executada pela l gica interna a seguinte 1 tudo come a com uma instru o do computador que uma ou mais palavras bin rias codificada por um programador para um computador especifico A codifica o real varia entre os computadores mas a instru o codificada sempre interpretada por uma parte da unidade de controle chamada de registro de instru o Um registro um grupo de flip flops bin rios independentes Cada FF tem a capacidade de memorizar um bit de informa o que deve ser apresentado a ele simultaneamente com um comando chamado de comando gatilho para lembrar este bit Sem a ocorr ncia deste gatilho o FF ignora o bit em sua entrada ou qualquer mudan a neste bit lembrando somente o nico bit que foi apresentado a ele em conjunto com seu comando gatilho H normalmente tantos FF montados em um registro como o n mero de bits na palavra do computador Assim para um computador de 32 bits um re
167. uma duas e tr s capacidades combinadas com um controlador contendo at dois atrasos Isto cobre a maioria das situa es pr ticas e reduz o n mero de equa es para um m nimo Resumindo se dar mais import ncia aos procedimentos e menos as equa es 3 2 Processo controlado com uma capacidade Seja o processo mais elementar poss vel um sistema com uma nica capacidade A Fig 3 1 mostra um processo com uma capacidade e um controlador contendo dois atrasos tanto o elemento de A 12 Enfoque Matem tico medi o como o elemento final de controle contem atrasos apreci veis A equa o para o processo com uma capacidade eq 1 3 e um controlador contendo dois atrasos eq 2 28 foram desenvolvidos previamente Por conveni ncia eles s o repetidos Px Controlador Fig 3 1 Processo com nica capacidade com controlador ideal mas com atraso no sistema de medi o e na v lvula A equa o para o sistema de controle com malha fechada uma equa o integro diferencial de terceira ordem refletindo as tr s capacidades no sistema C Cm e Cv M e 1 3 R dt R d2F dF a x xo 1 e xo Jet F 2 28 onde a abc y abcR B abcT Nas equa es os termos importantes s o Tm RmCm Ty RyCy H RgC a fator do controle proporcional total B fator do controle derivativo total y fator do controle integral total Combinando as eq 1 3 e 2 28 substituindo F
168. uma realimenta o negativa no interior do controlador tornando o mais est vel A a o integral executa uma realimenta o positiva se opondo a a o proporcional A a o derivativa geralmente separada e anterior as outras duas a es retarda a realimenta o negativa apressando a corre o 4 Controladores Eletr nicos A seguir ser o mostrados os circuitos dos controladores anal gicos eletr nicos baseados em amplificadores operacionais amp op Estes circuitos s o mais abstratos e dif ceis de entender que os pneum ticos mostrados anteriormente para quem n o tem uma base de Eletr nica 4 1 Controlador Liga Desliga A sa da do controlador liga desliga est totalmente ligada ou totalmente desligada Isto causa o atuador aplicar toda a pot ncia ou nenhuma pot ncia ao processo Exemplos de controle liga desliga s o refrigera o da geladeira condicionador de ar residencial Para ser pr tico o controlador liga desliga tem uma banda morta ou histerese Quando o erro tem um grande valor negativo a vari vel de processo muito maior que o ponto de ajuste e o controlador esta desligado Isto corresponde a um ambiente muito quente Somente ap s o erro atingir um valor positivo a gt b gt c ent o o controlador chaveia a sa da para 100 Esta condi o ligada continua enquanto houver qualquer erro positivo valor real agora abaixo do valor desejado Isto corresponde as ambiente ficand
169. uma planta s o projetadas instaladas sintonizadas e operadas com grande sucesso usando se a t cnica simples da realimenta o negativa Os restantes 20 a 10 dependem de t cnicas mais avan adas de controle Isto pode parecer uma pequena percentagem do total por m as poucas malhas cr ticas podem provocar a parada da planta Processo Industrial Um estudo mais profundo para a determina o das vari veis a serem controladas a partir das equa es que governam o processo est al m do objetivo desse trabalho 3 Controle do Processo Controlar o processo significa obter os resultados desejados dentro dos limites de toler ncia razo veis Sempre que houver um dist rbio ou varia o de carga no processo a vari vel controlada deve retornar exatamente ao ponto de ajuste estabelecido dentro do tempo prescrito e com um erro de pico limitado A rela o entre as vari veis controlada manipulada e carga qualifica a necessidade do controle do processo A vari vel manipulada e as v rias cargas podem aumentar ou diminuir a vari vel controlada dependendo do projeto do processo Altera es na vari vel controlada refletem o balan o entre as cargas e a vari vel manipulada Fluido do trocador de calor Fig 2 11 Trocador de calor Para o trocador de calor o aumento na abertura da v lvula na entalpia do vapor na temperatura de entrada e na temperatura ambiente tendem a aumentar a temperatura do produto
170. unidade avan o atraso repete o sinal de entrada na sua sa da quando a entrada constante Quando h varia o na entrada o sinal de sa da atrasado ou adiantado Obviamente imposs vel se fazer uma compensa o quando se deve criar um avan o de tempo Na pr tica isso conseguido fazendo se um atraso na sa da do controlador O compensador din mico desse modo pode ser colocado antes ou depois do controlador Quando anterior ao controlador ele modifica o sinal da vari vel medida Quando h associa o das malhas de realimenta o e preditiva antecipat rio deve se cuidar de sempre deixar o compensador din mico fora da malha de realimenta o 9 8 Aplica es Nem todo processo requer a aplica o do controle preditivo antecipat rio Inclusive h processos onde a implementa o do controle antecipat rio imposs vel ou impratic vel Como a implanta o de um controle antecipat rio requer o uso de v rios instrumentos adicionais a sua aplica o deve se justificar economicamente Sob o ponto de vista de engenharia de controle de processo justificada a aplica o do controle preditivo antecipat rio quando 1 as varia es nos dist rbios e cargas de entrada do processo levam um tempo consider vel para afetar a vari vel controlada na sa da tornando pouco eficiente o controle convencional a realimenta o negativa 2 as vari veis de entrada que afetam significativamente a v
171. usado em sistemas pequenos O uso do microprocessador tamb m causou uma reavalia o do custo atual do controle a computador digital mesmo para o controle de uma nica malha e para tanto foi desenvolvido o controlador single loop O computador digital pode ser usado tamb m em combina o com outros tipos de controladores quando s o desenvolvidas interfaces ou drivers para a comunica o entre eles Muitos controladores eletr nicos anal gicos antigos foram fabricados com a op o de modo computador al m dos modos autom tico e manual Esta op o permitia ao controlador de cada malha do processo receber seu ponto de ajuste de um computador digital supervis rio N o h essencialmente limite para combina es de tipos de controladores que podem ser usados em qualquer processo dado para conseguir o controle mais economicamente aceit vel 1 2 Computador digital O computador digital um equipamento eletr nico que opera baseado em princ pios e equa es expressas no sistema de n mero bin rio e na lgebra booleana Ele opera somente com informa o codificada binariamente dois estados O ou 1 Ele possui a capacidade interna de aceitar a informa o codificada binariamente em seus terminais de entrada de equipamentos externos e fornece dados codificados binariamente em seus terminais de sa da para uso por outros equipamentos Ele tem a capacidade interna de executar opera es aritm ticas bin rias e l
172. vista do controle as situa es mais comuns que requerem a interven o manual do operador de processo s o 1 na partida do processo quando a banda proporcional menor que 100 Neste caso quando a medi o est em 0 e o ponto de ajuste est acima de 50 a vari vel controlada est fora da banda proporcional 2 quando o processo entra em oscila o ou seja quando o ganho da malha fechada de controle fica igual a 1 Quando se coloca o controlador em manual abre se a malha de controle e se pode estabilizar o processo 1 4 Unidade de Balan o Autom tico A maioria dos controladores com esta o manual possui um sistema de balan o autom tico que permite a passagem de autom tico para manual e vice versa de modo cont nuo sem provocar dist rbio no processo e sem a necessidade de se fazer o balan o manual da sa da do controlador Erradamente se pensa que esta transfer ncia requer a igualdade entre a medi o e o ponto de ajuste Quando o controlador n o possui a esta o de transfer ncia autom tica o operador deve garantir que o sinal inicial da sa da manual seja igual ao sinal final da sa da autom tica de modo que o processo n o perceba esta mudan a de autom tico para manual No m nimo o controlador possui um dispositivo de compara o que faz o balan o pr vio entre os sinais de sa da autom tica e manual 3 36 Controlador Fig 4 5 A es de controle direta e invers
173. 1 a frequ ncia de oscila o do controle com intervalo menor que a do controle liga desliga o que uma vantagem pois o elemento final menos solicitado 2 O intervalo de oscila o da medi o do controle com intervalo maior que a amplitude do oscila o do controle liga desliga o que uma desvantagem pois a medi o se desvia mais do ponto de ajuste desejado 2 5 Controle Proporcional O controle proporcional possui os mecanismo de detec o da medi o a gera o do ponto de ajuste e a compara o desses dois sinais O sinal de erro entre a medi o e o ponto de ajuste age mecanicamente na alavanca proporcional fazendo a girar em torno de um fulcro O movimento da alavanca posiciona o conjunto bico palheta O sinal de press o do bico amplificado pelo rel pneum tico e constitui a sa da do controlador A sa da do controlador vai atuar na v lvula do processo para diminuir o erro entre a medi o e o ponto de ajuste Ao mesmo tempo a sa da do controlador realimentada negativamente para o interior do controlador atrav s de um fole em oposi o a uma melo A realimenta o negativa pois quando o desvio aumenta afastando a palheta do bico a press o do fole proporcional realimentado negativamente atua no sentido de aproximar a palheta do bico No controlador proporcional puro a sa da diretamente proporcional ao desvio entre a medi o e o ponto de ajuste Uma varia o
174. 2 3 Equa es da malha fechada 13 3 1 Introdu o 13 3 2 Processo com uma capacidade 13 3 3 Processo com duas capacidades 14 3 4 Processo com tr s capacidades 15 3 5 Conclus es 17 4 Solu es das equa es 18 4 1 Introdu o 18 4 2 Processo com controlador ideal 18 4 3 Controle integral 19 4 4 Atrasos na medi o e na v lvula 20 4 5 Controle integral 22 4 6 Processo com duas capacidades 22 4 7 Processo com 3 capacidades 23 4 8 Exemplo 1 23 4 9 Exemplo 2 24 5 Estabilidade da malha fechada 27 5 1 Introdu o 27 5 2 Pr tica corrente 27 5 3 Crit rio de Routh 27 Controle de Processo Objetivos de Ensino 1 Apresentar objetivo vantagens e aplica es do controle autom tico 2 Mostrar o controle manual e autom tico 3 Explicar a diferen a entre controle de processo e servomecanismo dando um exemplo detalhado de cada um 4 Mostrar como um sistema de controle de processo pode se tornar cada mais complexo pela adi o das vari veis do processo temperatura vaz o n vel analise 5 Mostrar de modo simplificado como aparece o controle digital direto supervis rio e distribu do a computador mostrando caracter sticas de cada um 1 Vantagens e Aplica es Nem todas as vantagens do controle autom tico podem ser listadas aqui As principais est o relacionadas com a qualidade e com a quantidade dos produtos fabricados com seguran a e sem subprodutos n
175. 2 e eq 2 3 0 deslocamento da resist ncia e capacidade para a se o de medi o do circuito controlador Esta situa o ocorre frequentemente nos elementos de temperatura onde um atraso apreci vel ocorre na transfer ncia de calor do processo para o elemento A9 Enfoque Matem tico termal sensor Muitas vezes este atraso consideravelmente maior do que o que ocorre na outra por o do circuito de controle e por isso ela aquele que deve ser considerado acima dos outros O controlador em si usualmente tem um atraso desprez vel em compara o com os atrasos no circuito de medi o ou no circuito da v lvula Quando se faz uma an lise id ntica aos procedimentos empregados para o atraso da v lvula tem se dF Lo art F alx xo x xo dt B R 2 19 onde Tm RmCm 2 20 A eq 2 19 envolve um controlador com os controles proporcional integral e derivativo Ela id ntica a eq 2 17 onde o atraso estava na por o da v lvula do circuito A nica diferen a fica na substitui o de Tm ou RmCm no lugar de Ty ou RyGy Estas quantidades s o frequentemente chamadas de constantes de tempo porque elas representam uma multiplica o de uma resist ncia e uma capacidade e dimensionalmente as unidades de RC s o unidades de tempo como segundos Na pr tica poss vel avaliar a constante de tempo Ty ou Tm para uma dada v lvula ou elemento de medi o respectivamente Isto
176. 25 Controle de Processo 5 Controlador Anal gico 6 Controlador Digital 1 Controlador Pneum tico de Painel 1 Introdu o 1 1 1 Conceito 1 e 1 Modelos Esquemas de Controle Digital 1 1 3 Modelo B sico 130M 1 4 Especifica es Funcionais 1 5 Especifica es F sicas 1 6 Caracter sticas O pcionais 1 7 Componentes B sicos 1 2 Fun es do controlador 3 4 4 4 1 8 Unidade de Ponto de ajuste 5 6 6 7 8 9 2 Entrada de dados 6 8 2 3 2 3 Algoritmo de controle 4 Sa da do comando 11 5 1 9 Unidade Derivativa Modos de Opera ag de 1 10 Unidade de Controle Autom tico Exemplo 12 1 11 gnidade ge Controle Manual 6 Sistema Expert 13 1 12 Transfer ncia Autom tica Manual 6 1 Reconhecimento das situa es 14 1 13 Instru es para Especifica o 6 2 Diagn stico 14 1 14 Montagem Modular 10 6 3 Corre o do problema 14 Esta o de leitura no painel 10 Controlador cego de campo 11 7 Controlador Comercial 14 7 1 Conceito 14 2 Controlador Pneum tico de Campo12 712 RA 15 2 1 Caracter sticas Gerais 12 w i a 7 3 Fun es de controle 15 2 2 Indica o 12 fes il 7 4 Auto sintonia 15 2 3 Controle Liga Desliga 13 a 7 5 Seq encial e programa o de tempo 15 2 4 Controle com Intervalo Diferencial 13 y 7 6 Outras propriedades 15 2 5 Controle Proporcional 14 7 1 Controlador Foxboro 16 2 6 Controle Proporcional Integral 14 7 8 Controlador Bailey
177. 7 28 Sintonia do Controlador intervalo de tempo entre a interse o da tangente com o eixo x e com um erro aberto Eo O processo runaway ou com realimenta o positiva tamb m n o tende para um valor de regime Ele come a como um processo auto regulante por m em um determinado ponto ele come a a crescer rapidamente tendendo para o infinito Ele teria duas constantes de tempo uma para a realimenta o negativa e outra para a realimenta o positiva A constante de tempo da realimenta o negativa facilmente achada pela tangente primeira subida como no processo auto regulante O intervalo de tempo entre a interse o do eixo do tempo e a interse o com 172 do erro da malha aberta Eo pela segunda tangente a constante de tempo da realimenta o positiva 8 4 Mec nica da Sintonia A sintonia de controladores anal gicos da sala de controle tipicamente feita pelo ajustes de pequenos dials ou bot es nas laterais do controladores ap s eles serem parcialmente retirados da estante O ajuste dos dials ou bot es nos controladores de campo requer a abertura da caixa a prova de tempo Os dials ou botos tem ajustes cont nuos ou discretos A faixa de ajustes depende do fabricante do controlador e do modelo O controlador pode tamb m ter chaves que multiplicam os ajustes de integral e derivativo por 10 100 1000 E dif cil determinar o ajuste do modo com mais de dois algarismos significativos por
178. 9 6 Compara o com o Feedback Semelhan as Mesmo sendo conceitualmente diferentes a malha de controle com realimenta o negativa possui algumas caracter sticas comuns a malha de controle preditivo antecipat rio Assim 1 ambas as malhas s o fechadas 2 em ambas as malhas h os componentes b sicos dispositivo de medi o controlador e v lvula atuadora 3 o controlador essencialmente o mesmo para ambas as malhas 4 ambos controladores possuem o ponto de ajuste essencial a qualquer tipo de controle 8 18 Controle Multivari vel Diferen as Por m as diferen as entre os sistemas com realimenta o negativa e preditivo antecipat rio s o mais acentuadas No controle com realimenta o negativa a vari vel controlada medida na sa da do processo O controlador atua nas vari veis manipuladas de entrada para manter a vari vel controlada igual ou pr xima a valores desejados Como a vari vel controlada depende de todas as vari veis de entrada indiretamente atrav s do processo e geralmente com atraso o controle com realimenta o negativa leva em considera o todas as vari veis de entrada Por m os atrasos na a o corretiva podem ser praticamente inaceit veis em alguns processos de grande capacidade e longo termo morto No controle preditivo antecipat rio as vari veis de sa da controladas n o s o medidas para a compara o com o valor desejado O controlador apena
179. Controle de Processo Teoria e Aplica es 7 edi o Marco Ant nio Ribeiro Controle de Processo Teoria e Aplica es 7 edi o Marco Ant nio Ribeiro Dedicado a Gon alo Aparecido Pereira um instrumentista e um amigo 1950 1986 Quem pensa claramente e domina a fundo aquilo de que fala exprime se claramente e de modo compreens vel Quem se exprime de modo obscuro e pretensioso mostra logo que n o entende muito bem o assunto em quest o ou ent o que tem raz o para evitar falar claramente Rosa Luxemburg O Tek Treinamento amp Consultoria 1974 1978 1984 1989 1994 1998 2001 Salvador BA Outono 2001 Pref cio Desde que foi escrita a primeira edi o deste trabalho em 1974 ainda com o nome de Teoria de Controle muitas mudan as ocorreram no campo de controle de processo industrial Apareceram os instrumentos inteligentes nome n o muito inteligente para instrumentos microprocessados houve uma prolifera o de computadores em aplica es de controle e atualmente h um aumento intensivo de aplica es de controladores l gico program veis substituindo os prosaicos rel s eletromec nicos Mesmo com os avan os da tecnologia aplicada aos instrumentos que realizam o controle de processo as id ias b sicas e fundamentais ainda s o v lidas e aplic veis ao conceito de controle Este trabalho Controle de Processo pretende ser uma introdu o aos princ pios b sicos e as pr ticas dos v
180. DCD deve ser baseada preferivelmente em nomes de tag para permitir a implementa o de estrat gias de controle tanto no CLP como no SDCD 7 Os sistemas operacionais aplicativos e o protocolo do sistema de comunica o digital devem ser abertos Aberto significa que as interfaces de comunica o s o padr o e facilmente dispon veis de v rios fornecedores Aberto tamb m significa facilidade de conectividade entre os sistemas industriais e corporativos dominados pela IBM DEC e HP Computador Supervis rio Esta o de Opera o Unidade de Controle Unidade de Fig 11 7 Sistema integrado com SDCD CLP e CP 10 10 Controle Batelada 1 10 Conclus o Este cap tulo apresentou ao leitor as fun es de controle do processo batelada e sua hist ria Ao longo do tempo as fun es de controle batelada foram gerenciadas para tornar poss vel sua automa o usando sempre a melhor tecnologia dispon vel mec nica el trica ou eletr nica A automa o come ou no n vel regulat rio e subiu na pir mide hier rquica sendo aplicada em controle sequencial e avan ado V rios dispositivos foram desenvolvidos para o controle sequencial e de batelada como sequenciadores e programadores culminando no projeto e uso do CLP para fazer fun es de controle batelada Atualmente no fim dos anos 1990 a palavra chave comunica o e a necessidade de se ter sistemas abertos Os sistemas abertos
181. Em certas condi es o modo mais obvio de se evitar a satura o do controlador a opera o manual Ora desligar o controlador durante a parada do processo tipo batelada e parti lo manualmente certamente evita a satura o do controlador Por m tal solu o n o autom tica nem inteligente O efeito da satura o do modo integral pode ainda ser diminu do colocando se limites de m ximo ou de m nimo no sinal de sa da do controlador H inconveni ncias pois os limites n o podem ser ajustados dentro de O a 100 da faixa de controle sem preju zo da opera o normal do controlador Em controladores eletr nicos onde mais f cil e econ mico se obter tais limites os circuitos limitadores s o dispon veis de modo padr o H quem diga que tais controladores sejam inerentemente anti satura o do integral Isso n o rigoroso nem correto Obviamente a sa da do controlador fica confinada aos limites impostos pelos ajustes de m ximo e de m nimo Por m ainda poder haver satura o do modo integral s que em outros valores Os limitadores n o eliminam os problemas de ultrapassagem da medi o em rela o ao ponto de ajuste 7 12 Sintonia do Controlador O que se pode dizer desses controladores com limitadores do sinal da sa da que eles n o entram em satura o em malhas comuns por causa de sua realimenta o interna Por m sistemas complexos exigem realimenta o externa e
182. P Fig 6 1 Processo com nica capacidade com controlador e v lvula ideais mas com atraso no sistema de medi o 5 5 Condi es de estabilidade O melhor m todo de entendimento do crit rio de Routh a aplica lo a um sistema de equa o diferencial como a eq 6 1 As condi es para a estabilidade para este sistema de terceira ordem s o duas A primeira condi o que todos os coeficientes devam ser do mesmo sinal alg brico Por conveni ncia a eq 6 1 pode ser reescrita como segue dx d x dx M3 RE Mo 2 M F Mo x x0 0 6 2 onde Ms Tm H M2 Tm H RB M 1 R a Mo Rg y A segunda condi o para a estabilidade MM3 gt MaMo 6 3 Em quase todos os casos de controle de processo os coeficientes ser o do mesmo sinal alg brico de modo que a coisa importante para investigar a desigualdade dada pela eq 6 3 Inserindo as constantes reais do sistema na igualdade acima e re arranjando a de modo que o termo do controle integral fique isolado tem se 1 R40 Tm H Rob 6 4 TmHRy A desigualdade como escrita acima permite investigar como os ajustes do controlador afetam a estabilidade A desigualdade acima mostra as condi es limitantes entre a opera o est vel e inst vel atrav s da express o determina se que um sistema inst vel pode se tornar est vel por meio de uma das tr s seguintes altera es nos ajustes do controlador 1 diminuindo o fator de cont
183. Quando a a o integral for muito r pida o processo oscila A Fig 7 8 corresponde a um processo aquecido com um aquecedor de 2000 W A rela o entre o calor da entrada e a temperatura do processo mostrado pela curva do processo assumido linear A fun o de transfer ncia para um controlador com uma banda proporcional de 200 C mostrada para tr s diferentes pontos de ajuste nas curvas Ile III A curva com um ponto de ajuste em 200 C intercepta a curva do processo a um n vel de pot ncia de 500 W que corresponde a uma temperatura do processo de 250 C O offset neste ponto de ajuste de 50 C 250 200 C A curva Il com ponto de ajuste em 500 C corta a curva do processo em 1000 W que corresponde a uma temperatura de 500 C e n o h offset desde que a temperatura 11 Sintonia do Controlador corresponde a 50 da pot ncia A curva III com um ponto de ajuste de 800 C intercepta a curva do processo em 1500 W que corresponde a uma temperatura de 750 C e o offset nestas condi es de 50 C 750 800 C Estes exemplos mostram que o desvio permanente offset depende da fun o de transfer ncia do processo da banda proporcional ganho e do ponto de ajuste curva do processo Ann 600 RAN 1nnn je nffcat nn a je nffeet gt Fig 7 9 Mecanismo pelo qual ocorre desvio permanente offset com controlador proporcional 3 5 Aplica es da A o Proporcional
184. Rel s de controle matar Fig 13 Uso de um rel e chave para partir motor Os rel s podem ser usados para muitas aplica es al m de transladar o n vel de energia Por exemplo na Fig 14 tem se um rel usado como tranca latch onde uma l mpada verde ligada quando o rel n o atuado e uma luz vermelha quando o rel estiver atuado Neste caso quando a botoeira normalmente aberta NA PB1 acionada a bobina do rel de controle 9 11 Controle L gico energizada Ent o seu contato NA fecha bypassando PB1 de modo que o rel permanece fechado Assim ele fica trancado Para desenergizar ou destrancar o rel a boteira PB2 normalmente fechada NF acionada PB2 abre o circuito e o rel liberado 11V ra varda Fig 14 Use de um rel para realizar uma tranca Quando um sistema de controle completo implementado usando rel s o sistema chamado de sequenciador a rel Um sequenciador a rel consiste em uma combina o s rie e paralela de v rios rel s incluindo do tipo temporizado fiados para implementar a seq ncia espec fica de eventos As entradas s o chaves e botoeiras que energizam os rel s e as sa das s o contatos fechados ou abertos que ligam ou desligam l mpadas motores e solen ides Diagrama esquem ticos A fia o de um sistema de controle a rel pode ser descrito por diagramas esquem ticos tradicionais tais como os da Fig 13 e Fig 14
185. Tais diagramas s o complicados por m quando se tem muitos rel s cada um com v rios contatos usados no sistema Gradualmente tem sido adotados diagramas mais simplificados onde os contatos dos rel s n o s o colocados diretamente sobre o s mbolo da bobina mas s o apresentados em qualquer lugar do diagrama do circuito com um n mero associado ao n mero da bobina Esta simplifica o resultou no diagrama ladder escada usado atualmente 4 2 Elementos do diagrama ladder O diagrama ladder um modo simb lico e esquem tico de representar o equipamento do sistema e o controlador do processo Ele chamado de diagrama ladder por causa dos v rios componentes do circuito ligados em paralelo atrav s da linha de alimenta o alternada formando algo parecido com uma escada como cada conex o paralela sendo um degrau da escada Na constru o de um diagrama ladder entendido que cada degrau da escada composto de um n mero de condi es ou estados de entrada e um nico comando de sa da A natureza dos estados da entrada determina se a sa da est energizada ou n o S mbolos especiais s o usados para representar os v rios elementos do circuito em um diagrama ladder que incluem rel s motores solen ides l mpadas e chaves Rel s A bobina de um rel representada por um circuito identificado como CR control relay e um n mero de identifica o associado Os contatos para este rel ser o o
186. a Tanque vazio seguro e v lvula na sa da A partir da seguran a obtida com o tanque vazio a v lvula deve ser ar para fechar na falta de ar a v lvula abre e o tanque se esvazia levando o sistema para a seguran a A v lvula est a 100 com 20 kPa e a 0 com 100 kPa A a o do controlador como consegu ncia deve ser inversa quando o n vel aumenta a v lvula deve abrir mais para faze lo diminuir e a sa da do controlador deve diminuir abrindo mais a v lvula Tanque vazio seguro e v lvula na entrada A partir da seguran a obtida com o tanque vazio a v lvula deve ser ar para abrir na falta de ar a v lvula fecha e o tanque se esvazia levando o sistema para a seguran a A v lvula est a 0 com 20 kPa e a 100 com 100 kPa A a o do controlador como consequ ncia deve ser inversa quando o n vel aumenta a v lvula deve fechar mais para faze lo diminuir e a sa da do controlador deve diminuir fechando mais a v lvula Tanque cheio seguro e v lvula na sa da A partir da seguran a obtida com o tanque cheio a v lvula deve ser ar para abrir na falta de ar a v lvula fecha e o tanque se enche levando o sistema para a seguran a A v lvula est a 0 com 20 kPa e a 100 com 100 kPa A a o do controlador como consegu ncia deve ser direta quando o n vel aumenta a v lvula deve abrir mais para faze lo diminuir e a sa da do controlador deve aumentar abrindo mais a v lvula Tanque cheio
187. a o bin ria de 1 bit podem ser tratadas de um modo similar as entradas do computador de 1 bit Um registro de 16 bit pode ser usado para manipular 16 sa das individuais simultaneamente Cada sa da do flip flop seria ligada diretamente a um nico equipamento Frequentemente este tipo de sa da usado para ativar reles deste modo amplificadores de acionamento de reles tamb m seriam necess rios na interface de sa da do computador Um problema aparece quando uma sa da do grupo de 16 reles deve ter seu status mudado O computador deve comandar todos os 16 simultaneamente por m se seu novo comando para qualquer rel particular exatamente o mesmo que o comando anterior ent o o rel n o ser afetado Assim mesmo que somente uma sa da das 16 esteja sendo comando para alterar seus contatos todos os 16 ser o comandados simultaneamente somente aqueles comandos para mudar o status ser o afetados O tipo final de sa da de computador a ser considerado o da sa da tipo trem de pulso modulado em frequ ncia O computador pode manipular este de sa da como se fosse a sa da de bit individual simplesmente mudando uma sa da bit na frequ ncia adequada ou ele poderia jogar a palavra bin ria de sa da para um registro buffer Este registro seria ent o ligado a um contador bin rio O contador junto com uma fonte de frequ ncia seria usado para gerar um n mero predeterminado de pulsos em uma frequ ncia constante E
188. a o do modo integral criado pela excurs o da carga do processo al m da capacidade da v lvula de controle A v lvula ir ficar saturada em seu limite externo O ou 100 totalmente fechada ou aberta fazendo com que haja um desvio permanente entre a medi o e o ponto de ajuste do controlador prim rio Se n o for tomada nenhuma provid ncia o controlador prim rio ir saturar Como consequ ncia o controlador secund rio tamb m ir saturar Uma solu o simples e pr tica utilizar a medi o da vari vel secundaria como realimenta o externa para o modo integral do controlador prim rio Convencionalmente o controlador prim rio realimentado pela sua pr pria sa da que o ponto de ajuste do controlador secund rio Quando o controlador secund rio estiver em opera o normal o seu ponto de ajuste coincide com a medi o e o funcionamento da malha igual ao modo convencional Se houver uma diferen a entre a medi o e o ponto de ajuste do secund rio a a o integral do controlador prim rio fica estacion ria e s restabelecida quando a malha secundaria voltar a normalidade O que se fez realmente nessa nova configura o foi incluir a resposta din mica da malha secundaria dentro do circuito integral do controlador prim rio A a o integral do controlador prim rio pode ser maior que a usual pois qualquer atraso ou varia o na resposta da malha secundaria corrigido pela a o do
189. a o negativa O controle melhorado mantendo os atrasos e tempos mortos dentro da malha t o pequenos quanto poss veis Isto significa que os sensores devem ser localizados pr ximos dos pontos onde a vari vel manipulada entra no processo Usar controlador de n vel apenas com a a o proporcional em tanques de surge e bases de coluna para amortecer os dist rbios Eliminar os pequenos dist rbios usando sistemas de controle cascata onde poss vel Evitar intera o de malha de controle se poss vel mas se n o for poss vel garanta que os controladores sejam sintonizados para fazer todo o sistema est vel Verificar o sistema de controle com rela o a problemas din micos potenciais durante as condi es anormais de opera o ou nas condi es de opera o que n o sejam iguais s de projeto A habilidade do sistema de controle trabalhar bem sobre uma grande faixa de condi es chamada de flexibilidade Partidas e paradas tamb m devem ser estudas A opera o em pontos de baixa produ o ou no in cio da faixa pode tamb m ser um problema Os ganhos do processo e constantes de tempo podem variar drasticamente em baixas vaz es e a re sintonia do controlador pode ser necess ria A instala o de v lvulas iguais de controle uma grande outra pequena pode ser necess ria Evitar a satura o da vari vel manipulada Um bom exemplo de satura o o controle de n vel de um linha de refluxo em u
190. a o proporcional 3 a derivativa uma a o adicional que apressa a corre o gerando uma a o proporcional velocidade da varia o do erro antes da a o proporcional Matematicamente tem se 1 de s s Ke edt T j Tl d at ou no caso pr tico onde a a o derivativa s atua na medi o m da vari vel 1 dm S S Ke edt T 0 Sai O modo proporcional o modo b sico e sempre utilizado nos controladores anal gicos Ele o principal respons vel pela estabilidade do processo O modo integral deve ser usado para eliminar o desvio permanente entre a medi o e o ponto de ajuste Ele deve ser 4 45 Controlador evitado quando h possibilidade de satura o Ou o que mais inteligente devem ser tomados cuidados especiais para se evitar que a a o integral leve o controlador para a satura o ia aral lt Fukcro Ajuste da banda proporcional E ug 20a 100 kPa Restric o derivativa Fig 4 12 Controlador PID pneum tico O modo derivativo de ser usado em processos com grande in rcia e que sofrem varia es bruscas que seriam vagarosamente corrigidas em o modo derivativo Por m a a o derivativa deve ser em processos com muito ru do que s o pequenas e numerosas varia es bruscas A a o derivativa iria amplificar esses ru dos tornando o desempenho do controle do processo prejudicado O modo proporcional desempenha
191. a da proporcional proporcional a derivada do erro ou da taxa de varia o do erro ds 100 de dt BP dt A equa o anterior mostra que a sa da do controlador constante quando o erro zero ou constante e a sa da do controlador proporcional se estabiliza mesmo que fique o desvio permanente A sa da varia apenas quando o erro varia Erradamente se pensa que a sa da do controlador zero quando o erro zero Isto seria impratic vel pois a sa da zero implica em elemento final de controle O ou 100 Por este motivo teoricamente poss vel e comercialmente dispon vel o controlador com o modo integral isolado mas n o poss vel o controlador com o modo derivativo isolado A maioria dos fabricantes ajusta de fabrica a constante c0 chamada de polariza o do controlador em 50 O ponto de ajuste do controlador proporcional estabelecido para uma determinada carga do processo Quando o processo varia sua carga a medi o ir se desviar do ponto de ajuste provocando um erro O controlador ir produzir um sinal de corre o proporcional ao erro entre medi o e ponto de ajuste Como o processo n o responde instantaneamente as suas varia es de carga como a corre o proporcional ao erro a corre o nunca ser satisfat ria e como resultado para a nova carga do processo haver um desvio permanente entre a medi o e o ponto de ajuste Quando ocorrer uma varia o da carga do processo
192. a sobe muito o controlador desliga Refrigera o requer controlador de a o direta Em um controlador direto a medi o e a sa da do controlador variam no mesmo sentido Quando a temperatura aumenta a sa da do controlador aumenta ligando o compressor O abaixamento da temperatura g s a sa da do controlador cair desligando o compressor refrigerante O controlador da Fig 4 pode ser convertido de a o inversa para direta invertendo as entradas do comparador US E fundamental definir a a o do controlador direta ou inversa no projeto do sistema 22 kQ Fig 4 14 Controlador liga desliga 4 2 Controlador Proporcional A resposta tudo ou nada do controlador liga desliga adequado para sistemas lentos com grande in rcia quando se pode tolerar algum erro apreci vel Nos outros casos se quer uma regi o linear de controle fornecida por um controlador proporcional Como no controlador liga desliga um grande erro negativo faz o controlador proporcional ir para um ponto totalmente fechada ponto a Grande erro positivo manda a sa da para totalmente aberto ponto a como controlador de duas posi es Por m em vez de uma banda morta o controlador possui uma banda proporcional A banda proporcional a regi o onde o controlador responde linearmente pontos b e c Pequenas varia es de erro em torno do zero causam varia es 4 41 Controlador proporcionais na sa da do controlad
193. a vaz o de l quido na sa da do tanque Quando ocorrer aumento na vaz o de entrada do tanque o n vel do produto no tanque aumenta O transmissor de n vel ent o vai aumentar sua sa da e o ponteiro de medi o do controlador tamb m ir subir O controlador ir alterar sua sa da como resposta A sa da do controlador ir aumentar um pouco a sa da da v lvula aumentando a vaz o do l quido deixando o tanque O n vel do tanque ir voltar ao ponto de ajuste desejado 4a 20 mA 9 4a20 mA 20 a 100 kPa i lp Fig 1 7 Controle autom tico de n vel com malha fechada Os sistemas de controle podem ser classificados em dois tipos principais 1 servomecanismo 2 controle de processo 15 Controle do Processo 4 Controle com Servomecanismo No servomecanismo as vari veis controladas s o a posi o velocidade e acelera o no controle de processo as vari veis s o temperatura vaz o press o e n vel Um sistema de controle de posi o mostrado na Fig 1 8 O atuador um motor cc com magneto permanente Atrav s de um conjunto de polias correias ou engrenagens o motor aciona a roda dentada Quando a rota o for diminuida move se um terminal de um potenci metro Uma liga o apropriada garante que o movimento da roda dentada da extremidade esquerda para direita gira precisamente o potenci metro atrav s de um arco de 300 graus de parada a parada O potenci metro
194. a A aberta 00XX000000 100000 2 Teste para LA a Falso manter 00XX100000 gt 100000 b Verdade fechar 10XX100000 gt 010000 A abrir B 3 Teste para LB a Falso manter 10XX010000 gt 010000 b Verdade fechar 11XX010000 gt 000111 B come ar agita o aquecedor timer 4 Teste para temporizador a Falso manter 11X0000111 gt 000111 b Verdade 11X1000111 gt 001000 desligar aquecedor desligar agitador abrir C 5 Teste para tanque vazio a Falso manter XX0X001000 001000 b Verdade fechar XX1X001000 gt 000000 C 6 Ir para 1 Tipicamente este enfoque para a especifica o da sequ ncia de eventos usado quando se aplica um computador para implementar as fun es de controle LB Fig 11 Processo do tanque Equa es booleanas Como o estado discreto do sistema descrito por vari veis que podem tomar somente dois valores natural pensar em usar n meros bin rios para representar estas vari veis como no exemplo anterior Tamb m natural considerar o uso de t cnicas da Algebra Booleana para deduzir os estados das sa das a partir dos estados das entradas Embora esta t cnica seja usada h modos certamente mais f ceis para ver e resolver os problemas do que as t cnicas tradicionais da l gica booleana Quando esta t cnica usada necess rio escrever uma equa o booleana para cada vari vel de sa da no sistema Esta equa o ir ent o determinar quando esta
195. a adi o de uma sa da de alarme 4 Op o de comunica o serial RS 485 que permite a liga o mestre escravo 6 16 Controlador Digital 5 Capacidade de base de tempo dupla permitindo taxas de programa hora minuto ou minuto segundo 6 Revis o dos par metros de programa sem interrup o do programa 7 Controle auto manual permitindo a passagem de autom tico malha fechada para manual malha aberta 8 Sintonia pr via e auto sintonia podem ser selecionadas ou n o selecionadas As aplica es t picas envolvem processos de tratamento de calor prepara o de alimentos esteriliza o e c maras ambientais WEST 3750 Fig 6 11 Controlador West 7 10 Controlador Yokogawa O controlador program vel da Johnson Yokogawa incorpora fun es de controle e computacionais que podem ser combinadas de modo an logo programa o de uma calculadora eletr nica A fun o de auto sintonia muito til em aplica es de batelada de v rios produtos onde as caracter sticas do produto podem variar de produto para produto Ele apresenta um algoritmo acionado pelas varia es do ponto de ajuste ou sob demanda e fornece uma resposta r pida para varia es do processo Outras caracter sticas incluem 1 controle preditivo antecipat rio feedforward com computa es de ganho e polariza o 2 processamento de sinais 3 entradas anal gicas 4 pontos 1 a 5Vcc 4 sa das anal
196. a cont nua 3 30 Malha de Controle oscilando mesmo que o ganho do sistema diminua 5 8 Satura o Genericamente satura o a condi o em que uma altera o na causa n o produz varia o correspondente no efeito resultante ou um aumento adicional da entrada n o produz o correspondente aumento da sa da A satura o pode ser provocada pelo processo pelos seus equipamentos e pelos instrumentos da malha de controle O controlador com a a o integral satura quando o erro entre a medi o e o ponto de ajuste muito demorado entrada sa da tempo Fig 2 27 Sa da saturada mant m se constante no valor m ximo mesmo com aumento da entrada A v lvula subdimensionada satura quando atinge os 100 de abertura e a sua abertura m xima insuficiente para a obten o do controle A sa da do controlador aumenta para solicitar maior abertura o que imposs vel para a v lvula com capacidade insuficiente O bloqueio da haste da v lvula tamb m provoca a satura o da sa da do controlador pois a varia o da sa da n o produz nenhum efeito na abertura da v lvula A entrada muito grande pode tamb m provocar a satura o do sistema pois sua sa da atinge o valor limite do sistema e n o responde mais entrada A forma de onda da sa da fica destorcida e diferente da forma da entrada 5 9 Amortecimento Um modo pr tico de verificar a estabilidade do sistema provocar um dist
197. a do forno para controle discreto Anteriormente foi mostrado como um sistema de controle a estado discreto descrito em termos do equipamento do sistema e a sequ ncia de eventos atrav s da qual este hardware tomado Estes dois elementos s o combinados agora para mostrar como o equipamento deve ser acionado de modo que a sequ ncia de eventos seja realizada corretamente Em ess ncia isto leva a um programa para o sistema escrito com s mbolos para o equipamento 4 1 Hist rico Um sistema de controle industrial t pico envolve motores el tricos solen ides aquecedores ou resfriadores e outros equipamentos que s o operados da linha de alimenta o alternada Assim quando um sistema de controle espec fica que um motor da esteira ligado isto significa a partida de um motor ligado a uma tens o relativamente alta e drenando uma corrente muito alta para os padr es da instrumenta o eletr nica Na instrumenta o os valores t picos de tens o s o de 5 V a 24 V cc e os de corrente de 4 a 20 mA Os motores manipulam tens es de 110 a 440 V ca e correntes de 1 a 50 A ca Deste modo a partida de um motor n o feita simplesmente por uma chave liga desliga conectada diretamente a ele Em vez disso uma pequena chave usada para ligar logicamente um rel com contatos que possam suportar altas correntes Neste caso o rel se torna o elemento de controle prim rio do sistema de controle a estado discreto
198. a e as novas vari veis de estado de sa da s o os conte dos desta mem ria Exemplo Enchimento de tanque Problema Definir as vari veis de estado para o processo mostrado na Fig 11 e descrito pela seguinte sequ ncia de eventos 1 Encher o tanque at o n vel A da v lvula A 2 Encher o tanque at o n vel B da v lvula B 3 Ligar um temporizador aquecer e agitar durante 5 minutos 4 Abrir a v lvula C at que a chave de tanque vazio seja ligada Solu o Inicialmente formar a representa o da vari vel de estado do sistema atribuindo estados bin rios H quatro vari veis de entrada LA LB LE e TU Um estado discreto do sistema definido pela especifica o destas vari veis Como cada vari vel tem dois estados usa se uma representa o l gica verdadeiro 1 falso O Assim para a entrada se o n vel A n o foi atingido ent o LA O e se ele foi atingido LA 1 Tamb m para a sa da se a v lvula C est fechada ent o toma se VC 0 e se ela foi comandada para abrir VC 1 Pode se tomar a palavra bin ria descrevendo o estado do sistema a ser definido pelos bits na ordem LAJ LB LE TU VA VC CTM S H A sequ ncia de eventos agora mudada para uma express o do estado discreto como uma palavra bin ria por estado Um X indica que n o importa qual a vari vel de entrada 9 9 Controle L gico Estado da Condi o Sa da entrada 1 V lvul
199. a em painel de controle centralizado os pain is possuem botoeiras para ligar agitadores v lvulas solen ides bombas e outros equipamentos Tais opera es remotas s o necess rias em caso de v lvulas grandes e inacess veis processos com produtos t xicos ou com subst ncias perigosas Entre as v lvulas candidatas automa o est o a v lvula de sa da de fundo as v lvulas de alimenta o as v lvulas entrada sa da para passar o fluido de aquecimento ou resfriamento para a jaqueta Os pain is podem contem ainda alarmes indicadores remotos algum controlador anal gico e esta es de liga desliga para bombas de transfer ncia Em opera es totalmente autom ticas s o utilizados CLPs CPs com aplicativo supervis rio ou controladores digitais single loop quando a aplica o possui at 500 pontos de entrada e sa da de controle Estes sistemas baseados em microprocessador que cada vez mais custa menos e tem maior capacidade s o muito confi veis empregam uma variedade de programas aplicativos j aprovados e podem ser usados com algumas salvaguardas em locais classificados e agressivos A maioria destes sistemas possui uma interface homem m quina muito amig vel geralmente com monitores de v deo a tubo de raio cat dico TRC Instrumentos virtuais podem simular as partes frontais de instrumentos convencionais Estes sistemas s o apropriados para atualizar sistemas existentes manuais ou semi autom
200. a est em 100 Acima de 425 C extremidade superior da banda a sa da est em 0 Entre estas duas extremidades a sa da pode ser achada tra ando uma linha vertical do eixo de temperatura at atingir a curva de transfer ncia e depois horizontalmente at o eixo da sa da Notar que a sa da 50 quando a temperatura est no ponto de ajuste A largura da banda proporcional varia a rela o entre o afastamento da temperatura do ponto de ajuste e a sa da A banda proporcional tamb m expressa a sensibilidade do controlador A banda proporcional muito estreita significa controlador muito sens vel As pequenas varia es no processo provocam grandes varia es na sa da do controlador consequentemente grandes altera es na v lvula de controle A banda proporcional larga faz o controlador ficar pouco sens vel O processo precisa variar muito para provocar pequenas modifica es na sa da do controlador e portanto na v lvula de controle Quando a entrada varia de 0 a 100 e provoca uma varia o de 0 a 100 na sa da tem se uma banda proporcional de 100 e ganho igual a um Quando a varia o na entrada de apenas 0 a 10 produz uma varia o na sa da de O a 100 a banda proporcional de 10 e o ganho desse controlador vale 10 No caso de se ter uma varia o na entrada de 0 a 100 produzindo uma varia o na sa da de apenas 0 a 10 a banda proporcional desse controlador vale 1 000 e o ganho vale 0 1
201. a malha antecipat ria Como o principal objetivo do controlador a realimenta o negativa eliminar o desvio permanente ele deve ser necessariamente proporcional mais integral Pl Como a quantidade de trabalho a ser executado por ele diminu do pela presen a do controlador preditivo normalmente basta ser PI A presen a do controlador preditivo antecipat rio na malha de controle realimenta o negativa n o provoca tend ncia a oscila o Em termos de fun o de transfer ncia a presen a do controlador preditivo n o altera o denominador da fun o de transfer ncia original A configura o mais utilizada na associa o das duas malhas de controle o sistema em cascata Por m controvertida a op o de quem cascateia quem Shinskey diz que mandat rio que o controlador realimenta o estabele a o ponto de ajuste do controlador preditivo Por m em todas as aplica es pr ticas raramente o sinal do controlador preditivo aplicado diretamente na v lvula de controle Nessa configura o o controlador preditivo que estabelece o ponto de ajuste do controlador convencional a realimenta o negativa 8 19 Controle Multivari vel sa da dict rhine Processo Z manipulada Medic es Controlador feedforward controlada Medi es Controlador feedback Fig 3 20 Controle feedback cascateando o feedfomerd 9 7 Desenvolvimento do Controlador
202. a mensagens anunciando v rios passos fases opera es e batelada Valores associados com qualquer malha de controle cont nuo PID Proporcional Integral Derivativo dentro do sistema podem tamb m ser parte de tal gr fico Mensagens orientando o operador para inicializar uma a o pode aparecer em uma rea projetada do monitor Finalmente deve haver alarmes ativos independentes do display mostrado na tela Entre as caracter sticas que diferenciam o SDCD para batelada do SDCD para processo cont nuo a necessidade de coletar e relatar todos os par metros do processo em uma base por batelada O SDCD deve rastrear lotes de mat rias prima e quantidades usadas por cada batelada Todos os dados devem ser facilmente arranjados em diferentes relat rios e g relat rio da batelada final relat rio dos status da batelada relat rio dos desvios finais relat rio dos status da planta As vari veis de tend ncia para v rias bateladas devem ser armazenados e recuperados para compara o e an lise em uma tela do SDCD e transport veis para computadores 4 6 Caracter sticas desej veis A instrumenta o usada para controlar uma planta de processo batelada que faz v rios produtos e tem mais de 2000 pontos de entrada sa da de controle certamente modular Para uma planta com estas caracter sticas preciso um sistema de comunica o digital entre os instrumentos montados remotamente em v rias unidades de modo que
203. a qualidade do produto 5 aumentar a efici ncia e produtividade 6 controlar os tempos de entrega Como a maioria dos problemas de controle ocorre durante os transientes da partida o processo tipo batelada mais dif cil de ser controlado pois ele realiza muitas partidas e fica parado durante intervalos de tempo Como consequ ncia foram desenvolvidos controladores especiais para o processo tipo batelada Basicamente tais controladores possuem a capacidade de partir em autom tico e n o precisam ser desligados nos intervalos do processo parado sem problema de satura o Material processado em grandes quantidades chamadas bateladas a Lo F xtintares Racia Sila Balan a dl E Pu y Misturador Fetaira Torrador K Mnednr Fmhalanem Fig 2 4 Processo batelada Processo Industrial Gerenciamento da Batelada N o f cil projetar um sistema de controle de processo batelada para uso geral Parece f cil no in cio mas quando se examinam as exig ncias operacionais e funcionais se v que elas s o mais complexas que a maioria das outras aplica es De fato o projeto de um sistema para controle de processo cont nuo relativamente mais f cil O controle cont nuo pode ser visto como uma parte de um controle de processo batelada As exig ncias operacionais b sicas s o 1 mover quantidades discretas bateladas de materi
204. a s o pouco afetadas pelo dist rbio na press o de suprimento do vapor Outro sistema de controle cascata envolve um processo com resfriamento de um reator atrav s da inje o de gua na jaqueta A controlador da temperatura do reator o prim rio o controlador da temperatura da jaqueta o secund rio O controle de temperatura do reator isolada pelo sistema de cascata dos dist rbios da temperatura e press o d gua de resfriamento da entrada Este sistema mostra como o controle cascata melhora o desempenho din mico do sistema A constante de tempo da malha fechada da temperatura do reator ser menor quando se usa o sistema cascata 8 6 Controle Multivari vel 3 4 Vantagens As vantagens do sistema de cascata s o 1 os dist rbios que afetam a vari vel secundaria s o corrigidos pelo controlador secund rio que mais r pido antes que possam influenciar a medi o primaria 2 o atraso de fase existente na parte secundaria reduzido pela malha secundaria melhorando a velocidade de resposta da malha primaria 3 a malha secundaria permite uma manipula o exata da vaz o de produto ou energia pelo controlador prim rio 3 5 Satura o do modo integral O controle em cascata utilizado para eliminar os efeitos de pequenos dist rbios no processo Em aplica es do controle em cascata sempre h a possibilidade de haver a satura o dos dois controladores O problema da satur
205. a v lvula auto regulada de press o Fig 8 3 Na v lvula auto operada os mecanismos est o embutidos na pr pria v lvula n o h display e os ajustes s o feitos de modo prec rio na v lvula ou nem s o dispon veis Na malha de controle convencional os instrumentos podem ter at circuitos eletr nicos microprocessados irrelevante tamb m se as vari veis medida e manipulada s o as mesmas na malha de vaz o ou diferentes na malha de press o O conceito de controle a realimenta o negativa independente do meio ou m todo de sua realiza o Fig 8 2 Malha de controle de vaz o Fig 8 3 Reguladora de press o Na malha de controle de vaz o da Fig 8 2 a vaz o sentida pela placa FE o sinal transmitido FT extra da a raiz quadrada FY A e finalmente chega ao controlador FIC Este sinal de medi o comparado com o ponto de ajuste n o mostrado na figura e o controlador gera um sinal fun o matem tica da diferen a entre medi o e ponto que vai para a v lvula de controle FCV passando antes por um transdutor corrente para pneum tico FY B que compatibiliza a opera o do controlador eletr nico com a v lvula com atuador pneum tico A atua o do controlador tem o objetivo de tornar a medi o igual ou pr xima do ponto de ajuste Na v lvula auto regulada acontece a mesma coisa por m envolvendo menor quantidade de equipamentos O valor da press o a ser controlado
206. abalhar efetivamente sozinho Para voltar a vaz o para o ponto de ajuste original adiciona se o controle Integral Com apenas o controle proporcional tem se um erro na sa da do ponto de ajuste original A vaz o fica em 576 5 e n o em 575 m h O controle integral sente o produto do erro 1 5 m h e o tempo em que o erro persiste Um sinal desenvolvido deste produto O controle 6 18 Controlador Digital integral ent o usa este sinal produto para retornar ao ponto de ajuste original Um sinal de controle integral geralmente usado em conjunto com o sinal corretivo proporcional No controlador o sinal integral adicional reduz o sinal de erro que fazia o desvio da sa da do ponto de ajuste Assim durante um per odo de tempo o desvio do processo do ponto de ajuste original 575 m h reduzido ao m nimo Por m esta corre o leva um per odo relativamente longo Para apressar o retorno da vari vel para o ponto de ajuste adicionado ainda o controle Derivativo ao sistema Proporcional e Integral O controle derivativo produz uma a o corretiva baseada na taxa de varia o do sinal Quanto mais r pida a varia o com rela o ao ponto de ajuste maior o sinal corretivo O sinal derivativo adicionado ao sistema Proporcional e Integral Isto torna a a o mais r pida O sistema de controle com as tr s a es em paralelo o mais usado 8 3 Fun es PID do CLP O bloco de fun o PID simpl
207. ada vaz o de 5 m h e v lvula linear com abertura correspondente de 50 de 10 h m Em outro exemplo quer se controlar o n vel de um tanque atrav s de uma v lvula acionada por motor A v lvula requer 10 rota es do motor para ir de 0 a 100 O motor gira em 100 p min Quando aberta a v lvula permite uma vaz o de 50 L min Determinar o tempo de resposta da v lvula se o volume do tanque for a 800 L ou b 10 L Para ir 10 revolu es a 100 rpm a v lvula ir gastar 3 27 Malha de Controle 10 rota es valvula 00 r min Assim observando se v lvula pode se v la girando por 6 s Quando aberta a vaz o ser de 50 L min Para encher um tanque de 800 L 800 L tanque 709 Limin O M a Para um tanque de 800 L a constante de tempo do tanque muito maior que cada v lvula 16min gt gt 0 1 min A constante da v lvula desprez vel quando comparada com a do tanque de 800 L b Para um tanque de 10 L 10L 0 2 min tanque 50 L min O tanque de 10 L ser cheio em 12 segundos 0 2 minuto com a v lvula totalmente aberta Por m para se obter a v lvula totalmente aberta gasta se 6 segundos Neste tanque sua constante de tempo da ordem de grandeza da constante da v lvula que agora deve ser considerada Quando o tempo de resposta de uma elemento muito pequeno comparado com o de outros elementos no sistema a sua fun o de transfer ncia pode s
208. ade precis o requerida corrosividade Atualmente muito comum o uso de medidores m ssicos de vaz o An lise Al m das medi es das vari veis cl ssicas de temperatura n vel press o e vaz o o controle de um processo batelada pode requerer ou ser ajudado pelo conhecimento de outras vari veis que s o mais dif ceis de serem detectadas diretamente como pH an lise umidade Antigamente estas vari veis eram determinadas no laborat rio fora da linha do processo Atualmente elas podem ser medidas com precis o em linha Esta tend ncia de usar transmissores e indicadores de an lise em tempo real suportada pelo avan o da tecnologia advento do microprocessador eletr nico pela diminui o dos pre os dos instrumentos e pela simplifica o de opera o e manuten o destes instrumentos O analisador este termo infeliz mas mesmo assim o autor o usa em linha e tempo real substitui a sequ ncia tradicional de 1 fazer amostragem do processo 2 levar amostra para o laborat rio 3 fazer a an lise no laborat rio 4 levar de volta para o processo o resultado da amostra s vezes a batelada j acabou Para o processamento da batelada muito desej vel ter instrumentos de an lise este o nome mais apropriado para o analisador que n o requeiram sistemas complexos de amostragem inv lucros separados ou a aten o constante do pessoal de manuten o Os transmissores de pH condutivid
209. ade el trica ou resistividade e densidade j s o simples Os mais complicados e que requerem sistemas de amostragem e algum condicionamento do fluido s o os que envolvem medi o de cor umidade propriedades espectrogr ficas a base de ultravioleta e infravermelho Os instrumentos de an lise mencionados at agora podem isoladamente ou em conjunto ser usados em qualquer passo de um processo de batelada Alguns processos requerem instrumentos muito espec ficos e especiais tais como indicador de conte do de oxig nio consist ncia crescimento e densidade de c lula em biotecnologia 4 3 Instrumenta o Modular Embora o reator seja o centro da opera o de batelada outros equipamentos de processamento s o usados tais como filtros colunas de distila o secadores cristalizadores Estes equipamentos como o reator tamb m requerem sensores e instrumentos de an lise A instrumenta o destas unidades por m est o sendo simplificadas pela tend ncia nas industriais orientadas para batelada a empregar equipamento tendo um projeto padronizado que adota uma filosofia modular Cada extrator jaquetado com vapor por exemplo poderia vir junto com seu agitador totalizador de vaz o nas tubula es de reagente monitor de n vel controlador de temperatura regulador de press o em linha de g s inerte e uma v lvula de seguran a Com estes tipos de instrumentos padronizados e dispon veis em pacote as n
210. ador comercial dispon vel tempo 2 17 O processo batelada integrante e tem aproximadamente a mesma qualidade de controle que o processo cont nuo auto regulante se ambos os tanques possuem grande capacidade pequena vaz o de alimenta o grande agita o equivale dizer pequeno tempo morto e os transmissores e as v lvulas s o r pidos de modo que as duas malhas possuam o mesmo per odo natural Tn 4 tm Quando o processo est inst vel e oscilando com a amplitude constante tem se o ponto de per odo natural da malha de controle Quanto maior for o per odo natural de oscila o do processo maior o grau de dificuldade de controle O processo integrante mais dif cil de ser controlado que o auto regulante 4 3 Processo run away Quando se aplica um degrau unit rio na entrada de certos tipos de processos a sua sa da n o tende para um valor de patamar limite auto regulante nem sobe como uma rampa integrante mas sobe como uma exponencial crescente at atingir o valor limite natural do processo por exemplo a ruptura de um reator qu mico ou a velocidade excessiva em um compressor din mico Este tipo de processo chamado de run away Por ele possuir uma esp cie de realimenta o positiva interna que o for a a se afastar de qualquer valor de regime est vel ser chamado no presente trabalho de processo com realimenta o positiva Exemplos de processos com realimenta
211. ador para balancear a sa da manual com a sa da autom tica nem h ponteiros para serem igualados Sinal de Transfer ncia Suprimento FEM EE Comando Manual p Bico Palheta Fig 5 9 Transfer ncia auto manual N o h necessidade de se fazer o balan o entre a medi o e o ponto de ajuste na barra de transfer ncia A M porque no interior do controlador h um sistema que faz tal balan o automaticamente O princ pio de funcionamento dessa unidade de balanceamento autom tico o seguinte quando se passa de autom tico para manual 1 quando se est em opera o autom tica a chave de transfer ncia A M est em autom tico Nessa posi o a unidade de controle manual est desligada e o seu fole est com a press o de sa da da unidade autom tica Embora n o esteja atuante a esta o manual est sempre posicionada para fornecer um sinal igual ao sinal fornecido pela esta o autom tica Assim na passagem de autom tico para manual a esta o manual come a a transmitir um sinal exatamente igual ao ultimo valor do sinal autom tico gerado Mesmo que o operador n o atue o sinal fica grampeado neste ultimo valor do controle autom tico S haver modifica o nesse sinal da esta o manual quando houver atua o manual na chave da esta o manual de controle 5 8 Na opera o manual a sa da do controlador estabelecida pela esta o manual e a esta o autom tica fica de
212. ador para o computador e o microprocessador deve ser capaz de receber o ponto de ajuste remoto estabelecido no computador O modo mais simples de fazer isso atrav s de duas malhas anal gicas de 4 a 20 mA A sa da do controlador passa por um conversor D A O sinal de corrente anal gica de 4 a 20 mA do computador comanda o ponto de ajuste remoto se lido pelo microprocessador com um conversor A D quando ele l sua vari vel de processo A comunica o digital permite que muito mais informa o seja trocada Protocolos padr o como RS 232 e RS 422 podem ser usados ou o controlador microprocessado pode ser colocado em uma rede de rea local LAN Os dados trocados podem incluir resultados de autotestes ponto de ajuste condi es de alarme n veis de sa da modo de controle e constantes do controlador De fato um 6 11 Controlador Digital inteiro novo algoritmo de controle pode ser editado pelo computador supervis rio para substituir ou suplementar a equa o PID Autoteste extensivo necess rio quando se aplica pot ncia primeira vez ao microprocessador e quando direcionado pelo computador supervis rio Por m ao fim de cada ciclo algum autoteste tamb m pode ser feito S o tamb m feitos testes funcionais do equipamento e programa de entrada e sa da zero autom tico da entrada e da sa da e calibra o e um simples check de mem ria e do canal de comunica o Assim que uma falha detectada
213. adores padr o tem at os tr s modos em seus algoritmos de controle Como modo termo ou a o deve se entender a resposta de sa da do controle ao erro entre medi o e ponto de ajuste O modo pode ainda significar se o controlador est em manual ou autom tico o que n o o caso aqui e agora As tr s a es fundamentais que podem ser combinadas na realiza o do controlador pr tico s o a proporcional a integral e a derivativa O controlador liga desliga descontinuo pode ser considerado um caso particular do controlador proporcional com um ajuste extremado Como consequ ncia os controladores comercialmente dispon veis s o o proporcional P proporcional e integral P I proporcional e derivativo P D proporcional e integral e derivativo PID 1 26 Sintonia do Controlador S o usados ainda controladores especiais e de uso raro como o integral 1 P n o linear P I D n o linear P para batelada P I D para batelada O pequeno n mero de controladores existente suficiente para o controle satisfat rio da maioria absoluta dos processos envolvidos Para uma determinada aplica o de controle de processo al m da escolha do controlador mais conveniente necess rio o ajuste adequado desse controlador O processo determina o tipo de controlador a ser escolhido e principalmente os seus ajustes Os processos diferentes podem ter controladores diferentes e os processos
214. ados pela curva de resposta da malha aberta Malha aberta aquela sem o controlador e dela se obt m a curva de rea o do processo Esses m todos s o dif ceis pois os dados a serem levantados s o imprecisos H basicamente tr s tipos de enfoques para os ajustes 1 estabilidade limite do sistema de controle fun o do produto ganho x banda de passagem 2 curva de rea o do processo ou a resposta transit ria do processo a um degrau unit rio 3 resposta de frequ ncia do processo M todo da Oscila o Amortecida um m todo introduzido por Harriot Consiste nos seguintes passos 1 coloca o do controlador em autom tico 2 elimina o das a es integral ajuste de T infinito e derivativa ajuste do Td zero 3 com um ganho arbitr rio provoca o de uma pequena varia o tipo degrau e observa o da resposta 4 ajuste da banda proporcional do controlador de modo a se obter uma curva de resposta com amortecimento de 1 4 ou de 4 1 Amortecimento de 1 4 significa que a amplitude de uma oscila o vale cerca de 4 vezes a amplitude da oscila o seguinte Quando se tem uma oscila o decrescente e se tomam dois picos consecutivos a amplitude do primeiro pico 4 vezes maior que a amplitude do segundo pico O pico seguinte atenuado por um fator de 4 5 ajustar os modos integral e derivativo de modo que Ti 0 667 P Tq 0 167 P onde P o per odo de oscila o para
215. ados dos testes de an lise A documenta o hist rica detalhada sobre o desempenho da vari veis mais cr ticas devem ser mantidos por determinado n mero de anos ap s o fim e libera o de uma batelada Este per odo m nimo depende da vida de prateleira do produto espec fico As opera es em ambiente est ril em ind stria farmac utica e de alimentos tem exig ncias especificas do equipamento de automa o Estas exig ncias come am com os sensores que devem usar materiais neutros e altamente polidos minimizam as reentr ncias onde as subst ncias poderiam se acumular exigem conex es especiais requerem desmontagem r pidas das partes molhadas de alguns instrumentos Os inv lucros dos instrumentos devem ser de a o inoxid vel especialmente polido com m nimas reentr ncias e prova d gua O n mero de conduites se comunicando com uma rea est ril deve ser limitado D o 10 28 Controle Batelada Fig 11 17 Trecho de Folha de Batelada Instru es de Opera o Data Tempo 1 Enchera coluna at 70 do n vel com gua 2 Comparar o n vel atrav s do visor de n vel com a indica o com a r gua Se a diferen a for maior que 10 reportar ao supervisor 12 Colocar FRC 05 em modo autom tico e estabelecer o ponto de ajuste Aquecer a coluna pela v lvula de controle de vapor em manual e abrir suficiente para dar uma vaz o de 300 kg k no FRC 05 13 Quando a coluna come
216. ais como a inverter ou negar a entrada b fun o AND E que gera um 1 se todas as entradas forem 1 c fun o OR OU que gera um 1 se alguma das entradas for 1 d a fun o NAND NAO E que gera um O se todas as entradas forem 1 e a fun o NOR NAO OU que gera um 0 quando ao menos uma entrada for 1 f a fun o XOR OU EXCLUSIVO que gera um 1 quando uma e somente uma entrada 1 g fun o Schmitt Trigger para transformar ondas em quadradas h fun o temporizador para atuar em fun o do tempo do i fun o contadora para contar e acumular pulsos j fun o geradora de pulsos Desde seu aparecimento na d cada de 1960 estes blocos funcionais eram vendidos para realizar l gica para intertravamentos partidas e paradas e controle sequencial A constru o destes sistemas foi facilitada pela coloca o das fun es em cart es de tamanho padr o que eram plugueados em arm rios e pain is cegos Estes sistemas eram transparentes funcionalmente para os usu rios e tinham uma f cil manuten o Sequenciador Sequenciador um dispositivo que pode ter v rias naturezas de opera o e que executa uma s rie de fun es e tarefas sempre em uma sequ ncia fixa e programada O primeiro sequenciador foi desenvolvido para tocar m sica como em porta j ias na d cada de 1600 De aut mato de m sica o sequenciador foi usado na ind stria para fazer opera es c clicas de modo se
217. ais atrav s de equipamentos 2 operar dispositivos nos equipamentos para criar as condi es apropriadas do processo A Fig 2 5 mostra uma batelada simples constitu da de um tanque uma coluna um funil e um reator Mas na pr tica as coisas n o s o t o simples Usualmente pode se e deve se fazer mais de uma coisa ao mesmo tempo Por exemplo enquanto se processa a batelada na coluna pode se encher o funil para que os dois fluxos sejam combinados no reator A Fig 2 6 mostra os est gios sucessivos de tr s diferentes bateladas se movendo atrav s da mesma c lula do processo Assim que a batelada 1 acabou no tanque e enquanto ela ainda est na coluna a batelada 2 pode come ar no tanque Assim quando a primeira batelada se move para o reator a batelada 2 movida para a coluna e a batelada 3 pode ser come ada no tanque No Cap tulo Controle de Batelada ser o apresentados mais detalhes deste tipo de controle 24 TA 1 CL 2 a Primeiro est gio enchimento do tanque a Segundo est gio enchimento da coluna TA 1 CL 2 c Terceiro est gio enchimento do reator Fig 2 5 Tr s est gios sucessivos de uma batelada simples 2 5 1 4 Processo discreto O processo discreto envolve muitas opera es de liga desliga O seu controle se baseia no mundo bin rio digital onde os estados de um equipamento ou instrumento s podem assumir as condi es de ligado ou desligado
218. al 2 5 Equa o para o controlador PID A eq 2 14 vale apenas para o controlador proporcional O mesmo procedimento pode ser aplicado a outros tipos de respostas de controle Por exemplo para um controlador PID pode se escrever imediatamente para a varia o na sa da do controlador dx Po Pco al x Xo RJ x XoJdt TA 2 16 Comparando a eg 2 16 com a eq 2 6 onde foi usado somente o controle proporcional nota se que a nica altera o a adi o dos efeitos das a es integral e derivativa Se repetisse a mesma an lise envolvendo a vaz o de ar na v lvula de controle e a rela o entre a press o do diafragma e a vaz o para o processo obteria a seguinte express o para a por o de controle da malha Sr 0 x x0 y x xoJdt E dt Tera 2 17 F 2 17 onde a ab B abT y abR Controlador Fig 2 3 Processo com nica capacidade com controlador e v lvula ideais mas com atraso no sistema de medi o Na eq 2 18 R a a o integral reset em repeti es por minuto e T a a o derivativa rate em minutos que s o os ajustes destas duas respostas dispon veis na maioria dos controladores comerciais 2 6 Efeito do atraso no circuito de medi o Se em vez do atraso no circuito da v lvula fosse considerado um atraso na por o de medi o do circuito de controle Fig 2 4 a an lise seria id ntica A nica diferen a entre a eg 2
219. al processada atrav s de passos unit rios cada passo sendo completado antes de passar para o passo seguinte A alimenta o do processo batelada feita por quantidades discretas de modo descont nuo O processo alimentado a opera o executada o produto descarregado e reinicia se outro ciclo Cada opera o do processo de batelada pode ser considerada como um processo cont nuo por m o tempo envolvido relativamente pequeno medido em minutos ou horas O processo batelada aquele em que as fun es de transfer ncia de material ou processamento de material s o c clicas com resultados repetit veis O processo batelada faz um produto em quantidades finitas Em uma situa o ideal este produto determinado por 1 uma receita que tem um nome e contem informa o sobre 2 os ingredientes ou as mat rias primas usadas 3 a ordem dos passos e 4 as condi es do processo e 5 equipamento usado no processo Fazer uma sopa um exemplo t pico de um processo de batelada e possivelmente a receita foi passada oralmente de uma gera o para a seguinte No passado cozinhar a sopa era feito e controlado manualmente por m os passos e fun es t picos de um processo de batelada j eram expl citos e reconhecidos 1 medi o ou sensa o por meio de ver tocar escutar e degustar 2 atuador ou a interfer ncia direta de cozinhar com processo como mexer a sopa aumentar ou reduzir a fonte
220. al Esse conjunto associado ao rel amplificador pneum tico constitui o sistema de gera o do sinal de sa da do controlador Diferentemente das unidades derivativa e de ponto de ajuste que utilizam rel aspirador a unidade de controle autom tico possui o rel amplificador pois o sinal de sa da da unidade a pr pria sa da do controlador que ir atuar no elemento final de controle A posi o relativa dos quatro foles determina o modo de a o do controlador ou a largura da banda proporcional 1 quando o fulcro coincide com os pontos de contato dos foles proporcional e integral as a es desses foles s o nulas e o controlador age como liga desliga O resultado final uma oscila o constante pois qualquer altera o na medi o ou no ponto de ajuste provoca um desequil brio que n o mais restaurado A restaura o do equil brio seria feita pelos foles integral e proporcional que realimentaria o sistema 2 quando os foles de medi o e de ponto de ajuste est o colocados externamente aos foles proporcional e integral e de modo que se tenha a rela o matem tica de b 4a tem se o controlador com banda proporcional de 25 1 4 x 100 O controlador fica muito sens vel 3 quando se colocam os foles de medi o e de ponto de ajuste entre os foles proporcional e integral e de modo que as 5 6 distancias ao fulcro satisfa am rela o matem tica de a 4b tem se o controlador com ban
221. al ao ponto de ajuste canenr em todos os outros pontos havia um desvio permanente entre a medi o e o ponto de ajuste No controlador proporcional e integral o controlador manter sa da variando continuamente at que a medi o volte a ficar igual ao ponto de ajuste Quando se tem um dist rbio tipo degrau K a a o integral uma rampa t que come a a atuar do zero e fornece uma sa da sempre crescente obrigando o atuador a variar at eliminar o erro residual A resposta integral ao dist rbio tipo rampa t uma par bola t e a uma sen ide outra sen ide atrasada indicador indicador caida A reset indicador manual Fig 7 15 Diagrama de blocos do controlador proporcional com reset manual indicador set point AM em indicador indicador Fig 7 16 Diagrama de blocos do controlador proporcional mais integral P1 Fisicamente a a o integral uma realimenta o positiva atrasada Por ser realimenta o positiva a adi o da a o integral piora a estabilidade da malha de controle Quando se tem um controlador proporcional com uma determinada banda proporcional ajustada a adi o da a o integral requer o aumento da banda proporcional para manter a mesma estabilidade da malha Quando o ajuste da a o integral for tal que a realimenta o 710 Sintonia do Controlador positiva prevalece sobre a negativa ou anule a negativa haver a oscila o crescente ou
222. alha de temperatura a temperatura a vari vel controlada 2 3 Vari vel Medida Na instrumenta o a maioria das medi es feita de modo indireto Mede se uma grandeza f sica diretamente e infere o valor da vari vel desejada desta medi o Por exemplo a medi o de temperatura por enchimento termal uma medi o direta de press o a medi o da temperatura atrav s do termopar mede diretamente uma tens o el trica A medi o de n vel geralmente feita atrav s da medi o da press o diferencial A medi o da vaz o por placa de orif cio se resume na medi o da press o diferencial gerada pela placa Por m em todos casos o que se considera como mais importante a vari vel que se quer medir ou controlar A vari vel medida que determina o tipo do elemento sensor Em princ pio qualquer vari vel de processo que possa produzir um movimento uma for a mec nica uma for a eletromotriz ou a varia o de uma grandeza el trica passiva pode ser medida por sensores mec nicos e eletr nicos vari vel controlada Tod desvio medi o cat nnint vari vel manipulada tm Wo A Fig 2 8 Vari veis da malha fechada de controle Processo Industrial 2 4 Vari vel Manipulada A vari vel manipulada aquela que monitorada pelo controlador para influir no valor da vari vel controlada Na malha de controle a realimenta o negativa a vari vel
223. aliza o conseguida atrav s de um temporizador de 60 segundos na linha 2 que liga o sistema de controle de n vel por 1 minuto seguindo a botoeira de partida Ele nunca energizado novamente durante a opera o A sa da 3 aciona o motor da esteira at que uma garrafa esteja na posi o como indicado pela abertura da chave de posi o de garrafa A sa da 4 usada para detectar a condi o de cheia da garrafa energizando CR2 Os contatos de CR2 ligam a v lvula 9 17 Controle L gico solen ide sa da 5 e o sistema de controle de n vel cont nuo sa da 6 Notar o temporizar na sa da 6 para inicializa o Sa da 7 necess ria para detectar que a garrafa esteja cheia e para rearmar a esteira at que a garrafa saia da posi o e a chave de presen a da garrafa seja aberta A opera o cont nua agora ocorre entre sa das 3 e 7 Diagrama ladder paga Parada sa da 1 sa da CRz1 CR1 4 v lvula Fig 25 Diagrama ladder para enchimento de garrafas Apostilas Controle 92Controle L gico doc 14 OUT 00 9 18 Objetivos 1 Apresentar a hist ria do controle de processo batelada com sua origem desenvolvimento e tend ncias futuras 2 Conceituar o gerenciamento e automa o da batelada 3 Mostrar as diferen as das exig ncias do controle convencional e batelada 4 Listar analisar e comparar as diferentes tecnologias industriais dispon veis para automatizar
224. alor desejado seja mantida nesta temperatura constante durante um determinado intervalo de tempo Podem ser usadas estrat gias de controle diferentes para controlar o mesmo equipamento de processo Isto significa que o controlador pode ter a es de controle diferentes os ajustes das a es podem ser estabelecidos em valores diferentes ou mesmo pode se substituir o controlador por uma chave liga desliga Controle manual O operador pode interagir com a fun o de controle regulat rio do processo por meio de varia o do ponto de ajuste O operador pode usar o controle manual colocando o controlador no modo manual e manipulando diretamente a sa da para a v lvula ou motor Seguran a A automa o da fun o de controle regulat rio definitivamente requer a automa o dos sistemas de seguran a 10 3 Controle Batelada 1 5 Intertravamentos de seguran a Os intertravamentos de seguran a s o implementados por v rias raz es tais como 1 prote o ou seguran a dos operadores 2 preven o de danos no equipamento 3 efici ncia da energia 4 efici ncia da opera o e do processo H dois tipos de intertravamento 1 intertravamento de falha que est continuamente ativo e usualmente associado com o desligamento do equipamento 2 intertravamento de permiss o que serve como partida parada ou manuten o de uma condi o para uma a o Bypassar uma fun o de intertravamento de se
225. amortecimento de modo que ele se regula automaticamente O processo auto regulante f cil de ser controlado pois ele ajuda a limita o do desvio da vari vel controlada Quando se aplica um degrau na entrada do processo auto regulante a sua sa da varia conforme uma exponencial decrescente tendendo assintoticamente para um valor limite natural ou valor de regime final Exemplos de processos auto regulantes 1 malha de controle de vaz o 2 malha de controle de n vel sem bomba na descarga onde a coluna liquida estabelece naturalmente a vaz o da sa da 3 malha de controle de press o com pequena rela o entre o volume do tanque com a vaz o de entrada 4 malha de controle de temperatura exceto das rea es qu micas exot rmicas 5 malha de controle de pH de xido redu o e de concentra o em processo cont nuo n o batelada No processo auto regulante com tempo morto muito maior que o tempo Processo Industrial caracter stico o per odo natural de oscila o igual ao dobro do tempo morto Thn 2tm Quando o tempo morto muito menor que o tempo caracter stico o per odo natural igual a quatro vezes o tempo morto do processo Tn 4tm permanente degrau entrada 0 gt tm lransit rio tempo Fig 2 17 Processo auto regulante A auto regula o do processo pode estar apenas na entrada ou na sa da ou em ambas Como exemplo considere os tr s diferentes sist
226. anterior gt je a Degrau b Pulsos c Rampa d Impulso e Senoidal Fig 2 9 Formatos dos dist rbios de processo Processo Industrial Quando h um dist rbio na entrada do processo h uma correspondente altera o na sa da do processo O tipo de resposta depende basicamente do tipo do dist rbio e das caracter sticas din micas do processo Para a determina o do desempenho do sistema de controle em frequ ncia mais elevada estuda se o comportamento da resposta aplicando se na entrada uma varia o senoidal Estas simula es de sinais n o se afastam muito do processo real pois a maioria dos dist rbios de um processo pode ser considerada uma combina o das varia es degrau e senoidal A temperatura do tanque aquecido pela serpentina com vapor depende de 1 quantidade de vapor qualidade do vapor P T e n vel do produto no tanque tipo do produto que entra temperatura do produto de entrada estado da serpentina temperatura ambiente tipo de rea o que ocorre dentro do tanque exot rmica ou endot rmica 9 ponto de ajuste do controlador 10 etc Vari vel n o Vari vel A contralada Temperatura PNO fo nos IM amhianta Sa da Vabor j Vari vel Caraa maniniilada Produto i A TE Condensado Fig 2 10 Terminologia de medi o e controle Dist rbio 2 8 Neste sistema 1 a temperatura a vari vel controlada e portanto medida 2 a vari vel
227. anual de controle modelo 132 Os sinais de entrada e de sa da podem ser diferentes de 20 a 100 kPa O ngulo de montagem pode ser diferente de 0 Quando n o h alarme a plaqueta de grava o pode ser opaca 1 7 Componentes B sicos Um controlador pneum tico deve ser alimentado por um suprimento de ar comprimido com press o t pica 140 kPa O controlador deve receber o sinal padronizado proporcional medi o gerar um sinal interno de refer ncia proporcional ao ponto de ajuste ajustado e compar los Em fun o dessa diferen a entre medi o e ponto de ajuste o controlador deve gerar um sinal autom tico matematicamente dependente deste desvio que vai atuar na v lvula do processo de modo a eliminar ou diminuir o desvio Os sinais de medi o ponto de ajuste sa da desejavelmente deve ser indicados no display frontal Conjunto Transmissor Ponto de Ajuste Local Conjuntos Receptores Medi o Ponto de Ajuste Remoto Ponteiro Indicador do Ponto de Ajuste Local Remoto Ponteiro de Medi o Chave LOCAL REMOTO Bot o do Comando do Ponto de Ajuste Local Fig 5 4 Partes constituintes do controlador Desse modo o controlador da s rie 130 composto das seguintes unidades 1 a unidade de ponto de ajuste que pode ser manual 130M remota 130P ou remota local 130F 2 a unidade de controle autom tico que contem a a o proporcional 130M N2 e as a es proporciona
228. aparece um dist rbio no processo e a medi o se afasta do ponto de ajuste o controlador P I faz uma corre o proporcional ao erro imediatamente Esta atua o deixa um desvio entre a medi o e o ponto de ajuste Logo depois da a o proporcional e enquanto persistir alguma diferen a entre a medi o e o ponto de ajuste a a o integral ir atuar at que a medi o fique novamente igual ao ponto de ajuste A a o integral ir atuar no processo at que se tenha novamente outro equil brio entre a medi o e o ponto de ajuste 3 5 Controlador Proporcional Derivativo No controlador pneum tico proporcional e derivativo acrescenta se uma restri o no circuito de realimenta o negativa Em vez de se ter uma realimenta o instant nea tem se uma realimenta o com um atraso ajust vel O controlador proporcional mais derivativo possui o seguinte desempenho 1 a a o proporcional estabiliza estaticamente o processo corrigindo os erros proporcionalmente as suas amplitudes 2 a a o derivativa adiciona uma componente corretiva para cuidar principalmente dos erros com varia o r pida Note se que o controlador P D deixa o desvio permanente entre a medi o e o ponto de ajuste A a o derivativa incapaz de corrigir o desvio permanente pois ele constante com o tempo O circuito do controlador proporcional mais derivativo constitu do de 1 o fole de medi o 2 o fole
229. aproxima do tempo do n vel O exemplo de um processo com press o r pida o controle da press o de um tanque manipulando a vaz o de sa da do vapor O exemplo da press o lenta a manipula o da vaz o d gua de resfriamento na entrada do trocador de calor para controlar a press o do vaso de vapor A din mica da transfer ncia do calor e o atraso d gua atrav s do trocador influem no tempo de resposta da malha de controle da press o Pode se controlar a press o de um g s pela manipula o da vaz o da entrada ou da sa da do g s no tanque de volume constante A press o de g s em tanque de volume constante de f cil controle mesmo quando o volume pequeno Basta um controlador proporcional com banda proporcional estreita Quando n o se pode ter desvio permanente usa se tamb m o modo integral O controle de press o de liquido praticamente igual ao controle de vaz o Em sistema com vapor e liquido em equil brio a press o pode ser controlada pelo ajuste da vaz o do liquido ou pela transfer ncia de calor A press o do sistema l quido vapor em equil brio afetada pela vaz o do produto e pela transfer ncia do calor Assim para o controle de press o de vapor saturado basta controlar a vaz o de massa do vapor Nos sistemas mais complexos como a caldeira a coluna de destila o ou o evaporador o controle da press o est 7 19 Sintonia do Controlador ligado diretamente ao con
230. ar metros chaves no caso de falta de energia de alimenta o A RAM pode ser substitu da por EEPROM electrically erasable programmable read only memory Uma alternativa prover uma fonte ininterrupt vel de um uma fonte de alimenta o com bateria de backup A comunica o com o operador fornecida atrav s de um painel frontal consistindo de LEDs displays num ricos bot es e chaves e deve ser acionado e lido pelo microprocessador A vari vel anal gica do processo convertida de seu mundo real para digital em tempo real por um bloco conversor anal gico para digital A D A convers o de milivolts frequ ncia resist ncia el trica ou corrente em uma tens o de alto n vel deve ocorrer primeiro Tamb m h filtro e isola o inclu dos antes do conversor A D Do mesmo modo deve haver uma convers o digital para anal gico D A para fornecer um sinal anal gico para o atuador no processo Embora seja popular um sinal isolado de 4 a 20 mA cc tamb m pode haver tens o triacs com tempo proporcional ou rel s de estado s lido Rel s de alarme s o tamb m energizados quando a vari vel de processo ou o erro excede determinados limites estabelecidos pelo operador 6 2 Produto B Produto A Condensado Rnmha decrarna Entradas Fig 6 1 Processo com controle a computador computador tamb m controlador 6 3 Controlador Digital Produto B Produto A Co
231. arde por m todos os computadores para controle de processo s o equipamentos paralelos em que eles ordinariamente n o executam opera es em um bit digital simples em um momento mas eles tomam muitos simultaneamente dependendo do tamanho da palavra do computador O tamanho da palavra o termo que descreve o n mero de bits que o computador manipula em uma nica opera o O tamanho da palavra n o foi considerado quando discutindo as entradas anal gicas desde que as entradas anal gicas s o normalmente convertidas com apenas 10 ou 12 bits de precis o o que aceit vel dentro da capacidade da maioria dos computadores de controle de processo O computador tem a capacidade de receber informa o acerca de um grupo de 16 sinais de entrada de reles simultaneamente Assim a interface normalmente multiplexar 16 entradas para serem manipuladas pelo computador como um grupo ainda o registro buffer flip flop usado para sincronizar todos os 16 sinais independentes enquanto o computador estiver realmente recebendo na entrada estas informa es Finalmente h um grupo de entradas digitais que s o considerados t o importantes que quando os seus valores variam o computador deve parar imediatamente o processamento de rotina e verificar os seus novos valores ou s o t o sem import ncia que n o importante o tempo requerido para o computador continuamente verificar os seus valores Estes sinais devem ter a capaci
232. ari vel controlada s o poss veis de ser medidas por equipamentos dispon veis comercialmente 3 O processo bem conhecido e suas equa es termodin micas de balan o de materiais e de energia bem como as equa es diferenciais de seus transigentes s o facilmente resolvidas teoricamente 4 as equa es matem ticas finais s o resolvidas por equipamentos de controle encontr veis no mercado e a custos razo veis Embora o sistema de controle antecipat rio seja menos usado que o sistema convencional a realimenta o negativa sua aplica o se torna cada vez mais frequente S o reas de aplica o coluna de destila o trocador de calor neutraliza o de pH controle de caldeira controle de mistura autom tica de v rios componentes blending A seguir ser o mostrados alguns exemplos de aplica es para fins did ticos pois necess rio se conhecer completamente o processo a ser modelado Caldeira a tr s elementos A Fig 8 6 mostra um sistema de controle de alimenta o de gua de caldeira a tr s elementos padr o O exemplo dado para enfatizar a import ncia de ter conceitos claros A por o de feedforward destacada Mesmo que esta por o esteja no lado da descarga da caldeira ainda feedforward desde que este conceito trata dos dist rbios do processo onde eles ocorrem O objetivo desta malha feedforward calcular a vaz o de alimenta o de gua necess ria para satisf
233. as de bus separadas de entrada e de sa da Elas s o projetadas especialmente de modo que ambos os buses s o simultaneamente usados aumentando a capacidade de frequ ncia dos dados de E S Muitos fatores devem ser levados em considera o quando decidindo se um estrutura de bus simples preferida a uma dual O crit rio de decis o quase sempre de economia Economia n o se refere apenas aos custos de equipamento hardware mas tamb m economia em custos de programa o tempo do computador e uso de mem ria As indica es atuais mostram que a arquitetura de bus dual tem provado ser a mais econ mica e eficiente quando usada em aplica es de controle de processo Isto complica a discuss o do projeto interno do computador e seu funcionamento A arquitetura dual se torna popular mas a maioria dos sistemas existentes de controle e dos micro computadores digitais existentes usam a arquitetura de E S compartilhada A discuss o simplificada se for apresentada assumindo uma estrutura de bus E S dual desde que a necessidade para a multiplexagem no tempo do mesmo bus para entrada e sa da eliminada Assim ser assumido o uso de bus de entrada e de sa da separados De modo a fazer o material aplic vel a um bus compartilhado simplesmente admitir que os mesmos 16 fios bus E S s o alternativamente usados para entrada e para sa da a l gica dentro do computador ora ligando acionadores de linha ou receptores de
234. azer a demanda a carga tamb m um dist rbio O objetivo da malha de controle de n vel ajustar o c lculo de modo que o n vel permane a pr ximo do timo para a efici ncia e da seguran a da caldeira A malha de controle de n vel uma falha de feedback cascateando a malha de controle de vaz o da gua de alimenta o O objetivo da malha de controle de vaz o de gua de alimenta o melhorar a efici ncia da resposta para o ponto de 8 22 Controle Multivari vel ajuste calculado e estabelecido Ela tamb m feedback l a Ws Ws kWp T3 T Fig 8 6 Controle feedforward aplicado caldeira O estado operacional normal autom tico Por m para entradas anormal pode se entrar com uma entrada fixa manualmente sob certas circunstancias Os par metros operacionais s o o ponto de ajuste e algumas vezes entradas manuais sistema em falha Os valores monitorados s o as entradas medidas e a sa da calculada Coluna de destila o Certamente no controle da coluna de destila o onde se aplica com maior frequ ncia o controle preditivo antecipat rio A destila o bin ria um processo de separa o onde uma mat ria prima decomposta em dois produtos um leve destilado e um pesado produto de fundo Na coluna de destila o um jato de vapor mais rico em um componente mais leve entra em contato cont nuo com um
235. baixo custo Os micro computadores s o constru dos com somente um conjunto de l gica para executar cada uma de suas fun es Assim ele tem a capacidade de fazer somente uma opera o ou fun o em um momento Por m eles executam estas n merosas opera es individuais em uma velocidade t o alta que parece que elas foram feitas simultaneamente como n o o foram Com estas realidades em mente se poderia pensar que seriam necess rias muitas avenidas de entrada para o computador e que estes muitos caminhos iriam requerer uma l gica digital extensa e cara Por m como o computador pode trabalhar apenas com um equipamento de entrada por vez praticamente poss vel e conveniente multiplexar todos os equipamentos de entrada para a mesma estrutura de bus de entrada do computador Esta estrutura bus age simultaneamente como um multiplexador para todos os equipamentos de entrada do computador e como uma avenida nica e comum da informa o a ser transferida diretamente no computador digital em si Desde que h necessidade de somente um nico bus de entrada para o computador a interface de entrada deve fornecer todo o condicionamento de sinal necess rio para cada equipamento de entrada de modo a se poder bloquear este equipamento no computador O sistema de convers o A D tem a capacidade de multiplexar todos os sinais anal gicos para uma linha comum de dados para cada conversor A D Este bus comum de dados digitais
236. bentamerdo Gabe rapiclamente Desca lanbarea na Desce rapidamente Valores Uridades Automatic ofdaniual Chama Tend nca Fig 21 Face frontal do controlador com ponto de ajuste apenas local Face frontal do controlador O bal o cinza escura do controlador indica que h um gatilho nele Quando o operador coloca o cursor sobre este bal o aparece a m ozinha vermelha Quando ele clica sobre o bal o aparece ao lado e acima do bal o a face frontal do controlador permitindo ao operador ter Boke rapolanmenta Desce lentamente Desce rapidamente Totalmente Fechada Par matros Chama Simonia mais informa es sobre o controlador e atuar no processo atrav s do controlador A face do controlador virtual similar a de um controlador convencional possuindo 1 2 10 11 barra gr fica verde da vari vel medida PV barra gr fica azul do ponto de ajuste SP barra gr fica vermelha da sa da do controlador MV chave seletora A M autom tico manual Quando est em autom tico aparece a chave Auto e quando est em manual a chave Manual Chaves 4 de atua o manual da sa da do controlador atu vel somente quando o controlador est em modo manual uma lenta e outra r pida uma subir e outra para descer Estas chaves n o est o habilitadas quando o controlador est em autom tico Chave seletora Remoto ou Local do ponto de ajuste chave opcional Chaves 4 de atua
237. bios n o s o amortecidos e se transmitem por todo o sistema Na escolha e nos ajustes do controlador esses ru dos da vaz o devem ser considerados Como conclus o quase nunca se utiliza o modo derivativo no controlador de vaz o Se o fluido g s est sujeito a expans o devida a varia o da press o Se o fluido liquido a in rcia fundamental a vaz o come a com acelera o e termina com desacelera o No controle de vaz o a v lvula de controle geralmente colocada depois medidor de vaz o para se evitar que os dist rbios provocados pela a o da v lvula afetem a medi o da placa de orif cio Devem ser respeitadas as dist ncias m nimas de trecho reto antes e depois do medidor Os dist rbios provocados a jusante do medidor s o menores do que os provocados a montante Por causa dos v rios elementos din micos associados a medi o de vaz o o ganho din mico da malha de medi o incluindo a tubula o o transmissor o controlador e o atuador da v lvula muito grande e a banda proporcional a ser ajustada no controlador deve ser larga nunca menor que 100 No controle de vaz o os modos usados s o o proporcional e o integral para n o permitir desvios permanentes Nunca se utiliza o modo derivativo por causa dos ru dos presentes Ou ent o poss vel a utiliza o a o derivativa inversa que amortece esses ru dos e permite o uso do controlador com banda proporcional mais e
238. ca ia dm Fig 1 1 Variabilidade do processo com controle manual e controle autom tico 1 2 Quantidade do Produto As quantidades das mat rias primas dos produtos finais e das utilidades devem ser medidas e controladas para fins de balan o do custo e do rendimento do processo Tamb m frequente a medi o de produtos para venda e compra entre plantas diferentes Os instrumentos de indica o registro e totaliza o da vaz o e do n vel fazem a aquisi o confi vel dos dados atrav s das medi es de modo continuo e preciso Os instrumentos asseguram a quantidade desejada das substancias o p N pae Fig 1 2 Instrumentos de medi o de n vel 1 3 Economia do Processo O controle autom tico economiza a energia pois elimina o superaquecimento de fornos de fornalhas e de secadores O controle de calor est baseado geralmente na medi o de temperatura e n o existe nenhum operador humano que consiga sentir a temperatura com a precis o e a sensitividade do termopar ou da resist ncia Os instrumentos garantem a conserva o da energia e a economia da sua utiliza o 1 4 Ecologia Na maioria dos processos os produtos que n o s o aproveit veis e devem ser jogados fora s o prejudiciais s vidas animal e vegetal A fim de evitar este resultado nocivo devem ser adicionados agentes corretivos para neutralizar estes efeitos Pela medi o do pH dos efluentes 1 2 Controle do Proc
239. ca com a vaz o Q2 Kdp O transmissor de press o diferencial de vaz o ter um ganho alto quando a vaz o varia no come o da faixa e ter um ganho pequeno para os valores elevados da vaz o Tamb m as v lvulas de controle possuem tipos de internos que podem exibir v rios tipos matem ticos de ganho linear igual percentagem exponencial parab lica O ganho din mico est relacionado com as altas freq ncias e pode ser computado aplicando se uma onda senoidal na entrada e observando se a sa da resultante A rela o das amplitudes de sa da e de entrada d o ganho din mico Por m o ganho tamb m depende da frequ ncia da onda senoidal quanto maior a frequ ncia menor o ganho din mico Quando a frequ ncia se aproxima do zero tem se o ganho est tico Quando se manipulam sinais senoidais no tempo al m da modifica o da amplitude dos sinais h o deslocamento do ngulo de fase quando o dispositivo pode atrasar ou adiantar o sinal de entrada Quando o ganho din mico da malha total maior que 1 a amplitude de oscila o dos dist rbios ir aumentar e o processo inst vel Quando o ganho din mico igual a 1 est se no limite entre a oscila o e a estabilidade As oscila es permanecem com amplitude constante e o processo inst vel Quando o ganho din mico menor que 1 a oscila o ter amplitudes decrescente 3 28 Malha de Controle e o processo est vel Todos os si
240. cadores de status A sa da digital paralela pode ser requerida como sa da do computador para equipamentos de mem ria auxiliar perif ricos digitais como impressoras e monitores Nestes casos tamb m s o necess rios os circuitos de sincronismo e controle 2 6 Circuitos de interface Foi mostrado claramente que nenhum computador pode trabalhar diretamente com o processo anal gico principalmente se o computador for digital E necess rio uma grande quantidade de circuitos condicionadores de sinal para prover a capacidade de plug in para o controlador Coletivamente os equipamentos e os circuitos eletr nicos que fazem o condicionamento adequado dos sinais s o chamados de interface A interface pode ser dividida em interface de entrada e interface de sa da do computador Cada uma dessas interfaces ainda subdividida em interface anal gica e digital 2 7 Bus de entrada do computador H uma avenida para o computador acessar todas as milhares de entradas individuais Muitas destas entradas podem ser multiplexadas juntas atrav s do sistema de convers o A D mas mesmo assim ainda resta um grande n mero de entradas para serem manipuladas pelo computador Os pequenos computadores digitais mini e micro computadores possuem algumas limita es pr ticas Devido ao uso de circuitos integrados os micro computadores possuem uma grande capacidade de computa o matem tica pequeno tamanho f sico e relativamente
241. cer na malha 2 Maximizar todas as constantes de tempo do instrumento 3 Maximizar a maior constante de tempo de realimenta o negativa no processo auto regulante 4 Minimizar todas as constantes de tempo da realimenta o negativa menores que a maior constante de tempo no processo auto regulante 5 Minimizar todas as constantes de tempo da realimenta o negativa no processo n o auto regulante 6 Maximizar a constante de tempo de realimenta o positiva no processo n o auto regulante 7 Minimizar os ganhos do processo integrador e do dist rbio 8 Maximizar a constante de tempo do dist rbio e o intervalo de tempo 9 Minimizar os ajustes da banda proporcional e do tempo integral do controlador 10 Maximizar o ajuste do tempo derivativo do controlador Para estimar os ajustes do modo e do desempenho da malha 1 Medir pelo teste da malha aberta ou estimar pelo uso das equa es os tempos mortos as constantes de tempo e os ganhos do processo dist rbio e instrumentos Se a medi o ruidosa estimar a constante de tempo do filtro ou a banda proporcional necess ria para a atenua o 2 Converter cada uma das constantes de tempo menores do que a maior constante de tempo da realimenta o negativa na malha para o equivalente tempo morto 3 Somar todas os tempos mortos equivalentes na malha 4 Somar todas as constantes de tempo da realimenta o negativa na malha e subtrair da soma total do
242. cess ria A instru o pode causar qualquer tipo entre v rias poss veis opera es Algumas das instru es mais comuns s o gt fazer uma palavra bin ria ser entrada ao computador ou mem ria do computador de algum equipamento externo gt fazer uma palavra bin ria ser sa da do computador ou da mem ria do computador para algum equipamento externo gt fazer uma palavra bin ria ser transferida de um registro para outro ambos internos ao computador gt fazer qualquer uma das seguintes opera es ser executada em uma palavra bin ria soma nega o subtra o multiplica o divis o fazer uma opera o l gica bin ria ser executada em uma palavra bin ria tal como desvio esquerda desvio direita rota o ou uma compara o l gica com uma segunda palavra bin ria como and or exclusive or fazer uma palavra bin ria ser transferida de um registro interno da CPU para a mem ria do computador de qualquer modo poss vel ou transferir da mem ria para algum registro da CPU ler ou escrever fazer um teste em um bit em um sinal alg brico do resultado de uma opera o aritm tica na finaliza o bem sucedida ou n o de uma opera o matem tica overflow na compara o de uma palavra bin ria com zero maior que menor que ou igual a ou outra palavra bin ria ou em qualquer n mero de v rias condi es test veis que podem existir dentro ou fora da CPU do computador fazer a
243. cida por um n vel ou press o de liquido na unidade Se a vaz o de sa da do produto da planta estabelecida as malhas de balan o de material deve ser na dire o oposta da vaz o i e a vaz o em cada unidade estabelecida por um n vel ou press o de liquido na unidade 2 Depois projetar as malhas de controle de composi o para cada opera o unit ria Buckley chamou estas malhas de qualidade do produto Determine as constantes de tempo de malha fechada destas malhas de qualidade do produto 3 Dimensionar os volumes de pausa de modo que as constantes de tempo de malha fechada das malhas de balan o de material sejam um fator de 10 maiores que as constantes de tempo das malhas de qualidade de produto Isto quebra a intera o entre os dois tipos de malhas 11 3 Otimiza o de controle Genericamente otimiza o a estrat gia que d o melhor resultado obt vel sob um determinado conjunto de condi es Matematicamente otimiza o a tarefa de achar um grande pico em um espa o multidimensional Para o engenheiro pr tico otimiza o sugere um exerc cio altamente te rico que n o muito relevante no mundo real onde tubula es vazam sensores se entopem e bombas cavitam Otimiza o a integra o do know how do controle de processo para maximizar a produtividade industrial E desej vel controlar o que uma planta produz Plantas n o produzem vaz o press o temperatura n vel e
244. cidos por resist ncias e capacidades que foram assumidas constantes A solu o de tais equa es convencional e dispon vel em todos os textos sobre equa es diferenciais A solu o completa da eq 4 1 0x5 pka xeo fe Mn M 42 O primeiro termo desta solu o 1 Mm q qo representa a solu o de regime ou a integral particular O segundo termo 1 E a solu o transit ria ou a fun o complementar A eq 4 2 pode ser plotada para dar a curva de resposta do sistema Ela uma curva exponencial Nunca pode haver uma oscila o na curva resposta da solu o da eq 4 2 porque n o h partes imaginarias no expoente da solu o transit ria 4 3 Controle integral Se a resposta integral adicionada ao sistema controlado com uma nica capacidade rec m visto a equa o que define o processo controlado fica dx Mo o MaX Xo Ray x xo dt xq Xqo 4 3 A condi o inicial necess ria aquela em que o tempo igual a zero x x0 0 4 3a A condi o final necess ria assumindo que a estabiliza o conseguida j snien a X 4 3b Esta condi o final simplesmente indica que ap s um tempo suficientemente longo a a o integral ir produzir um efeito igual aquele do dist rbio e retorna ao n vel do ponto de controle Diferenciando a eq 4 2 d x dx Cem CREA e a qUX Xo 4 4 O procedimento convencional para resolver esta eq
245. com o chaveamento na sa da pois h um nico elemento final de controle Em opera o normal o controlador de vaz o FIC opera quando o n vel se aproxima de um valor cr tico muito baixo automaticamente o controlador LIC assume o controle Nesta configura o necess rio a prote o contra satura o do modo integral dos controladores pois o controlador que est fora de controle mas ligado pode saturar se tiver a a o integral O controle de estrutura vari vel Fig 8 20 permite o controlador TIC controlar o processo com uma v lvula TVA at que a press o atinja valor perigoso Agora o controlador de press o assume o controle da v lvula principal e o 8 11 Controle Multivari vel controlador de temperatura atua na v lvula secundaria TVB Tamb m necess ria a realimenta o externa ao modo integral ao PIC para evitar a satura o da sa da n o necess ria a realimenta o ao TIC pois ele sempre est operando Todo esquema de controle seletor chaveado inclui obrigatoriamente um seletor de sinais Fig 8 18 Controle chaveado realimenta o externa ro ao modo intearal y Co A AND Fig 8 19 Controle auto seletor com prote o contra satura o do modo integral 8 Controle Auto Seletor 8 1 Conceito O controle auto seletor tamb m chamado de controle seletivo limite override ou cut back H situa es o
246. comando DOWN M movimento para cima LS2 Desce Partida Parada PB PB ye Dese PB3 PB4 LSi Sobe M2 movimento para baixo Fig 19 Sistema do elevador Descri o narrativa 1 Quando a botoeira PARTIDA apertada a plataforma vai para a posi o inferior 2 Quando a botoeira PARADA apertada a plataforma p ra qualquer que seja a posi o ocupada neste momento 3 Quando a botoeira SOBE apertada a plataforma sobe se n o estiver descendo 4 Quando a botoeira DESCE apertada a plataforma desce se n o estiver subindo Diagrama ladder Para facilitar o acompanhamento o desenvolvimento ser dividido em tarefas individuais Por exemplo a primeira tarefa pode ser mover a plataforma para baixo quando o bot o PARTIDA for acionado Esta tarefa pode ser feita usando a botoeira PARTIDA para selar um rel cujos contatos tamb m energizam M2 motor para descer O rel liberado parando M quando a chave limite LS abre A Fig 20 mostra dois degraus 1 e 2 que fazem estas fun es Apertando PARTIDA energiza CR se LS n o estiver aberta plataforma n o descendo CR selado pelos contatos atrav s da botoeira PARTIDA Outro conjunto de contatos CR partem M para descer a plataforma Quando LS abre indicando que a plataforma chegou ao fundo do po o CR liberado tira o selo e M p ra Estes dois degraus operam somente quando o bot o PARTIDA aper
247. como a transformada de Laplace a transformada Z a fun o de transfer ncia que n o s o dominadas pelos t cnicos ou que j foram esquecidas pelos engenheiros Pior ainda a complexidade do emaranhado matem tico das t cnicas faz perder o sentimento dos aspectos pr ticos e a vis o dos objetivos reais do controle Embora a teoria possa determinar os valores exatos a serem ajustados no controlador os m todos te ricos s o de dif cil execu o pois os dados necess rios para os c lculos te ricos s o imprecisos Por isso os m todos mais usados s o emp ricos e para sua execu o necess rio se provocar pequenos dist rbios ao processo para se medir a resposta a esses dist rbios Isso indesej vel pois h processos cr ticos que n o permitem perturba es Na pr tica os instrumentistas fazem a sintonia do controlador por tentativa e erro sem a convic o do que esteja fazendo e sem nenhum suporte te rico Aqui ser o mostradas as rela es matem ticas simples e necess rias para suportar as regras de bolo thumb rules pr ticas criadas por J G Ziegler e N B Nichols popularizadas por F G Shinskey e documentadas por P W Murrill Os conceitos apresentados s o suficientemente simples para que o t cnico possa entender o seu significado pr tico e suficientemente rigorosos e coerentes com a teoria matem tica 8 1 Crit rios de Desempenho Os instrumentistas tendem a enfatizar os crit
248. computador compartilhado entre elas O controle digital direto tem o potencial de realizar todos os benef cios do controle a computador mas tem um problema muito s rio um nico equipamento respons vel pelo controle de toda a planta Quando o computador p ra ou trava todas as malhas de controle v o para a condi o de malha aberta manual E pouco confi vel 6 1 Controlador Digital Para resolver este problema usam se dois computadores o reserva monitorando e verificando o desempenho do principal Quando houver a falha no principal o reserva assume automaticamente o controle sem dist rbio para o processo controlado Por m isso aumenta muito o custo do equipamento e requer programa mais complicado O sistema reserva custa muito mais que os controladores anal gicos que ele substitui Para ser econ mico um nico computador deve controlar v rias malhas Para atender todas as malhas duas a quatro vezes por tempo de subida o computador deve ser extremamente r pido O computador deve tamb m cuidar de outros alarmes display comunica o auto sintonia e tarefas internas de gerenciamento Na evolu o natural da aplica o do computador o pr ximo passo foi a distribui o geogr fica e f sica destas tarefas distintas aparecendo o controle digital distribu do Agora cada unidade do processo ou conjunto de malhas tem o seu pr prio computador As fun es de display controle e opera o foram s
249. controlador prim rio H ainda uma vantagem adicional o controlador prim rio raramente precisa ser transferido para manual Quando o controlador secund rio estiver em manual o controlador prim rio n o poder saturar pois quebrada a realimenta o positiva para o seu modo integral Dois requisitos s o essenciais ao novo sistema 1 o controlador prim rio deve ter dispon vel a op o de realimenta o externa ao modo integral 2 o controlador secund rio comum por m n o pode haver desvio permanente entre sua medi o e seu ponto de ajuste Ou em outras palavras o controlador secund rio deve ter obrigatoriamente a a o integral para eliminar sempre o desvio permanente 3 6 Aplica es Reator com temperatura e press o Seja a malha de controle de temperatura do produto de um reator feito atrav s da manipula o da vaz o de entrada de vapor Quando a press o do vapor cai o seu poder de aquecimento diminui Para uma mesma vaz o tem se uma diminui o da temperatura do produto Essa diminui o do efeito de aquecimento do vapor s sentida pela malha de temperatura O elemento prim rio sentir a diminui o da temperatura e ir aumentar a abertura da v lvula Essa corre o demorada Nesse intervalo de tempo se houver a recupera o da press o original certamente haver um super aquecimento Essa oscila o pode se repetir indefinidamente com o processo nunca se es
250. controle estat stico de processo e integra o total da planta pelo computador requer que ele tenha acesso aos resultados do processo o que facilmente feito pois estes processos est o sob o controle do computador 2 Esquemas de Controle Digital A primeira tentativa de usar o controle de processo com computador foi o ent o chamado controle supervis rio O controlador ainda era anal gico por m um computador digital tinha acesso vari vel de processo e estabelecia o ponto de ajuste do controlador Esta t cnica tinha apenas algumas vantagens do controle a computador O controle voltava para o controlador anal gico se o computador falhasse O desempenho do controle possu a ainda todas as restri es inerentes s limita es do controlador anal gico Ainda n o havia as vantagens de auto sintonia autodiagn stico reconfigura o radical compensa o de tempo morto e controle preditivo antecipat rio Assim que se fica preparado para confiar no desempenho do computador o controlador anal gico pode ser removido e sua tarefa transferida para o computador No controle digital direto o controlador anal gico eliminado As vari veis de processo entram diretamente no computador vindas dos transmissores e sensores O algoritmo de controle desenvolvido no pr prio computador que envia o sinal diretamente para os atuadores Nesta configura o algumas centenas de malhas podem ser controladas por um nico
251. dF e d2F da eq 1 3 na eq 2 28 e notando que xa Rg uma constante obt m se dx dx Ima ro Ty T RAe dx Tn T H R B Tm Ty aP 1 Rq0 x x0 Rf x xo dt Xq Xqo 3 1 A eq 3 1 representa a equa o da malha fechada para um processo com uma capacidade um controlador ideal um elemento de medi o e um elemento final de controle cada um possuindo um atraso significativo Esta equa o geral para sistemas com uma capacidade que pode ser representado como na Fig 3 1 A equa o inclui um controlador possuindo todos os tr s modos de controle proporcional integral e derivativo Quando se quer a equa o de uma malha fechada para um sistema com uma capacidade onde o elemento de medi o possui atraso desprez vel e o controlador n o possui a o integral necess rio apenas zerar os coeficientes apropriados na eq 3 1 Os termos Tm e y seriam zero e a equa o ficaria A 13 Enfoque Matem tico d x dx pre peca da 1 Rgo x x0 Xg X q qo 3 1a que a equa o de malha fechada para um sistema com uma capacidade sendo controlador por um controlador proporcional mais derivativo onde o elemento de medi o e o controlador s o ideais mas onde o elemento final de controle possui atraso Para outro exemplo de aplica o gen rica da eq 3 1 suponha se que se queira a equa o de malha fechada para um sistema com ma capacidade onde n o h nenhum atraso
252. da o ngulo de fase q vale 8 360 1 90 4 O sinal negativo significa que o pico da sa da ocorre depois do pico da entrada Isto considera o um atraso de fase E tamb m poss vel se ter o pico da sa da antes do pico da entras isto chamado de adiantamento de fase Os atrasos em qualquer elemento de um malha de controle causam atrasos entre a varia o da entrada e a varia o resultante da sa da Quando o sinal senoidal o atraso do tempo equivale ao atraso do ngulo de fase O atraso do ngulo de fase varia com a frequ ncia do sinal O deslocamento da fase aumenta proporcionalmente com a frequ ncia O atraso total da malha de controle deve ser de 180 correspondente a realimenta o negativa Quando se tem um dist rbio na malha deve haver uma a o corretiva oposta ao dist rbio ou seja defasada de 1800 O que provoca o atraso ou a defasagem do sinal s o os par metros capacitivos e os tempos mortos Todos os elementos da malha de controle possuem em graus diferentes circuitos que defasam o sinal Por exemplo o atuador da v lvula de controle de grande capacidade e portanto causa atraso no sinal O controlador deve ter circuitos com capacit ncia ajust veis de modo que no final o ngulo total de defasagem seja igual a 1800 respons vel pela realimenta o negativa da malha de controle Como ser visto adiante os circuitos integrais e derivativos possuem esses eleme
253. da proporcional de 400 Unidade de Controle Autom tico Conjunto Derivetivo Tanque de Reajuste Autom tico Integral Rel Unidade de Transferencia Fig 5 5 A es do controlador pneum tico 1 11 Unidade de Controle Manual A unidade ou esta o de controle manual est acoplada ao controlador autom tico No controlador pneum tico as esta es autom tica e manual s o separ veis Quando se retira a esta o autom tica pode se deixar a esta o manual em opera o de reserva Quando se retira a esta o manual a esta o autom tica permanece em opera o normal Fig 5 6 Esta o manual acoplada esta o autom tica de controle Assim a fun o da esta o manual a de substituir em situa es criticas a esta o autom tica Exemplo de situa o critica a condi o de retirada da esta o autom tica Mau funcionamento ou n o funcionamento da esta o autom tica impossibilidade ou demora de obten o de controle autom tico pelo controlador s o outros exemplos de situa es que requerem o uso provis rio da esta o manual de controle A unidade de controle manual gera um sinal pneum tico padr o de 20 a 100 kPa atrav s da atua o manual melhor seria dizer digital pois utiliza se o dedo de uma chave apropriada Desde que o controlador esteja com a chave selecionando o modo de opera o manual a sa da do controlado
254. dade A CPU de um controlador l gico program vel muito mais confi vel e est vel que a de um computador pessoal mesmo quando chamado de computador industrial 8 2 Princ pios PID PID significa Proporcional Integral e Derivativo PID um algoritmo de controle de processo cont nuo PID faz duas tarefas de controle 1 controle PID mantem a sa da em um n vel estabelecido mesmo quando os par metros vari veis do processo podem tender a fazer a sa da variar de seu ponto de ajuste desejado 2 PID varia o n vel do processo de um ponto de ajuste para outro de modo r pido e exato O controle Proporcional um sistema de controle que corrige o desvio de um processo do ponto de ajuste mantendo sempre a vari vel igual ao ponto de ajuste A corre o proporcional ao tamanho do erro Por exemplo seja uma vaz o de ar de 575 m h Se por algum motivo a vaz o aumenta para 580 m h um sinal de corre o aplicado ao damper do ar para reduzir a vaz o de volta a 575 m h Se a vaz o agora varia para 585 m h o dobro do desvio do ponto de ajuste um sinal de corre o de quatro vezes o tamanho seria aplicado para a corre o Quanto maior o sinal corretivo teoricamente d um retorno mais r pido para a vaz o de 575 m h Na pr tica a corre o r pida n o precisa A vaz o retorna para um novo ponto de ajuste no fim da corre o e g 576 5 m h e n o 575 m h O controle proporcional n o pode tr
255. dade de interromper o computador em algum ponto conveniente durante o processamento de rotina de modo que o computador tenha os novos status o mais r pido poss vel normalmente dentro de poucos micro segundos O circuito de interface do computador deve ter provis o de cuidar de cada uma destas entradas individualmente Estes circuitos eletr nicos s o referidos como a estrutura de interrup o de prioridade Os circuitos al m de realizar a fun o de interromper o computador durante o processamento normal tamb m fornecem uma estrutura de prioridade entre cada uma destas entradas de modo a decidir o que mais importante quando v rios sinais tentam interromper o computador simultaneamente Um exemplo de uma interrup o de alta prioridade seria a sa da de um circuito eletr nico especial que monitoriza as tens es de alimenta o do computador Sempre que a alimenta o falha o computador dependendo de sua velocidade tem a capacidade de se desligar com seguran a de modo que o processamento normal possa continuar automaticamente quando a alimenta o for restaurada Isto brevemente define as necessidades para a sa da dos circuitos de interface de entrada do computador e simultaneamente as necessidades para os circuitos de entrada do computador desde que eles devem ser bloqueados e compat veis Em resumo o computador deve ter uma estrutura de bus de entrada digital paralela de 16 bits para a qual todos o
256. das especificamente para tornar mais f cil e r pida a programa o Estas linguagens s o projetadas para eliminar a necessidade que o programador fale ao computador cada opera o b sica para ser executada Seja o exemplo simples de soma de dois n meros que toma v rios passos de programa de linguagem de maquina Seria muito simples se o programador pudesse simplesmente escrever a instru o SOME X COM Y e deixasse que o computador se preocupasse com a sua realiza o Estas linguagens existem e s o usadas com frequ ncia por m o computador n o pode entende las Assim necess rio uma transla o ou tradu o entre a linguagem simplificada e intelig vel ao programador e a linguagem que o computador entende e executa A transla o feita por um programa do computador que foi especificamente projeto para aceitar cada uma das instru es simplificadas e converte las em uma s rie de instru es de linguagem de maquina que o computador requer para obter o mesmo resultado Al m disso este programa de transla o mant m o rastreamento de onde cada dado cada 11 21 Computador como Controlador instru o do programa est sendo armazenada no computador Este programa alivia o programador da necessidade de fazer todo endere amento interno e ele se preocupa apenas de definir o que o programa deve fazer Este programa de transi o de linguagem do computador chamado de compilador A linguagem
257. de O ou de 14 grandes quantidades do reagente s o necess rias para provocar pequenas varia es no pH O modelo matem tico do processo f cil de ser desenvolvido pois muito conhecido e estudado A equa o do controlador preditivo antecipat rio d a vaz o do reagente necess ria para neutralizar a mistura final o efluente quando a vaz o e o pH do efluente variam As vari veis medidas s o pH do efluente na entrada pH do efluente na sa da vaz o da entrada do efluente A vari vel manipulada a vaz o do reagente Frequentemente se utilizam v rias v lvulas de tamanhos diferentes para prover maior rela o entre a medi o m xima e medi o m nima Nesse caso deve ser acrescentado um sistema l gico sequencial S o hip teses simplificadoras que a medi o seja feita onde a rea o est completa e que a mistura seja homog nea e perfeita Como n o admiss vel desvio permanente no pH do efluente final e principalmente por causa da grande sensibilidade da curva de pH justamente na regi o pr xima da neutraliza o deve se usar um controlador a realimenta o negativa convencional O controlador convencional n o linear com uma curva caracter stica complementar a curva de pH pequeno ganho pr ximo do ponto de ajuste e grande ganho quando o desvio aumenta De outro modo o controlador deve ter ganho proporcional ao erro entre medi o e ponto de ajuste 8 24 Controle Multivari
258. de duas capacidades da Fig 1 2 pode se escrever as express es para a vaz o entre os vasos e a vaz o de sa da do seguinte modo Quando um dist rbio ocorre no processo tal como uma varia o na altura de sa da Xq todas as vaz es ficam desiguais imediatamente ap s o dist rbio As express es para a vaz o entre os vasos e a vaz o de sa da s o respectivamente pref 1 5 R x X4 R q Estas equa es simplesmente indicam que a vaz o atrav s da restri o ou da resist ncia que foi assumida como linear na an lise diretamente proporcional diferen a no n vel ou queda de potencial atrav s da resist ncia e inversamente proporcional resist ncia em si O pr ximo passo escrever express es para esta varia o de n vel em cada tanque durante o per odo do dist rbio Assim Q 1 6 E 1 7 dC dx2 Fo Q 1 8 d C A3 Enfoque Matem tico Fig 1 2 Processo com 2 capacit ncias As eg 1 5 at 1 8 fornecem todas as rela es necess rias para se obter uma nica equa o em termos do n vel do tanque x vaz o de entrada F dist rbio no n vel Xq as constantes do processo de resist ncias e capacidades A equa o seria derivada ou em termos do n vel no primeiro tanque ou do n vel no segundo tanque o que for desejado Assume se que o n vel no tanque 2 x2 o escolhido Mais tarde ser discutida uma aplica o de um controlador autom tico para manter
259. de liquido em um tanque e por causa da taxa de ac mulo positiva ou negativa responder s diferen as entre as vaz es de entrada e de sa da o n vel n o pode variar instantaneamente mesmo se o sinal de controle tiver varia o instant nea Quanto maior o n vel em compara o com as vaz es mais lenta ser a varia o do n vel Assim o elemento capacidade no processo tende a atenuar os dist rbios Isto torna o controle mais f cil enquanto que o tempo morto torna o controle mais dif cil O tempo morto e o tempo caracter stico determinam todos os ajustes do controlador Por exemplo a banda proporcional proporcional a rela o entre ambos tm tc O erro acumulado e o erro de pico que determinam quantitativamente a qualidade do controle s o proporcionais a rela o entre tm tc O per odo natural de oscila o do processo Tn tomado como base para os ajustes do tempo integral e do tempo derivativo tamb m proporcional ao tempo morto Os processos com uma nica capacidade e com tempo morto puro existem apenas na teoria Qualquer processo real inclui um n mero de cada um destes elementos din micos Por exemplo o trocador de calor inclui um tempo morto associado com o tempo que se gasta para a gua quente fluir do trocador para o sensor O processo possui as seguintes capacidades 1 volume do atuador da v lvula 2 volume das serpentinas do trocador de calor 3 energia armazenada nos tubos 4
260. de ponto de ajuste em oposi o ao fole de medi o 3 o fole proporcional sendo realimentado negativamente da sa da e atrav s da 4 restri o derivativa Na pr tica o circuito pneum tico completo da unidade derivativa possui o fole o tanque derivativo e a restri o Aqui por simplicidade sup e se que o pr prio fole integral possui uma capacidade suficiente O objetivo da restri o o de atrasar a realimenta o negativa Como a realimenta o negativa atrasa a resposta do controlador atrasar o atraso equivale a adiantar a resposta para os desvios r pidos do processo lento Por esse motivo 4 44 Controlador a a o derivativa tamb m chamada de a o antecipat ria IH lt Fulcro Ajuste da banda proporcional 20 a 100 kPa Restri o derivativa Fig 4 11 Controlador PD pneum tico O controlador proporcional mais derivativo possui o seguinte funcionamento 1 imediatamente ap s a varia o r pida do processo n o h realimenta o negativa pois h uma restri o pneum tica O controlador se comporta como um controlador liga desliga ou com uma banda proporcional muito estreita 2 como passar do tempo a realimenta o negativa vai se processando e pressurizando o fole proporcional e tornando o controlador est vel 3 quando a varia o do processo muito lenta praticamente a a o derivativa n o atua pois lentamente tamb m est have
261. deamento para frente e para tr s das diferentes arvores de decis o proporcionando por diagnostico e predi o uma ou v rias conclus es com um determinado n vel de certeza 4 a simula o e o ensaio da base de conhecimento antes de seu uso real no processo 5 explica es do racionamento empregado para informa o e uso por parte do usu rio na comprova o ou amplia o do sistema As etapas t picas onde atua um sistema expert na planta s o 6 13 Controlador Digital 6 1 Reconhecimento das situa es anormais Se realiza mediante a monitora o de todos os sistemas de controle anal gicos e digitais tais como os controladores alarmes indicadores e registradores e sua compara o com os dados provenientes do conhecimento do sistema expert 6 2 Diagn stico Se efetua a partir da fase anterior de compara o se na mesma se detectou situa es problem ticas Se visualiza o diagnostico da planta no estado atual de controle 6 3 Corre o do problema O operador assistido pelo sistema inteligente de visualiza o que lhe mostra graficamente os diagramas de fluxo de interesse o resumo dos alarmes o estado dos indicadores e dos controladores afetados e a sequ ncia de opera es a realizar para solucionar o problema Se disp e de ajudas na visualiza o que provocam o flasheamento das reas problem ticas dentro do diagrama de fluxo Baseando se na informa o recebida
262. degrau Assumindo que o erro permanece constante a parte integral do controlador ir agora fazer a sa da rampear para cima A inclina o da rampa determinada por KI Com uma constante de integra o de 1 repeti o por minuto em 1 minuto a rampa ir levar a sa da para a mesma quantidade que a parte proporcional o fez Isto mostrado na Fig 4 22a Na Fig 4 22b a parte integral do controlador faz a rampa que 4 52 Controlador triplica a sa da produzida pelo controlador proporcional Isto causada por uma constante de integra o de 3 repeti es por minuto A opera o do circuito pode ser melhor analisada examinando se sua resposta a v rios degraus em Vpy vari vel do processo 1 minuto Parte integral igual parte proporcional Saida do controlador 0 t t 1 minuto t Saida do controlador 1 minuto r Parte integral igual ao tripo da parte proporcional Proporcional io e 0 t t 1 minuto t Fig 4 22 Constante integral para 1 e 3 repeti es por minuto 4 6 Controlador Derivativo e a Tr s Modos PID O controlador proporcional integral remove todo erro permanente Em muitos sistemas a parte proporcional fornece resposta suficientemente r pida para degraus no erro Por m em processos com grande in rcia necessitam de alguma forma de rapidez adicional para responder um degrau de erro E necess rio superar a in rcia fornecendo uma resp
263. deral Regulations Estas normas estabelecem a pratica m nima para boa fabrica o para m todos a serem usados pela ind stria farmac utica Cumprindo as normas tem se a garantia que os rem dios satisfazem exig ncias de seguran a identidade dosagem qualidade e pureza A valida o uma metodologia que ajuda a provar que os rem dios possuem as caracter sticas necess rias de acordo com as especifica es do fabricante e as exig ncias legais Validar estabelecer uma evid ncia documentada que fornece um alto grau de garantia que um processo espec fico far de modo consistente um produto satisfazendo sua especifica o predeterminada e os atributos de qualidade A valida o simplesmente faz boa engenharia e bom senso de neg cios e apresenta benef cios a curto e longo prazo Qualquer sistema ou dispositivo pode ser validado usando os seguintes 10 preceitos 1 Definir todas as fun es do sistema 2 Definir o sistema total e cada m dulo Definir as fun es de cada m dulo Qualificar cada m dulo Ligar todos os m dulos juntos Testar e desafiar os m dulos ligados Estabelecer reprodutitividade Estabelecer e implementar controle de mudan a Documentar tudo O N o desrespeitar nenhum destes preceitos O planejamento das atividades de valida o s o similares a um projeto de engenharia Valida o e engenharia devem ser atividades paralelas As exig ncias de valida o devem ser incorporadas no proj
264. desliga podem necessitar de tempo proporcionado Um intervalo de tempo que muito maior do que um ciclo de 60 Hz mas muito mais curto que o tempo de resposta do processo escolhido necess rio um temporizador a Cl ou uma rotina de temporizador no programa para manter o rastreamento deste tempo No in cio do intervalo a sa da ligada O valor de sa da do c lculo PID determina quanto a sa da mantida ligada Este t cnica permite que a pot ncia seja aplicada e removida do atuador somente nos cruzamentos do zero da linha minimizando a interfer ncia el trica pelo chaveamento de carga com alta tens o e alta corrente Muitos processos usam atuadores que operam com 4 a 20 mA Para este tipo de sa da o c lculo do PID deve passar para um conversor D A que escalona a sa da para 4 a 20 mA Qualquer que seja a t cnica escolhida a eletr nica deve incluir alguma forma de isola o Sem esta isola o um erro provocado na fia o entre controlador e atuador ou uma falha pode ocorrer 115 V ou mais na linha de terra do controlador Obviamente isto danifica o controlador ou at o computador supervis rio ligado a ele Assim que a sa da atualizada o programa deve completar a comunica o com o painel frontal e com o computador supervis rio Por m o controlador nunca volta atrav s na malha para checar a vari vel de processo O valor da vari vel de processo deve ser enviado do controlador microprocess
265. do controlador 100 ganho T o tempo integral do controlador minutos repeti o Km O ganho do transmissor de regime da medi o AC a varia o da sa da do controlador necess ria A varia o da sa da do controlador necess ria para compensar os dist rbios igual ao dist rbio do processo varia o de carga do processo se magas afetam igualmente a vari vel controlada ou seja O ganho da v lvula de controle igual ao ganho da carga Como NE K E K KAL substituindo e multiplicando o numerador e denominador por Kp o erro acumulado pode ser expresso tamb m como E TE 100K KK onde K o ganho em regime da v lvula K o ganho em regime da carga do processo Kp o ganho em regime do processo AL a varia o de carga do processo tamanho do dist rbio Eo o erro em regime da malha aberta A equa o do erro acumulado leva a seguintes conclus es 1 se os dist rbios tem tamanhos pr ximos de zero E 0 mesmo a malha muito dif cil funciona excelentemente Por isso antes de decidir se uma malha dif cil justifica o custo adicional de equipamentos especiais algoritmos avan ados de controle necess rio conhecer o tamanho dos dist rbios do processo 2 se o controlador sintonizado com banda proporcional muito larga ganho muito pequeno ou tempo integral muito grande a o integral muito lenta uma malha f cil ir funcionar pobremente Qualqu
266. do Para controle est vel Controlad Carga po Ze set point Carga Gv X Gp X Gs X Ge Quando o ganho da malha fechada igual a 1 tem se a oscila o constante da vari vel e o processo inst vel Para se ter estabilidade necess rio que o ganho total seja menor que 1 Chama se margem de ganho o que falta para o ganho alcan ar o valor de 1 quando se mant m o ngulo de corre o igual a 180 graus Esta margem de ganho pode ser considerada como a faixa de liberdade que o ganho do processo pode variar sem provocar oscila o no sistema Quanto maior a margem de ganho menor o ganho e mais est vel o processo carga Gv carga Ganho do Processo Fig 2 29 Se o ganho do processo varia com a carga o ganho total da malha pode ser mantido constante usando uma v lvula cuja varia o do ganho com a carga compense a varia o de ganho do processo E ApostilasiControle 3MalhaControle DOC 24 ABR 00 Substitui 02 DEZ 98 3 33 4 Controlador Objetivos de Ensino 1 Apresentar o diagrama de blocos do controlador e descrever cada um 2 Mostrar diferen as entre a o direta e a o inversa 3 Mostrar de modo simplificado os circuitos pneum tico e eletr nico dos controladores P PI PD e PID 4 Mostrar as caracter sticas do controlador anal gico e digital s rie e paralelo 1 Conceito O principal componente da malha de controle obviamente o
267. do controlador Chave de Transfer ncia Rel Auto Man opcional 2 3 Controle Liga Desliga O controlador pneum tico modelo 43AP com a o de controle liga desliga possui o elemento sensor da vari vel que se op e ao mecanismo de ponto de ajuste O erro resultante entre as duas atua es vai ser aplicado a uma alavanca que est alterando diretamente a posi o relativa entre o bico e a palheta O sistema bico palheta alimentado pela press o de suprimento atrav s de um rel amplificador pneum tico A posi o entre o bico e a palheta determina a sa da do rel N o h alimenta o negativa do sinal de sa da do controlador para o seu interior Por isso o sistema inst vel sua sa da s assume dois valores ponto de ajuste manual Lx ponto de ajuste remoto pneum tico fole proporcional fole integral restri o derivativa fole derivativo indicador balan o chave bloqueio Fig 5 14 Esquema simplificado do controlador 1 sa da igual press o de alimenta o por exemplo quando medi o est acima do ponto de ajuste 2 sa da igual zero no mesmo exemplo quando a medi o est abaixo do ponto de ajuste 2 4 Controle com Intervalo Diferencial O controle com intervalo diferencial tamb m chamado de controle liga desliga com zona intermedi ria neutra Como no controle liga desliga convencional a sa da do contro
268. do erro e a frequ ncia de oscila o Um controlador eletr nico mostrado O amp op U1 o amplificador de erro diferencial Sua sa da o sinal de erro e aciona a entrada de U2 O amp op U2 comparador com histerese U2 n o um amplificador pois a realimenta o feita para a entrada n o inversa Quando o Verro negativo U2 vai para a satura o positiva V Os resistores R1 e R2 dividem a tens o de satura o produzindo uma tens o de refer ncia positiva Somente a satura o da sa da fica negativa a tens o de refer ncia terminal 3 de U2 chaveada para uma tens o de refer ncia negativa com O erro agora deve se tornar mais negativo do que esta tens o negativa de refer ncia antes de U2 chavear de novo para a tens o de refer ncia positiva Assim U2 produz a banda morta ou histerese O amp op U3 inverte os n veis de U2 O diodo zener na sa da restringe a tens o Muita vezes somente a sa da positiva permitida Quando a sa da tende a ficar saturada negativa o zener ir conduzir e a sa da fica em 0 6V Os controladores das Fig 4 12 e Fig 4 13 s o de a o inversa A sa da se move no sentido oposto a vari vel do processo Quando a medi o aumenta a sa da do controlador diminui e quando a medi o diminui a sa da aumenta Isto t pico em aplica es de sistema com controle de aquecimento Quando a temperatura cai o aquecedor fica ligado Se a temperatur
269. do gr fico de tend ncia do controlador FQC 210 1A No menu e em Modes pode se escolher a tend ncia real ou tend ncia hist rica Em tend ncia real o gr fico mostra a vari vel em tempo real a partir do instante zero Em tend ncia real o gr fico mostra o hist rico da vari vel controlada Clicando na barra de rolamento pode se andar para tr s ou para frente no tempo E Apostilas Controle Sintonia DOC 17 FEV 98 Substitui 27 ABR 97 6 26 Sintonia do Controlador Objetivos de Ensino 1 Apresentar as caracter sticas da a o liga desliga 2 Mostrar as caracter sticas vantagens limita es e aplica es das a es proporcional integral e derivativa 3 Apresentar recomenda es para sele o e ajuste das a es de controle para as vari veis de processo vaz o press o n vel e temperatura e pH 4 Mostrar a filosofia e crit rios para a sintonia da malha de controle 5 Apresentar a mec nica da sintonia do controlador 6 Apresentar os principais m todos de sintonia do controlador e os ajustes t picos das a es PID 1 A o ou modo de controle O modo do controlador pode indicar a maneira de como est sendo gerada a sa da do controlador se autom tica ou se manual O modo do controlador tamb m pode se referir ao sentido de varia o da sa da do controlador se direta ou se inversa em rela o a varia o da vari vel medida A sele o da a o de co
270. dor 3 Caracter sticas do sistema O objetivo de um sistema de controle de processo industrial fabricar algum produto de mat rias primas de entrada Tal processo tipicamente envolve muitas opera es ou etapas Algumas destas etapas devem ocorrer em s rie e algumas podem ocorrer em paralelo Alguns destes eventos podem envolver o ajuste discreto dos estados na planta ou seja v lvulas abertas ou fechadas motores ligados ou desligados contatos fechados ou abertos Outros eventos podem envolver regula o de alguma vari vel cont nua no tempo ou a dura o de um evento Por exemplo pode ser necess rio manter a temperatura em algum valor ajustado durante determinado intervalo de tempo O sistema de controle de processo a estado discreto o sistema de controle principal para a opera o da planta inteira 9 2 Controle L gico Exemplo Controle da Geladeira freezer Problema Usar as defini es para construir uma descri o da geladeira freezer mostrado na Fig 2 como um processo com um sistema de controle a estado discreto Definir as vari veis de entrada vari veis de sa da e sequ ncia de eventos s rie ou paralelo Solu o Vari veis de entrada discretas 1 porta fechada ou aberta temperatura da geladeira alta ou baixa 3 temperatura do freezer alta ou baixa 4 tempo do temporizador de elimina o de gelo dentro ou fora 5 chave de pot ncia ligada ou desligada 6 detector de gel
271. dos no ganho resultando de n o linearidades no ganho da v lvula de controle e g igual percentagem no ganho do processo e g n vel do bal o da caldeira e no ganho do transmissor e g medi o de vaz o com placa de orif cio Estes aumentos localizados no ganho podem causar oscila es localizadas a n o ser que a banda proporcional do controlador seja diminu da AV AP AM 4 AC AV AP KK Kn 1 obt m se para o erro acumulado E zie 100 onde AV a varia o na sa da da v lvula DP a varia o na sa da do processo DM a varia o da sa da da medi o O ajuste do modo derivativo n o entra na equa o do erro acumulado porque a sua adi o diminui a banda proporcional real e aumenta o tempo integral real pelo mesmo fator de modo que o erro acumulado permanece o mesmo Pico do Erro O pico do erro o m ximo desvio da vari vel controlada do ponto de ajuste Para alguns processos e g temperatura de reator pH de reator o pico do erro deve ser limitado para evitar o in cio de uma rea o secundaria indesej vel Para uma malha de controle de press o o pico do erro deve ser limitado para evitar a atua o de v lvulas de alivio Segundo Harriot o pico do erro dado por Ee l E 1 K onde E o pico do erro da vari vel controlada E o erro de regime da malha aberta E KKAL Ko ganho total da malha GR o qa Pon Bp Outro modo de expressar Ex
272. e O objetivo da a o proporcional o de estabilizar a vari vel controlada A a o proporcional realizada no controlador atrav s de uma realimenta o negativa do sinal de sa da para a entrada da esta o autom tica do controlador para diminuir o seu ganho Quanto maior a taxa da realimenta o negativa menor o ganho do controlador ou maior a banda proporcional O ajuste da banda proporcional do controlador o ajuste da quantidade de realimenta o negativa feita pelo controlador A a o proporcional instant nea ela est em fase com o erro entre a medi o e o ponto de ajuste Matematicamente a a o proporcional independe do tempo Em termos pr ticos a a o proporcional cuida de quanto deve ser corrigido sem levar em considera o o quando No controlador proporcional existe apenas uma sa da para a qual a medi o igual ao ponto de ajuste O controle executado pelo controlador proporcional s perfeito sem erro entre medi o e ponto de ajuste para uma determinada carga do processo Quando h varia o da carga a sa da do controlador estabiliza a vari vel controlada por m em um valor diferente do ponto de ajuste 3 3 Desvio Permanente Como todo processo possui atraso a desvantagem da a o proporcional que ela sempre deixa um desvio permanente off set entre a medi o e o ponto de ajuste quando h varia o da carga do processo O desvio permanente entre a
273. e Levando em considera o esses diferentes graus de dificuldade de controle resultantes de diferentes caracter sticas din micas e est ticas do processo os fabricantes de instrumentos desenvolveram diferentes tipos de controladores O controlador mal escolhido raramente desempenha a fun o desejada O controlador escolhido corretamente tamb m n o funcionar idealmente se os ajustes das a es proporcional integral e derivativa n o forem aqueles exigidos pelo processo espec fico Os ajustes insuficientes ou exagerados podem na melhor situa o produzir um controle demorado e fora do ponto de ajuste e na pior hip tese provocar oscila o da vari vel controlada Vandel LL HE D esigameste por valor mnit lame de valor alo i ado ideal Sastre de walor baling LL Desligamento por valor mato Tempo Fig 7 24 XL e XH s o pontos de alarme e XLL e XHH s o pontos de desligamento 1 22 Sintonia do Controlador Vari rel Limites de seguran a Tempo Fig 7 25 Sintonia correta do controlador Sintonizar o controlador ajustar os valores das suas a es de controle Com a sintonia ideal obt m se o m ximo potencial da malha e pode se estimar o erro do controlador limites de seguran a Vari vel O v Tempo Fig 7 25 Sintonia incorreta do controlador A maioria dos trabalhos publicados e dispon veis utiliza as t cnicas matem ticas avan adas
274. e circular que gira em torno de um eixo vertical e que possibilita ao operador de processo atuar manualmente no processo Quando se aciona esta chave gera se internamente um sinal padr o de 20 a 100 kPa A montagem do controlador simples e de baixo custo O controlador montado na estante padr o da s rie 102 S o dispon veis estantes com at dez posi es podendo alojar at 10 controladores V rias estantes podem ser agrupadas formando pain is com grande densidade de instrumentos Os custos de tubula es s o minimizados pois cada estante possui um conjunto de alimenta o pneum tica provendo bloqueio individual para cada instrumento em caso de retirada do instrumento O controlador 130M um verdadeiro instrumento a estado de arte com circuito impresso pneum tico que substitui tubula es discretas O acesso ao controlador feito atrav s da parte lateral retirando se o instrumento da estante Os instrumentos podem ser retirados parcialmente da estante Pinos de trava impedem a retirada inadvertida do instrumento da estante Destravando o pino o instrumento pode ser retirado totalmente da estante continuando o instrumento conectado estante pelo cabo O desligamento da estante feito rapidamente atrav s do desengate do cabo de liga o O princ pio de funcionamento do controlador 130M a balan o de for as E um sistema robusto preciso pouco sens vel a vibra es e choques Os fole
275. e do sinal da v lvula Ela gera internamente o ponto de ajuste e possui a esta o de controle onde tamb m gerado o sinal para atua o manual na v lvula de controle Ela n o possui os circuitos do controle autom tico A esta o 130MD apropriada para ser usada em conjunto com o controlador cego modelo 138 onde est o localizados os circuitos do controle autom tico As diferen as b sicas entre a esta o de controle 130M e o modelo 130MD s o 1 a esta o 130MD n o possui unidade de controle autom tico 2 a unidade de ponto de ajuste possui o rel amplificador na unidade 130MD pois o sinal gerado deve ser usado remotamente no controlador de campo Como visto a esta o 130M convencional possui um rel aspirador com pequena capacidade de ar na unidade de ponto de ajuste pois o sinal para uso local 5 9 A Ea E o EM o o To O ROS a Tampa e circuitos do controlador Unidade de Controle Autom tico Conjunto Derivativo Rel Unidade de Transfer ncia Tanque de Reajuste Autom tico Integral b Componentes b sicos do controlador Fig 5 10 Controlador cego s rie 138 Por m sob o ponto de vista do operador nada muda pois atrav s da esta o de controle modelo 130MD 1 operador estabelece o ponto de ajuste 2 operador transfere de autom tico para manual e atua diretamente no processo Embora o sinal de atua o manual v
276. e na d cada de 40 e resistiu heroicamente ao aparecimento das novas t cnicas digitais e ainda hoje largamente usado mesmo em sistemas de controle com computadores digitais e anunciado como vantagem de venda sua incorpora o em controladores l gico program veis 2 A o Liga Desliga 2 1 Conceitos A a o liga desliga tamb m chamada de duas posi es on off tudo ou nada 0 1 controle radical bang bang A a o liga desliga pode ser considerada como o caso limite da a o proporcional com o ganho infinito ou com a banda proporcional igual a zero Atuador Liqa Temneratura Desliga SP Fig 7 1 Sa da de controlado liga desliga 1 2 Sintonia do Controlador A a o liga desliga discreta e n o cont nua A sa da do controlador s assume um de dois valores poss veis ou O ou 100 Consequentemente a v lvula de controle s pode assumir duas posi es ou totalmente fechada 0 ou totalmente aberta 100 N o h posi o intermedi ria e n o h meio termo por isso chamado de controle radical Temperatura ERENT A ss o Set point Tempo FIG 2 Salda do controle liga desiiga com um nico ponto para ligar e desligar sem histerese A caracter stica do controle liga desliga uma oscila o com amplitude constante em torno do ponto de ajuste enquanto a carga do processo se mantiver constante A amplitude e a frequ ncia da oscila o
277. e os c lculos matem ticos s o usados para estabelecer a a o de controle a ser aplicada antes do aparecimento do erro entre medi o e ponto de ajuste o dist rbio est na entrada do processo e na entrada do controlador O conceito envolve o fluxo de informa es adiante da malha teoricamente quando bem projetado e calculado um controlador preditivo antecipat rio pode executar um controle perfeito Seu erro devido aos erros das medi es e dos c lculos feitos por equipamentos reais Quanto mais dif cil e complexa for a computa o maior ser o erro antecipado O controlador preditivo antecipat rio n o exibe nenhuma tend ncia a oscila o 8 17 Controle Multivari vel L carga ou dist rbio M vari vel manipulada G ganho X sa da F M L Fig 3 19 Diagrama de blocos do sistema de controle preditivo antecipat rio feedforward 9 5 Limita es A primeira aplica o pr tica do controle preditivo antecipat rio foi em 1925 no controle de n vel de caldeira Embora o seu resultado possa ser teoricamente perfeito o seu desenvolvimento foi lento principalmente pelas limita es na sua aplica o pr tica e pelos seguintes motivos 1 os dist rbios que n o s o medidos ou porque s o desconhecidos ou suas medi es s o impratic veis tornam o resultado do controle imperfeito As altera es da vari vel controlada n o s o compensadas pelo controlador
278. e verticalmente ao longo da escala Ele de cor vermelha fluorescente e facilmente visto mesmo distancia de alguns metros 4 o ponteiro de ponto de ajuste se move verticalmente ao longo da escala Ele de cor branca com uma lista horizontal preta do mesmo formato que o ponteiro de medi o por m levemente maior O ponteiro de medi o corre debaixo do ponteiro de ponto de ajuste de modo que quando eles se coincidem apenas o ponteiro 5 2 de ponto de ajuste vis vel o que a condi o ideal de opera o Quando h desvios entre a medi o e o ponto de ajuste a pr pria distancia entre os ponteiros d uma id ia do valor do desvio 5 abaixo da escala h uma pequena chave circular SET atrav s da qual estabelecido o ponto de ajuste manualmente A atua o dessa chave gera internamente um sinal pneum tica padr o de 20 a 100 kPa e simultaneamente posiciona o ponteiro de ponto de ajuste 6 na parte inferior da esta o autom tica de controle est a esta o de controle manual As duas esta es s o independentes pode se retirar a esta o manual de controle e a esta o autom tica continua funcionando normalmente E vice versa pode se retirar a esta o autom tica de controle e o operador pode atuar manualmente no processo atrav s da esta o manual A esta o manual de controle possui a indica o do sinal de sa da que atua na v lvula de controle Ela possui uma chav
279. e batelada que define o valor de atua o da chave e o ajuste de precarga que precondiciona o controlador para a partida autom tica na retomada do processo 5 A o Derivativa 5 1 Conceito A a o derivativa a a o corretiva proporcional derivada em rela o ao tempo do erro entre a medi o e o ponto de ajuste A a o derivativa detecta a varia o aumento ou diminui o do erro entre a medi o e o ponto de ajuste e fornece uma sa da proporcional a esta taxa de varia o Ela discrimina o erro por sua varia o Para uma varia o repentina mesmo de pequena amplitude a a o derivativa prov um grande sinal de corre o os erros lentos provocam uma pequena a o derivativa de corre o Erro constante como o desvio permanente do controlador proporcional n o afetado pela a o derivativa Quando se tem um desvio tipo rampa a resposta da a o derivativa um degrau Por este comportamento de se adiantar a a o proporcional a a o derivativa erradamente chamada de a o antecipat ria pois ele se antecipa a o proporcional A a o derivativa n o se antecipa ao aparecimento do erro Quando aparece um erro e ele detectado pelo controlador a a o derivativa sente sua velocidade de varia o e produz uma componente corretiva proporcional a esta varia o A a o derivativa na realidade atrasa a resposta proporcional do controlador fazendo o dar uma sa da exa
280. e de 15 a 35 de 10 29 Controle Batelada sinais anal gicos e 65 a 85 de sinais digitais H uma predomin ncia de v lvulas liga desliga v lvulas solen ides chaves limite Os sistemas de alarme de intertravamento s o fundamentais Em geral o controle cont nuo PID pouco importante em controle de batelada porque as bateladas se realizam em um estado de mudan a diferente do ambiente est vel mantido pelos pontos de ajuste do controlador PID Obviamente h processos batelada e g fermenta o que envolvem muitos controles PID O processo batelada automatizado com muito mais modularidade e flexibilidade que o controle cont nuo Por isso O sistema de automa o de um processo batelada deve prever as poss veis novas receitas as modifica es potenciais das receitas existentes a facilidade de expans o do sistema de controle com espa o extra para instrumentos no painel existente tomadas adicionais para novos sensores e a facilidade de reconfigurar os sistemas de intertravamento O sistema de seguran a de um processo cont nuo deve minimizar e evitar os desligamentos por causa dos grandes preju zos da interrup o da produ o enquanto o desligamento de emerg ncia no processo batelada muito menos relevante Valida o Diferente de outras ind strias a farmac utica deve atender as exig ncias de normas emitidas pela U S Food and Drug Administration nas partes 210 e 211 do Code of Fe
281. e materiais atrav s de equipamentos 4 operar dispositivos nos equipamentos para criar as condi es apropriadas do processo A Fig 11 8 mostra uma batelada simples constitu da de um tanque uma coluna um funil e um reator Mas na pr tica as coisas n o s o t o simples Usualmente pode se e deve se fazer mais de uma coisa ao mesmo tempo Por exemplo enquanto se processa a batelada na coluna pode se encher o funil para que os dois fluxos sejam combinados no reator A Fig 11 9 mostra os est gios sucessivos de tr s diferentes bateladas se movendo atrav s da mesma c lula do processo Assim que a batelada 1 acabou no tanque e enquanto ela ainda est na coluna a batelada 2 pode come ar no tanque Assim quando a primeira batelada se move para o reator a batelada 2 movida para a coluna e a batelada 3 pode ser come ada no tanque Finalmente h aplica es onde se tem passos totalmente independentes ou at processos separados realizados simultaneamente Nas Fig 11 8 e Fig 11 9 cada grupo representa um est gio diferente no mesmo conjunto de equipamentos Na Fig 11 10 cada linha um conjunto diferente de equipamentos e tem se tr s bateladas e cada um dos tr s processos representado pelas reas hachuriadas 2 3 Fun es Autom ticas H quatro fun es b sicas executadas em um processo autom tico Monitora o Controle Regulat rio Controle Seq encial Relat rio PODS 10 11 C
282. e o controlador possui apenas a a o proporcional Neste caso os fatores Tm Tv B e y s o iguais a zero e a eq 3 1 fica simplesmente dx ao o go De X q qo 3 1b A eq 3 1b a equa o de malha fechada para um sistema com uma capacidade onde a se o inteira do controlador considerada ideal e onde apenas usado o controle proporcional A eq 3 1 geral para sistemas com uma capacidade 3 3 Processo controlado com duas capacidades Um processo com duas capacidades e uma se o do controlador contendo dois atrasos de tempo mostrado na Fig 3 2 A equa o do processo em malha aberta foi desenvolvida anteriormente eg 1 9 Por conveni ncia ela repetida 2 x Ega Ega 2x 21 F Rg dt dt Ra 1 9 onde J2 C CoRoRy 1 10a Ji C R5 C Ry CoRq 1 10b Para se obter a equa o do sistema de malha fechada ser necess rio combinar a eq 1 9 com a equa o geral do controlador eq 2 28 que foi repetida na se o anterior tratando do processo com uma capacidade Controlador Fig 3 2 Processo com duas capacidades com controlador ideal mas com atraso no sistema de medi o e na v lvula A equa o para o sistema de controle com malha fechada uma equa o integro diferencial de quarta ordem refletindo as quatro capacidades no sistema C1 C2 Cm e Cv Combinando estas equa es como foi feito para se obter a eq 3 1 tem se 4 3 TRI e 24 Tm Tudo Tmi Tolo a
283. e processo a maioria dos controladores eletr nicos e pneum ticos possui o circuito da a o derivativa atuando apenas na medi o e n o no erro entre a medi o e o ponto de ajuste Nos controladores com a o derivativa sem esta caracter stica o operador de processo deve alterar suavemente o ponto de ajuste a fim de n o provocar oscila o no processo Deve se ter bem claro que a altera o do ponto de ajuste um dist rbio para o processo pois houve altera o do ponto de opera o desejado Quando aparece um dist rbio no processo que provoca o afastamento da vari vel controlada do ponto de ajuste o controlador tende a eliminar ou diminuir este desvio Assim a a o corretiva do controlador deve ser aplicada na mesma dire o e no sentido oposto ao erro Isto significa dizer que a a o corretiva deve estar defasada de 180 graus do erro ou ainda que deve haver uma realimenta o negativa Apenas a a o proporcional corrige o erro por m deixa um erro residual porque ela atua com um ngulo de fase diferente de 180 graus O objetivo da a o integral o de eliminar este erro residual girando a a o corretiva e tornando a oposta ao erro A a o integral atrasa o sinal de corre o Quando ela insuficiente ainda fica um pequeno erro residual Quando ela demasiada h oscila o porque h predomin ncia da realimenta o positiva A adi o da a o derivativa ajuda a tarefa de alinhar a a
284. e redundantes da vaz o e o maior sinal das vaz es usado para o controle Em adi o se as diferen as entre as medi es de vaz o excedem algum valor razo vel o sistema inteiro ser intertravado at que a causa da discrep ncia seja encontrada Assim os controles over ride e seletivo s o muito usadas para manipular problemas de restri es e seguran a Os limites de alta e baixo nas sa das do controlador s o tamb m muito usadas para limitar o valor da varia o permitido 8 13 Controle Multivari vel 8 3 Caracter sticas O sistema de controle auto seletor qualquer que seja o seu enfoque sempre possui os seguintes componentes 1 duas ou mais malhas de controle com os transmissores de medi o e os controladores 2 um seletor de sinais de m nimo ou de m ximo O seletor eletr nico de sinais podem receber at quatro sinais simult neos O seletor pneum tico s pode receber dois sinais de entrada e s o usados n 1 seletores quando se utilizam n controladores pneum ticos 3 um nico elemento final de controle 4 opcionalmente o sistema pode ter uma esta o manual de controle HIC para a partida suave H sistemas que prov m todos os controladores com a op o de sele o e atua o autom tico manual e outros que possuem uma nica e independente atua o manual 8 4 Cuidado para a n o Satura o No controle auto seletor apenas um controlador atua enquanto
285. e sa das os sinais anal gicos normalizados valores entre 0 e 1 0 resolver a equa o ou seja encontrar o sinal de sa da em termo de todos os sinais de entrada mensur veis Para encontrar a equa o do controlador o modelo do processo invertido as vari veis manipuladas s o as inc gnitas e as vari veis controladas e as entradas medidas do processo s o as vari veis independentes da equa o matem tica Na solu o as vari veis controladas devem assumir os valores dos pontos de ajuste e entrar como constantes na equa o A equa o final a equa o do controlador preditivo antecipat rio e est na forma escalonada Ela mostra como o controlador deve atuar ou modificar a vari vel manipulada Em sistemas mais complexos o metido anal tico anterior tamb m se torna muito complexo e impratic vel A solu o usar t cnicas num ricas Componentes do controlador A equa o resultante do controlador preditivo antecipat rio conseguida a partir do modelo do processo pode possuir mais de um termo referentes as componentes computa o anal gica e compensa o din mica O controlador preditivo antecipat rio possui as a es de controle convencionais proporcional integral e derivativa Ali s todo o controlador igual ao convencional de realimenta o negativa Ele recebe ponto de ajuste local ou remoto possui chave de transfer ncia autom tico manual Quando h associa o do
286. e sua atua o e a medi o 3 3 Controle Programado poss vel se ter controle autom tico do processo com a malha aberta O controle de malha aberta se baseia em prognostico em um programa preestabelecido Durante a opera o n o se faz medi o nem compara o e nem corre o Exemplo de um controle com malha aberta a maquina autom tica de lavar roupa Nesse sistema de controle quer se obter como resultado a roupa limpa na sa da Antes de se iniciar o processo ajustam se todos os par metros da m quina o tempo e a velocidade do ciclo a temperatura a quantidade de sab o a vaz o d gua A maquina ligada inicia se o ciclo e o operador espera passivamente o resultado da lavagem Se os ajustes foram bem programados e feitos tem se a roupa idealmente limpa Isso mostra que poss vel se obter resultados desejados e conseguir um controle perfeito com a malha aberta de controle Programa Controlador o Fig 3 15 Diagrama do controle programado I O 4 Malha Fechada A malha de controle fechada constitu da dos instrumentos e do processo H instrumentos colocados na entrada e na sa da do processo e interligados entre si O processo fecha a malha de controle Conceitualmente h dois tipos diferentes de malhas fechadas para desempenhar a fun o de controle com realimenta o negativa feedback e com predi o e antecipa o feedforward 4 1 Realimenta
287. em manipuladas pelo computador e depois de manipuladas digitalmente devem ser reconvertidas para anal gicas na sa da Fig 9 1 O perador atuando sistema com computador O computador digital possui certos equipamentos b sicos embutidos e assim 11 2 Computador como Controlador os programas fazem os dados serem manipulados por estes equipamentos Para modificar a solu o ou adicionar fun es de controle ao sistema normalmente n o necess ria nem a adi o de mais equipamento hardware nem a altera o das liga es de fia o hardwire do sistema As modifica es normalmente podem ser feitas diretamente no programa software que resultam nas varia es desejadas nas solu es das equa es de controle Assim as modifica es feitas nos c lculos do sistema s o mais f ceis e econ micas controle Como vantagem a informa o digital pode ser armazenada indefinidamente nesta forma sem perda da precis o Foram desenvolvidas t cnicas que permitem o armazenamento quase ilimitado da informa o codificada binariamente tanto em rela o ao tempo ou ao volume Os computadores digitais tem a vantagem informa o armazenada em equa es de um modo n o poss vel com os computadores anal gicos Em computadores anal gicos somente podem ser resolvidas equa es para as quais foram constru dos equipamentos e circuitos Em computadores digitais praticamente qualquer equa o
288. ema de controle da sequ ncia Assim que o processo parte ele continuamente adiciona mistura aquece ou resfria em tempos predeterminados O operador supervisiona o processo e verifica se o equipamento utilizado em cada passo aut nomo est funcionando corretamente Uma das responsabilidades do operador verificar que o controle autom tico funciona corretamente e fornecer o n vel apropriado de controle para todos os passos aut nomos sequenciados 10 19 Controle Batelada 3 3 Controle acionado por eventos Esta t cnica de controle batelada envolve fazer tarefas espec ficas baseadas na ocorr ncia de certos eventos do processo Estes eventos indicam ao operador ou ao sistema de controle que uma tarefa espec fica deve ser feita A receita determina quais s o estes eventos e quais as a es a serem tomadas A sequ ncia apropriada destes eventos espec ficos tamb m determinada para se obter um produto repetit vel Esta t cnica aplicada principalmente em processos onde h rea es exot rmicas ou qualquer outro dist rbio que possa causar resultados indesejados Uma exig ncia fundamental para operar com sucesso um processo de controle de batelada acionado por evento instalar e manter os instrumentos corretos Eventos do processo O processo de controle batelada acionado por evento inclui as fun es de transfer ncia e mistura de materiais aquecimento e resfriamento e dilui o para obter um resul
289. emas de controle de n vel 1 o sistema com a sa da e a entrada totalmente independentes entre si e independentes do n vel do tanque O n vel do tanque pode ser controlado pela vaz o de entrada Por m se a entrada independente da sa da uma pequena diferen a entre as vaz es leva o tanque ou para totalmente cheio ou para totalmente vazio N o h auto regula o este processo integrante 2 o sistema com a entrada independente do n vel mas com a sa da dependente do n vel pois a abertura da v lvula da sa da proporcional ao n vel quanto maior o n vel maior ser a vaz o da v lvula de sa da E um sistema parcialmente auto regulante ou com a auto regula o apenas na sa da Quando o n vel sobe a v lvula da 2 16 sa da abre mais fazendo o n vel descer 3 o sistema completamente auto regulante quando a vaz o de sa da e a vaz o de entrada dependem ambas do n vel Quando o n vel elevado o sistema naturalmente diminui a vaz o de entrada maior resist ncia a vencer e aumenta a vaz o de sa da maior press o da coluna liquida As varia es na vaz o de entrada ou na vaz o de sa da causar o apenas uma pequena varia o no n vel pois o processo ajuda a restabelecer o equil brio Como conclus o quando se puder fazer uma escolha do sistema a ser controlado aquele com o maior grau de auto regula o deve ser o escolhido pois ele mais f cil de ser controlado
290. encial e sem o uso do transmissor d p cell usa se principalmente a c psula diafragma modelo 37 para a medi o de faixa entre 5 kPa com press o est tica at 14 MPa Fig 5 18 Sensores de press o 2 13 Instru es para Especifica o 1 numero do modelo 2 caracter sticas do elemento sensor 3 escala de indica o da medi o e ponto de ajuste a es de controle sinal de sa da montagem op es extras chave de transfer ncia alarme el trico chave batelada conjunto filtro regulador ponto ALO OTS de ajuste remoto conex o externa ao fole integral chave externa do ponto de ajuste opera o com g s em vez de ar comprimido acabamento especial e outras sob consulta 8 identifica o e aplica o 3 Controlador SPEC 200 3 1 Descri o e Fun es A esta o de controle autom tico fornece a interface para a intera o normal do operador com a malha de controle de modo autom tico ou manual A esta o indica os valores da medi o ponteiro vermelho e ponto de ajuste ponteiro preto e branco em uma escala de 100 mm de altura vertical intercambi vel com a escala do indicador ou esta o manual A precis o dessas indica es de 0 5 da largura de faixa H indica o tamb m do sinal de sa da em uma escala horizontal com precis o de 2 5 da largura de faixa Fig 5 19 Esta o de controle autom tico Na parte frontal a esta o de controle possui a cha
291. enquanto o aumento da vaz o e da encrosta o do trocador tende a diminuir a temperatura A temperatura responde ao efeito combinado e total destas influ ncias Se as influ ncias positivas s o maiores que as negativas a temperatura sobe quando as negativas predominam sobre as positivas a 2 9 temperatura desce Se todas as vari veis da carga permanecem constantes a posi o da v lvula n o precisa ser alterada e a vari vel controlada permanece tamb m constante Os instrumentos de controle do processo s o necess rios porque as vari veis de carga n o permanecem constantes O objetivo do sistema de controle determinar e continuamente atualizar a posi o da v lvula em fun o das varia es da carga do processo Geralmente o problema do controle determinar o valor da vari vel manipulada que estabelece um balan o entre todas as influ ncias na vari vel controlada e manter a vari vel constante e igual a um valor desejado Outros fatores tais como a velocidade de resposta o formato da resposta e a interface do operador s o tamb m importantes no projeto e na escolha dos sistemas de controle Independente do grau de complexidade todo sistema de controle resolve o mesmo problema b sico e para um dado processo e condi es de cargas deve se chegar ao mesmo resultado O problema de controle pode ser resolvido por apenas dois modos cada um correspondendo a uma filosofia de projeto b sica feedback
292. ente simples apenas soma subtra o multiplica o e divis o Sua arquitetura seria otimizada mais em tornos de suas capacidades de entrada e sa da do que sua capacidade aritm tica O computador comercial para reserva de passagens a reas de uma companhia de avia o computador do supermercado e o banc rio possuem este tipo de arquitetura Muitos computadores s o projetados para uso geral isto eles possuem adequadas capacidades aritm tica e de entrada sa da para serem usados em grande variedade de aplica es A maioria dos microcomputadores usados em casa pequenos escrit rios e em escolas do tipo de uso geral Finalmente h uma categoria de computadores de uso especial Estes computadores foram projetados especificamente para aplica es particulares diferentes das aplica es cientificas ou de neg cios Frequentemente os computadores de uso especial s o basicamente computadores de uso geral que est o rodeados por equipamentos perif ricos espec ficos e s o programados para o particular tipo de trabalho que executam Recentemente 1997 a IBM desenvolveu um computador espec fico para jogar xadrez Deep Blue Eram v rios microprocessadores em uma mesma m quina capaz de fazer bilh es de combina es de poss veis jogadas de xadrez em um per odo curto de tempo ordem de segundos ou poucos minutos O custo para projetar computadores verdadeiramente de uso especial muito elevado Avi es e na
293. eparadas em locais e em circuitos Atualmente com a redu o tremenda dos custos de equipamento e programas foi desenvolvido o controlador single loop Ele tem este nome porque ele dedicado a uma nica malha single loop mas ainda mantendo todas as vantagens de um grande sistema digital como auto sintonia autoteste autodiagn stico grande capacidade de fazer computa o matem tica l gica intertravamento sequencial realiza o de algoritmos avan ados e complexos de controle Hoje um controlador single loop custa igual ou menos que um controlador anal gico convencional que tende a desaparecer do cen rio O controlador single loop um equipamento moderno confi vel poderoso usado para controlar sistemas de processo continuo com poucas malhas de controle Controladores single loop podem ser interligados digitalmente atrav s de protocolos abertos ou propriet rios 3 Fun es do controlador Um diagrama de blocos t pico do hardware mostrado na Fig 6 4 No n cleo do controlador est o microprocessador ou microcomputador que deve ter o suporte de outros blocos As exig ncias da armazenagem das vari veis e do programa podem exceder aquelas dispon veis dentro de um microprocessador em um nico chip Mem ria externa mem ria ROM read only memory auxiliar para armazenar programas e constantes e RAM random access memory para armazenar vari veis podem ser adicionadas para evitar a perda dos p
294. er em paralelo Os eventos 4 pode ocorrer somente em s rie com 2 ou 3 3 1 Vari veis de estado discreto importante ser capaz de distinguir entre a natureza de vari veis em um sistema de estado discreto e as vari veis em sistemas de controle cont nuo Controle cont nuo Seja o n vel de l quido em um tanque como na Fig 3 O tanque possui uma v lvula que controla a vaz o de entrada no tanque e a vaz o de sua sa da livre H um sensor para detectar o n vel do tanque ligado a um controlador cujo objetivo o de manter o n vel constante e igual a um valor pr ajustado ponto de ajuste O controlador opera de acordo com algum modo de controle para manter o n vel constante mesmo havendo varia es induzidas de influencias externas Assim se a vaz o de sa da aumenta o sistema de controle ir aumentar a vaz o de entrada para compensar o aumento da sa da O n vel assim regulado Este um sistema de controle cont nuo porque tanto o n vel como a abertura da v lvula podem variar sobre uma faixa cont nua 9 3 vaz o entrada e L gico Mesmo se o controlador estiver operando de modo liga desliga h ainda uma regula o da vari vel embora o n vel oscile agora quando a v lvula de entrada aberta ou fechada para compensar a varia o da vaz o da sa da Fig 3 Controle cont nuo de n vel Controle de estado discreto Seja agora o problema anterior revisado
295. er esfor o especial ou gasto adicional durante o projeto para melhorar o desempenho ser in til se usa uma 1 24 Sintonia do Controlador sintonia do controlador muito conservadora 3 se a resolu o ou rangeabilidade dos ajustes do modo do controlador evitam o uso dos melhores ajustes da banda proporcional e do tempo integral uma malha f cil ainda funciona pobremente Qualquer despesa extra para o equipamento e projeto melhorar o desempenho da malha in til quando os ajustes de PB e tempo integral necess rios estiverem abaixo dos limites dispon veis do controlador 4 se o ganho do processo aumentado o erro de malha aberta e portanto o erro acumulado aumenta E importante que o instrumentista veja o efeito do projeto do equipamento e as condi es de opera o sobre o ganho do processo Um aumento na banda proporcional resultando no aumento do ganho da v lvula ou do transmissor n o resulta em um aumento do erro acumulado da vari vel controlada para uma dada varia o de carga desde que o produto K KmKp cancela os ganhos no denominador E importante para o desempenho da malha que os ganhos do instrumento sejam maximizados e os ganhos do processo e da carga sejam minimizados As malhas devem ser projetadas para fornecer uma varia o da sa da do transmissor para o fundo de escala para uma excurs o fundo de escala da v lvula Embora o ganho total possa ser igual a 1 h aumentos localiza
296. er expressa como um simples ganho Como o ganho do instrumento est relacionada com sua sensibilidade e como pequena entrada implica em alto ganho todo instrumento tem uma entrada m nima poss vel abaixo da qual impratic vel trabalhar com o instrumento Por exemplo a largura de faixa m nima para se calibrar um transmissor de temperatura de 10 C pois abaixo desta largura de faixa o seu ganho seria muito alto e o transmissor inst vel Cada instrumento componente da malha possui um determinado ganho est tico e outros par metros din micos para descrever sua resposta O comportamento est tico se refere ao seu regime permanente ou em baixas frequ ncias O ganho em regime a rela o da varia o da sa da dividida pela varia o da entrada ap s todos os transigentes desaparecerem Este ganho a inclina o da curva da sa da versus a entrada Se esta curva for uma reta com inclina o constante o ganho linear O ganho n o linear quando a inclina o varia com o ponto de ponto e a curva possui inclina o vari vel O ganho est tico facilmente computado bastando se aplicar na entrada do dispositivo um sinal e medir a correspondente sa da Os sistemas de uma malha de controle nem sempre s o lineares Os seus ganhos n o s o constantes em toda a faixa de opera o Por exemplo a placa de orif cio tem uma sa da que proporcional a press o diferencial que segue uma rela o quadr ti
297. erior do controlador do seguinte modo 1 realimenta o direta ao fole de realimenta o negativa cnamado tamb m de fole proporcional 2 realimenta o ao fole integral atrav s de uma restri o e um tanque integral Essa realimenta o positiva O objetivo da a o integral eliminar o desvio permanente deixado quando se tem apenas a a o proporcional A a o integral faz a sa da do controlador variar at que a medi o fique igual ao ponto de ajuste O funcionamento do controlador proporcional mais integral o seguinte 5 13 1 suponha se o processo est vel com a medi o igual ao ponto de ajuste a sa da do controlador est constante o circuito interno est em equil brio 2 quanto h algum dist rbio no processo de modo que a medi o se afasta do ponto de ajuste ou que o ponto de ajuste se afasta da medi o h um desequil brio no circuito interno do controlador 3 o erro entre medi o e ponto de ajuste altera a distancia relativa entre o bico e a palheta A altera o entre bico palheta faz a sa da do controlador variar 4 instantaneamente a sa da do controlador realimentada ao fole proporcional de modo que instantaneamente a a o proporcional atua 5 a a o integral come a a atuar atrasada da a o proporcional por causa da restri o e do tanque capacitivo Por m com o tempo a press o do fole integral vai se igualar press o do fole proporcional
298. ernativa moderna para os pain is de rel s eletromagn ticos O CLP atende uma necessidade da ind stria de ter um sistema de controle que fosse facilmente programado e reprogramado na planta por meio de uma linguagem acess vel ao usu rio A programa o ladder n o requer um especialista de inform tica mas pode ser feita facilmente por um instrumentista ou eletricista Al m disso ele apresenta uma alta confiabilidade e ocupa pouco espa o f sico Um CLP consiste basicamente de 1 M dulos de entrada e sa da 1 0 que s o a interface com o processo a ser controlado 2 Unidade de Processamento Central com mem ria para escrever e ler 3 Fonte de alimenta o para suprir pot ncia para todos os componentes do sistema 4 Programador onde o usu rio final desenvolve o programa e depois carrega no CLP O CLP funciona 1 recebendo sinais do processo atrav s dos m dulos de entrada 2 examinando os estados das entradas do processo em uma varredura c clica e 3 baseando nestes estados decide usar a l gica pr programada para 4 atuar no processo atrav s dos m dulos de sa da As fun es l gicas incluem 1 portas l gicas booleanas AND OR NOT NAND NOR contadores temporizadores comparadores armazenagem retentiva registros de desvios emuladores de chave por passos ALO O O TO A linguagem de programa o pode ser 1 diagrama ladder de rel mais usado 2 instru es de l gica boo
299. es pontos de ajuste Esta regula o deve ser compensada para as varia es na carga do sistema e outro dist rbios introduzidos Se o ponto de ajuste for alterado a vari vel controlada deve segui lo Por m diferente do controle servomecanismo onde as varia es do ponto de ajuste s o rapid ssimos e grandes as varia es no ponto de ajuste do controle de processo s o raras e pequenas usualmente menores que 10 do fundo de escala A analise e o projeto dos sistemas de controle de processo s o feitos do ponto de vista de como a sa da responde a varia o de carga para um determinado ponto de ajuste As respostas s o lentas de ordem de minutos ou horas Estas constantes de tempo s o maiores que as do servomecanismo Os sistemas de controle de processo podem ser classificados como cont nuo e batelada O controle batelada envolve uma sequ ncia temporizada e l gica de opera es feitas sobre o material sendo processado s o exemplos de opera es executadas no processo batelada 1 aquecimento em uma dada temperatura durante determinado tempo 2 adi o de uma quantidade prescrita de um segundo ingrediente 3 agita o durante um tempo determinado da mistura No fim da sequ ncia dos eventos temporizados o material passa para uma outra etapa para um processamento adicional e a sequ ncia come a de novo com outros materiais Os tratamentos d gua e de fluentes de uma planta s o exemplos de processo de
300. es de misturar mexer agitar e fundir O tempo de cada passo da sequ ncia estabelecido pelo engenheiro de aplica o determinando o tempo requerido de exposi o m ximo e m nimo requerido para a repeti o O tempo depende tamb m do tipo e limita o do equipamento usado na batelada Sequ ncia manual Sequ ncia manual aquela em que os v rios passos sequenciais s o executados com interven o do operador do processo A sequ ncia manual pode ser feita quando n o h problemas de seguran a envolvidos e o erro do operador resulta apenas em produto fora de especifica o Seqii ncia aut noma Sequ ncia aut noma a que requer a interven o do operador para iniciar cada passo individual da sequ ncia A dura o de cada passo autom tica Geralmente aplicada em misturas simples de v rios componentes para obter um produto simples A adi o e manipula o s o programadas e somente requer a supervis o do operador que verifica se cada passo aut nomo feito satisfatoriamente e inicia o pr ximo passo independente Esta t cnica usada quando n o se tem risco de seguran a ou polui o Seqii ncia integrada Sequ ncia integrada possui processos que s o controlados do in cio ao fim pela partida e termino de cada passo aut nomo da sequ ncia temporizada automaticamente Um operador requerido para garantir que todos os materiais e utilidades est o dispon veis antes de iniciar o sist
301. es de relat rio tend ncias hist ricas 8 facilidade de comunica o poderosa 9 flexibilidade de redund ncia de equipamentos m dulos de entrada controladores fontes de alimenta o canais de comunica o ou combina o destas op es 10 diagnose de falhas 11 capacidade de configura o de aplica o orientada por programa e acionada por menu Os procedimentos de partida e parada de processo batelada n o eram feitos pelos primeiros SDCDs pois eles eram dedicados a controle de processo cont nuo Quando se aplicava um SDCD para controle batelada o operador fazia estas tarefas manualmente usando o painel Por m com a evolu o dos sistemas eles passaram a ter aplica es em processo batelada Em 1978 o sistema DCI 1000 da Fischer amp Porter foi implementado na Europa na ind stria petroqu mica com capacidade de fazer programa seq encial Para executar fun es discretas do tipo batelada os controladores a SDCD incorporaram um n mero crescente de fun es discretas que podem ser manipuladas por outros controladores supervis rios Fig 11 5 Esta o de opera o t pica do SDCD Os principais vendedores de SDCD Foxboro Honeywell Yokogawa Fisher Rosemount ABB Bailey Fischer amp Porter Moore Siemens tem pacotes de controle batelada incorporados aos seus sistemas Algumas caracter sticas do SDCD s o 1 Conveni ncia para controle regulat rio 2 Abund ncia de fu
302. es mostram o efeito de cada elemento no processo Esta an lise b sica para um entendimento da t cnica requerida para a pr tica de um controle timo 1 1 Introdu o O controle do processo industrial uma das atividades mais importantes e desafiadoras na engenharia Embora sua historia seja comparativamente curta ela tem inclu do feitos not veis no desenvolvimento de muitos processos industriais Na ind stria moderna a necessidade de produ o em alta velocidade tem resultado em quase inacredit veis taxas de produtividade A demanda atual para alt ssima qualidade e produ o r pida tem colocado uma tarefa rdua no controlador autom tico Para resolver os problemas atuais de produ o cada vez mais automatizada hora de considerar o projeto do processo e do controlador como uma unidade deste modo possibilitando a aplica o econ mica de um controlador simplificado com o m nimo de ajustes poss vel Al m disso muitos processos industriais podem ser feitos mais f ceis de controlar se certas escolhas criteriosas e ajustes no processos s o feitas no est gio do projeto Isto raramente ocorre e por isso na pr tica uma grande variedade de ajustes deve ser dispon vel no controlador H uma necessidade de um m todo de an lise que possa ser usado no campo do controle autom tico moderno que n o esteja desligado do sistema f sico em si O objetivo deste capitulo e dos seguintes o de desenvolve
303. ess o e uma seletora de duas posi es com um indicador de balan o Qualquer diferen a entre a sa da do regulador de press o manual e a sa da do rel de controle autom tico detectada pelo indicador de 5 14 balan o Quando as duas sa das s o igualadas pode se fazer a transfer ncia entre autom tico para manual que n o haver dist rbio no processo Uma v lvula de bloqueio incorporada ao circuito para permitir a atua o manual no processo enquanto o controlador autom tico e o rel amplificador est o sendo consertados A chave de transfer ncia autom tico manual tem duas posi es Na posi o manual a linha do bico do controlador autom tico est selada Isso faz a sa da aumentar at a press o de suprimento Atrav s de uma esta o reguladora de press o tamb m opcional pode se manipular a sa da do controlador para qualquer valor Sinal de Transfer ncia Saida Suprimento Restri o Escala da Saida mA FD Fig 5 15 Circuito transfer ncia auto manual 2 9 Controlador com desligamento autom tico Um controlador de desligamento autom tico tem aplica o para alarme ou desligamento de um processo quando a medi o de uma vari vel critica atinge determinado valor pr estabelecido Esse instrumento basicamente um controlador liga desliga com uma unidade adicional de desligamento Quando a medi o atinge um determinado valor a sa da do controlador ass
304. esso pode se economizar a quantidade do agente corretivo a ser usado e pode se assegurar que o efluente esteja n o agressivo Os instrumentos garantem efluentes limpos e inofensivos Fig 1 3 Tubula o para transfer ncia de produtos 1 5 Seguran a da Planta Muitas plantas possuem uma ou v rias reas onde podem estar v rios perigos tais como o fogo a explos o a libera o de produtos t xicos Haver problema a n o ser que sejam tomados cuidados especiais na observa o e no controle destes fen menos Hoje s o dispon veis instrumentos que podem detectar a presen a de concentra es perigosas de gases e vapores e o aparecimento de chama em unidades de combust o Os instrumentos protegem equipamentos e vidas humanas 1 6 Prote o do Processo O processo deve ter alarme e prote o associados ao sistema de medi o e controle O alarme realizado atrav s das mudan as de contatos el tricos monitoradas pelos valores m ximo e m nimo das vari veis do processo Os contatos dos alarmes podem atuar ligar ou desligar equipamentos el tricos dispositivos sonoros e luminosos Os alarmes podem ser do valor absoluto do sinal do desvio entre um sinal e uma refer ncia fixa e da diferen a entre dois sinais vari veis E til o uso do sistema de desligamento autom tico ou de trip do processo Deve se proteger o processo atrav s de um sistema l gico e sequencial que sinta as vari veis
305. esso Por m a planta pode ser tomada como dois processos distintos um de produ o de am nia outro de produ o de ur ia Dentro da unidade de fabrica o de am nia o compressor pode ser considerado como um processo independente O controle autom tico do compressor envolve v rias malhas de controle cada malha podendo ser tomada como processo Sob o ponto de vista do tempo e do tipo de opera o envolvido o processo pode ser classificado em 1 cont nuo 2 batelada 3 discreto 4 fabrica o de itens 2 1 1 2 Processo Cont nuo O processo cont nuo quando a mat ria prima entra num lado do sistema e o produto final sai do outro lado continuamente Nesta aplica o o termo continuamente significa um per odo de tempo relativamente longo medido em horas em dias e at em meses dependendo do processo A maioria das ind strias petroqu micas e sider rgicas possui processos cont nuos As paradas totais dos processos se realizam em intervalos de um ano ou mais O processo cont nuo pode levar at v rios dias para entrar em regime est vel e permanente de produ o Processo opera durante longos Mat ria Produto prima final PROCESSO gt CONT NUO Fig 2 1 Esquema simplificado do processo cont nuo Todo processo possui um fluxo de material energia ou ambos O fluxo de material ou energia manipulado sob o comando de um controlador cujo objetivo manter a vari ve
306. estabilidade relativa do sistema de malha fechada A a o derivativa equivale fisicamente a um zero O efeito da varia o do local do zero equivalente a altera o do tempo integral do controlador O diagrama de Bode o enfoque gr fico simplificado do crit rio de Nyquist 5 3 Fun o de Transfer ncia Quando se trabalha com qualquer um dos elementos no processo conveniente se ter um modo simples conciso e completo para descrever o desempenho deste elemento Uma equa o da sa da n o funciona quando a sa da de um elemento n o depende de sua entrada Assim a rela o da sa da para a entrada usada e dada qualquer entrada pode se prever sua sa da Define se como fun o de transfer ncia a rela o entre sua sa da e sua entrada no dom nio da frequ ncia Atrav s de outros operadores matem ticos pode se mudar para o dom nio do tempo Na pr tica a fun o de transfer ncia fornece as informa es acerca da estabilidade da resposta transit ria e das caracter sticas de frequ ncia do processo 5 4 Ganho Os par metros de ganho e de fase s o fundamentais para o entendimento do comportamento da malha a realimenta o negativa Eles s o especialmente importantes no estudo da sintonia do controlador porque ambos s o fun es do per odo do sinal de entrada O ganho do instrumento a rela o entre o sinal de sa da sobre o sinal de entrada Quanto maior o ganho do equipamento maior
307. eto de engenharia Revis o aprova o e garantia que todas as atividades da valida o est o no local e no tempo apropriados dentro e al m da execu o do projeto A documenta o de valida o do sistema deve incluir mas n o se limitar a Plano de garantia da qualidade Especifica o de necessidades Especifica o de projeto Controle de mudan a Qualifica o da instala o opera o desempenho e manuten o o pol ORA EO O dade E a dc a Apostila Automa o 33ControleBatelada doc 16 FEV 99 10 30 11 Computador como Controlador 1 Computador no Processo 1 1 Introdu o O computador digital considerado o mais complexo flex vel e capaz de todos controladores de processo Ele pode n o ser necessariamente a melhor escolha como controlador para qualquer processo dado pois ele definitivamente possui suas limita es e desvantagens A escolha de usar ou n o um computador digital como controlador para o processo ou usar controladores anal gicos convencionais ou qualquer outro tipo de controlador uma quest o muito complexa O computador digital aplicado naturalmente em sistemas mais complexos onde sua tremenda capacidade computacional pode ser plenamente utilizada Por causa de sua complexidade e por ser digital ele requer muito mais condicionamento das vari veis anal gicas que entram nele O computador muito mais caro que o convencional e por isso raramente
308. fragma da v lvula em si tamb m possui uma grande capacidade Este atraso representado na Fig 2 2 como um est gio resist ncia capacidade A nomenclatura usada nesta figura a seguinte Pc press o na entrada do controlador em kPa Pco Valor inicial da press o na sa da do controlador em kPa py press o no diafragma da v lvula em kPa Pvo valor inicial da press o no diafragma da v lvula em kPa Fy vaz o de ar atrav s da resist ncia Rv para o diafragma da v lvula em kg por min Ry resist ncia na linha de transmiss o entre o controlador e o elemento final de controle em kPa por vaz o em kg por min Cy capacidade do diafragma da v lvula em kg por kPa Para um controlador proporcional a varia o na sa da proporcional varia o na entrada Pode se expressar isto matematicamente como Pe Pro a X Xo 2 6 onde a representa uma constante do controlador que converte o sinal medido no sinal pneum tico apropriado do controlador As unidades de a neste caso s o a sa da kPa por varia o em m na entrada E o ganho do controlador e ser combinado mais tarde com o fator da A 7 Enfoque Matem tico v lvula para formar o fator total do circuito de controle proporcional o A varia o na vaz o atrav s da v lvula de controle assumindo uma v lvula com caracter stica linear proporcional varia o na press o no diafragma da v lvula Isso pode ser expre
309. gerada para varia es bruscas da medi o O grau de exagero a taxa da a o derivativa e proporcional a velocidade de varia o do sinal medido A a o derivativa usada para apressar a a o corretiva do controlador A sua inclus o por m complica e dificulta a sintonia do controlador por causa das intera es com as outras a es O tempo derivativo o tempo em minutos durante o qual a sa da adiantar a sa da do controlador durante uma varia o na entrada tipo rampa O tempo derivativo o tempo que a a o proporcional leva para atingir a a o derivativa 7 13 Sintonia do Controlador fr gt inclina o A sa da do tempo a o controlador derivativa aumento da a o nronorcinnal aumento imediato devido a o darivativa tempo q Fig 7 20 Defini o de a o derivativa 5 2 Rela o Matem tica A a o derivativa expressa em unidade de tempo Quanto maior o tempo derivativo maior a dura o da a o maior a a o derivativa Quando se quer retirar a a o derivativa do controlador deve se ajustar o tempo derivativo em zero O que coerente com a express o da a o derivativa de Sy k onde Ta o tempo derivativo 5 3 Caracter sticas A a o derivativa altera a largura da banda proporcional estreitando a ou alargando a variando a sensibilidade do controlador Geralmente a a o derivativa usada em c
310. gistro consiste de 32 FF independentes todos com um gatilho e cujas sa das devem ser interpretadas simultaneamente como uma palavra completa 2 O programador normalmente codifica uma s rie de instru es cada uma delas fazendo o computador executar alguma fun o til elementar coletivamente chamada de programa A fun o pode ser manipula o transfer ncia de dados ou teste para a exist ncia de alguma condi o interna ou externa do computador Uma vez o programador tenha determinado a 11 8 Computador como Controlador 5 sequ ncia de instru es necess ria para executar a fun o desejada e tenha codificado adequadamente estas instru es o programa escrito na mem ria principal do computador para uso futuro o operador do computador carrega um registro da unidade de controle e sincronismo chamado de registro de endere o do programa com o endere o localiza o especifica da mem ria ou n mero da caixa postal de onde a primeira instru o do programa foi armazenada Ele carrega entra escreve load o programa na mem ria do computador o computador se prepara ent o para executar a primeira instru o do programa At este ponto o programador n o tem controle da opera o do computador por m agora ap s o computador ter completado o ciclo fetch de instru es a unidade de controle olha e decodifica a palavra bin ria no registro de instru o e executa a opera o ne
311. grama o e da comunica o Por m o aumento da flexibilidade resulta em um aumento da responsabilidade do instrumentista desde que maior leque de escolha implica em maior probabilidade de cometer erros O controlador digital usa sinais discretos sample e hold para computar a sa da do controlador Geralmente o controlador digital baseado em microprocessador O controlador digital emula o algoritmo anal gico P I D 3 Controladores Pneum ticos Ser o mostrados os diferentes circuitos dos controladores pneum ticos mesmo que atualmente eles sejam pouco utilizados para quem tem pouca familiaridade com os circuitos eletr nicos mostrados depois 3 1 Controlador Liga Desliga O controlador liga desliga inst vel por constru o pois n o possui o circuito de realimenta o negativa para diminuir seu ganho que teoricamente infinito A sua constru o a mais simples poss vel e o controlador pneum tico consiste de 1 fole de medi o 2 fole de ponto de ajuste 3 conjunto bico palheta Como n o se precisa estabilizar o sistema n o se usa o fole de realimenta o negativa O controlador liga desliga tamb m pode ser obtido a partir do controlador proporcional retirando se a sua realimenta o negativa A sa da do controlador pneum tico liga desliga igual a O kPa ou 120 kPa que o valor da alimenta o O elemento final de controle acionado por um controlador liga desliga e
312. guran a para manipular manualmente os equipamentos do processo n o deve ser permitido exceto em situa o de manuten o calibra o ou teste Mesmo assim a situa o de bypass deve ser sinalizada claramente 1 6 Sequenciamento A fun o sequ ncia t pica do processo batelada Em um processo batelada o estado dos equipamentos de processo manipulado de um padr o de posi es para a pr xima em uma ordem predefinida chamada de sequ ncia Isto n o se aplica apenas para equipamentos discretos mas a sequ ncia tamb m tem controle sobre os equipamentos de controle regulat rio diretamente ou atrav s dos controladores A sequ ncia pode por exemplo alterar o ponto de ajuste introduzir um perfil de ponto de ajuste mudar o esquema de controle regulat rio colocar o controlador em manual ou autom tico A mudan a do esquema de controle regulat rio pode depender do produto final ser determinado pela receita ou depender das condi es do processo Se a mudan a depender do processo ela selecionada por meio de decis o l gica na sequ ncia Uma sequ ncia pode requerer atendimento de uma condi o final antes de ir para a pr xima sequ ncia Estas condi es podem ser 1 intervalo de tempo 2 valor de uma vari vel de processo 3 valor da qualidade de determinado produto A fun o seq ncia pode ser automatizada por meio de dispositivos que ser o mostrados posteriormente Manual De
313. i o e o ponto de ajuste 2 Mesmo que a detec o do erro entre a medi o e o ponto de ajuste seja r pida a resposta de toda a malha de controle pode ser muito grande por causa da grande in rcia capacidade e resist ncia e tempo morto do processo O atraso da resposta implica em mau controle com produto fora da especifica o 3 A malha de controle tem tend ncia a entrar em oscila o As oscila es mesmo amortecidas indicam a ocorr ncia de tentativa e erro 4 O controlador sempre mede uma vari vel na sa da do processo e manipula uma vari vel na entrada O controlador mede a demanda e atua no suprimento do processo 5 O sistema de controle n o mede diretamente os dist rbios mas mede as consequ ncias desses dist rbios que s o as altera es na vari vel controlada 6 O controlador s atua na vari vel manipulada quando for detectado o desvio na vari vel controlada provocado pela altera o da carga 7 base matem tica da a o corretiva da malha fechada com realimenta o negativa o erro existente entre a medi o da vari vel e o valor ajustado de refer ncia 8 A sa da do controlador constante e diferente de zero quando o erro entre medi o e ponto de ajuste for zero 5 Estabilidade da Malha O estudo da estabilidade t o ou mais importante que o da controlabilidade do processo Se o sistema n o est vel n o us vel A finalidade do sistema de controle
314. ia o de resist ncia temperatura deslocamento tempo possibilitando assim a resposta a vari veis de processo Os contatos de um rel ativado podem ser usados em circuito 10 5 Controle Batelada l gico para chavear um motor de bomba e abrir e fechar uma v lvula atrav s de uma v lvula solen ide Os rel s s o muito apropriados para fun es simples de alarme controle sequencial e intertravamento Os rel s temporizados s o muito importantes quer sejam mec nicos ou eletr nicos Eles podem ser ajustados para atuar depois de determinados tempos que variam de segundos a v rios minutos O contador de pulsos eletromec nico tamb m muito usado com a vantagem sobre o contador eletr nico de n o perder a contagem em caso de perda de pot ncia de alimenta o Eletr nica a estado s lido Com a chegada do transistor apareceu a chave a estado s lido Originalmente o transistor foi usado como um amplificador mas quando operado nos extremos pode executar fun es de chaveamento sem mover os contatos Como o rel o transistor pode ter dois estados que podem ser controlados por uma corrente que abre e fecha a chave transistor As vantagens do transistor sobre o rel eletromec nico s o 1 n o possuir pe as m veis 2 consumir menos pot ncia 3 ocupar menos espa o 4 ter uma l gica mais transparente para o usu rio ser capaz de realizar uma grande variedade de fun es l gicas t
315. ia do sistema sT4 Com efeito a a o derivativa melhora a estabilidade do sistema de controle Quando se tem um controlador proporcional mais integral mais derivativo em oscila o a causa da oscila o pode ser a banda proporcional muito estreita o tempo integral muito pequeno ou o tempo derivativo muito grande Se a oscila o ocorre na frequ ncia natural do processo a sua causa o ajuste da banda proporcional muito estreita se a oscila o ocorre em frequ ncia maior que a frequ ncia natural do processo o motivo o ajuste do tempo derivativo muito grande e finalmente se a oscila o ocorre em frequ ncia menor que a frequ ncia natural o causador foi o ajuste do tempo integral muito pequeno 7 14 Sintonia do Controlador indicador set point at erro i ER a A o derivada atuando no erro ou na diferen a entre medi o e ponto de ajuste indicador indicador indicador b A o derivada atuando apenas na medi o e n o na diferen a entre medi o e ponto de ajuste Fig 7 21 Diagrama de blocos do controlador PD A resposta da a o derivativa ao degrau a fun o impulso que igual a zero quando a entrada constante e que assume um valor alt ssimo na subida do degrau teoricamente infinito quando o tempo de subida do degrau zero Os matem ticos chamam na de fun o Dirac Como frequente a altera o r pida do ponto de ajuste pelo operador d
316. icador o registrador o transmissor o transdutor o controlador o computador matem tico o integrador o contador a esta o manual de controle e a v lvula de controle 2 1 Elemento Sensor Para se fazer o controle de uma vari vel necess rio antes de tudo medir o seu valor O componente b sico da medi o o elemento sensor Ele n o um instrumento completo mas faz integrante parte do transmissor ou do controlador O tipo do elemento sensor depende basicamente da vari vel medida O sensor pode ser de natureza mec nica ou eletr nica O sensor mec nico sente a vari vel do processo e gera na sa da uma for a ou um movimento mec nico O sensor eletr nico ativo sente a vari vel e gera na sa da uma tens o el trica e n o necessita de alimenta o o sensor eletr nico passivo requer uma tens o de alimenta o e varia uma grandeza el trica passiva como resist ncia capacit ncia ou indut ncia Fig 3 2 Indicador de press o com sensor fole 2 4 Transmissor A malha de controle pode ter opcionalmente um transmissor O transmissor um instrumento que sente a vari vel de processo e gera na sa da um sinal padr o proporcional ao valor desta vari vel Pode se usar o transmissor para enviar um sinal padr o a grandes dist ncias para ser manipulado remotamente e para permitir a centraliza o e a padroniza o dos instrumentos da sala de controle Os sinais padr o s o pneum
317. icando o crit rio de estabilidade de Routh as condi es Mo Tm Ty H Rab necess rias para a estabilidade s o 1 todos os coeficientes s o do mesmo M 1 RO sinal alg brico e q 2 a seguinte desigualdade verdadeira M Ra Esta desigualdade id ntica eq 6 3 9 q mas ap s a substitui o dos valores reais dos coeficientes de M4 e Mo que contem Aplicando o crit rio de Routh as as constantes do controlador de e a condi es para a estabilidade agora s o respectivamente obt m se tr s 1 todos os coeficientes devem ter o mesmo sinal alg brico M2 Tm Ty H R9B gt Mg 1 Rq0 A segunda e terceira condi es s o 6 7 respectivamente Revendo a desigualdade acima se MiM5Ms M M MoM gt 0 6 9 percebe que 1 o aumento no fator de controle derivativo tende a fazer o sistema MM gt M M4 6 10 mais est vel 2 o aumento no fator de controle proporcional tende a fazer o sistema Re arranjando a eq 6 9 tem se menos est vel A 28 Enfoque Matem tico M MM M M4 gt MM 6 11 O sistema pode ser inst vel se alguma das duas condi es eq 6 10 ou 6 111 n o for satisfeita A eq 6 11 uma condi o necess ria e suficiente para a estabilidade enquanto a eq 6 9 uma condi o necess ria mas n o suficiente Re arranjando a eg 6 11 obt m se MM MMM M M lt O 6 12 No limite da estabilidade instabilidade a eq 6 9 fica igual a zero ou seja 2 M
318. icas escolhas a fazer envolvem o tamanho dos equipamentos e a metalurgia Esta padroniza o permite o enfoque de combinar e encaixar qualquer m dulo em qualquer batelada Os m dulos s o montados ou combinados atrav s de conex es flex veis e distribuidores extensivos O uso deste enfoque modular em vez de construir ou adaptar uma planta para cada nova linha de produto d ao processo de batelada mais flexibilidade e versatilidade em atender as condi es din micas de mercado 10 22 Controle Batelada 4 4 Controle de Batelada Al m das fun es de sentir e analisar a outra grande componente da automa o a fun o controlar O controle de batelada independente do processo envolvido tem todas as caracter sticas da receita usada para fazer uma comida O controle de batelada uma sequ ncia cronol gica de eventos ou a es cada uma representando um passo finito O controle registrado como uma receita com os ingredientes reagentes e equipamentos usados especificados a priori cada passo definido por uma dura o temperatura press o e outras vari veis O registro cnamado de folha da batelada Antes de se tornar um documento oficial compreensivo com v rias p ginas uma folha de batelada deve ser revista constantemente A revis o deve cobrir as especifica es dos v rios eventos e a es sua sequ ncia quem deve execut los o n vel de supervis o e outras tarefas similares Uma vez co
319. iciente para prover um produto dentro das especifica es desejadas Como conclus o o controle de malha aberta raramente empregado em processos industriais cont nuos O controle preditivo antecipat rio uma t cnica alternativa e adicional para o controle de processos complexos e dif ceis Geralmente ele associado ao controle com realimenta o negativa quando s o combinadas as duas t cnicas O controle com realimenta o negativa ainda empregado na maioria das malhas de controle do processo industrial 10 Controle de Rela o Ratio 10 1 Conceitos O controle de rela o tamb m chamado de raz o fra o ou propor o O controlador de fra o de vaz es ou de rela o de vaz es simbolizado com o tag FFC ou FrC O controle rela o frequentemente parte de uma estrutura de controle feedforward h quem considere o controle de rela o como um sistema de controle elementar de feedforward O controle de rela o um sistema unit rio de controle com a fun o de manter uma propor o fixa e determinada entre duas vari veis normalmente duas vaz es Exemplos comuns industriais incluem 1 manter uma rela o de refluxo constante em um coluna de destila o 2 manter quantidades estequiom tricas de dois reagentes sendo alimentados em um reator 3 purgar fora uma percentagem fixa de um jato de alimenta o de uma unidade 4 misturar dois produtos como gasolina e
320. ificado do controlador l gico program vel tem os seguintes par metros 1 um contato de entrada para habilitar o bloco 2 um n mero de identifica o da malha 3 o tempo de atualiza o no bloco 4 bobina P que energiza quando a fun o habilitada 5 bobina Q que energiza quando o tempo de atualiza o atinge uma varredura De um modo mais detalhado tem se os seguintes par metros Descri es e valores funcionais PID n n mero de identifica o do bloco PID INPUT registro em que a vari vel do processo armazenada OUTPUT registro em que o algoritmo de sa da armazenado SETPT registro em que o ponto de ajuste armazenado ERROR registro em que o valor do erro SETPT INPUT armazenado DB registro para o valor da banda morta CHGMX registro em que a m xima velocidade de varia o permiss vel armazenada PGAIN registro em que o ganho proporcional armazenado IGAIN registro em que o termo integral armazenado DGAIN registro em que o termo derivativo armazenado Entrada EN linha de habilita o A M modo autom tico ou manual HOLD usado para grampear e para o controle l gico de transi o Sa das P bobina com n mero atribu do Q bobina de limite de sa da usada na l gica A maioria das fun es no bloco escrita como percentagem do ponto de ajuste Os valores do bloco podem ser programados como constantes ou movidos entre os registros DB a banda morta
321. igital deve 1 interpretar v rias combina es de 1 e 0 como comandos ou ordens para executar opera es que foram fiadas fisicamente 2 executar somente uma opera o a um tempo 3 seguir rigidamente uma s rie sequencial de comandos em ordem a n o ser que seja comandado alterar esta sequ ncia 4 executar testes simples e tomar decis es relativamente simples baseadas nos resultados destes testes 5 executar opera es em microssegundos que o homem levaria minutos ou horas para executar 6 ter bancos de mem ria muito grandes onde se armazena e se recupera a informa o quando necess rio 7 estabelecer comunica es bidirecionais envia e recebe com 11 6 Computador como Controlador os equipamentos do mundo externo Todos os computadores digitais podem ser divididos basicamente em quatro unidades funcionais 1 unidade de entrada e sa da 2 unidade aritm tica 3 unidade de controle e sincronismo timing 4 unidade de mem ria As unidades de entrada sa da aritm tica e de controle podem ser referidas juntas como a unidade de processamento central CPU A unidade de entrada sa da E S ou em ingl s input output I O l se ai cont m a l gica digital necess ria para interfacear o computador aos equipamentos externos tais como os conversores anal gico digital e digital anal gico Ela inclui a l gica necess ria para gerar e verificar a sincroniza o entre a CPU e
322. imenta o 5 Fazer testes diagn sticos em todos os componentes 6 Fornecer documenta o para completar com sucesso todas as tarefas 7 Manter registros de todas as altera es feitas Diferen as entre processo batelada e cont nuo Muitas pessoas argumentam que todo processo batelada pois tem uma partida e uma parada Deste modo um processo cont nuo simplesmente uma batelada muito longa Ou ent o que um processo batelada uma por o de conjuntos cont nuos independentes Estas vis es por m desprezam muitas diferen as bvias entre o processo batelada e o cont nuo A natureza descont nua das opera es bateladas pode ser vista atrav s de cada batelada Todo processo batelada se desdobra de uma maneira sequencial Quantidades finitas de reagentes s o alimentadas em cada batelada em vez de serem alimentados continuamente A transfer ncia de uma unidade para a pr xima ocorre somente quando uma opera o completada em vez de fluir continuamente Os produtos finais s o coletados em uma base por batelada e est o sempre associados com uma determinada batelada As receitas s o usadas para diferentes tipos de produtos enquanto que o processo cont nuo trabalha com os mesmos par metros por longos per odos de tempo Com rela o aos instrumentos de controle isto significa que o processo batelada envolve um maior n mero de dispositivos digitais Tipicamente em um processo batelada tem s
323. imento a manuten o da temperatura em um patamar durante um determinado tempo e o abaixamento em v rios degraus 7 6 Outras propriedades Os controladores single loop possuem ainda capacidade de auto manual ponto de ajuste m ltiplo auto diagnose e mem ria S o constru dos de conformidade com normas para ser facilmente incorporado e acionado por sistemas SDCD As aplica es t picas do single loop s o em plantas pequenas e m dias que n o podem ou n o querem operar em futuro pr ximo em ambiente com controle digital distribu do Mesmo em sistemas de SDCD h malhas cr ticas que por motivo de seguran a s o controladas por controladores single loop 7 7 Controlador Foxboro O controlador single station Foxboro inclui 1 display anal gico fluorescente para mostrar atrav s de barra de gr fico o valor da vari vel do ponto de ajuste e da sa da do controlador 2 display digital para indicar atrav s de d gitos os valores e unidades de engenharia 3 display alfanum rico para indicar tag da malha selecionada 4 painel da esta o de trabalho para indicar status de opera o computador ou local status do ponto de ajuste remoto local ou rela o status da sa da autom tico ou manual e status de alarme ligado ou desligado 5 teclado com 8 teclas para configura o e opera o para selecionar configurar e sintonizar Fig 6 9 Controladores single loop Foxboro 6 15 C
324. integral utilizado em cerca de 70 das malhas de controle de processo O controlador proporcional mais integral possui as duas a es independentes e com objetivos diferentes e complementares 1 a a o proporcional est tica e serve para estabilizar o processo Por m a a o isolada insuficiente para manter a medi o igual ao ponto de ajuste e deixa um desvio permanente 2 2 a a o integral din mica e serve para eliminar o desvio permanente deixado pela a o proporcional A a o integral uma corre o adicional e atua depois da a o proporcional No controlador pneum tico proporcional e integral acrescenta se um fole junto a mola Em vez de se ter uma for a fixa tem se uma for a vari vel que pode equilibrar as for as proporcionais s press es da medi o do ponto de ajuste e da realimenta o negativa O controlador pneum tico P possui os seguintes componentes 1 o fole de medi o 2 o fole de ponto de ajuste em oposi o ao fole de medi o 3 fole de realimenta o negativa ou fole proporcional 4 fole integral que se superp e mola e em oposi o ao fole de realimenta o Ele tamb m recebe a realimenta o da sa da do controlador atrasada e em oposi o ao fole proporcional A realimenta o positiva da sa da do controlador ao fole integral feita atrav s de uma restri o pneum tica O objetivo desta restri o ajust vel o de atrasar
325. integral sempre ocorre o desvio permanente deste tipo depois de uma varia o de carga do processo Solu o transit ria A solu o transit ria pode ser achada fazendo se a substitui o xX Xo e e sua derivada na eq 20 Isto d p 4 25p 30 5 0 4 22 que tem ra zes p 2 125 5 1i A solu o completa a soma das solu es transit ria e permanente tem a forma x xo e B cosbt B senbt 0 328 4 23 onde a 2 125 b 5 1 e B4 e Bo s o constantes a serem determinadas a partir das condi es iniciais Substituindo a primeira condi o inicial eg 4 20a na eq 4 23 0 1 B1 0 0 328 B1 0 328 4 24 Diferenciando a solu o completa eq 4 23 tem se x ae B cosbt B sen bt e Bbsenbt Bobcosbt Usando a segunda condi o inicial eq 4 20b 5 a B 0 1 0 B5b 5 2 125 0 328 5 1B B 0 843 4 25 Assim a solu o final x Xo e 221 0 328 cos 5 1t 0 843 sen 5 1t 0 328 4 26 4 9 Exemplo 2 Problema A temperatura de um forno industrial mantida constante por meio de um damper controlado automaticamente e suprindo um ar quente Se o controlador ideal e PIC determinar a equa o da resposta devida a um aumento degrau na temperatura de sa da de 0 5 OC A capacidade e os outros par metros s o C 10 cal C Tm 1 min atraso do elemento sensor A 23 Enfoque Matem tico Rg 0 5 OC min cal
326. integral durante as paradas s o necess rios ajustes adicionais A chave batelada possui os ajustes do ponto de atua o trip da unidade batelada e do ponto de pr carga preload 2 12 Elemento Sensor O controlador pneum tico conectado diretamente ao processo pode ser usado para controlador press o absoluta press o manom trica temperatura e press o diferencial associada a n vel e a vaz o Obviamente cada vari vel exige um elemento sensor correspondente Para a medi o de press o s o dispon veis elementos sensores de v rios tipos diafragma de 50 e 75 mm 2 fole pneum tico 3 fole receptor 4 espiral 5 6 da helicoidal fole absoluto 5 16 A esses tipos de elementos podem ser associados v rios materiais de constru o lat o a o inoxid vel 416 bronze ligas de Cu Ni Mn Be Cu Ni Span Monel Essa associa o permite a medi o de press o t o pequenas quanto 13 kPa absoluto at press es elevadas como 200 MPa Para a medi o de temperatura o elemento sensor o bulbo com enchimento termal nas classes 1 IA liquido com compensa o total 2 IB liquido com compensa o na caixa 3 HA liquido vol til para temperatura acima da temperatura ambiente 4 IIB liquido vol til para medi o de temperatura s abaixo da temperatura ambiente 5 IIIB g s com compensa o parcial da caixa Para a medi o de vaz o e de n vel a press o difer
327. io usar o modo integral pois o desvio permanente pequeno e usa se o controle proporcional isolado Quando a banda proporcional n o puder ser t o estreita pode se usar a a o integral somente quando for poss vel associar tamb m a a o derivativa No processo integrante comum se ter o tempo caracter stico muito grande Quando por m o tempo morto muito maior que o tempo caracter stico o per odo de oscila o da frequ ncia natural do processo igual a 4 vezes o tempo morto O per odo natural do processo integrante muito maior do que o do processo auto regulante com mesmo tempo morto e mesmo tempo caracter stico Pode se demostrar matematicamente que o per odo natural do processo integrante cerca de 56 vezes o per odo natural do processo auto regulante Como consequ ncia os ajustes do tempo integral e do tempo derivativo para este processo integrante devem ser 56 vezes maiores que os ajustes do processo auto regulante Por isso o processo integrante requer muito menor a o integral e muito maior derivativa Esta a principal raz o porque a a o integral n o deve ser usada em controle de n vel Se o ru do do n vel devido a turbul ncia ou borbulhamento necessitar da banda proporcional mais larga pode se usar a a o integral para eliminar o maior desvio permanente A banda proporcional requerida por alguns processos integrantes t o estreita que menor que os limites do control
328. ir o depender da capacidade e do tempo de resposta do processo Quando o processo r pido a in rcia do processo pequena a sa da do controlador varia muito rapidamente A amplitude da oscila o fica pequena mas a frequ ncia grande pois a v lvula ir abrir e fechar muitas vezes e rapidamente Sempre que a medi o passa pelo ponto de ajuste a sa da do controlador assume o outro valor Deste modo no controle liga desliga a medi o quase nunca igual ao ponto de ajuste por m a sua m dia igual ao ponto de ajuste A a o liga desliga tamb m possui o modo direto ou inverso Na a o direta a sa da do controlador 100 quando a medi o est acima do ponto de ajuste e 0 quando est abaixo A a o invers o quando a sa da 0 para a medi o maior do que o ponto de ajuste e 100 para a medi o abaixo do ponto de ajuste On On On On Atuador off Temperatura n om I I I I i I 4 Setnnint H 4 4 4 4 L y4 L Temna Fig 7 3 Sa da de um controle liga desliga com dois pontos um ponto ligar e outro para desligar 2 Aplica es Por ser muito simples e econ mico o controlador liga desliga aplicado quando 1 n o h necessidade de controle est vel e exato e admite se oscila o da vari vel 2 O processo lento podendo suportar grandes varia es da demanda tendo uma pequena amplitude e um longo per
329. ira v lvula A do combust vel mais barato atuada pela sa da do controlador indo de 0 a 100 de abertura Depois de totalmente aberta a segunda v lvula B do combust vel mais caro come a a atuar indo tamb m de 0 a 100 Neste caso pode se ter as duas v lvulas totalmente fechadas no in cio do processo ou totalmente abertas no m ximo aquecimento simultaneamente 8 9 Controle Multivari vel TT IN0 60kPa p Tanque de rea o 60 100 kPa ro L Combust vel B n Combust vel A Temperatura Sa da do span controlador 0L enan 100 100 aberta berta l fechada berta 0 0 fechada fechada Posi o da v lvula A Posi o da v lvula B Fig 8 13 Controle de Faixa Dividida 5 Balan o de Cargas O objetivo do controle com balan o de carga permitir a regula o da sa da comum somada de v rias malhas Os estados operacionais s o qualquer combina o dos estados normais de opera o das malhas individuais Qualquer malha pode estar em manual e a malha externa ainda tenta manter a vaz o total em seu ponto de ajuste Os par metros operacionais s o os de todos os controladores incluindo o controlador mais externo que balanceia a carga Isto n o quer dizer que todas as combina es sejam teis Log Fig 8 14 Controle de balan o de cargas 8 10 Controle Multivari vel 6 Controle de malhas
330. ist ncia percorrida e da velocidade do material Um exemplo cl ssico de um processo com predomin ncia de tempo morto o sistema de pesagem de s lidos transportados por uma esteira rolante O tempo morto entre a a o de abertura da v lvula de controle e a correspondente varia o no peso matematicamente igual a divis o entre a dist ncia do sensor v lvula pela velocidade da esteira rolante O sistema com pequena dist ncia entre o sensor e a balan a possui pequeno tempo morto O sistema de mistura de composi o qu mica Fig 2 13 um exemplo de um processo de primeira ordem mais tempo morto A vaz o do l quido de entrada misturada com a vaz o de sa da da mistura Isto pode ser feito com uma bomba na sa da e um sensor de n vel e controlador acionando uma v lvula manipulando a vaz o de entrada Um recipiente com o produto a ser misturado com o l quido suspenso acima do tanque passando por uma tubula o O p cai do recipiente atrav s de uma porta e cai no tanque a posi o da porta governada por um cilindro Um motor aciona um agitador para homogeneizar a mistura Uma varia o degrau no posicionador da porta varia imediatamente a quantidade de p deixando o recipiente feito em um esfor o para mudar a composi o da mistura da sa da Por m esta varia o deve cair no tanque depois de percorrer a tubula o Este o tempo morto Uma vez no tanque o p deve se dissolver e ser hom
331. l do processo em um valor desejado este valor chamado de ponto de ajuste set point Exemplo de processo cont nuo simples o n vel de l quido de um tanque A entrada do tanque livre e a sua sa da manipulada por um controlador de n vel de modo que o n vel seja sempre igual a um determinado valor O n vel pode assumir qualquer valor entre vazio 0 e totalmente cheio 100 Em determinado momento ele pode valer 65 3 em outro 34 9 O controle autom tico do processo cont nuo se baseia no algoritmo que combina as tr s a es cl ssicas Proporcional Integral e Derivativa e por isso tamb m chamado de controle PID Processo Industrial LA y Fig 2 2 Processo cont nuo n vel do tanque Tanaue Dependendo do tipo do sensor e do sistema de medi o poss vel se ter uma medi o descont nua de uma vari vel cont nua No mesmo exemplo do n vel do l quido do tanque quando se tem eletrodos como sensores do n vel a medi o e controle do n vel ocorre de modo discreto atrav s de degraus Quando se tem tr s eletrodos com tamanhos diferentes tem se uma medi o do n vel em tr s degraus Enquanto apenas um eletrodo estiver coberto pelo n vel a medi o do n vel n o se altera at que o n vel atinja o pr ximo eletrodo Fig 2 3 Processo industrial 2 2 1 3 Processo Batelada Batch Conceito No processo batelada uma dada quantidade de materi
332. l e integral 130M N4 3 a unidade de controle manual que contem a chave seletora AUTO MANUAL exceto para o controlador modelo 131 e 132 4 a unidade de balanceamento autom tico para a transfer ncia A M e M A se processar sem dist rbio ao processo e sem balan o manual pr vio 5 a escala de indica o para a medi o e ponto de ajuste 6 a escala de indica o para o sinal de sa da manual exceto modelo 132 5 4 7 quando o controlador possui a a o derivativa a unidade derivativa que atua diretamente no sinal de medi o apenas N3 e N5 1 8 Unidade de Ponto de ajuste O ponto de ajuste ou ponto de ajuste do controlador indicado pelo respectivo ponteiro e gerado internamente no controlador ou recebido de outro instrumento S o dispon veis tr s vers es de controladores com diferentes manipula es do ponto de ajuste 1 ponto de ajuste manual interno 2 ponto de ajuste remoto externo 3 ponto de ajuste remoto local No controlador com ponto de ajuste manual o sinal gerado internamente por um conjunto de bico palheta associado a um rel aspirador linearizador N o usado o rel amplificador convencional pois o sinal padr o 20 a 100 kPa gerado para uso interno ao instrumento e n o se necessita de grande volume de ar Quando se gira o bot o para se estabelecer o ponto de ajuste produzem se dois efeitos 1 posicionamento linear do ponteiro de refer ncia 2
333. la o constante da vari vel controlada O operador de processo pode verificar facilmente quando a medi o oscila entre dois limites fixos sem necessidade de instrumento adicional de teste Na pr tica dif cil detectar diretamente um amortecimento da vari vel medida de 4 para 1 Os ajustes finais da sintonia do controlador s o um compromisso entre os desempenhos do controlador em regime frequ ncia zero ou din mico altas frequ ncias 8 5 Crit rios de Sintonia Os m todos mais conhecidos te rica e experimentalmente s o os seguintes 1 rela o de amortecimento de 4 1 2 integral m nima do quadrado do erro IQE 3 integral m nima do erro absoluto IEA 4 integral m nima do tempo e do erro absoluto ITEA O primeiro crit rio rela o de amortecimento de 4 1 tem a vantagem de ser facilmente medido desde que se baseia em somente dois pontos da resposta Inclusive h outros m todos com outros nomes e outros procedimentos por m por invers o de passos constituem o mesmo m todo Os outros tr s crit rios s o mais precisos por m de dif cil concretiza o pr tica Outro enfoque para as t cnicas de sintonia dizer que h duas categorias distintas para a sintonia do controlador 1 m todo din mico baseado nos par metros determinados pela resposta da malha fechada do sistema com o controlador em autom tico 2 m todo est tico baseado nos par metros est ticos determin
334. lador integral dado na Fig 4 19 O amp op U1 produz o sinal de erro O integrador U2 Para erro positivo sua sa da ser negativa observe o sinal negativo na eq 5 13 Este sinal de controle negativo invertido e limitado por U3 e o diodo zener O resistor Reomp permite que a corrente de polariza o bypasse Ci Sem Rcomp as correntes de polariza o gen ricas seriam grandes e carregariam Ci mesmo com a tens o de erro zero Isto faz a sa da de U2 aumentar lentamente at ficar saturada Selecione se a sa da de U2 aumenta com Verro zero O erro zero significa que h tens o zero em cada lado de Ri Erro zero significa que n o h corrente fluindo atrav s de Ri Assim idealmente Ci n o pode se carregar e nem se descarregar Ci mantido em sua tens o Por m quando se adiciona Rcomp para impedir que as correntes de polariza o carreguem Ci o capacitor Ci pode se descarregar lentamente atrav s de Reomp Com erro zero ent o a sa da ir cair lentamente em vez de ficar constante pois Ci descarrega atrav s de Reomp Deve haver um compromisso sem Reomp OU com Reomp muito grande tem se correntes de polariza o carregando Ci Rcomp muito pequena permite Ci se descarregar em vez de manter constante sua tens o Escolhendo U2 com uma corrente de polariza o muito pequena uma solu o Amp op a FET ou CMOS possui correntes de polariza o da ordem de picoampere 10 12 A ou menos
335. lador s pode assumir os dois valores extremos ou igual press o de suprimento de ar comprimido ou zero A diferen a que se acrescenta ao circuito do controlador liga desliga uma realimenta o positiva atrav s de um fole pneum tico em oposi o a uma mola A realimenta o positiva feita logo na sa da do bico e n o na sa da do rel amplificador para diminuir a in rcia de resposta e fazer a a o mais r pida Essa realimenta o positiva que respons vel pela reten o entre os limites do intervalo Por exemplo com o ajuste correto do intervalo a medi o sobe entra no intervalo e o controlador s vai mudar de estado quando a medi o atingir o ponto m ximo do intervalo Como h in rcia a medi o ultrapassa um pouco o valor m ximo e 5 12 come a a cair A sa da do controlador inverte o valor e permanecer nesse valor at a medi o atingir o extremo inferior do intervalo No controlador liga desliga convencional s havia um ponto para atuar o controlador fazendo sua sa da mudar de estado de O para 1 Toda vez que a medi o passava pelo ponto de ajuste a sa da do controlador era mudada No controlador com intervalo diferencial h dois pontos de atua o separados por um intervalo diferencial Entre os dois pontos o controlador n o muda sua sa da Em rela o ao controle liga desliga cl ssico o controle com intervalo diferencial apresenta as seguintes diferen as
336. lags de programas F1 e status das v lvulas liga desliga fechada 0 e aberta 1 SEQUENCE pea POINT ACCUMPMI 9 STARTO F 65i GRANDT 2 RUNTOY R NTOPL3 HV650047 HV650Q4AB TARGE PN SIZ PRESTS AEM NNt 5 aN zan T LOCRI SPL LOCAL SP PHASE STEP Z SET SET PHASE MON aa ON STA dir HY IN ER FL FL PITON PVDISABLE THEN GOTO 120 47 MODATTR PROGRAM So om Ei E Uta Ego Rd A PY V T12 AVI VITESTARGETI 2 PV i NN OBeEDI WPEE ST TE RUNNEN THEN GOTO L5 E 355 gega 5 usas o S aaa Omo Su nin de CAMA M it ALLU LI ra pe in utero Pu REINER Tor STEP TWO est 1 3 z 2 PV SDISABLE THEN GOTO L40 048 MODATTR PROGRAM d PV OFE TOT THEN GOTO LAS 30a on Ra 3 8 o wi GE Ss VIV TARGETI 3 PV a Reto Bv NNI P ADIVFEED EN GOTO EE ej Aa a aa ed AO R a a tm ger WAT RONCO OON fase 3 TOTLI P Eo65a PVYCAL a a am THEN SET FC65 A NNMAN NNN GEY DAJES A Ta A ae Demon TS n DADOS CG O e on wO Fig 11 16 Um programa de batelada dividido em opera es que consistem de fases que incluem passos e cada passo constitu do de statement 10 26 Controle Batelada Intertravamentos A linguagem de batelada de alto n vel n o deve ser usada para atuar intertravamentos especialmente os de seguran a Em vez disso deve usar programas de baixo n vel e resposta r pida baseados por exemplo em diagramas ladder ou blocos l gicos O
337. lcool numa rela o constante 5 Um sistema considerado de controle de rela o quando 6 as duas vari veis X e Y s o medidas 7 apenas uma das duas vari veis manipulada por exemplo X 8 a vari vel realmente controlada a rela o K entre as duas vari veis X e Y O controle de rela o geralmente de vaz es aplicado para regular misturas ou quantidades estequiom tricas em propor es fixas e definidas O objetivo do controle de rela o ter uma rela o controlada fixa entre as quantidades de duas subst ncias como A r B Assim poss vel se ter A r B ou ent o B IA r 8 29 Controle Multivari vel Controlador Processo Fig 8 23 Diagrama de blocos do controle de rela o Blending uma forma comum de controle de rela o envolvendo a mistura de v rios produtos todos em propor es definidas A Fig 8 9 mostra o diagrama de blocos do conceito de controle de rela o A lgebra feita fora do controlador para evitar problemas de ganho e como consequ ncia de estabilidade No controle de rela o de duas vaz es uma vaz o necessariamente deve variar livremente e a outra manipulada Quando se tem o controle de rela o de v rias n vaz es uma delas deve ser livre e as n 1 s o manipuladas Enfim sempre deve haver um grau de liberdade no m nimo Os estados operacionais dependem da aplica o Quando se tem v rias malhas po
338. le liga desliga Fig 2 21 Sistema est vel dist rbio aparece e desaparece Estabilidade ideal com amortecimento de 4 1 5 1 Curva de Rea o ao Degrau do Processo Avalia se o grau de controlabilidade do processo determinando se experimentalmente o seu tempo morto e o sua constante de tempo caracter stica a partir da curva de rea o a um degrau unit rio aplicado entrada O tempo morto e o tempo caracter stico s o determinados tra ando se a tangente curva no ponto de inflex o O tempo morto o ponto em que a tangente corta o eixo do tempo Como a resposta assintoticamente exponencial a sa da leva um tempo teoricamente infinito para atingir o valor de regime No processo auto regulante o tempo caracter stico ou a constante de tempo de realimenta o negativa o tempo decorrido da interse o da tangente com o eixo do tempo requerido para a sa da atingir cerca de 63 do valor final quando se aplica um degrau unit rio da entrada Para o processo integrante o c lculo do tempo caracter stico mais dif cil pois problem tico identificar o ponto de inflex o para a tangente e n o h um valor final de tend ncia A constante de tempo caracter stica o tempo decorrido da interse o da tangente com o eixo do tempo at a sa da atingir um erro de malha aberto No processo com realimenta o positiva o tempo caracter stico ou a constante de tempo de realimenta o positiva o te
339. leana 3 linguagem de c digo mnem nico mosrnomaz Interface HIM Fig 11 2 Esquema b sico de controle a CLP A interface com o operador era inicialmente rudimentar e pobre com chaves thumb wheel botoeiras chaves liga desliga e l mpadas piloto Atualmente o CLP associado a computador pessoal CP onde se roda aplicativo supervis rio e h a interface natural de monitor de v deo com tubo de raios cat dicos TRC teclado mouse e track ball As caracter sticas positivas do CLP s o 1 Facilidade de programa o que usa conjunto pequeno de instru es l gica ladder ou linguagem de l gica booleana 2 Manipula o poderosa de entradas e sa das em grande quantidade e com grande rapidez 3 Conveni ncia para intertravamento l gico 4 Boa repetitividade 5 Conveniente para tarefas de controle seq encial As caracter sticas negativas s o 1 Limita o com linguagens de programa de alto n vel subrotinas e vari veis locais e globais L gica de exce o pode ser cara Controle cont nuo regulat rio PID pode ser tedioso e caro 4 Pouca flexibilidade para manipular dados e receitas de batelada om 10 7 Controle Batelada 5 Interface homem m quina limitada a n o ser que seja combinado com um CP com controle supervis rio Computador de controle de processo Na d cada de 1960 foi usado o
340. lica es a unidade de processamento central do computador foi modificada para tornar o computador mais compat vel com as necessidades do processo Este grau de modifica o coloca alguns desses processadores na classe de uso especial onde um computador de uso geral foi modificado para certas aplica es Na grande maioria dos sistemas de controle de processo por m o computador b sico n o foi modificado 1 8 Como os computadores digitais operam Depois de discutir o que o computador digital como ele pode ser usado como controlador como ele se compara com outros tipos de controlador quais tipos de computador s o dispon veis como eles se diferem deve se ver como eles operam de um modo geral e depois como ele opera especificamente em sistema de controle de processo O computador digital basicamente um conjunto muito complicado de circuitos eletr nicos que executam opera es muito simples que podem ser representadas matematicamente no sistema de n mero bin rio ou pelas equa es booleanas O computador executa opera es l gicas e bin rias muito simples envolvendo dados codificados binariamente de modo extremamente r pido confi vel previs vel e sequencial Ele faz exatamente o que programado para ele fazer e nada mais Ele n o pode fazer nada al m do trabalho para o qual ele foi programado fazer ele n o pode pensar ou decidir por si Para executar suas tarefas programadas o computador d
341. linha aos terminais destes fios do computador Tendo resolvido que o computador ir ver somente registros digitais flip flop conectados ao bus de entrada de dados com 16 fios bit e sair somente sobre uma estrutura de bu de 16 fios para as entradas dos registros buffer digitais flip flop o problema agora identificar especificamente quais registros flip flop e qual bus a cada momento 2 10 Endere amento E S Cada um dos registros flip flop de entrada tem atribuido um unico n mero de codigo binario e fornecido com uma l gica digital que decodifir apenas este exato n mero de codigo As entradas para esta l gica de decodifica o s o ligadas a um bus funcionalemtne separado dos bus de dados de normalmente 6 a 8 fios chamado de estrutura de bus de endereco de entrada Sempre que a l gica decodificadora associada com qualquer registro de entrada particular econhecer seu c digo nico ela ativa um especifico registro buffer do equipamento de entrada do computador Este c digo nico apropriadamente chamado de endere o do equipamento Sempre que o computador requer informa o de qualquer equipamento ele coloca este c digo do equipamento em seu bus de endere o de entrada e a l gica de decodifica o de endere o permite que apenas o equipamento endere ado forne a a informa o ao computador H uma duplica o exata desta estrutura de bus de endere o e da l gica de decodifica o de endere o
342. lise ten sido fornecer ao engenheiro de controle o valor de um enfoque te rico planejado para este problema nos est gios de projeto A matem tica que foi usada foi a de equa es diferenciais ordin rias Enquanto que nem todas as equa es foram resolvidas completamente dados suficientes e solu es de exemplo foram inclu das para possibilitar com a ajuda de uma revis o breve de calculo e equa o diferencial elementar entender os procedimentos usados Um fator importante a ser reconhecido no campo do controle de processo que n o poss vel se chegar a uma cataloga o simples de solu es que satisfa am todos os problemas que aparecem na pr tica Cada caso deve ser tratado de modo individual Assim um bom conhecimento do procedimento muito mais importante que uma demonstra o de m todos para catalogar solu es A 30
343. locar equipamentos para condicionar converter transduzir transformar amplificar atenuar e filtrar os sinais de informa o e de atua o do controle Al m do controle a malha pode ainda desempenhar fun es de registro totaliza o e alarme Para tornar mais flex vel e seguro tamb m pr tica comum o uso de controle manual como reserva do controle autom tico Na malha de controle h duas realimenta es negativas uma na malha externa de controle e outra no circuito interno do controlador Na malha externa de controle faz se a medi o da vari vel controlada compara a com uma refer ncia externa do controlador e gera se uma a o corretiva que vai para o elemento final de controle Internamente ao controlador recebe se a medi o da vari vel controlada compara a com o ponto de ajuste de refer ncia e a sa da do controlador realimentada a sua entrada para estabilizar sua sa da num valor finito J LO LCV Fig 3 18 Malha de controle com realimenta o negativa 3 24 Malha de Controle A melhor resposta de uma malha de controle a realimenta o negativa est longe da perfei o pois seu princ pio de funcionamento se baseia numa imperfei o S h controle quando h erro Podem se listar as seguintes caracter sticas do controlador com realimenta o negativa 1 A a o do controlador corretiva S h corre o quando se detecta o desvio entre a med
344. m ltiplas Balan o de cargas Faixa dividida 3 Malhas redundantes Reserva backup redundante Tomada de malha integral Controle de posi o da v lvula 4 Controle Discreto ou Chaveado Sistemas seletores 8 2 Controle Multivari vel 2 Realimenta o negativa O objetivo do controle com realimenta o negativa controlar uma vari vel medida em um ponto de ajuste O ponto de ajuste nem sempre aparente ou facilmente ajust vel Os estados operacionais s o autom tico e manual Os par metros operacionais s o o ponto de ajuste em autom tico e a sa da em manual Os valores monitorados s o o ponto de ajuste a medi o e a sa da monitorar n o significa necessariamente indicar A realimenta o negativa mais um conceito do que um m todo ou um meio No sistema com realimenta o negativa sempre h medi o na sa da ajuste do ponto de refer ncia compara o e atua o na entrada A sa da pode alterar a vari vel controlada que pode alterar a vari vel medida O estado da vari vel medida realimentado para o controlador para a devida compara o e atua o dist rbios entradas sa das PROCESSO controlada manipulada Controlador feedback E Ponto de ajuste Fig 8 1 Esquema da realimenta o negativa Em resumo esta a ess ncia do controle realimenta o negativa E irrelevante se h seis elementos na Fig 8 2 e apenas um n
345. m cc a n o ser que a informa o esteja contida na frequ ncia de um sinal ca Neste caso o sinal ca pode ser convertido em um sinal de onda quadrada e manipulado diretamente nesta forma ou pode ser convertido em uma voltagem cc e manipulado como qualquer outro sinal de voltagem cc Fig 9 8 Esta o de opera o com teclados e monitores do sistema de controle com computador 2 2 Entradas digitais Os sinais digitais como os anal gicos tamb m s o de v rios tipos O primeiro tipo inclui os sinais digitais que contem a informa o na frequ ncia do trem de pulsos similar a um sinal ca senoidal Aqui o trem de pulsos informa o serial normalmente convertido para uma palavra bin ria paralela simplesmente fazendo a amostragem da frequ ncia em intervalos de tempo espec ficos e contendo contador bin rio o n mero de pulsos durante este intervalo de tempo As vezes os pulsos podem ser passados diretamente para o processador Codificadores digitais de ngulo de eixo e codificadores digitais lineares s o exemplos deste tipo de entrada de computador O segundo tipo de sinais digitais s o aqueles que contem a informa o em seu estado de corrente 1 ou O e o processador simplesmente precisa saber em qual dos dois estados est o sinal Contatos de reles chaves limitadoras de curso equipamentos de seguran a sensores pticos e posi es de chaves s o normalmente monitorizadas deste modo 11 12 C
346. m controlador PI Tamb m colocando Ki 0 anula se a parte integral deixando somente o controle proporcional O valor preciso destas constantes afeta radicalmente a qualidade do controle Geralmente elas s o determinadas experimentalmente sintonizando o sistema inteiro de malha fechada assim que ele esteja operando Para obter uma equa o que o microprocessador possa implementar a equa o diferencial continua deve ser convertida em uma equa o de diferen as discretas Deve se primeiro diferenciar os dois dados da equa o 2 E a O edi ee e dt dt dt dvo K ad a Kp de Ke Ka E dt dt dt dt Esta equa o mostra quanto a sa da deve variar para cada varia o infinitamente pequena no tempo dt Mas no sistema baseado a microprocessador pode se olhar o mundo real somente uma vez em cada ciclo O tempo de ciclo T estabelece este intervalor de tempo dt Assim o que realmente interessa quanto a sa da e o erro devem variar A de um ciclo para o seguinte T Vo Kp Ceke KaS T onde T o tempo de ciclo Multiplicando tudo por T tem se Avo Kp4Ae KjeT TE 12 A mudan a em Vo AVo justamente a diferen a entre o seu valor atual e o valor lido no ciclo anterior AVo Von a Von O mesmo vale para o erro Ae ep En Reescrevendo a eq 1 12 Von Von 1 Kplen 8n 1 KleT Aen Aen 1 No ltimo termo A foi distribu do em dois componentes Eles podem ser e
347. ma coluna de destila o que tem uma rela o de refluxo muito alta Evitar associar malhas de controle As malhas de controle devem ser agrupadas somente se a opera o da malha externa depender da opera o da malha interna 8 34 Controle Multivari vel 11 2 Controle Global da Planta A discuss o at agora s tratou de um nico controlador a realimenta o negativa e estabeleceu uma estrat gia de controle para uma opera o unit ria um reator uma coluna uma torre de resfriamento um trocador de calor uma caldeira um compressor O pr ximo n vel de complexidade olhar uma planta inteira operando que constitu da de muitas opera es unit rias ligadas em s rie e paralelo com material e energia de reciclo entre as v rias partes da planta Isto um dos trabalhos mais dif ceis do controle de processo Buckley foi um dos pioneiros neste aspecto de controle Sua metodologia de projeto da planta global consiste dos seguintes passos 1 Fazer o esquema l gico do controle para manipular todas as malhas de n veis e press o de l quidos em toda a planta de modo que as vaz es de uma unidade para a pr xima sejam t o su veis quanto poss vel Buckley chamou estas malhas de balan o de material Se a vaz o de alimenta o estabelecida na frente do processo as malhas de balan o de material devem ser colocadas na dire o da vaz o i e a vaz o de sa da de cada unidade estabele
348. ma expert tamb m deve incorporar as opera es necess rias para resolver corretamente as situa es anormais do processo O desenho dos diagramas de fluxo e as configura es de controle da planta apresenta es visuais processos simulados requerem trabalhar com uma linguagem de programa o que permita ao projetista uma grande versatilidade O uso de caixas pretas de sistemas experts vers teis que se encontram dispon veis em microcomputadores pessoais tampouco a solu o pela falta de pot ncia que requer a elabora o do sistema expert sendo o adequado as esta es de trabalho em LISP ou PROLOG complementadas por ferramentas de calculo num rico que utilizem FORTRAN PASCAL ou C Deste modo estas esta es permitem a obten o do conhecimento qualitativo e quantitativo que exige o sistema expert Em geral um sistema expert disp e de 1 um motor inferencial que controla e usa as bases do conhecimento do processo que contenham as regras para deduzir conclus es As regras utilizam frequentemente a senten a SE ENT O IF THEN Por exemplo em um reator exot rmico se utilizaria IF a rea o exot rmica AND o pr ximo passo da rea o baixar a temperatura THEN atue fechando na v lvula de vapor de controle de temperatura do trocador de calor do processo 2 um sistema para manejar em tempo real grandes quantidades de dados do processo e a diferentes n veis de prioridade 3 o enca
349. ma rampa come ando do zero Um controlador proporcional responde a um erro degrau com um outro degrau proporcional Por m o controlador integral continua a variar sua sa da at que todo o erro permanente seja eliminado Um controlador proporcional n o pode eliminar totalmente o erro O controlador proporcional integral um esfor o para combinar as vantagens de ambos os controladores boa resposta transiente do proporcional e elimina o do erro do integral Um controlador propocional integral paralelo mostrado na fig 4 18 O amp op U1 o amplificador de erro realizando o c lculo Verro VSP VPV Este erro aplicado aos controladores proporcional e integral No controlador proporcional U2 o erro recebe um ganho Controlador Proporcional U AMN k 2 Somador Integrador Fig 4 20 Controlador Proporcional Integral Paralelo O controlador integral toma a integral do erro dando V Ki Verodt Vo onde Estes dois sinais s o combinados por U4 um somador inversor que d uma sa da total Vo KpVerro Ki Verrodt Vo No dom nio de Laplace isto torna Vo KPVerro E lleno A fun o transfer ncia para o circuito na Fig 4 20 ent o Vo Kp Ki Verro S ou Vo Ei Kps KI V S 4 51 Controlador Amplificador do erro Controlador Proporcional Somador Koky a de v Integrador Fig 4 21 Controlador PI S rie O co
350. mard preditiva antecipat ria 9 4 Caracter sticas As principais caracter sticas do controle preditivo antecipat rio s o 1 a a o do controlador preditiva baseada em um prognostico O controlador n o espera que o desvio entre a medi o e o ponto de ajuste seja detectado atrav s do processo para atuar na vari vel manipulada A atua o feita no momento mais adequado de modo que n o haja aparecimento do erro A vari vel manipulada atuada antes que os dist rbios principalmente a varia o de carga do processo afetem a vari vel controlada o controlador prev quanto de a o deve ser aplicada e quando mais conveniente Geralmente se fala que o controlador toma uma provid ncia imediata Ser visto mais tarde que h aplica es onde a a o proposital e artificialmente adiantada ou atrasada o controlador faz medi es nas vari veis de entrada e atua na vari vel manipulada tamb m na entrada do processo N o h medi o da vari vel controlada pois n o h realimenta o Por esse motivo h quem diga que o controle preditivo antecipat rio de malha aberta o que incorreto Mesmo n o havendo realimenta o a malha de controle fechada pelo processo o balan o entre o suprimento e a demanda conseguido pela medi o da carga da demanda real pelo calculo da demanda potencial e pela atua o no suprimento do processo As medi es os pontos de ajuste
351. medi o e o ponto de ajuste deixado pela a o proporcional at certo ponto diretamente proporcional a largura da banda proporcional Quando se ajusta a banda proporcional em valores muito pequenos e o controlador n o possui as outras a es de controle a malha de controle oscila na frequ ncia natural do processo No controlador proporcional a banda proporcional tem largura e posi o fixas e se situa em torno do ponto de ajuste S h controle autom tico dentro da banda proporcional O controlador com a a o proporcional estabiliza a varia o do processo dentro de sua banda proporcional O processo se estabiliza por m fora do ponto de ajuste H apenas uma nica condi o do processo e do controlador para que a medi o seja igual ao ponto de ajuste Quando o processo sai dessa condi o por causa da varia o da sua carga ou por causa da varia o do ponto de ajuste a medi o ir se estabilizar em um novo ponto dentro da banda proporcional por m haver um desvio permanente entre a medi o estabilizada e o ponto de ajuste A tentativa de se fazer o controlador proporcional controlar o processo em um ponto provoca oscila o no processo O controlador proporcional s controla quando a medi o da vari vel est dentro de sua banda proporcional Por exemplo se a banda proporcional do controlador est entre 80 e 100 OC e o ponto de ajuste 90 OC s h controle autom tico dent
352. mentos e o seu alto custo tamb m dificultaram a implementa o do controle preditivo antecipat rio Tais equipamentos podem ser pneum ticos ou eletr nicos Atualmente s o mais usados os instrumentos eletr nicos principalmente os microprocessadores de processo Computa es que requerem dois ou mais instrumentos pneum ticos interligados s o feitas por um nico instrumentos eletr nico com maior precis o menor custo maior confiabilidade e opera o mais simples O processo opera em duas situa es distintas em regime e em transit rios entre regimes Mesmo depois de estabilizado o processo sofre varia es transit rias quando h varia o em sua carga O controlador preditivo modelo matem tico do processo e portanto deve tamb m possuir duas componentes din mica e est tica Essa divis o essencial principalmente durante a Calibra o e ajuste de partida O controlador de regime permanente igual ao din mico quando a vari vel manipulada de entrada e os dist rbios de entrada est o matematicamente localizados do mesmo lado relativamente ao lado da vari vel de sa da controlada Desenvolvimento da equa o do controlador As equa es termodin micas de balan o de energia e de materiais s o usadas para se chegar ao controlador preditivo antecipat rio de regime est tico As equa es diferenciais relativas aos transit rios dos processos determinam o modelo do controlador transit rio
353. moto do frontal do controlador aparece uma janela para confirmar ou cancelar a mudan a Fig 26 Imagem que aparece para confirmar ou canelar a transfer ncia Local Remoto do ponto de ajuste Se o operador clicar em Local a a o muda ou continua em local se clicar em Remoto a a o muda ou continua em remoto e se clicar em Cancel a a o continua como est nada alterado Controle de rela o H malhas com controle de rela o de vaz es de HCN e Propanona A sa da do controlador de vaz o de Propanona vai para o ponto de ajuste do controlador de vaz o de HCN passando por uma esta o de rela o FFC Esta rela o pode ser ajustada pelo controlador que clica no bot o Rela o Fig 27 Frontal de controlador com ponto de ajuste Remoto ou Local e modo de opera o Manual e Autom tico O controlador est em modo manual e o ponto de ajuste em local Clicando nas chaves esquerda SP o ponto de ajuste alterado Clicando nas chaves direita MV a sa da do controlador determinada manualmente pelo operador Quando o operador clica na janela da indica o digital da Rela o aparece a janela para a altera o desta rela o Hoir Tanakan Tag Hama FF Zi l Cesp RAZED Tumi Tag lah em Mew Tn eba Fig 28 J anela para entrar com novo valor da rela o 6 24 Controlador Digital Sintonia do Controlador Quando o operador clica na tecla virtual PID aparece uma
354. mplesmente n o podem ser usados para se obter o desempenho satisfat rio do sistema Exemplos incluem alguns tipos de processos que 1 reagem em velocidade muito alta 2 onde o peso consumo de pot ncia e volume de eletr nica s o importantes 3 onde o sistema de controle de processo t o complexo que os controladores individuais n o s o poss veis 4 processos em que o produto final varia consideravelmente no tempo de modo que a necessidade e a frequ ncia de reajustes dos controladores individuais seriam muito caras 5 processo que est o distribu dos em grandes dist ncias onde os circuitos de comunica o digital s o mais vantajosos 6 processos onde as especifica es de precis o do sistema n o podem ser economicamente estabelecidas com controle anal gico Para completar o quadro de exemplos h tamb m processos que n o podem ser 11 4 Computador como Controlador controlados por computadores digitais Os exemplos b sicos incluem os processos que ocorrem em atmosferas com risco de explos o ou inc ndio e nenhum equipamento eletr nico possui classifica o el trica que permita seu uso e processos que ocorrem em ambiente onde o ru do el trico potencialmente torna o computador digital inoperante ou in til O computador digital conquistou seu lugar no campo de controle de processo como o fizeram outros tipos de controladores no passado H muitas aplica es onde qualquer outro ti
355. mpo decorrido da interse o da tangente com o eixo do tempo requerido para a sa da atingir cerca de 172 do valor do erro de malha aberta quando se aplica um degrau unit rio da entrada Resposta sub amortecida i Entrada Resposta superamortecida Resposta criticamente amortecida Tempo Fig 2 22 Respostas ao degrau Empiricamente somente depois de transcorridos 2 tm que se pode observar altera o na sa da do processo 5 2 Crit rios de Estabilidade Teoricamente h v rios crit rios de estabilidade do sistema linear Nyquist Routh Hurwitz Root locus e diagrama de Bode Est al m do escopo do presente trabalho o estudo detalhado e matem tico destes crit rios O m todo de Nyquist um gr fico Se o gr fico engloba o ponto 1 j 0 o sistema inst vel se n o o sistema est vel Pelo crit rio de Routh Hurwitz as ra zes da equa o caracter stica do sistema devem estar do lado esquerdo do plano implicando que as ra zes devem ter partes reais negativas O uso dos computadores digitais ajudou grandemente a t cnica do Root Locus pois facilitou o c lculo de todos os zeros e p los da fun o de transfer ncia A 3 26 Malha de Controle adi o de p los a fun o de transfer ncia piora a estabilidade relativa do sistema de malha fechada Por exemplo a a o integral equivale fisicamente a um polo A adi o de zero a fun o de transfer ncia melhora a
356. n es padr o dispon veis 3 Fun es padr o implementadas em blocos constituintes que podem ser facilmente configurados pelo usu rio 4 Disponibilidade de linguagem de programa o de alto n vel 5 Possibilidade de redund ncias f sicas e funcionais 6 Adequa o para aplica es de controle batelada 7 Interface homem m quina poderosa e amig vel ao usu rio Computador pessoal O Computador Pessoal CP tamb m deve ser considerado uma tecnologia vi vel e dispon vel para controle de processo e de batelada Por muito tempo o CP foi considerado impr prio para controle de processo por causa de sua 10 9 Controle Batelada suspeita pequena confiabilidade mas atualmente o CP se tornou uma ferramenta til para configurar SDCD e CLP e largamente usado como uma plataforma para fun es supervis rias de controle e para aquisi o de dados do processo Hoje j s o dispon veis pacotes de software para CP que fornecem ao usu rio as fun es de batelada antes s dispon veis em SDCD Fig 11 6 Esquema t pico controle com CP Os pacotes de CP dispon veis comercialmente tamb m fornecem as fun es tradicionais de controle regulat rio e as fun es l gicas que quando rodam em um sistema operacional de tempo real conveniente podem ser aplicados para pequenos projetos Tend ncias A tend ncia atual 1999 integrar o CLP e o SDCD As raz es bvias s o para
357. n veis de energia Tem se o controle liga desliga com posi es m ltiplas alto baixo e desligado Essa aplica o se refere a sistema de temperatura que requer alta energia de aquecimento apenas no princ pio e depois requer baixa energia para a manuten o da temperatura de trabalho No in cio da opera o o sistema opera em alta energia com todas as resist ncias ligadas Quando o sistema atinge a temperatura desejada ele desliga um conjunto de resist ncias e passa a operar em duas posi es convencionalmente Para resultados mais precisos utilizado o controlador proporcional O controle proporcional se aplica a sistema com elevada velocidade de rea o que provocaria grandes flutua es no sistema liga desliga O controle proporcional utilizado em fornos com queima de leo em que a rela o leo ar controlada O controle proporcional tamb m aplicado a sistema que apresenta grande varia o de carga Nessa aplica o a banda proporcional deve ser estreita a fim de ter pequenos desvios permanentes Por m a banda proporcional deve ser larga para tornar o sistema pouco sens vel aos tempos de atraso da medi o da temperatura Para conciliar essas exig ncias necess rio o uso da a o derivativa No controle de temperatura a capacidade do lado da carga deve ser maior que a capacidade do lado do suprimento Uma grande capacidade de carga favor vel desde que ela diminui e nivela as
358. na medi o faz a a o proporcional atuar e modificar a posi o de abertura continua da v lvula de controle Consequentemente a medi o deve variar acima ou abaixo do ponto de ajuste para resultar num desvio permanente entre a medi o e o ponto de ajuste Assim para uma determinada condi o de processo h apenas uma nica sa da pneum tica do controlador quando a medi o corresponde ao ponto de ajuste Em qualquer outro sinal de sa da haver desvio permanente entre a medi o e o ponto de ajuste Quanto maior a banda proporcional maior o desvio Um modo para diminuir o desvio permanente estreitar a banda proporcional do controlador Por m imposs vel eliminar o desvio permanente pois para isso seria necess rio colocar a banda proporcional igual a zero e esse controlador exatamente o controlador liga desliga com sa da inst vel 2 6 Controle Proporcional Integral O controlador pneum tico ligado diretamente ao processo contendo as duas a es de controle proporcional mais integral o mais usado na pr tica O controlador proporcional mais integral tem basicamente o mesmo circuito do controlador proporcional puro quando se substitui a mola de oposi o ao fole proporcional por um circuito integral constitu do de um fole restri o e tanque capacitivo No controlador proporcional mais integral a sa da do controlador que vai atuar a v lvula de controle realimentado ao int
359. nais Os pr ximos passos mostram exemplos num ricos de investiga es t picas 4 8 Exemplo 1 Problema O processo consiste de dois tanques de liquido Fig 2 3 A vari vel controlada o n vel do segundo tanque que ser chamado de x Ele controlado por meio de um controlador PD com atraso desprez vel O elemento de medi o e a v lvula de controle ser o considerados ideais sem atraso Os valores do processo e das constantes do controlador s o C4 1 m3 m Co 2 m3 m Ro 1 2 m m3 min Rq 2 mM m3 min 30 B 1 Assumindo uma varia o tipo degrau em xq de 20 m para causar uma diminui o na vaz o de sa da Q achar a equa o da curva de resposta Solu o A equa o para este processo d x dx Jo J4 RaB 1 Rqo x xo xg Xgo 419 onde J4 C4R2 C4Rg C2Rq 6 5 Jo C CoRoRq 2 Substituindo os valores num ricos e escolhendo os dados de modo que xo o tem se A 22 Enfoque Matem tico 2 CE 425 4305x 10 E 4 20 As condi es iniciais em t O s o X X 0 4 20a dx 1 dt RaC2 q qo Solu o de regime permanente A solu o completa a soma das solu es permanente e transit ria A solu o permanente x uE 0 328 30 5 4 21 Isto significa que ap s a varia o de carga o n vel do liquido eventualmente se estabiliza em um valor de 0 328 m acima do ponto de ajuste original Onde h controle
360. namento quando desenergizada Alguns tipos de mem rias a semicondutor podem ser permanentemente ou pelo menos relativamente permanentemente programadas de modo que nem a falha de alimenta o ou a do computador pode alterar o programa V rios tipos dessas mem rias ROM read only memory mem ria apenas de leitura encontram aplica o em certos tipos de sistemas de controle de processo H outros tipos de mem ria a semicondutor tais como PROM program vel EPROM program vel e apag vel e EEPROM program vel e eletricamente apag vel A unidade l gica de controle e timing a quarta parte funcional de qualquer computador digital E de sua responsabilidade sincronizar e controlar cada opera o interna do computador Esta l gica est diretamente ligada a cada unidade interna do computador e controla a opera o da CPU diretamente Ela recebe suas instru es b sicas do programador As instru es individuais em um programa de computador s o escritas para serem interpretadas por esta unidade l gica de controle de modo que alguma opera o til possa ser feita pelo computador lt Unidade tttteeeararsia gt a Timing e ad Controle Unidade 4 Ed Mem ria E Unidade entrada sa da Dispositivos externos Fig 9 4 Quatro unidades funcionais de um computador digital As quatro unidades funcionais s o interligadas entre si como mostrado na Fig 9 4 A informa o pode ser
361. nde a malha de controle deve conhecer outras vari veis controladas por quest o de seguran a e controle Isto principalmente verdade em plantas altamente automatizadas onde o operador n o pode tomar todas as decis es nas situa es de emerg ncia de partida e de parada do processo Ao A Tanau Fig 8 20 Controle auto seletor entre n vel e vaz o do tanque O controle auto seletor uma forma de controle multivari vel em que a vari vel manipulada pode ser ajustada em qualquer momento por uma vari vel selecionada automaticamente entre diversas vari veis controladas diferentes A filosofia do controle auto seletor a de se usar um nico elemento final de controle manipulado por um controlador selecionado automaticamente entre dois ou mais controladores Tendo se duas ou mais vari veis medidas aquela que estiver em seu valor cr tico assume o controle do processo Outro enfoque de se ver o controle auto seletor considerar os dois controladores ligados a uma nica v lvula de controle Em condi es normais uma malha comanda a v lvula em condi es anormais a outra malha assume automaticamente o controle mantendo o 8 12 Controle Multivari vel sistema dentro da faixa de seguran a O controle normal cortado apenas durante o per odo necess rio para se restabelecer a seguran a do sistema Quando a condi o anormal desaparece a malha normal assume n
362. ndensado Rnmha decrarna Sa das Entrada Fig 6 2 Processo com controle a computador distribu do 6 4 Controlador Digital A comunica o digital com um computador supervis rio ou com um sistema digital de controle distribu do SDCD ou controlador l gico program vel CLP uma op o na maioria dos controladores single loop Isto pode requerer apenas um circuito integrado Cl para transformar os sinais de 5 V para os n veis V mais elevados dos protocolos RS 232 C ou RS 422 ou pode se ter um conjunto completo de Cls para fornecer uma liga o direta com redes propriet rias com protocolos como HART Profibus MAP ou Fieldbus Quando se desenvolve um projeto baseado em computador deve se dar igual import ncia ao equipamento hardware e programa software Um diagrama de blocos para o programa requerido para rodar um controlador single loop mostrado na Fig 6 5 H poucos blocos e cada bloco contem muitas linhas de c digo de programa o E tentador ver o c lculo do algoritmo de controle proporcional integral e derivativo PID como a caracter stica mais importante e esquecer todos os outros blocos Por m como se pode concluir do diagrama de blocos do programa o c lculo PID somente uma de v rias outras tarefas t o importantes que o microprocessador deve completar em cada ciclo de varredura A manipula o correta da aplica o e remo o da pot ncia de alimenta o
363. ndica o da vari vel est diretamente acoplado ao elemento sensor Geralmente o pr prio torque do elemento posiciona o ponteiro 5 11 A chave para ajustar o ponto de ajuste acess vel quando se abre a porta do instrumento Opcionalmente pode se ter uma chave externa Quando se posiciona o ponto de ajuste simultaneamente se atua no sistema de detec o de erro entre medi o e ponto de ajuste H uma resultante entre a atua o da medi o e do ponto de ajuste que atua no sistema bico palheta rel pneum tico atrav s de elos mec nicos e alavancas O sinal do erro monitora a distancia entre o bico e a palheta A distancia vari vel entre o bico e a palheta gera o sinal de sa da do controlador que vai atuar a v lvula de controle Al m de atuar no processo o sinal de sa da do controlador realimentado para o seu interior atrav s de circuitos pneum ticos envolvendo foles restri es e tanques de volume para desempenhar as a es matem ticas de controle tipo integral derivativa e proporcional Mostrador do Ponto de Ajuste e de Medi o Ponteiro Indicador do Ponto de Ajuste Man metro de Saida Porteiro de Medi o Elemento de Medi o ilustrado o tipo de press o Conjunto Integral opcional Conjunto Derivativo opcional Bot o de Ajuste Unidade de Controle Fig 5 13 Componentes b sicos
364. ndo a realimenta o negativa Desse modo quanto mais brusca for a varia o na medi o menor ser a a o imediata da realimenta o negativa e mais a o corretiva ser transmitida a v lvula pela a o derivativa Quando se coloca o circuito derivativo no elo da realimenta o negativa do fole proporcional h alguns inconvenientes 1 h a intera o entre os modos proporcional e derivativo Quando o controlador possui o modo integral a a o derivativa interfere tamb m no modo integral 2 a a o derivativa segue a a o proporcional 3 a a o derivativa modifica a sa da do controlador quando h varia o do ponto de ajuste provocado pelo operador Se esta varia o for muito r pida e geralmente o a sa da do controlador produz um pico podendo fazer o processo oscilar A solu o pr tica para eliminar esses problemas colocar o circuito derivativo antes das a es proporcional e integral e atuando apenas na medi o 3 6 Proporcional Integral e Derivativo O controlador proporcional mais integral mais derivativo possui as tr s a es de controle e o mais completo poss vel Repetindo os objetivos das a es 1 a a o proporcional estabiliza o processo provocando uma corre o proporcional ao valor do erro instantaneamente 2 a integral uma a o auxiliar que elimina o desvio permanente produzindo uma corre o proporcional dura o do erro depois da
365. ndo um desvio permanente Como ele n o possui a a o integral n o h perigo de satura o da sa da do controlador Como ele possui a a o derivativa a sua resposta relativamente a mais r pida poss vel Raramente se aplica um controlador PD na pr tica de controle de processo Controlador PID O controlador PID permite a altera o do ganho P do tipo do sistema e da resposta transiente D de modo a melhorar a opera o do sistema O controlador PID estabiliza o processo por causa da a o proporcional torna a medi o igual ao ponto de ajuste por causa da a o integral de modo r pido por causa da a o derivativa Como ele n o possui a a o integral h perigo de satura o da sa da do controlador quando o erro for demorado O controlador PID aplicado em controle de processo que envolva temperatura e an lise de processo 7 Controle das Vari veis As vari veis de processo mais envolvidas s o press o temperatura vaz o e n vel Ser o vistas agora as suas caracter sticas din micas suas dificuldades e suas exig ncias de controle 7 1 Press o A press o caracterizada pela grande capacidade pequeno atraso de transfer ncia e pequeno tempo morto Por ter grande capacidade pode se ter auto regula o do controle de press o desde que n o haja vaz o O tempo de resposta da press o r pida aproximadamente igual ao da vaz o e o tempo da press o lenta se
366. nova face frontal dos ajustes de sintonia do controlador Fig 29 J anela para sintonia do controlador Clicando no bot o X na parte superior direita da janela de sintonia ela fechada desaparece da tela Quando o operador clica na janela com a indica o digital do ganho proporcional kp aparece a tela para ajuste do ganho do controlador Tap H ae ACE Dampier Contas Proporciona 1000 a 100 Daer Toa tam Hea Taga Fig 30 J anela para entrar com o novo valor do ganho Quando o operador clica na janela com a indica o digital do ganho integral ki aparece a tela para ajuste do ganho do controlador Hodiy T Valua Tag Mame FDC HO 18_K Cisscriptia Cordana niega 1 a IZTET Coneri Tag Yaua Mari Tang Wali ot CoJo ea a Fig 31 J anela para entrar com novo valor do ganho integral Quando o operador clica na janela com a indica o digital do ganho derivativo kd aparece a tela para ajuste da a o derivativa do controlador Moddp ag Vakie Tag Name FOC SULA ED Decapion Constante Derreta 1 a 2767 Curent Tags m Hew Tag Voar o Le sj a Fig 32 J anela para entrar com novo valor do ganho derivativo A sintonia do controlador ajustes do ganho proporcional ganho integral e ganho derivativo relativamente complexa e por isso por enquanto feita apenas pelo Supervisor Clicando no bot o X na parte superior direita da imagem a face frontal do
367. nsensada a folha de batelada se torna a base para operar todas as bateladas sucessivas de um dado produto Nas ind strias farmac utica e aliment cia esta folha de batelada pode se tornar uma parte integral da documenta o para determinado produto ou alimento fabricado As folhas de batelada formam a base para o controle de produ o independente da automa o envolvida O que pode variar a confian a nos instrumentos de monitora o e o grau de interven o humana versus do computador Em um extremo todos ou a maioria dos passos s o feitos de modo manual Isto encontrado apenas em processos muito simples com poucos passos O reator carregado com reagentes manualmente com um bomba V lvulas s o abertas ou fechadas manualmente O n vel medido por uma r gua atrav s do topo do reator O fim de um passo determinado subjetivamente pelo operador que pode olhar uma janela transparente ou cronometrar um tempo Algum instrumento de indica o ou controle pode ser empregado montado no topo do reator Mais comum um processo batelada semi ou totalmente autom tico Aqui o controle e monitora o podem variar de instrumentos pneum ticos ou eletr nicos dedicados para pain is de controle locais ou sistemas digitais distribu dos controladores l gico program veis sistema digital de controle distribu do computadores pessoais rodando aplicativos Na opera o de batelada semi autom tica basead
368. nt nuo s o validas para o processo batelada pois o processo batelada pode ser visto como uma sequ ncia de v rios processos cont nuos 4 8 Complica es A automa o da opera o de uma batelada se complica mais ainda quando se tem aplica o na ind stria farmac utica e de alimentos por dois motivos 1 o sistema deve ser validado 2 a opera o ocorre em ambiente est ril Valida o uma exerc cio que documenta o fato que um sistema de controle faz as fun es projetadas e previstas com reprodutitividade A valida o do sistema de controle se aplica a hardware software e perif ricos associados Ela inclui todos os est gios do desempenho do sistema de controle do projeto e especifica o at teste implementa o instala o e opera o A valida o coloca nfase especial no sistema de prote o sua manuten o reten o de registros e revis es peri dicas futuras Outro fator importante a garantia que os operadores tenham sido treinados corretamente A valida o inteira deve ser planejada a priori Manter bons registros e documentar todas as tarefas s o cr ticos A valida o por computador apenas um aspecto da documenta o requerida na ind stria farmac utica Outros aspectos s o o quantidades das mat rias primas 2 listas de bateladas assinadas 3 resultados das calibra es 4 documenta o de mudan as na estrat gia de controle todas as anormalidades d
369. nte controlado 6 Deve se feita a considera o da din mica no projeto de uma planta nos primeiros est gios preferivelmente gt l Ts durante a opera o e projeto da planta piloto Por exemplo importante ter pausa em vasos de surge linhas de refluxo bases de coluna para fornecer um amortecimento efetivo dos dist rbios 8 p ex de 5 a 10 minutos Um excesso suficiente de transfer ncia de calor deve ser dispon vel em reboilers condensadores jaquetas de resfriamento para ser capaz de manipular as varia es din micas e dist rbios durante opera o Os sensores e as medi es devem ser localizadas de modo que possam ser usadas para controle efetivo 11 1 Crit rios Gerais Alguns crit rios recomendados s o discutidos abaixo juntos com alguns exemplos de suas aplica es 1 Manter o sistema de controle t o simples quanto poss vel Todo mundo envolvido no processo do operador at o gerente da planta deve ser capaz de entender o sistema Use o menor n mero poss vel de 9 instrumentos de controle Cada equipamento adicional que inclu do no sistema um item a mais que pode falhar ou se desviar O vendedor nunca ir dizer isso a ningu m claro 2 Usar o controle feedforward para compensar dist rbios da medi o grandes freq entes e mensur veis 3 Usar o controle override para operar em ou para evitar limites 10 Evitar atrasos e tempos mortos em malhas de realiment
370. nte manipul veis Uma vari vel de processo pode ser considerada dentro de determinada toler ncia e intervalo de tempo como constante Na natureza tudo est variando por m s vezes esta variabilidade n o detectada pelo instrumento de medi o e por isso a vari vel considerada constante Outros par metros de controle s o estabelecidos e mantidos fixos Exemplos de constantes s o o valor do ponto de ajuste dos ajustes das a es de controle e dos pontos de alarme Naturalmente uma vari vel anal gica se altera de modo suave Raramente a natureza d saltos Em controle uma altera o brusca da vari vel anormal e geralmente um indicativo de quebras ou problemas Por m a varia o do ponto de ajuste feita pelo operador geralmente r pida e do tipo degrau e o controlador bem projetado deve prever e tratar esta varia o brusca A partir destas premissas ser o definidas agora as vari veis envolvidas na malha de controle 1 controlada medida manipulada aleat ria dist rbio carga do processo e So O DA 2 6 2 2 Vari vel Controlada A vari vel controlada aquela que se quer manter constante mesmo que haja influ ncia de outras vari veis que tenderiam modificar o seu valor Na malha de controle realimenta o negativa a vari vel controlada sempre medida geralmente na sa da A vari vel controlada determina o tipo e o tag da malha de controle Quando se fala de m
371. nte o processo 1 ajustar o ganho do controlador em zero o tempo integral no m ximo e o tempo derivativo em zero 2 aumentar gradativamente o ganho do controlador at aparecer oscila o com pequena amplitude e com desvio permanente entre medi o e ponto de ajuste 3 diminuir gradativamente o tempo integral do controlador at eliminar o desvio permanente e at aparecer uma pequena oscila o de baixa frequ ncia provocada pela a o integral e n o pela a o proporcional 4 aumentar por degrau o tempo derivativo at eliminar a oscila o Quando acabar a oscila o repetir 2 e 3 at que o aumento do tempo derivativo n o consiga mais eliminar a oscila o 1 34 Controle Multivari vel 8 Controle Multivari vel Controle Multivari vel Objetivos de Ensino 7 Revisar os conceitos de realimenta o negativa e preditivo antecipat rio 8 Apresentar conceito objetivos vantagens limita es e aplica es das v rias estrat gias de controle multivari vel tais como a Cascata b Faixa dividida c Auto seletor d Rela o de vaz es 3 Mostrar os conceitos de projeto do controle global da planta 1 Introdu o A malha de controle a realimenta o negativa feedback convencional com entrada nica e sa da nica single input single output o n cleo seminal da maioria das estruturas de controle de processo Por m ultimamente foram desenvolvidas es
372. ntegral proporcional mais integral mais derivativa Opcionalmente o modelo de caixa grande pode receber a chave batelada Quando requerido o controlador modelo 138 pode ser montado em arm rio Funcionalmente um controlador modelo 130M N4 equivalente ao conjunto de uma esta o 130MD e um controlador modelo 138SP 4 ou 138LP 4 5 10 CONTROLADOR MODELO 1388 ou 138L Pre Carga de Batelada Re ou Reajuste Externo se especificado lt lt a Suprimento de Ar Trascira da Estante 1 Fig 5 11 Liga es na montagem modular controlador 138 esta o 130 MD 2 Controlador Pneum tico de Campo 2 1 Caracter sticas Gerais O controlador pneum tico modelo 43 AP indica e controla as vari veis de processo usando os elementos sensores mec nicos ligados diretamente ao processo As vari veis mais comuns s o press o temperatura e vaz o O controlador detecta continuamente a diferen a entre o ponto de ajuste e a vari vel medida A sa da do controlador o sinal padr o pneum tico e uma rela o matem tica dessa diferen a e pode haver um dos seguintes modos de controle 1 liga desliga 2 proporcional 3 proporcional mais derivativo 4 proporcional mais integral o mais usado 5 proporcional mais integral mais derivativo 6 liga desliga com intervalo diferencial 7 desligamento autom tico O circuito de controle fica no interior de
373. ntos para compensar os atrasos e avan os da malha de controle 5 7 Oscila o A oscila o qualquer efeito que varia periodicamente no tempo entre dois valores extremos Em instrumenta o a vari vel controlada entra em oscila o quando o seu valor cicla periodicamente entre os valores m ximo e m nimo H uma confus o relacionada com a oscila o pois a sa da c clica n o implica necessariamente em oscila o Por exemplo quando se aplica um sinal peri dico na entrada de um amplificador a sua sa da ser tamb m peri dica sem que haja oscila o Nesta situa o as frequ ncias da entrada e da sa da s o iguais e os sinais s o dependentes O amplificador oscila quando se aplica um sinal constante na entrada e a sua sa da peri dica Ou ent o quando os sinais de entrada e de sa da s o peri dicos por m a frequ ncia do sinal de sa da diferente da frequ ncia da entrada A frequ ncia do sinal oscilante depende apenas dos par metros do circuito interno Fig 2 26 Sa da de controlador em oscila o A principal causa da oscila o o alt ssimo ganho do sistema Na instrumenta o a oscila o pode ocorrer quando o controlador ajustado com a banda proporcional muito estreita e com as a es integral e derivativa exageradas A oscila o pode se iniciar pela varia o brusca da carga do processo ou pela altera o do ponto de ajuste Uma vez iniciada a oscila o o sistem
374. ntrolador do processo usada para acionar o elemento final de controle para ajustar o processo sob controle Ela pode ser armazenada em e Registro de Hold HR e Registro de sa da OR e Grupo de sa da OG Fim da tabela da malha Especifica o ultimo registro mantido na tabela contendo dados requeridos pela opera o de controle da malha Pode ser menor que HR0032 ou maior que o mais alto registro de hold dispon vel no processo Esta tabela sempre de 32 registros hold Na figura HRXXXX 31 o inicio e HRXXXX o fim da tabela 9 Controlador virtual Um instrumento virtual definido como uma camada de software hardware ou de ambos colocada em um computador de uso geral de modo que o usu rio possa interagir com o computador como se fosse um instrumento eletr nico tradicional projetado pelo pr prio usu rio Controlador virtual aquele constru do dentro de um computador pessoal Atualmente s o dispon veis aplicativos para desenvolver a face do controlador template seu bloco funcional PID e os programas intermedi rios para interligar imagens layouts blocos e sinais externos Do ponto de vista do operador usu rio muito dif cil ver rapidamente as diferen as entre um instrumento virtual constitu do de programa e equipamento e um real que apenas equipamento O que se v na tela do computador n o d imediatamente um entendimento da filosofia de base Diferente de um hardware em que se p
375. ntrolador derivativo s produz uma sa da para varia es no erro Um sistema com grande erro constante n o produz sa da de um controlador derivativo O controlador derivativo deve sempre ser usado em combina o com outro tipo de controlador O controlador derivativo responde a varia es no erro para superar a in rcia do processo Alta frequ ncia compensa este controlador e sempre o usa em combina o com outros controladores Filtro passa Fig 4 25 Diferenciador pr tico gt Amp Op satura E 4 N E AEn a o 3 PNR E FR A O FR O E E t Amp Op satura Fig 4 26 Resposta do diferenciador pr tico 4 8 Controlador PID Paralelo Combinando os controladores proporcional integral e derivativo obt m o controlador PID Ele oferece r pida resposta proporcional ao erro enquanto tem um reset autom tico do modo integral para eliminar o erro residual A a o derivativa estabiliza o controlador e o permite responder rapidamente a varia es no erro O esquema de um controlador PID em paralelo mostrado na Fig 4 26 Como para os controladores integral e proporcional integral deve se adicionar um grande resistor em torno de Ci para compensar as correntes de polariza o ou usar um amp op com pequena corrente de polariza o O resistor derivativo limitante R3 deve ser mantido o menor poss vel e ainda garantir a estabilidade Isto ir simplificar a resposta do diferenciador Ass
376. ntrolador proporcional integral s rie mostrado na Fig 4 21 O amp op U1 o amplificador de erro realizando o c lculo Verro VSP VPV Este erro a entrada do controlador proporcional U2 Realmente somente um amplificador inversor Seu ganho a constante de proporcionalidade KP R Kp Duas coisas devem ser notadas A sa da de U2 invertida Este controlador proporcional n o tem desvio permanente A entrada para o integrador U3 a sa da do controlador proporcional KPVerro De acordo com a eq 5 13 1 v vidt YV Ro E ou v K fvidt Vo Substituindo vin KP Verro na eq 5 15 d v K KPY erro Jdt Vo v KpKi Verodt Vo O somador U4 realmente um amplificador diferencial Vo KpVerro KpKi Verrodt Vo A transformada de Laplace da eq 5 16 KpK Vo KpVerro S Verro A fun o de transfer ncia Vo Kps K V erro S Vo Ts 1 Kp Verro Tis onde Os engenheiros de projeto de controle especificam o controlador em termos de sua fun o de transfer ncia eq 5 18 Geralmente a constante de integra o KI dada em termos de repeti es por minuto KI tem unidade de inverso de segundo por segundo Para converter isto para repeti es por minuto deve se multiplicar por 60 s min O significado el trico de KI ilustrado na Fig 4 20 No tempo t1 h uma erro degrau que faz a parte proporcional do controlador gerar um
377. ntrole apropriada estabelece a realimenta o negativa pela defini o da dire o da resposta do controlador Finalmente o modo ou a a o de controle usado para classificar a resposta da sa da do controlador ao erro entre medi o e ponto de ajuste Os modos de controle s o respostas especificas a uma varia o na vari vel medida ou um sinal de erro A analise dos modos de controle e suas combina es mostrar o como melhorar a estabilidade a velocidade da resposta de malhas fechadas com realimenta o negativa O entendimento dos modos individuais em um controlador essencial para a aplica o bem sucedida de um controle a realimenta o negativa Os modos de controle envolvem liga desliga proporcional puro integral e derivativo Cada combina o poss vel representa um compromisso entre custo e desempenho Um controlador a realimenta o negativa deve ser ligado a uma malha fechada e deve se selecionar a a o adequada de controle direta ou inversa para estabelecer a realimenta o negativa Cumpridas estas premissas essenciais O controlador pode resolver o problema do controle pela procura de tentativa e erro de uma sa da que estabele a o balan o entre todas as influ ncias na vari vel controlada O controlador em uma malha a realimenta o negativa est em uma posi o dif cil For as imprevis veis podem influenciar a medi o e as caracter sticas din micas da malha podem atrasar e di
378. o 3 23 Malha de Controle por m os ajustes sempre devem permitir que a realimenta o negativa seja maior que a positiva dist rhins entradas sa das controlada medida Processo manipulada Controlador feedback Fig 3 16 Malha fechada com realimenta o negativa 4 3 Realimenta o Negativa A maioria das malhas fechadas de controle utiliza o princ pio de realimenta o negativa A realimenta o negativa estabiliza o processo diminuindo o seu ganho Didaticamente pode se distinguir cinco partes essenciais em um sistema de controle com malha de realimenta o negativa 1 o meio de medi o que pode ser o elemento sensor ou o transmissor com o elemento sensor Ele prove um sinal proporcional ao valor da vari vel 2 o mecanismo de compara o entre o valor da vari vel medida e o ponto de refer ncia estabelecido de modo arbitr rio manual ou remotamente 3 o controlador do processo que gera automaticamente um sinal anal gico que uma fun o matem tica do erro detectado diferen a entre medi o e ponto de ajuste 4 o elemento final de controle que manipula uma vari vel que influa na vari vel controlada recebendo o sinal da sa da do controlador 5 o processo que o motivo da exist ncia da malha de controle Outros instrumentos podem ser adicionados malha b sica de controle para otimizar o seu funcionamento Por exemplo pode se co
379. o Embora o processo seja cont nuo no tempo o controlador digital existe em um mundo discreto porque ele tem conhecimento das sa das do processo somente em pontos discretos no tempo quando s o obtidos os valores de amostragem Proporcional set point medi o a A o derivativa aplicado ao erro set point Integral b A o derivativa aplicada apenas medi o Derivativa medi o Fig 4 7 Controlador s rie real Em geral o controlador digital desempenha as seguintes tarefas 1 obt m um valor amostrado da sa da do processo 2 calcula o erro entre a medida e o ponto de refer ncia armazenado no computador 3 computa o valor apropriado para a entrada manipulada do processo 4 gera um sinal de sa da para o elemento final de controle 5 cont nua a mesma opera o com a pr xima vari vel controlada O tempo requerido para conseguir um novo n vel da vari vel manipulada tipicamente curto comparado com o tempo entre as amostragens Portanto pode se assumir que a entrada para o processo uma sequ ncia de valores constantes que variam instantaneamente no in cio de cada per odo de amostragem Deve se ter um algoritmo de controle para o calculo dos valores das vari veis manipuladas O prosaico algoritmo PID ainda utilizado Esta opera o discreta repetitiva e o per odo chamado de sample e hold A grande desvantagem do controlador digital a introd
380. o as seguintes composi o do destilado composi o do produto pesado temperatura das bandejas da coluna n vel do acumulador n vel do fundo da coluna Nem todas as vari veis podem ser controladas e manipuladas arbitrariamente Mesmo assim h dezenas de configura es pr ticas para o controle convencional da coluna de destila o pela combina o das diversas vari veis controladas e manipuladas Quando se acrescenta o controle preditivo antecipat rio o n mero de configura es aumenta pois h tamb m um grande n mero de vari veis de entrada que afetam as vari veis controladas e que podem ser medidas O controle preditivo antecipat rio mais simples aplicado a coluna de destila o mostrado Consiste na coloca o de 8 23 Controle Multivari vel uma multiplicador e de um compensador din mico O multiplicador permite que a vaz o da alimenta o da coluna modifique o ponto de ajuste do controlador de vaz o do destilado A vaz o do destilado ser ajustada de conformidade com a vaz o da alimenta o A coloca o do compensador din mico determina o timing correto da a o de controle No caso h um atraso no sinal de vaz o da alimenta o Quando h uma varia o na vaz o da entrada da coluna dever se alterar o ponto de ajuste da vaz o do destilado Por m a varia o na entrada ir demorar para afetar a vaz o do destilado e portanto a altera o do ponto de ajuste do
381. o cada vez mais frio e o aquecedor se liga Mesmo quando o erro cai abaixo de zero ponto f o controlador n o se desliga imediatamente Por causa da banda morta a sa da do controlador ir desligar somente ap s o erro cair abaixo de determinado erro negativo vai de g para b Com tal banda morta o erro nunca pode ser mantido a zero Em um m nimo o erro flutua entre ou E quando o controle sa da entre totalmente desligado para totalmente ligado de ligado desligado ligado desligado Para minimizar este erro residual distancia entre E e E deve se diminuir a banda morta Por m sem a banda morta uma pequena diminui o da PV faz o erro ficar positivo fazendo o controlador ligar Para processo com baixa capacidade de armazenar energia in rcia isto poderia aumentar o PV Qualquer pequeno aumento no PV torna o erro negativo imediatamente fazendo o controlador desligar Outro pequeno dist rbio diminui PV faz o ciclo recome ar A sa da ir oscilar rapidamente de modo que o atuador final ser atuado com muita frequ ncia podendo se danificar rapidamente 4 46 Controlador Sa da controlador AE 0 E Erro Fig 4 13 Curva de transfer ncia do controlador liga desliga mostrando histerese A banda morta diminui A histerese ou a banda morta necess ria para evitar uma oscila o de alta frequ ncia Deve se haver uma escolha da banda morta para ter um compromisso entre a amplitude
382. o como a secundaria Quando houver varia es na temperatura da jaqueta a corre o feita diretamente pelo controlador secund rio O CN pa Sa da Vapor Produto T N TE Condensado Fig 8 11 Controle de temperatura convencional O O nmm EN gt Sa da Vapor Produto T N TE Condensado Fig 8 12 Controle cascata temperatura press o 8 8 Controle Multivari vel 4 Controle de Faixa Dividida 4 1 Conceito O objetivo de estender ou dividir a faixa alterar a faixa normal de um elemento final da que ele disp e aumentando ou diminuindo a Este controle cnamado de split range Por exemplo em vez de a v lvula operar entre 20 e 100 kPa normal ela opera entre 20 e 60 kPa metade inferior ou entre 60 e 100 kPa metade superior O controle de faixa dividida ou de split range consiste de um nico controlador manipulando dois ou mais elementos finais de controle Neste controle mandat rio o uso do posicionador da v lvula Os posicionadores s o calibrados e ajustados e as a es das v lvulas s o escolhidas para que os elementos finais de controle sejam manipulados convenientemente Por exemplo uma v lvula pode operar de 0 a 50 do sinal e a outra de 50 a 100 do sinal de sa da do controlador 4 2 Aplica es Aquecimento e resfriamento A Fig 8 12 mostra um esquema de controle de temperatura para um p
383. o de energia de modo a controlar a vaz o ou tamb m para produzir uma queda de press o ajust vel A v lvula de controle possui v rios par metros conex es n mero de sedes formato do obturador tipos de opera o caracter sticas inerentes entre a vaz o e a abertura materiais 3 21 Malha de Controle Mesmo com a instrumenta o eletr nica o elemento final mais usado a v lvula com atuador pneum tico Fig 3 11 V lvula de controle com atuador pneum tico O posicionador um acess rio opcional da v lvula usado para apressar sua a o para linearizar o percurso da haste da v lvula para eliminar atritos no engaxetamento e para eliminar a histerese de abertura e fechamento da v lvula Por m mais importante saber quando o posicionador n o pode ser usado por quest o de instabilidade 3 Malha Aberta O sucesso ou o fracasso de qualquer sistema de controle se baseia no uso inteligente das informa es dispon veis do processo Sob o ponto de vista de configura o h dois tipos b sicos de malhas de controle a aberta e a fechada A malha aberta possui um princ pio e um fim diferentes entre si A malha fechada pode ser percorrida continuamente saindo se e chegando ao mesmo ponto A malha fechada pelo processo Fig 3 12 Malhas abertas passivas registro e indica o 3 1 Indica o e Registro Na pr tica a maior aplica o de malhas abertas em instrumenta o
384. o de modo que as varia es do ganho do processo n o ultrapassem o limite de ganho total 1 e FE FCV Fig 2 28 Malha de controle do processo vaz o com a placa de orif cio FE b transmissor d p cell FT c extrator de raiz quadrada FY A d controlador FC e transdutor i p FY B f v lvula de controle FCV nn A condi o de ganho total menor que 1 muito vaga e el stica pois 0 10 0 50 e 0 90 s o todos menores que 1 A diferen a que 0 10 est muito distante de 1 0 90 est muito pr ximo de 1 e 0 50 est a meio caminho de 1 Quando o sistema ajustado com ganho total igual a 0 10 ele est muito distante da oscila o e mas a sua qualidade de controle ruim O sistema pouco sens vel e corrige demoradamente os seus dist rbios 3 32 Malha de Controle Por outro lado se o ganho do controlador ajustado para que o ganho total seja igual a 0 90 o sistema ainda est vel por m pequenas varia es de ganho do processo podem provocar a oscila o no sistema Este sistema muito sens vel e r pido para responder e corrigir os erros provocados pelos dist rbios por m ele est muito pr ximo a oscila o Ent o no mundo ocidental crist o cartesiano e sim trico a tend ncia de se ter um ganho total de 0 50 que uma situa o de compromisso entre a estabilidade e a qualidade do controle do sistema Gy Ganho da V lvula Gy Ganho
385. o em s rie com os modos proporcional e integral Os modos s o interativos no dom nio do tempo mas s o n o interativos no dom nio da freq ncia O controlador s rie chamado de reale interativo por Shinskey A maioria dos controladores industriais anal gicos e digitais calculam inicialmente o modo derivativo antes do integral para reduzir o erro de pico O tempo derivativo equivalente do controlador paralelo n o pode mais ser maior do que 1 4 do tempo integral porque o tempo integral aumenta mais r pido que o tempo derivativo quando o tempo integral do controlador s rie aumentado Os ajustes dos modos do controlador paralelo equivalente podem ser calculados dos ajustes do controlador s rie atrav s das seguintes rela es BP I BP yi l Tel onde BP T e Tg s o os par metros do controlador paralelo BP Ti e Td s o os par metros do controlador s rie Ic uma constante definida como fator de integra o e vale matematicamente 1 ua c TA A banda proporcional e o tempo derivativo s o menores e o tempo integral maior para o controlador paralelo 2 3 Controlador Anal gico Historicamente at a d cada de 1970 foi usado principalmente o controlador anal gico pneum tico at a d cada de 1980 o controlador anal gico eletr nico e a partir da d cada de 1980 o controlador digital eletr nico O controlador anal gico usa sinais cont nuos para computar a sa da do c
386. o lado direito das eq 2 1 a 2 4 usado para obter a a o corretiva apropriada do controlador Por exemplo se o n vel x aumentasse o controlador agiria para diminuir a vaz o F de modo a restaurar o n vel em torno do valor desejado xo Fo representa o valor inicial da vaz o de entrada As unidades de a B e y para o processo de n vel de liquido mostrado na Fig 2 1 s o a vaz o em m s por erro em metro de n vel B vaz o de m s por m s de velocidade de n vel y vaz o em m s por segundo por erro em metro de n vel Uma an lise dimensional nas unidades de a Bey para o processo de n vel de liquido d o m s B m y m s As dimens es de x B ey dependem da aplica o particular do processo Por exemplo se o processo fosse controle de temperatura em vez de n vel de liquido as unidades de a seriam de kg de vapor por min por C na entrada ou talvez caloria por min por C na entrada Se o processo fosse controle de press o as unidades de a seriam kg de g s por min por Pascal na entrada 2 4 Efeito do atraso na linha da v lvula A Fig 2 2 mostra um desenho simplificado para um processo de n vel de liquido e um circuito controlador possuindo um atraso na se o entre o controlador e o elemento final de controle Este atraso est presente em circuitos de controle pneum tico porque h usualmente uma longa linha de transmiss o entre o controlador e a v lvula e o dia
387. o ligado ou desligado Vari veis de sa da discretas 1 luz ligada ou desliga 2 compressor ligado ou desligado 3 temporizador eliminador de gelo iniciado ou n o iniciado 4 aquecedor ou ventilador do eliminador de gelo ligado ou desligado 5 damper da geladeira aberto ou fechado eliminador de gelo EEEE PS ae LI ER detector de gelo temperatura do freezer damper do refrigerante porta temperatura da geladeira compressor l mpada tempo exnirado in cio temporizador Fig 2 Sistema de controle geladeira freezer H um total de 11 vari veis de dois estados Em princ pio h 2 2048 poss veis eventos ou estados Obviamente apenas alguns destes s o necess rios A sequ ncia de eventos a seguinte 1 Se a porta estiver aberta a luz deve acender 2 Se a temperatura da geladeira estiver alta e o eliminador de gelo estiver desligado o compressor ligado e o damper aberto at que a temperatura da geladeira caia 3 Se a temperatura do congelador estiver alta e o eliminador de gelo estiver desligado o compressor ligado at que a temperatura caia 4 Se o detector de gelo estiver ligado o temporizador iniciado o compressor desligado e o aquecedor ventilador de eliminador fica ligado durante um intervalo de tempo at que o tempo seja expirado O evento 1 pode ocorrer em paralelo com qualquer outro Os eventos 2 e 3 podem ocorr
388. o n vel no Tanque 2 em algum valor desejado Ap s aplicar lgebra na eg 1 5 at 1 8 obt m se a seguinte express o 2 2 x TE X2 a F Ra dt dt Ra 1 9 onde Jo C CoRoRy 1 10 Ji CR C Ry CoRy 1 10 A eq 1 9 a equa o final do processo para um sistema com duas capacidades do tipo mostrado na Fig 1 1 A adi o de uma segunda capacidade resulta em aumentar a ordem da equa o de primeira para segunda 1 5 Processo com tr s capacidades Como considera o final do processo seja o sistema com tr s capacidades Fig 1 3 As v rias quantidades s o identificadas na Tab 1 1 Um processo de tr s capacidades representativo de um sistema complexo para controlar A equa o que descreve tal processo ser uma equa o diferencial de terceira ordem Ela pode ser derivada seguindo se os procedimentos id nticos usados para se obter a equa o de processo para um sistema de uma e duas capacidades Assumindo um dist rbio ocorrendo no processo por uma varia o tipo degrau na altura da sa da x as vaz es entre os v rios vasos e a de sa da ser o as seguintes X X E sacra 1 11 i R a X2 X3 Foste ta 1 12 a Ra Rs X3 Xq msg 1 13 Q 7 1 13 dx _F F 1 14 dC dx F gt F3 1 15 d C dxs _ F3 Q 1 16 dE TG As eq 1 11 at 1 16 podem ser combinadas para se obter uma nica equa o em termos de qualquer um dos n veis do tanque x o n vel de sa
389. o necess rio Assim O per odo ajustado no temporizador AT deve ser muito longo Por m o tempo de amostragem deve ocorrer de duas a quatro vezes no per odo de subida da vari vel de processo Cada vari vel de processo deve ter tempos de amostragem t picos como mostrado na Tab 1 Um tempo de amostragem de 2a 1 s um compromisso t pico isso assume que o tempo de subida de 1 s ou mais Tab 6 1 Tempos de amostragem em controle de processo Tipo de vari vel Tempo de amostragem s Vaz o 1a3 N vel 5a10 Press o 1a5 Temperatura 10a 20 Quando se entra na malha principal deve se ressetar este temporizador Quando tudo vai bem o programa completa todo o seu processamento muito antes do temporizador desligar Ele ent o espera que o temporizador lhe mande um sinal Por m o processador deve ser capaz de detectar que o processamento emperrou ou est demorando demais Isto uma falha e deve ser anunciada ao operador e ao computador supervis rio O temporizador deve interromper o microprocessador quando ele desliga Se o programa n o retornou para a malha de espera quando ocorre esta interrup o a falha deve ser anunciada e um entra uma rotina de desligamento induzida pelo erro Fig 6 5 Fluxograma do programa do controlador 2 Entrada de dados O c digo preciso necess rio para entrar as vari veis de processo depende da t cnica de convers o conversor e microprocessador usados H v rias deci
390. o operador atua sobre o processo ou esta atua o realizada automaticamente pelo sistema de controle informando ao operador das a es realizadas Entre as aplica es t picas que os sistemas experts podem realizar se incluem o controle de n vel do fundo e a otimiza o do rendimento no destilado das colunas de distila o O beneficio que o sistema expert aporta planta a redu o dos tempos de parada e o que mais importante a diminui o da probabilidade de que o funcionamento anormal da planta conduza a situa es catastr ficas Embora seja dif cil prever o futuro os sistemas experts se desenvolver o mais ainda conduzindo a novas ferramentas e t cnicas que permitir o a simula o ampla dos processos industriais e a detec o inicial de problemas na qualidade de fabrica o dos produtos para assim corrigir em seu inicio estas situa es diminuindo os refugos e proporcionando uma ajuda muito til ao operador durante as paradas da planta ou em situa es transit rias de perda de controle Para este desenvolvimento ser o necess rias a colabora o de engenheiros de instrumenta o e de processo e a forma o da engenharia do conhecimento 7 Controlador Comercial 7 1 Conceito O controlador single loop resolve o algoritmo de controle para produzir uma nica sa da controlada O seu baixo custo permite que ele seja dedicado a uma nica malha O controlador single loop o instrumen
391. o para o computador 12 2 1 Entradas anal gicas 12 2 2 Entradas digitais 12 2 3 Informa o requerida pelo processo 13 2 4 Sa das anal gicas 13 2 5 Sa das Digitais 13 2 6 Circuitos de interface 14 2 7 Bus de entrada do computador 14 2 8 Bus de sa da do computador 16 2 9 Entrada Sa da do computador 17 2 10 Endere amento E S 17 2 11 Processamento de dados 18 m W 2 12 Computador no controle de processo 2 13 Programa o do computador 20 2 14 Programa o em linguagem de m quina20 Controle de Processo 2 15 Ciclo do computador 21 5 4 Processo com uma capacidade 28 2 16 Programando o compilador 21 5 5 Condi es de estabilidade 28 2 17 Programa o simb lica 22 5 6 Processo com atrasos 29 5 7 Controle integral 30 A Enfoque Matem tico a er ateo a equa o 2l 5 9 Efeito das a es integral e derivativa 31 1 Equa es do Processo 1 5 10 Outros casos 31 1 1 Introdu o 1 5 11 Conclus o 32 1 2 Equa es do processo 2 1 3 Processo com nica capacidade 2 1 4 N vel de liquido com 2 capacidades 3 1 5 Processo com tr s capacidades 4 1 6 Conclus o 5 2 Equa es do controlador 6 2 1 Introdu o 6 2 2 Circuito do controlador ideal 6 2 3 Modos de controle 6 2 4 Efeito do atraso na linha da v lvula 7 2 5 Equa o para o controlador PID 9 2 6 Atraso no circuito de medi o 9 2 7 Atrasos na medi o e na v lvula 10 2 8 Controlador PID 11 2 9 Conclus o 1
392. o ponto de ajuste a sa da do controlador se estabiliza Quando aparece algum erro a sa da do controlador ir tamb m variar para corrigir o erro Desse modo como a sa da do controlador est realimentada ao fole proporcional o fole ir atuar at conseguir uma nova estabiliza o entre a medi o o ponto de ajuste Por m desde que a medi o se afastou do ponto de ajuste ele volta a ficar igual ao ponto de ajuste por m n o igual ao valor anterior ajustado O controlador pneum tico proporcional possui os tr s foles de medi o de ponto de ajuste e de realimenta o negativa Para completar o balan o das for as exercidas por estes foles introduzida uma quarta for a fixa exercida por uma mola geralmente ajustada para fornecer uma for a equivalente a press o de 60 kPa 50 de 20a 100 kPa Como a for a da mola fixa s existe um ponto para a medi o ser igual ao ponto de ajuste que exatamente o ponto correspondente a 60 kPa Em todos os outros pontos o controlador consegue estabilizar o processo por m com a medi o diferente do ponto de ajuste Este o modo f sico de mostrar porque o controlador proporcional n o consegue eliminar o desvio permanente entre medi o e ponto de ajuste exceto quando ambos s o iguais a 60 kPa 3 4 Controlador Proporcional mais Integral Raramente se utiliza a a o integral isolada Em compensa o o controlador com as duas a es proporcional e
393. o positiva 1 o controle de temperatura de rea es exot rmicas onde a inclina o da curva de remo o do calor menor que a inclina o da curva de gera o de calor 2 o controle de concentra o de rea es biol gicas onde a inclina o da curva de dilui o menor que a inclina o da curva da gera o das c lulas 3 o controle de compressor din mico durante o surge quando a in rcia do rotor baixa No reator onde h uma rea o exot rmica tem se 1 aumento da temperatura da rea o Processo Industrial 2 aumento da velocidade da rea o 3 aumento da gera o de calor 4 aumento da temperatura da rea o lt perda do controle ponto de mudanca sob controle gt tempo Fig 2 19 Processo sem controle run away No controle de processo com realimenta o positiva pode se ter um fen meno interessante quando pode haver oscila o do sistema provocada por uma banda proporcional muito larga O comum ter banda proporcional muito estreita como causa de oscila o Quando a banda proporcional muito larga os pequenos dist rbios que aparecem n o s o corrigidos e podem se acumular e crescer at um determinado limite f sico ou os outros modos podem compensar excessivamente e desencadear uma oscila o inst vel O processo com realimenta o positiva opera melhor com as a es proporcional mais derivativa porque a a o integral necess ria
394. o processo esteja muito abaixo do ponto de ajuste SP o sistema est no ponto A e o atuador est ligado Enquanto o atuador estiver ligado a temperatura ir subir indo de A para B atrav s de F quando a sa da se desliga e cai para o ponto C A temperatura pode continuar subindo levemente at o ponto D antes de diminuir para o ponto E por causa da in rcia do processo Em E a sa da novamente fica ligada A temperatura pode continuar caindo levemente at o ponto G antes de subir para B repetindo o ciclo 3 A o Proporcional 3 1 Conceito A a o proporcional assim chamada porque a posi o do elemento final proporcional a amplitude do erro entre a medi o e o ponto de ajuste A a o proporcional a a o corretiva do controlador que proporcional ao valor do desvio entre a medi o e o ponto de ajuste E uma a o de controle cont nua anal gica uniforme A sa da do controlador proporcional a amplitude do erro grandes varia es do processo provocam grandes varia es no sinal de sa da do controlador proporcional que provocam grandes deslocamentos na abertura da v lvula de controle e pequenas varia es na medi o da vari vel controlada provocam pequenas varia es do sinal de controle e consequentemente pequenas varia es na abertura da v lvula No controle proporcional a v lvula de controle pode assumir qualquer valor intermedi rio entre O e 100 de abertura O controlad
395. o uma a o manual feita com o operador se baseando em indica es Assim os sensores representam a base e a parte mais cr tica da automa o do processo batelada reator agitado jaqueta jaqueta Fig 11 14 Reator com medi es da Temperatura da jaqueta TT1 Temperatura do reator TT2 N vel do reator LT Press o do reator PT Velocidade atrav s da corrente do motor IT Dor 020 Controle Batelada 4 2 Medi o das vari veis O cora o do processo batelada um reator Geralmente o reator revestimento internamente com vidro para suportar os agentes corrosivos equipamento com um agitador e possui uma jaqueta envolvente para aquecimento e resfriamento As vari veis medidas geralmente incluem a temperatura e press o no reator temperatura na jaqueta n vel do fluido dentro do reator Temperatura e n vel s o os mais importantes porque a agita o aquecimento e resfriamento press o atmosf rica s o as opera es mais frequentes no reator A velocidade do agitador as vaz es de entrada e sa da e as propriedades dos produtos da rea o pH densidade viscosidade cor s o detectadas para o controle eficiente do reator mas estas medi es n o s o essenciais para todas as opera es A Fig 11 14 mostra o reator com os principais sensores Temperatura Geralmente a medi o de temperatura n o dif cil O sensor mais usado o detector de temperatura a resi
396. o valor de regime Ele chamado de caracter stico porque depende do processo em si Como tipicamente a resposta da sa da exponencial atingindo o 100 do valor final teoricamente s no tempo infinito arbitrou se como tempo caracter stico o intervalo de tempo que a sa da atinge 63 do valor final da resposta Chega se a este valor tornando o tempo caracter stico igual a uma constante de tempo de modo que a resposta fica iguala 1 e 1 0 37 0 63 degrau entrada gt 0 E t g tempo Fig 2 15 Tempo morto tm e tempo caracter stico to O tempo caracter stico depende do produto de dois outros par metros din micos a resist ncia e a capacit ncia Por isso quanto maiores a resist ncia e a capacit ncia do processo maior o tempo de atraso da resposta do processo e mais lento o processo O tempo caracter stico deforma o sinal transformando o degrau em uma exponencial Quando maior o tempo caracter stico mais lentamente a subida da exponencial O tempo caracter stico o atraso f cil de ser compensado pela escolha e pelos ajustes dos modos do controlador Resist ncia A resist ncia a dificuldade que todo fluxo de material ou de energia encontra para se deslocar entre dois pontos do Processo Industrial sistema A resist ncia el trica o grau de dificuldade para a corrente el trica a viscosidade absoluta o grau de dificuldade para o escoamento do fluido a resist ncia
397. ocivos H muitas outras vantagens O controle autom tico possibilita a exist ncia de processos extremamente complexos imposs veis de existirem apenas com o controle manual Um processo industrial t pico envolve centenas e at milhares de sensores e de elementos finais de controle que devem ser operados e coordenados continuamente Como vantagens o instrumento de medi o e controle 1 n o fica aborrecido ou nervoso 2 n o fica distra do ou atra do por pessoas bonitas 3 n o assiste a um jogo de futebol na televis o nem o escuta pelo r dio 4 n o p ra para almo ar ou para ir ao banheiro n o fica cansado de trabalhar n o tem problemas emocionais n o abusa seu corpos ou sua mente n o tem sono n o folga do fim de semana ou feriado 10 n o sai de f rias 11 n o reivindica aumento de sal rio Por m o instrumento 1 sempre apresenta erro de medi o 2 opera adequadamente somente quando estiver nas condi es previstas pelo fabricante 3 requer calibra es peri dicas para se manter exato e as incertezas dos padr es de calibra o podem afetar suas medi es 4 requer manuten o preventiva ou corretiva para que sua precis o se mantenha dentro dos limites estabelecidos pelo fabricante e se essa manuten o n o for correta ele se degrada ao longo do tempo 5 prov vel que algum dia ele falhe e pela lei de Murphy esta falha geralmente acontece na pior hora po
398. oda vari vel lenta necessita da a o derivativa A lentid o da vari vel uma condi o necess ria mas n o suficiente para justificar a aplica o da a o derivativa E tamb m necess rio que haja varia o r pida da carga do processo lento para exigir a aplica o da a o derivativa O processo lento que sofre varia o lenta da carga n o necessita da a o derivativa Ali s a a o derivativa praticamente n o responde a pequenas rampas de erro A a o derivativa n o tem nenhum efeito no desvio permanente deixado pela a o proporcional N o se necessita usar a a o derivativa em processo r pido pois sua resposta j r pida e o uso da a o derivativa provocaria certamente oscila o no sistema N o se deve usar a o derivativa em processo com ru do pois ela amplifica o ru do O valor da a o derivativa fun o da quantidade de ru do Processos com pequenas constantes de tempo caracter sticos r pidos tendem a ter mais ru do desde que a atenua o do ru do pelo filtro e inversamente proporcional a constante do tempo caracter stico O controlador P D aplicado em processos que aceitam o desvio permanente e que possuam m ltiplas constantes de tempo A aplica o t pica o controle da guia da extremidade de papel onde se requer estabilidade e onde h o perigo da satura o do modo integral Ali s essa a regra utiliza se o controlador sem o modo integral e com
399. ode abrir a caixa e olhar dentro a arquitetura no software 6 20 Controlador Digital abstrata e n o imediatamente vis vel para um olho nu Fig 6 12 Controlador virtual na tela do monitor Para dar um exemplo quando se tem um computador pessoal com um circuito de aquisi o de dados embutido para um instrumentista ou operador de processo o instrumento pode funcionar como indicador registrador controlador ou chave de atua o A nica diferen a entre o instrumento convencional e o virtual o software e por isso tem se a id ia que o software o instrumento Atrav s do monitor de v deo teclado e mouse o operador pode fazer tudo no processo industrial que feito com o instrumento convencional como 1 alterar ponto de ajuste do controlador 2 passar de autom tico para manual e vice versa e em modo manual atuar diretamente no elemento final de controle 3 estabelecer pontos de alarme de m ximo e de m nimo 4 alterar os par metros da sintonia ganho tempo integral e tempo derivativo Adicionalmente como o instrumento dentro do computador possui muito mais recursos o operador pode 5 ver a curva de resposta do controlador para atestar o resultado da sintonia 6 ver a curva de tend ncia hist rica Controle de Concentrado EIC 506 108 A AIM Fig 6 11 Vista frontal de um controlador virtual Controlador virtual comercial Como visto o controlador um
400. odo de oscila o A aplica o do controle liga desliga em processo r pido implicaria em grande amplitude e curto per odo de oscila o que significa m qualidade de controle e acionamento frequente do elemento final de controle 3 a energia da entrada do sistema seja relativamente pequena quando comparada com a energia j existente no processo ou seja quando o processo tem grande capacidade e pequena demanda O controle liga desliga utilizado tipicamente em sistemas de ar condicionado sistema de refrigera o domestica e sistema de aquecimento quando a temperatura pode variar sem problemas para o sistema dentro de uma faixa e em torno de um valor de refer ncia O sistema de controle liga desliga tamb m utilizado em desligamento de seguran a shut down para a prote o de pessoal e equipamento durante as condi es anormais de processo Nestas 1 3 Sintonia do Controlador aplica es o controle liga desliga realizado atrav s de chaves acionadas pela temperatura term stato pela press o pressostato pelo n vel pela vaz o e pela posi o chaves fins de curso Atuador diferencial Liga Temperatura Desliga Fig 7 4 Fun o de transfer ncia do controlador liga desliga com histerese Outra representa o da curva de histerese fun o de transfer ncia do controlador liga desliga com histerese mostrada na Fig 7 4 Assumindo que a temperatura d
401. odos Os seus contatos podem ser normalmente abertos NA ou normalmente fechados NF Os contatos podem ser retentivos o estado permanece quando o acionamento retirado ou n o retentivo o estado volta condi o de repouso quando o acionamento retirado A chave liga desliga possui contatos retentivos e a chave botoeira possui contatos n o retentivos A chave limite ou fim de curso aquela que acionada quando um equipamento atinge determinada posi o e por isso usada para detectar os limites de movimentos f sicos dentro do sistema H chaves que s o atuadas automaticamente quando a vari vel de processo atinge um valor cr tico ajustado a priori Assim h chave acionada por temperatura termostato press o pressostato n vel e vaz o 9 13 Controle L gico Contato el trico normalmente aberto NA Contato el trico normalmente fechado NF Chave de vaz o normalmente aberta NA Chave de vaz o normalmente fechada NF Chave de n vel normalmente aberta NA Chave de n vel normalmente fechada NF Chave de press o normalmente aberta NA Chave de press o normalmente fechada NF Chave de temperatura normalmente aberta NA Chave de temperatura normalmente fechada NF Chave limite normalmente aberta NA Chave limite normalmente fechada NF L mpada de sinaliza o Buzina V lvula solen ide de
402. ogeneizado Isto um processo de primeira ordem exponencial Quando se tem um tempo morto muito grande muito dif cil se obter um controle bom e est vel com um controlador tradicional Para produzir uma varia o na sa da do processo o controlador move o atuador e monitora a sa da do processo para determinar o resultado Por m absolutamente nenhum efeito aparece por causa do tempo morto Assim o controlador pode acionar o atuador aumentando aumentando at que o tempo morto expire Ent o a sa da come a a responder de modo muito r pido O controlador come a a diminuir a a o no Processo Industrial atuador Mas por causa do tempo morto nenhum efeito sentido imediatamente E ent o o controlador diminui diminui e diminui A solu o colocar um microcomputador no controlador e modelar o processo nele Ele pode ent o antecipar o tempo morto temporizando varia es na sua sa da para produzir os resultados desejados assim que o tempo morto termine Entrada do Liquido Salda de mistura Fig 2 13 Sistema de mistura de composi o de um processo de primeira ordem e tempo morto Entrada Tempo Sa da Tm TETE Tempo Fig 2 14 Resposta normalizada de um elemento de primeira ordem mais tempo morto a um degrau 2 12 3 5 Tempo Caracter stico O tempo caracter stico ou constante de tempo o tempo em que o processo come a a responder aos dist rbios at atingir
403. oma se o segundo n mero a ser somado de outra fonte e armazena o em outro registro 3 alimenta a informa o destes registro em um somador bin rio 4 toma a sa da do somador bin rio e a armazena em algum lugar 5 verifica o indicador de excesso overflow para verificar se a sa da do somador bin rio tem significado pr tico a soma n o pode exceder a capacidade do computador Esta a sequ ncia de opera es no computador mais frequentemente realizada e para executa la deve se realizar muitos passos individuais De modo a programar o computador para fazer esta opera o simples deve se especificar claramente e em sequ ncia cada opera o a ser feita Isto constitui o programa do computador O programa do computador o mecanismo real atrav s do qual a sua opera o controlada Assim a decodifica o e execu o dos passos individuais do programa do computador a fun o da l gica de controle do computador 2 14 Programa o em linguagem de m quina Programar um computador digital controlar cada opera o que se realiza internamente no computador Os fabricantes de computador reduziram a quantidade de programa o necess ria combinando v rias rela es usadas frequentemente em uma nica etapa de modo que um nico comando possa iniciar uma sequ ncia de opera es mais simples e mais b sicas Por exemplo uma instru o especifica do programa pode causar uma palavra de dados
404. omando de sa da alta ou baixa Finalmente um estudo completo do equipamento tamb m deve incluir a natureza dos sinais eletr nico pneum tico hidr ulico Assim um motor pode ser ligado pela aplica o de uma tens o de 110 V ca sinal de baixa corrente para rel do starter do motor ou pode ser um sinal de 5 V cc tipo TTL para um starter eletr nico 3 3 Descri o da seq ncia de eventos Agora que os sub objetivos do processo e o equipamento necess rio foram definidos o trabalho resume em descrever como o equipamento ser manipulado para se obter o objetivo Uma sequ ncia de eventos deve ser descrita para direcionar o sistema atrav s das opera es para fornecer o resultado final desejado Descri es narrativas A especifica o da seq ncia de eventos come a com as descri es narrativas de quais eventos devem ocorrer 9 6 Controle L gico para se conseguir o objetivo Em muitos casos a primeira tentativa em especificar revela modifica es que devem ser feitas no equipamento como chaves limites adicionais Esta especifica o descreve em forma narrativa o que deve acontecer durante a opera o do processo Em sistemas que rodam continuamente h tipicamente uma fase de partida inicializa o e a fase de opera o No exemplo da Fig 7 a fase de partida usada para posicionar a esteira de alimenta o em uma posi o conhecida Esta inicializa o pode ser conseguida pela
405. omente por um per odo de 24 horas cada ano e separado do outro 27 de maio por 364 dias Durante o este per odo de 364 dias o dia 27 de maio n o existe ou n o tem efeito A aplica o mais comum da informa o digital no uso de computadores digitais que manipulam a l gica bin ria A informa o digital bin ria t o comum que o termo digital tem adquirido a conota o de digital bin ria Os computadores anal gicos agem diretamente nas quantidades anal gicas processando todos os dados ou informa o na forma anal gica e fornecendo as solu es em sua sa da diretamente na forma anal gica Para executar isso certas por es dos computadores anal gicos devem ser fiados a fun es de controle especificas e estas por es do computador n o podem ser usadas para qualquer outro objetivo sem modifica es na fia o Assim quando o sistema fica mais complexo a quantidade de equipamento requerido no computador aumenta na propor o direta da complexidade O computador anal gico n o tem capacidade de mem ria verdadeira sua capacidade limitada apenas ao processamento da informa o atual O computador digital s age diretamente na informa o digital faz todo o seu processamento da informa o s no formato digital e fornece a informa o em sua sa da s no formato digital Isto tem a desvantagem de que todas as quantidades anal gicas de entrada devem ser convertidas em digital antes de ser
406. omo geo 1 2 dt C Resolvendo a eq 1 1 para Q e substituindo este resultado na eq 1 2 e rearrajando tem se ak o 1 3 R dt R onde H R C 1 4 A eq 1 3 b sica para todos os processos de nica capacidade do tipo mostrado na Fig 1 1 Note que ela uma equa o diferencial de primeira ordem Ela foi derivada em termos das constantes de resist ncia e capacidade do processo da altura de sa da Xq que ser tratada como uma fonte de dist rbio ao sistema e da vaz o de entrada F Agora n o se est preocupado com o efeito das varia es na vaz o de entrada Mais tarde quando o controlador autom tico for inclu do ser visto que se pode escrever uma express o para F em termos do n vel x que ser selecionada como a vari vel a ser controlada 1 4 N vel de liquido com 2 capacidades Um processo de n vel de liquido com duas capacidades mostrado na Fig 1 2 As dimens es representadas pelos v rios s mbolos s o as mesmas da Tab 1 1 Os ndices identificam a localiza o das quantidades do processo vaz o resist ncia capacidade e n vel A inclus o de uma segunda capacidade resulta em uma equa o de processo mais complicada Por m o desenvolvimento da express o matem tica para este processo direta e pode ser seguida sem dificuldade E somente necess rio repetir os passos que foram seguidos na obten o da eq 1 3 para um processo de nica capacidade Referindo se ao processo
407. omputador como Controlador As voltagens dispon veis destes sensores de chaveamento variam muito e frequentemente devem ser filtradas e ter seu n vel ajustados antes de ser usadas pelo processador Normalmente o processador tamb m precisa saber al m o estado da chave tamb m do fato que a chave justamente mudou de posi o O reconhecimento imediato da mudan a de estado geralmente mais importante que o conhecimento do estado em si e chamado de capacidade de interrup o Frequentemente um equipamento como o teletipo padr o usado com pequenos computadores tem uma sa da digital serial Neste caso necess rio um conversor serial para paralelo na interface de entrada Este conversor consiste de um registro bin rio de deslocamento shift e sua l gica de controle Essencialmente quando cada bit recebido ele deslocado em um registro bit por bit at que todos os bits da palavra tenham sido recebidos A sa da do registro assim l a mesma informa o s que em paralelo O tipo final de sinal digital que o processador digital necessita para trabalhar similar ao seguindo em que a informa o est contida no valor instant nea da voltagem estado digital Ele inclu do em uma categoria separada devido aos circuitos de sincronismo e controle necess rios para manipular esta informa o Este tipo de sinal digital bem da mem ria de massa externa como fita magn tica disco ou tambor Tamb m es
408. onal e a a o integral a quantidade de vezes que a a o proporcional repetida na unidade de tempo S o dispon veis controladores com ajustes de a o integral repeti o por tempo e em tempo integral tempo por repeti o Dimensionalmente o correto para a a o integral deve ser o n mero de repeti es por unidade de tempo e para o tempo integral a unidade de tempo por repeti o ca da ma intearal denran nronorcinnal temna 5min t tempo integral Fig 7 14 Defini o de tempo integral 4 3 Caracter sticas Na sintonia do controlador comum a elimina o tempor ria do efeito da a o integral e portanto necess rio saber a priori como o ajuste do controlador Quando o ajuste da a o integral repeti o tempo elimina se completamente a a o integral do controlador ajustando se o tempo integral no valor m ximo idealmente igual a infinito Quando o ajuste da tempo integral tempo repeti o elimina se completamente a a o integral ajustando se o tempo integral no valor m nimo idealmente igual a zero Outro modo de se ver a a o integral est relacionado com a posi o da banda proporcional A a o integral desloca a banda proporcional quando a carga do processo ou o ponto de ajuste alterado de modo que o ponto de ajuste fique sempre no meio da banda No controlador proporcional s havia um nico ponto para a medi o ficar igu
409. onder a entrada e o resultado um erro permanente entre a sa da e a entrada 7 16 set point indicador i E am indicador 2 indicador Fig 7 22 Diagrama de blocos de controlador Proporcional Integral e Derivativo PID Fig 7 23 Controlador eletr nico anal gico com a es Proporcional Integral e Derivativa Outros circuitos s o poss veis alguns com menor quantidade de amp op 7 17 Tipo 1 O erro permanente de um sistema tipo 1 a uma entrada tipo degrau zero que o ideal O erro permanente devido a uma entrada tipo rampa com inclina o B se o sistema possui ganho K vale O aumento do ganho diminui o erro permanente Um sistema tipo 1 n o pode seguir uma acelera o na entrada pois o erro permanente tenderia para o limite natural do processo O sistema tipo 1 possui uma sa da que varia conforme a varia o da entrada mas ha um erro permanente constante entre a sa da e a entrada Tipo 2 O sistema tipo 2 possui erro permanente igual a zero para as entradas posi o e velocidade Se a entrada uma acelera o de valor C o erro permanente do sistema com ganho K vale Novamente o aumento do ganho diminui o erro O sistema tipo 2 tem uma sa da cuja acelera o a mesma da entrada mas diferente da entrada por um erro constante A partir do tipo do sistema pode se escolher o controlador mais conveniente Tab 7 2 Erro permanente e tipo do sistema
410. onitorizadas por sensores tendo uma sa da el trica S o as sa das el tricas destes sensores que ir o ser categorizadas por seus valores el tricos i e resist ncia vari vel milivoltagem capacit ncia Geralmente estas sa das el tricas caem em duas categorias anal gicas ou digitais Os sinais anal gicos podem ser subdivididos em v rios tipos resist ncia milivoltagem voltagem corrente 2 1 Entradas anal gicas As sa das de sensores tipo resist ncia vari vel s o geralmente alimentadas em alguma forma de um circuito ponte de Wheatstone e depois para um conversor A D Muitos medidores de temperatura for a e press o s o comumente convertidas em sinais el tricos do tipo resist ncia vari vel As sa das de sensores tipo voltagem s o alimentadas ou em alguma forma de um circuito ponte de Wheatstone milivoltagem ou atrav s de filtro ca ador de imped ncia ou divisor voltagem maiores e depois para um conversor A D Tipicamente algumas medi es de temperatura posi o for a e press o s o monitorizadas por sensores tendo sa das do tipo voltagem cc As sa das de sensores tipo corrente s o normalmente em um resistor de pequeno valor amostragem que converte a corrente em um pequeno sinal de voltagem que por sua vez manipulado como qualquer outra pequena voltagem Sinais de voltagem ca s o primeiro convertidos em n veis de voltagem cc e manipulados como qualquer outro sinal de voltage
411. onjunto com a a o proporcional constituindo tamb m de uma a o corretiva adicional A a o derivativa usada na minoria dos controladores porque o ajuste m nimo dispon vel maior que o requerido para a maioria das malhas Quando aparece um dist rbio no processo o controlador PID detecta o erro entre a medi o e o ponto de ajuste e atua no processo Relativamente a primeira a o a atuar a derivativa a segunda a proporcional e finalmente a ltima a a o integral A a o derivativa realizada no controlador atrav s de um atraso na realimenta o negativa Durante um intervalo de tempo ajust vel o controlador fica com o ganho elevado Por isso esta a o s aplicada em processo lento E tamb m f cil de entender que quanto maior o tempo derivativo maior a a o derivativa O ajuste da a o derivativa em valor muito grande pode provocar oscila o no processo pois o controlador fica muito tempo sem a realimenta o negativa Os componentes do circuito derivativo s o os mesmos do integral pois as fun es derivada e integral s o inversas uma da outra Apenas a posi o relativa dos elementos capacitivo e resistivo trocada Quando se estuda a estabilidade relativa do sistema de malha fechada de controle a adi o de zeros na fun o de transfer ncia d maior estabilidade ao sistema A adi o da a o derivativa significa colocar um zero na fun o de transfer nc
412. onstru da Ser aplicado agora um procedimento r pido para determinar se um sistema est vel ou inst vel Ser o consideradas equa es de terceira ordem ou de ordem superior pois os sistemas de primeira ou segunda ordem nunca tem a possibilidade de instabilidade desde que todos os coeficientes da equa o diferencial do sistema s o positivos 5 3 Crit rio de Routh Um m todo que f cil de aplicar conhecido como crit rio de Routh O m todo aplicado aos coeficientes das equa es diferencias do sistema e n o requer que estas equa es sejam resolvidas O m todo trata das rela es explicitas para o limite entre estabilidade e instabilidade diretamente em termos dos par metros do sistema Os par metros do sistema constantes consistem das resist ncias e capacidades do processo bem como dos ajustes do controlador de banda proporcional tempos integral e derivativo o B e y Usando se o crit rio de Routh n o necess rio achar as ra zes da equa o diferencial por m quando se quer dados mais completos sobre o grau de estabilidade necess rio achar estas ra zes Por equa es de terceira ordem ou superiores o trabalho envolvido em achar as ra zes e resolver a equa o diferencial se torne excessivo e em muitos casos desej vel investigar somente se o sistema est vel ou inst vel para um dado projeto Assim importante que o engenheiro de controle conhe a algum procedimen
413. ontrolador Testes feitos em controlador anal gico industrial eletr nico revelaram os seguintes resultados 1 a banda proporcional medida era de 0 a 25 maior que a marca o do dial 2 o tempo integral medido era cerca de 100 maior que a marca o do dial 3 o tempo derivativo marcado era cerca de 40 a 70 menor que a marca o do dial 4 o tempo integral medido n o se alterava com a varia o do ajuste do tempo derivativo Teoricamente para o controlador s rie o tempo integral deveria aumentar com o aumento do tempo derivativo 5 o tempo derivativo e a banda proporcional medidos obedeceram aproximadamente as equa es te ricas exceto que a varia o medida foi menor que a calculada para os ajustes grandes do dial 6 a sa da do controlador medida mostrou um pico sempre que um ajuste derivativo de qualquer valor era feito 7 O algoritmo te rico do controlador s rie prev somente um pico se o tempo derivativo fosse ajustado em valores maiores que 1 4 Ti 4 39 Controlador 2 4 Controlador Digital Hoje se vive em um mundo anal gico cercado por um universo de tecnologia digital O computador digital usado de modo intensivo e extensivo na instrumenta o no controle digital distribu do no controle l gico programado de processos repetitivos no controle a realimenta o negativa de uma nica malha single loop em computa o anal gica de medi o de vaz o na transmiss
414. ontrolador Digital Suas especifica es funcionais s o 1 sinais de entrada proporcionais qualquer combina o n o excedendo 4 anal gicas 4 a 20 mA 1a5 V voltagem de termopar ou resist ncia de RTD e 2 entradas de frequ ncia Todos os sinais de entrada s o convertidos e podem ser caracterizados em uma variedade de c lculos 2 cada controlador possui duas fun es de controle independentes que podem ser configuradas como um nico controladores dois controladores em cascata ou em sele o autom tica Os algoritmos padr o para cada controlador s o P PD PI PID e controle EXACTO 3 duas sa das anal gicas n o isolados e duas sa das discretas 4 outras fun es de controle como caracteriza o linearizadores portas l gicas condicionadores de sinal 5 alarmes 6 computa es matem ticas 7 alimenta o do transmissor de campo 8 mem ria para armazenar todos os par metros de configura o e opera o 9 filtros de entrada Butterworth 10 distribui o de sinais at 30 sinais para roteamento interno 7 8 Controlador Bailey O controlador Bailey tem capacidade de duas malhas dual loop para controle de uma grande variedade de vari veis O instrumento incorpora 1 display de plasma de g s para ponto de ajuste e sa da de controle 2 capacidade de armazenar at 75 c digos de fun es 3 n mero de entradas e sa das flex vel 4 esta o opcional de bypass da
415. ontrolador PID e sem atrasos no controlador no elemento de medi o e na v lvula vale d x dx o Ne Rn Ray x Xo dt Xq Xqgo 4 18 J2 C4C2RR M4 J R9B Ma 1 Rqa J4 C4C2RR x n vel controlado ou x2 Xq Xqo dist rbio degrau unit rio X xo desvio do ponto desejado ou do ponto de controle Controlador Fig 4 3 Processo com duas capacidade com controlador sistema de medi o e v lvulas ideais A 21 Enfoque Matem tico Esta equa o integral diferencial de segunda ordem efetivamente uma equa o diferencial de terceira ordem e requer 3 condi es iniciais e ou finais Estas s o Condi es iniciais em t 0 X X 0 4 18a dx 1 x dt RC Xqo 4 18 Condi o final 1 f x Xo dt RS Xgo 4 180 4 7 Processo com 3 capacidades A equa o para um processo controlado com 3 capacidades igual eq 4 18 exceto que o lado esquerdo contem o termo adicional dx ds 3 at onde J3 C4C2C3R2R3Rg e os valores de J1 e J2 s o os da eq 1 18 A condi o inicial adicional requerida emt 0 dx Ra R Xa X 4 18d q dt R C5Rs qo Como visto todas as solu es foram obtidas do mesmo modo Embora certas caracter sticas do comportamento do sistema possam ser determinadas das ra zes da equa o auxiliar como a eq 4 5 um quadro completo da solu o requer o conhecimento das condi es iniciais e fi
416. ontrole Batelada Monitora o A monitora o envolve a varredura cont nua de todas as vari veis temperatura press o vaz o n vel e an lise e condi es v lvula aberta ou fechada motor ligado ou desligado de processo Os valores destas vari veis e as condi es destes estados podem ser indicados A monitora o inclui tamb m um sistema de alarme para chamar a aten o do operador para condi es anormais e o sistema de intertravamento e desligamento para garantir a seguran a da planta No n vel de monitora o os dispositivos envolvidos s o as v lvulas motores bombas Os instrumentos incluem sensores transmissores indicadores registradores e atuadores O computador que monitora o processo periodicamente faz amostragem de todos os dados anal gicos e digitais de todos os instrumentos do processo Estas amostras de dados s o convertidas para unidades de engenharia e armazenadas no arquivo de dados central Verifica es de validade s o feitas na entrada dos dados para garantir que eles s o precisos e verifica es de exce o s o feitas para detectar alarmes e volta ao normal com mensagens apropriadas sendo mostradas no monitor ou impressas na impressora Assim que os dados atingem o arquivo central de dados ele condicionado para ser usado em n veis mais altos da hierarquia como em controle regulat rio A fun o de monitora o pode rodar sozinha como um sistema para aquisi
417. oporcional 2 8 Controlador PID Seja um controlador com tr s respostas contendo as a es proporcional mais integral mais derivativa O efeito das respostas adicionais alterar a eq 2 24 a express o que relaciona a entrada e a sa da do controlador como segue d po al Pm Pmo R Pm Pro dt T SER poo 2 27 Combinando a eq 2 27 com as eq 2 21 a 2 25 e usando a eq 2 27 em vez da eg 2 24 obt m se a equa o final d2F dF a x xo yf x xo dt B F 2 28 onde o abc B abcT y abcR A eq 2 28 geral para o caso de dois atrasos de tempo na se o de controle da malha Ela ser usada no pr ximo capitulo para obter as equa es do sistema de malha fechada Para usar a eq 2 28 em casos envolvendo somente um atraso deve se igualar um dos termos de atraso Tm ou Ty a zero Tamb m para usar a eq 2 28 para casos envolvendo um ou dois efeitos de controle necess rio igualar a constante do controlador omitida a zero Por exemplo se n o h a o integral y deve ser igual a zero Como consequ ncia a eq 2 28 uma express o geral para a parte de controle da malha para um controlador ideal e atrasos simples ou na A 11 Enfoque Matem tico se o de medi o ou na v lvula do circuito do controlador 2 9 Conclus o Foram desenvolvidas as equa es para a se o do controlador na malha para um controlador PID e um sistema envolvendo dois atrasos de tempo
418. or Isto d um controle mais eficiente e mais fino Fig 4 15 Curva de transfer ncia do controlador proporcional O controlador proporcional e descrito principalmente por sua banda proporcional A banda proporcional a varia o no erro como percentagem do erro total que far a sa da ir do 0 para 100 O esquema de um controlador proporcional dado na Fig 4 15 O amp op U1 produz o sinal de erro a partir de Vsp e Vpv O amp op U2 fornece a banda proporcional ou a banda proporcional U3 simplesmente um inversor para compensar a invers o dada por U2 O diodo zener limita a sa da positiva V3 e negativa 0 6 A equa o do circuito R R Vo R Verro Ro Vos Geralmente Rf Ros de modo que R Vo R Verro Vos Com erro zero Verro 0 e Rf Ros Vout Vos Pode se variar Vos para garantir sa da para erro zero Geralmente este valor registrado em 50 do fundo de escala de sa da A inclina o da curva de transfer ncia determinada pelo ganho ou banda proporcional dado pela rela o Ri R Se o eixo escalonado em volts Ri Vors Ri BPxVorors Sa da controlador aall Banda proporcional Fundo de escala do erro Sa da controlador O Banda proporcional Fundo de escala do erro Fig 4 16 Curva de transfer ncia para bandas proporcionais de 80 e 10 Matematicamente a sa da do controlador pode ser escrita como Vo E KpVerro onde Vou
419. or requer acesso para os dispositivos individuais do processo Sob o controle manual os estados do processo podem ser monitorados e os atuadores do processo v lvulas e motores podem ser operados manualmente Para evitar situa es perigosas de processo que poderiam prejudicar pessoas ou danificar equipamentos necess rio incluir medidas de seguran a A ultima linha de defesa inclui os equipamentos de seguran a do processo tais como v lvulas de al vio discos de ruptura Estes dispositivos devem estar sempre em opera o para proteger as pessoas de serem feridas ou mortas evitar que os equipamentos sejam danificados e impedir que o ambiente seja polu do 1 4 Controle Regulat rio O controle regulat rio envolve a detec o e medi o das vari veis anal gicas do processo As vari veis b sicas do controle regulat rio s o vaz o press o temperatura n vel e an lise O sistema de controle regula estas vari veis por meio do controlador b sico PID proporcional integral e derivativo Um exemplo de controle regulat rio manter a temperatura da sopa constante e igual a 80 G O controle regulat rio pode tamb m envolver a mudan a da vari vel do processo ou altera o do ponto de ajuste de alguma vari vel em fun o de curvas predefinidas do tempo Por exemplo a temperatura da sopa deve ser aumentada gradualmente para evitar que os ingredientes grudem no fundo da panela e quando atinge o v
420. or com o ponto de ajuste manual possui um bot o na parte frontal facilmente acess vel ao operador de processo para que ele possa estabelecer manualmente o valor do ponto de refer ncia Quando o operador aciona o bot o ele posiciona o ponteiro do ponto de ajuste na escala e gera um sinal de mesma natureza que o sinal da medi o O controlador com o ponto de ajuste remoto n o possui nenhum bot o na parte frontal O sinal correspondente ao ponto de ajuste entra na parte traseira do controlador e indicado na escala principal O sinal pode ser proveniente da sa da de outro controlador ou de uma esta o manual de controle O controlador com os pontos de ajuste remoto e local possui um bot o para o operador estabelecer manualmente o ponto de ajuste e recebe o ponto de ajuste remoto Ambos os sinais s o indicados na escala principal O controlador possui tamb m a chave seletora R L remoto local do ponto de ajuste E fundamental que a medi o e o ponto de ajuste sejam de mesma natureza ambos pneum ticos mec nicos de corrente ou de tens o el trica para que seja poss vel a compara o e subtra o entre eles O ponto de ajuste e a medi o s o indicados na mesma escala principal do controlador e a posi o relativa dos ponteiros fornece o valor do erro entre os dois sinais 1 3 Esta o Manual A maioria dos controladores possui a esta o manual de controle integralizada ao seu circuito Sob o ponto de
421. or conseguido por um microprocessador ou microcomputador Um sensor de posi o potenci metro codificador ptico detector ultra s nico monitora a posi o de cada grau de liberdade e transmite esta informa o a um circuito de interface Neste circuito a posi o convertida para um formato digital adequado ao computador Conhecendo se as posi es atual e anterior da pe a o computador determina a velocidade e acelera o As equa es de controle dentro do programa do computador usam estas informa es e os dados da posi o desejada para calcular a sa da apropriada Esta sa da n mero digital convertida por uma segunda interface para uma tens o necess ria ou um pulso para acionar o atuador do determinado grau de liberdade Os atuadores podem ser motores de passo motores de corrente cont nua motores hidr ulicos ou cilindros Estas s ries de leituras c lculos convers es e corre es ocorrem em milhares de vezes por segundo para todos os graus de liberdade do robot 1 7 Controle do Processo 5 Sistemas de Controle 5 1 Introdu o O outro tipo de controle al m do servomecanismo o de processo No controle de processo as vari veis envolvidas s o a temperatura press o vaz o n vel for a pH composi o umidade viscosidade e densidade O objetivo principal de um sistema de controle de processo regular uma ou mais destas vari veis mantendo as em valores constant
422. or pode emitir uma infinidade de sinais diferentes para a v lvula de controle 0 Banda larga 100 Temperatura Banda estreita Fig 7 5 Banda proporcional larga e estreita 14 Sintonia do Controlador 3 2 Rela o Matem tica Matematicamente a sa da do controlador proporcional puro com apenas a a o de controle proporcional vale s S K e ou 100 S S e BP pois K 100 BP onde s a sa da instant nea do controlador So a sa da particular do controlador quando o erro zero ou seja quando a medi o igual ao ponto de ajuste K o ganho do controlador e o erro entre a medi o e o ponto de ajuste BP a banda proporcional do controlador A sa da proporcional constante e igual a cy quando o erro zero Esse valor da sa da do controlador quando a medi o igual ao ponto de ajuste chamado de polariza o do controlador Geralmente est a 50 da faixa de sa da do controlador Quando pneum tico a sa da de polariza o vale 9 psig 60 kPa Se eletr nico e de corrente a sa da do controlador proporcional vale 12 mA cc se eletr nico e de tens o de 0a 10 V cc o valor de polariza o de 5V indicador set point Aa ealAa indicador e dn SP vari vel canenr circuito prop sa da ganho indicador da vari vel Fig 7 6 Diagrama de blocos do controlador proporcional A velocidade de varia o da s
423. ores com realimenta o negativa com a sa da do controlador prim rio mestre estabelecendo o ponto de ajuste vari vel do controle secund rio escravo A sa da do controlador secund rio vai para a v lvula ou o elemento final de controle O controle cascata constitu do de dois controladores normais e uma nica v lvula de controle formando duas malhas fechadas S til desdobrar uma malha comum no sistema cascata quando for poss vel se dispor de uma vari vel intermedi ria conveniente mais r pida A Fig 8 7 um diagrama de blocos do conceito de controle de cascata mostrando as medi es primaria e secundaria o ponto de ajuste do prim rio estabelecido manualmente e o ponto de ajuste do secund rio estabelecido pela sa da do controlador prim rio Elemento final de controle PROCESSO Controlador secund rio ponto de ainste Controlador prim rio Medi o da vari vel ponto de secund ria Medi o da vari vel prim ria ainste Fig 8 7 Diagrama de blocos do controle cascata A caracter stica principal do controle cascata a sa da do controlador prim rio ser o ponto de ajuste do secund rio O 8 4 Controle Multivari vel controlador prim rio cascateia o secund rio A Fig 8 8 um exemplo de um controle convencional de temperatura envolvendo uma nica malha Na Fig 8 9 tem se controle de cascata E interessante notar como um esquema simples pode
424. ormalmente para acionar algum equipamento eletromec nico tal como uma servo v lvula ou damper Estas sa das podem necessitar de amplifica o de pot ncia e deslocamento do n vel al m da convers o D A Outras sa das anal gicas ser o usadas para entrar diretamente em sistemas anal gicos de controle ou computadores que s o supervisionados por controladores prim rios de processo 2 5 Sa das Digitais Geralmente a informa o requerida pelo processo ser usada para controlar diretamente alguma vari vel do processo ser armazenada por um perif rico digital ou para indicar para o operador o status corrente de vari veis criticas do processo Em todos os casos por m o computador em si requerido somente para gerar uma sa da em voltagem digital em formato serial ou paralelo Todas as outras convers es necess rias ser o executadas pelo circuito de interface de sa da do computador As sa das digitais do controlador podem consistir de trem de pulsos serial modulado em frequ ncia palavras digitais paralelas ou bits individuais de informa o Os trens de pulsos modulados 11 13 Computador como Controlador em frequ ncia podem ser usados para acionar motores de passo digitais ou para fornecer a entrada para equipamentos de dados seriais como impressoras de teletipo Os bits individuais bin rios de informa o podem ser usados para controlar o estado de reles intertravamentos alarmes ou indi
425. os pela varia o dos tamanhos dos vasos e das restri es ou resist ncias vaz o Note que h uma grande intera o das resist ncias e capacidades e que estes coeficientes n o s o simplesmente derivados N o poss vel alterar um coeficiente sem afetar outro Na an lise de sistemas ser encontrado que o valor relativo de v rios coeficientes o fator importante que determina a caracter stica do sistema Isto ser tratado em mais detalhe quando se incluir o controlador autom tico no sistema 1 6 Conclus o Foi mostrado um procedimento para se obter a equa o do processo que o sistema f sico em si e pode ser alterado para obter o melhor desempenho do controle O m todo seguido simples direto e com um significado tang vel O pr ximo passo incluir o controlador autom tico no sistema f sico O controlador autom tico incluir 1 o elemento sensor 2 as linhas de transmiss o de sinal 3 o elemento final de controle que regula a vaz o de entrada do processo A5 Enfoque Matem tico 2 Equa es do controlador O segundo passo para descrever matematicamente um sistema de controle com malha fechada o desenvolvimento da express o matem tica para o sistema de controle incluindo o elemento de medi o o controlador o elemento final de controle e as linhas de transmiss o Isto feito para um controlador PID As descri es claras das constantes do sistema s o importantes
426. os sistema s de controle s o ainda constru dos tendo como base as a es PID Um controlador um equipamento que n o pensa suas respostas devem estar previstas e embutidas em seus circuitos E fun o do projetista selecionar as respostas apropriadas para cada aplica o diferente Quando se especifica a combina o errada dos modos de controle pode se ter um pobre desempenho do sistema um aumento da complexidade da sintonia e um aumento desnecess rio do custo Embora exista uma infinidade de processos com diferentes graus de dificuldade de controle as tr s a es de controle proporcional integral e derivativa aplicadas isolada ou combinadamente permitem o controle da maioria dos processos de modo satisfat rio Numa grande ind stria petroqu mica t pica em cerca de 1 000 malhas de controle tem se a propor o de controladores mostrada na Tab 1 Tab 7 1 Frequ ncia das a es de controle A es Percentagem P l 60 P 25 P l D 14 On Off 0 5 N o linear 0 5 Pela an lise da tabela percebe se que a quase totalidade dos controladores possui o modo proporcional a maioria possui o modo integral e a minoria possui o modo derivativo N o foram computadas as malhas de controle liga desliga on off executado por chaves mas apenas o controle executado por controladores O algoritmo de controle proporcional integral e derivativo PID foi desenvolvido no in cio da implanta o do control
427. osta muito mais r pida aos degraus de erro do que o controlador proporcional pode dar Esta corre o da in rcia fornecida pelo controlador derivativo Combinando um controlador derivativo com um proporcional integral obt m o controlador padr o industrial de tr s modos ou o controlador PID 4 7 Controlador Derivativo A sa da do controlador derivativo proporcional taxa de varia o do erro dv v K erro o D dt A transformada de Laplace da eq 5 19 d Vo KpSVerro para a fun o de transfer ncia Vo erro A Fig 4 23 ilustra a resposta de um controlador derivativo Um degrau no erro no tempo a tem uma inclina o aproximadamente infinita dverro dt Isto leva a sa da do controlador para a satura o Entre os tempos aeb bec eef oerro constante embora diferente de zero A derivada ou inclina o do erro zero de modo que a sa da do controlador durante estes intervalos tamb m zero Um aumento constante no erro tem uma inclina o constante produzindo uma sa da constante tempo c a d Aumentando a inclina o do erro aumenta a magnitude da sa da tempo d a e Um aumento no erro tem uma inclina o negativa que produz uma sa da negativa tempo f a 9 Kps 4 53 Controlador x T Sa da do Controlador piar ES En PR DS E PC O e a E E 5 10 15 20 0 t s Fig 4 23 Rela o entrada sa da de um controlador derivativo A Fig 4 23
428. ou intertravamentos ou ambos Todos instrumentos devem ser projetados para as 10 27 Controle Batelada condi es de seguran a em falha ou seja em caso de falha no processo os instrumentos v o para a condi o segura Os intertravamentos fazem parte de qualquer sistema de automa o de processo mas em planta de processo batelada eles s o mais importantes E importante entender se um intertravamento espec fico projetado para seguran a ou para opera o Por exemplo o desligamento de uma bomba por causa de alta press o por raz o operacional e n o por causa de seguran a Por m o fechamento do vapor de uma jaqueta quando a temperatura sobe um intertravamento de seguran a e n o operacional Os intertravamentos de seguran a devem ser implementados independentemente do sistema de controle regulat rio do processo Isto significa que em caso de SDCD ou CLP o controle da opera o do processo que possui intertravamentos configurado em linguagem de batelada e o intertravamento de seguran a em ladder No caso do CLP o painel de opera o deve ter alimenta o independente do sistema de intertravamento de seguran a As regras estritas devem estabelecer como e quando um intertravamento de seguran a pode ser alterado acessado ou mantido Desativar ou bypassar um intertravamento de seguran a deve ser propositadamente dif cil de ser feito Todas as regras de seguran a para os processo co
429. outras provid ncias adicionais para se eliminar a satura o do controlador O arranjo preferencial adicionar uma realimenta o externa ao modo integral do controlador A realimenta o externa substitui o circuito de limita o da sa da Nos controladores eletr nicos modernos que utilizam circuitos integrados para os amplificadores operacionais a realimenta o externa passa por um amplificador operacional e o circuito contem potenci metros que ajustam o valor de atua o onde deve ser limitada a sa da do controlador Mesmo com a op o de realimenta o externa ao modo integral ainda poss vel a op o de limita o superior e inferior do sinal de sa da do controlador prevalecendo o de menor valor Por isso deve se tomar cuidado nos ajuste do valor batelada m ximo e m nimo para que se possam usar os m ximos recursos do controlador Os ajustes mal feitos de uma op o podem bloquear a atua o da outra op o Finalmente porque a mais complexa e a de mais recursos h a configura o utilizando se a chave batelada com ajuste adicional de precarga Como essa situa o muito frequente j s o dispon veis controladores tipo batelada que incorporam em seu circuito a unidade batelada Al m de evitar a satura o do modo integral o controlador batelada torna poss vel a partida autom tica do processo sem ultrapassagem do ponto de ajuste pela medi o A chave batelada possui ajustes ajust
430. ovamente o controle 8 2 Exemplos O conceito de controle seletivo ou auto seletor explicado pelo exemplo na Fig 08 que mostra um tanque cujo n vel controlado pela modula o da v lvula de controle na linha de dreno de sa da A vaz o do dreno do tanque controlada usando se a mesma v lvula H duas exig ncias do processo 1 em opera o normal o tanque esvaziado com uma vaz o constante estabelecida no controlador de vaz o Vaz o muito elevada considerada critica 2 o n vel muito baixo considerado uma situa o critica que deve ser evitada Quando o n vel ficar muito baixo o controlador de n vel entra automaticamente em a o e substitui o controlador da vaz o Quando a vaz o tender a aumentar o controlador de vaz o est em a o e tamb m corta o excesso de vaz o Sempre a v lvula toma a posi o menos aberta dos comandos dos dois controladores A escolha de qual controlador deve assumir o controle feita automaticamente por um rel seletor que faz uma transi o suave de um sinal de entrada para outro A fun o seletora deste rel pode ser incorporada ao circuito do controlador Note que esta configura o totalmente diferente do controle de cascata No controle de cascata n vel cascateando a vaz o o ponto de ajuste do controlador de vaz o estabelecido automaticamente pelo controlador de n vel Assim quando o n vel diminui a sa da do controlador tamb
431. pa uma varia o exponencial pr xima a um degrau Assim analogamente ao circuito eletr nico tamb m com componentes pneum ticos se faz a deriva o pr tica fazendo se a integra o na realimenta o do sinal obtendo se a fun o inversa da integral que a derivada 1 10 Unidade de Controle Autom tico a unidade principal do controlador O projeto da unidade de controle autom tico se baseia no cl ssico princ pio de balan o de for as A unidade constitu da de um disco circular e fluente onde est o aplicadas quatro for as exercidas atrav s de quatro foles 1 fole de medi o recebendo o sinal de medi o j modificado pela a o derivativa quando o controlador possui essa a o 2 fole do ponto de ajuste em oposi o ao fole de medi o Recebe o sinal gerado localmente ou o sinal remoto dependendo da sele o da chave REMOTO LOCAL 3 fole integral que recebe o sinal de sa da do controlador atrav s de uma restri o Ele realimenta positivamente o sinal de sa da da unidade 4 fole proporcional ou de realimenta o negativa recebe livremente o sinal de sa da da unidade de controle autom tico Sua for a se op e for a do fole integral Todas as for as exercidas pelos foles multiplicadas pelas distancias ao fulcro de apoio devem se anular para manter o disco flutuante em equil brio est vel O disco flutuante age como a palheta conjugada ao bico para gerar o sin
432. pacit ncia 4 Apresentar os tipos de processo auto regulante integrante e runaway 5 Mostrar sistemas de v rias ordens 1 Processo Industrial 1 1 Conceito Qualquer estudo de controle de processo deve come ar investigando o conceito de processo Do ponto de vista de produ o o processo geralmente tomado como o lugar onde os materiais e a energia se juntam para fazer um produto desejado Do ponto de vista de controle o processo identificado como tendo uma ou mais vari veis associadas a ele e que s o importantes o suficiente para que seus valores sejam conhecidos e controlados pelo processo Qualquer opera o ou s rie de opera es que produza o resultado final desejado considerada um processo Geralmente o processo consiste na modifica o das mat rias primas colocadas na sua entrada nos produtos finais obtidos em sua sa da atrav s do suprimento de energia durante um determinado per odo de tempo O processo pode envolver uma opera o mec nica um circuito el trico uma rea o qu mica ou uma combina o desses eventos No presente trabalho o conceito de processo poder ter significados muitos diferentes Poder ser considerada como processo uma simples malha de controle bem como um complexo sistema de controle com computador digital Na pr tica tem se processo dentro de processo Por exemplo uma planta de fertilizantes pode ser considerada na sua totalidade como um proc
433. po dos v rios controladores dispon veis pode ser usado com sucesso Nestas aplica es outros fatores al m da habilidade de executar o controle adequado podem ser considerados para se tomar a decis o final Em muitas destas aplica es a flexibilidade do computador digitais em executar outras fun es al m do controle de processo um fator decisivo Fig 3 Computador aplicado a controle de processo 1 6 Tipos de computadores digitais H v rios tipos b sicos de computadores digitais Embora todos sejam computadores digitais bin rios cada tipo tem caracter sticas de projeto que otimizam algum fator para uma aplica o especifica O projeto b sico da estrutura interna dos computadores digitais a sua arquitetura Este termo usado para descrever a filosofia b sica de manipula o e processamento de dados em torno dos quais o computador projetado e constru do Por exemplo um computador pode ser projetado para trabalhar com um n mero muito grande de n meros e solu es de f rmulas complicados Sua arquitetura deveria ser baseada na otimiza o de suas habilidades computacionais isto seria um t pico projeto de computador cientifico apropriado para aplica es acad micas e de pesquisa e desenvolvimento Outro computador pode ser projetado para processar grandes volumes de informa o de v rias fontes principalmente recompondo esta informa o enquanto executando c lculos relativam
434. pode ser muito alta sob pena de se queimar o motor a press o de descarga que n o pode ser muito elevada Se a press o da descarga subir muito a vaz o ap s a v lvula pode aumentar demais e ficar pulsante e descont nua O sistema de controle auto seletor para o compressor constitu do de 1 o transmissor e o controlador de press o de suc o de a o direta o transmissor de temperatura ou corrente el trica proporcional a carga do motor el trico com controlador de a o inversa o transmissor e o controlador da press o de descarga com a o inversa o gerador de rampa para a partida suave do sistema O sinal gerador manualmente deve ser da mesma natureza que os sinais de sa da dos controladores succ o o seletor de sinais no caso seletor do sinal m nimo Quando o equipamento pneum tico necess rio se utilizar de v rios reles pois o rel pneum tico s pode receber dois sinais simult neos nas entradas a v lvula de controle com a o ar para abrir como os controladores possuem a a o integral e para impedir que os modos integrais saturem todos os controladores devem possuir a op o extra de realimenta o externa ao modo integral O sinal da sa da do rel seletor que vai para o elemento final de controle deve ser realimentado externamente a todos os controladores Fig 09 Controle auto seletor de compressor escarada descaraa Fig 8 22
435. pode ser feito de modo matem tico ou experimental Os fabricantes normalmente fornecem esta informa o 2 7 Efeito dos atrasos na medi o e na v lvula O ltimo passo no desenvolvimento das equa es para a se o de controle do sistema a considera o de atrasos nos dois lados do controlador Fig 2 5 O controlador ser tratado como ideal porque usualmente o atraso do controlador desprez vel quando comparado com os atrasos nas outras partes da malha O sistema a ser estudado agora contem dois atrasos e espera se que o resultado seja uma equa o diferencial de segunda ordem Considerando apenas o controle proporcional de modo a evitar express es muitos compridas pode se escrever a seguinte equa o para as se es de medi o e da v lvula da malha respectivamente d m Tm Px Pm 2 21 d Ty Ey Pe Pv 2 22 A eq 2 22 id ntica eq 2 13 para a se o da v lvula da malha A eq 2 21 obtida seguindo se o procedimento usado para se obter a eq 2 10 A press o py no elemento de medi o diretamente proporcional altera o na vari vel de controle x xo portanto Px C X Xo Pxo onde c apenas um fator de convers o para dar uma express o para px em unidades pneum ticas tal como kPa ou psi para um processo de n vel de liquido c tem as dimens es de kPa por metro Os termos xo px representam os valores iniciais do n vel e da press o medidos
436. pre que o sinal de medi o e o sinal de atua o passam por cada 2 10 componente da malha eles podem sofrer altera es na magnitude e sofrer atrasos ou avan os Cada componente possui um ganho que altera o seu valor e um atraso que altera o ngulo de fase A exist ncia de atrasos no processo tem um efeito fundamental no desempenho da malha de realimenta o negativa Sem entender as causas destes atrasos imposs vel avaliar que modos de controle proporcional integral derivativo s o necess rios ou se o controle de realimenta o negativa ter sucesso em determinada aplica o H tr s tipos b sicos de tempos de atraso envolvidos no processo a in rcia O tempo morto e o tempo caracter stico 3 3 In rcia Nos sistemas mec nicos envolvendo componentes moveis e na medi o de vaz o com fluidos acelerados e desacelerados os efeitos da in rcia s o importantes e devem ser considerados Os efeitos inerciais est o matematicamente relacionados pela segunda lei de Newton e relacionam a for a F a massa m e a acelera o a F ma 3 4 Tempo Morto O tempo morto chamado de tempo de transporte ou atraso de transporte O tempo morto invariavelmente ocorre quando se tem o transporte ou a transfer ncia de massa de energia ou de informa o entre dois pontos do sistema Este atraso depende essencialmente da dist ncia L entre os pontos e da velocidade v com que feita a transfer ncia Quanto
437. primeiro computador digital para controle de processo batelada O computador que continha um controle de sequ ncia codificada foi usado principalmente para aplica o de processo batelada em que os diferentes produtos eram distinguidos por um conjunto diferente de par metros que podiam ser ajustados pelo operador O controle cont nuo PID era implementado no computador como controle digital direto com reserva de controladores convencionais Em caso de falha do computador o operador podia atuar manualmente atrav s dos controladores anal gicos de reserva As esta es de opera o eram pobres e forneciam pouco conhecimento do processo ao operador O operador ainda usava e confiava nos instrumentos do painel convencional Um dos primeiros sistemas usados na Europa 1969 foi em uma planta de poli ster usando um sistema Ferranti Argus 400 com um sistema operacional de tempo real propriet rio A instrumenta o reserva era a eletr nica convencional da Foxboro Na d cada de 1970 foi usado o computador Honeywell H316 com sistema operacional de tempo real para controle sequencial Na d cada de 1980 apareceram os computadores dedicados oferecidos como Sistema Digital de Controle Distribu do Um dos primeiros produtos no mercado foi o Provox Batch da Fisher Em 1983 a Foxboro apresentava seu produto Easybatch rodando em seus computadores program veis Fox 300 e Fox 1 A Atualmente na d cada de 1990 a maioria dos grande
438. problemas A banda proporcional ajustada no valor t pico de 100 de modo que a sa da do controlador varia de 20 a 100 kPa quando a sa da do transmissor de n vel varia de 20 a 100 kPa 7 4 Temperatura N o h malha de controle de temperatura t pica A temperatura outra vari vel como o n vel que apresenta diferentes graus de dificuldade de controle Os problemas do controle de temperatura se referem a transfer ncia de calor como a radia o a condu o e a convec o A vari vel temperatura est associada ao tempo morto o par metro de dif cil controle Ela caracterizada por pequena velocidade de rea o e por diferentes capacidades embora o mais frequente seja sistema de temperatura com grande capacidade A temperatura usualmente lenta por causa dos atrasos do sensor e dos atrasos da transfer ncia de calor A coloca o do elemento sensor de temperatura em lugar estagnado e de baixa velocidade imprest vel Os processos de temperatura com grande capacidade pequeno atraso de transfer ncia e pequeno tempo morto podem ser controlador com os modos liga desliga Os fornos el tricos os fornos de tubos radiantes as fornalhas com chama aberta os banhos de temperatura s o exemplos t picos de sistemas que podem ser controlados satisfatoriamente com o controlador liga desliga Como refinamento pode se aplicar o controle liga desliga com intervalo diferencial ou ainda o controle com tr s
439. processo com uma nica capacidade Felizmente este tipo encontrado na pr tica e portanto representativo para se estudar Um sistema de n vel de liquido de uma capacidade mostrado na Fig 1 1 As dimens es das v rias quantidades est o mostradas na Tab 1 1 Tab 1 1 S mbolos e Dimensores para o Processo S mbolo Dimens o N vel xX m Vaz o FeQ m3 min Capacit ncia C m3 m Resist ncia R m mS min Tempo t min A capacidade de um tanque sim trico calculada como segue C volume do vaso altura A resist ncia vaz o atrav s de uma restri o tal como a resist ncia de sa da do tanque da Fig 1 1 a seguinte R 1 1 Isto simplesmente a lei de Ohm para a vaz o Fig 1 1 Processo de n vel de l quido com nica capacidade A 2 Enfoque Matem tico A equa o descrevendo um processo de n vel de liquido com uma nica capacidade pode ser obtida escrevendo uma express o para a taxa de varia o do n vel quando a entrada e a sa da s o diferentes Um dist rbio no n vel da vaz o de sa da xy faz estas vaz es serem diferentes Para um dist rbio fixo as duas vaz es se tornam iguais de novo ap s um per odo de tempo Imediatamente ap s o dist rbio a varia o de n vel dx dt diretamente proporcional diferen a entre a vaz o de entrada e de sa da e inversamente proporcional capacidade C do vaso Isto pode ser expresso matematicamente c
440. produtos finais fontes compartilhadas e g solvente em um tanque de alimenta o Ele usa programa o linear para otimizar o uso do equipamento e maximizar a produ o Uma vez que uma receita est relacionada com a informa o do processo um planejador se preocupa com os equipamentos Ao lado da receita e do planejamento outro importante aspecto da batelada o rastreamento tracking que consiste de documentar o curso de uma batelada do in cio ao fim Em resumo a rela o entre estes v rios elementos do programa aplicativo da batelada pode ser estabelecida assim Uma sequ ncia de batelada espec fica criada superpondo uma receita em um programa aplicativo de batelada com uma entrada de um programa de planejamento A implementa o desta sequ ncia ser rastreada atrav s de toda batelada Detalhes da linguagem de batelada manipula o da receita e planejamento da batelada pertencem ao dom nio do 10 24 Controle Batelada engenheiro de sistema e o operador da planta n o precisa estar relacionado com estes detalhes Por m a representa o visual efetiva do controle de batelada em uma interface de opera o muito importante a qualidade desta janela para a batelada o que pode eventualmente ajudar ou atrapalhar a execu o correta do controle batelada O progresso de uma batelada controlada por um SDCD pode ser visto em um display gr fico din mico que simboliza um plano de fluxo e mostr
441. proporcional determinada pelo ngulo entre a alavanca proporcional e a barra da palheta O conjunto bico palheta montado no mesmo eixo do dial proporcional A rota o do dial estabelece a largura da banda proporcional Quando a alavanca est paralela palheta tem se largura zero e controlador liga desliga No outro extremo quando a palheta est perpendicular alavanca a banda proporcional infinita n o havendo varia o na sa da do controlador A posi o do dial da banda proporcional determina a a o direta ou inversa do controlador A parte branca do dial a o inversa medi o aumenta sa da do controlador diminui Na parte preta tem se a a o direta medi o aumenta e provoca aumento da sa da do controlador 2 a o integral expressa em tempo por repeti o e o controlador modelo 43AP pode ser calibrado entre 0 01 a 50 minutos por repeti o No controlador ela estabelecida atrav s da rota o do dial correspondente e funcionalmente significa alterar o valor da restri o fechando a ou abrindo a mais 3 a o derivativa dada em minutos podendo assumir valores entre 0 05 a 50 minutos A indica o do valor da a o derivativa ajustada no controlador feita atrav s de um dial Girando se o dial varia a restri o do circuito derivativo Quando o controlador possui op es extras como unidade batelada para evitar a satura o da sa da do controlador com a o
442. q Xgo RY q qo a Bav Bb a b ab b Da qual 0 333 B 167B 0 748B3 4 33 Resolvendo as eq 4 31 4 32 e 4 38 obt m se B4 0 285 Bo 0 285 B3 0 190 A solu o final pode ser escrita como x Xo 0 285 et X Xo 0 285e t Estabilidade do sistema controlado com malha fechada 5 1 Introdu o A discuss o sobre a estabilidade conclui este trabalho analisando o sistema de controle com malha fechada Um m todo r pido e simples para a verifica o preliminar da estabilidade a aplica o do crit rio de Routh Hurwitz que mostrado aplicado a sistemas b sicos e t picos de controle Este estudo do controle de processo n o seria completo sem uma investiga o de um m todo para determinar rapidamente se um sistema est vel ou n o Primeiro ser feita a revis o breve da pr tica corrente seguida no campo do controle de processo para determinar a estabilidade de um processo controlado 5 2 Pr tica corrente Em muitas aplica es a estabilidade do processo avaliada na base de tentativa e erro Depois que a planta constru da e o controlador aplicado o processo partido e o engenheiro de controle procura pelo ponto critico de estabilidade sintonizando o controlador com apenas a a o proporcional Quando ele acha o ponto em que o processo oscila com amplitude constante ele tem o ponto de partida para determinar os ajustes timos q
443. quando o operador modifica ponto de ajuste e valores de alarme atrav s do teclado ou mouse do sistema O computador digital t o flex vel neste aspecto que as estrat gias de controle podem ser mudadas pelo programa do computador baseando se na hist ria passada da sa da medida do processo executando a chamada estrat gia de controle adaptativa H uma grande variedade de equipamentos de displays entrada e sa da dispon veis para uso com os computadores digitais O equipamento de display mais comum o monitor que pode ser dispon vel em grandes tamanhos tel es Finalmente devido a alta velocidade e grande pot ncia de computa o e a possibilidade de grande armazenagem da informa o os computadores de controle de processo podem ser usados simultaneamente para computar invent rios executar programas de produ o faturamento e cobran a o que chamado de gerenciamento do processo Em resumo quando um computador digital usado em um sistema de controle h diferen as consider veis no sistema 1 5 Como os computadores controlam Em muitos sistemas de controle de processo o computador digital n o capaz de executar melhor nenhum controle Ele n o melhor ou pior do que os outros tipos de controladores ele simplesmente mais econ mico para as aplica es especificas onde ele usado Em outros sistemas de controle de processo os controladores convencionais por uma raz o ou outra si
444. que ele perturbasse o processo Esta a id ia b sica do controle preditivo antecipat rio feedforward Se for poss vel medir o dist rbio e envia se este sinal atrav s de um algoritmo de controle preditivo antecipat rio que fa a corre es apropriadas na vari vel manipulada de modo a manter a vari vel controlada pr xima de seu ponto de ajuste O controle preditivo antecipat rio necessita de ferramentas matem ticas especificas para ser realizado quantitativamente 9 2 Fun es B sicas As principais fun es do controle preditivo antecipat rio s o 1 detectar os dist rbios quando eles entram no processo e afetam a vari vel controlada 2 fazer computa es matem ticas com esses dados e outros arbitrariamente estabelecidos 3 fazer compensa o din mica do tempo de resposta considerando as caracter sticas din micas do processo 4 prever o comportamento da vari vel controlada e estabelecer o valor e a ocasi o a ser aplicada da a o de controle e 5 manipular as vari veis do processo de modo que as vari veis controladas da sa da sejam mantidas constantes e iguais aos pontos de ajuste estabelecidos Deve se tomar cuidado de n o confundir os conceitos de a o derivativa do controlador convencional e de controle preditivo antecipat rio A a o derivativa do controlador tamb m apressa a a o corretiva do controlador e frequentemente chamada de a o antecipat ria Por m ela
445. quencial Em 1949 a Foxboro desenvolveu um sequenciador pneum tico para controle de compressor Depois apareceu o sequenciador acionado por cams para controlar velocidade de motores el tricos As sali ncias da cam ativavam chaves que ligavam ou desligavam motores el tricos O pr ximo sequenciador foi acionado por tambor inicialmente para tocar m sica em rg o e depois na ind stria petroqu mica e t xtil Em 1968 a Foxboro desenvolveu um programador acionado por um cart o perfurado de papel capaz de planejar sete fun es A tecnologia seguinte se baseou em gr ficos ou cartas pl sticos onde eram desenhadas linhas retas para definir o programa de controle a ser executado Atrav s de condu o el trica e detectores de fotoc lula o controlador executava diretamente o programa gerando um sinal anal gico de 4 a 20 mA Estes instrumentos eram de natureza mec nica a programa o embora j usassem a eletr nica no acionamento Mais recentemente os sequenciadores se basearam em rel s eletromec nicos eletr nica a semicondutor e circuito 10 6 Controle Batelada integrado No final dos anos 1970 Honeywell desenvolveu um programador microprocessado capaz de realizar programas complexos Controlador l gico program vel Em 1969 apareceu o primeiro Controlador L gico Program vel CLP e sua primeira aplica o foi na ind stria automobil stica O CLP aplicado industrialmente como uma alt
446. querido para a sa da atingir 172 da entrada multiplicada pelo seu ganho ap s a sa da come ar a variar para uma varia o degrau na entrada A sa da se aproxima do infinito ou de um limite f sico com um inclina o exponencialmente crescente Ganho de regime a varia o final na sa da dividida pela varia o na entrada ap s todos os transientes tiverem desaparecido E a inclina o de um gr fico em regime da sa da versus entrada Se o gr fico for uma reta o ganho linear inclina o constante Se o gr fico for uma curva o ganho n o linear inclina o varia com o ponto de opera o Exemplo de um ganho linear processo de pH As condi es para que o sistema de controle seja est vel como j visto s o 1 ganho total do sistema menor que 1 e 2 o ngulo de fase igual a 180 graus Teoricamente existe uma outra condi o alternativa de estabilidade ganho total do sistema igual a 1 e ngulo de fase menor que 180 graus Existe at t cnica de sintonia de malha baseada nesta condi o de estabilidade por m ela n o ser considerada aqui e agora Quando se conhecem as caracter sticas do processo como o tempo morto e sua constante de tempo os valores dos ajustes da banda proporcional dos tempos integral e derivativo s o facilmente determinados Na pr tica de instrumenta o dif cil se conhecer rigorosamente estes par metros do processo Tempo Morto e Constante de Tempo
447. r o pr prio sinal gerado que ir atuar o elemento final de controle cala de Saida Sinal de Transfer ncia Saida para a V lvula Fig 5 7 Vista lateral da esta o manual Para facilitar a opera o h a indica o do sinal de sa da da esta o manual em uma escala horizontal graduada em 0 a 100 com precis o de 2 0 do fundo de escala H tamb m dois ponteiros auxiliares para indicar os limites de abertura da v lvula Pr xima chave de atua o da esta o manual h uma etiqueta para indicar qual a dire o que faz a v lvula abrir tamb m para facilitar a opera o O melhor indicativo por m para se saber o resultado da atua o manual a indica o da medi o apresentada na escala da esta o autom tica Ou seja a a o manual tamb m uma a o de controle cuja finalidade levar a medi o para um valor desejado igual ao ponto de ajuste A unidade manual de controle acoplada unidade autom tica limitada em tamanho precis o e flexibilidade 5 7 Unidade de Comando com a tampa removida Ajuste de zero Ajuste da Largura de Faixa Bot o de Comando Mamal da Saida Fig 5 8 Esta o manual de controle Por isso foram desenvolvidos instrumentos especiais para prover a atua o manual no processo S o tamb m chamadas esta es manuais de controle por m sua apresenta o parecida com um controlador ou indicador da linha PCI
448. r 4 1 Hist rico 4 2 Elementos do diagrama ladder 4 3 Exemplos de diagrama ladder 10 Controle Batelada Objetivos 1 Hist ria da Batelada 1 1 Origem do Controle Batelada 1 2 Fun es de controle da batelada 1 3 Controle manual direto 1 4 Controle Regulat rio 1 5 Intertravamentos de seguran a 1 6 Sequenciamento 1 7 Gerenciamento da Batelada 1 8 Planejamento 1 9 Equipamentos 1 10 Conclus o 2 Gerenciamento da Batelada 2 1 Introdu o 2 2 Exig ncias 2 3 Fun es Autom ticas 29 29 30 32 34 34 35 35 md un A A Ae UUU BEO ta ta Ama nha 3 Controle da Batelada 19 3 1 Introdu o 19 3 2 Batelada sequencial temporizado 19 3 3 Controle acionado por eventos 20 4 Automa o da Batelada 20 4 1 Introdu o 20 4 2 Medi o das vari veis 21 4 3 Instrumenta o Modular 22 4 4 Controle de Batelada 23 4 5 Caracter stica da Instrumenta o 24 4 6 Caracter sticas desej veis 25 4 7 Seguran a 27 4 8 Complica es 28 4 9 Instru es de Opera o 29 11 Computador no Controle 1 Computador no Processo 1 1 1 Introdu o 1 1 2 Computador digital 1 1 3 Computador digital e anal gico 2 1 4 Diferen as 4 1 5 Como os computadores controlam 4 1 6 Tipos de computadores digitais 5 1 7 Computador digital em processo 6 1 8 Opera o dos computadores digitais 6 2 Computador Digital como Controlador de Processo 11 2 1 Introdu o 11 2 2 Informa
449. r um m todo anal tico de enfocar os problemas associados com os sistemas de controle autom tico Embora algumas das equa es possam parecer dif ceis deve se entender que isso principalmente por causa de seu grande comprimento relativo Uma vez os valores num ricos das constantes do processo sejam substitu dos elas se reduzem a express es muito mais simples H uma vantagem definitiva em estabelecer as equa es do sistema de um modo geral mesmo que as equa es se tornem muito compridas porque isto permite a cataloga o das solu es que podem ter valor no futuro estudo de outros processos que sejam an logos matematicamente O m todo a ser apresentado trata cada componente do sistema de controle como uma resist ncia e uma capacit ncia individuais desenvolve equa es simples para cada componente e as combina para formar uma equa o completa representando o sistema inteiro Este primeiro capitulo est relacionado somente com as equa es do processo Ele expandido em um sistema com tr s capacidades As equa es desenvolvidas ser o representativas de processos simples e complicados Os sistema que s o ainda mais complexos podem ser desenvolvidos de um modo an logo Do mesmo modo sistemas envolvendo resist ncias e capacit ncias paralelas podem ser sintetizados pelos mesmos procedimentos 1 2 Equa es do processo As opera es da planta ou os procedimentos de fabrica o que utilizam A
450. r uma constante de tempo que definida como o tempo requerido para completar 63 2 da resposta total Este n mero n o arbitr rio mas determinado das equa es diferenciais que modelam o processo Como uma primeira aproxima o a constante de tempo de um elemento capacitivo aproximadamente igual ao seu tempo de resid ncia que definido como o volume dividido pela quantidade de produto acumulado em unidades consistentes 2 13 Assim se o tanque tem a capacidade de 1 000 litros e a vaz o atrav s do tanque 100 L min o tempo de resid ncia se torna 1 000 L 100 L min 10 minutos Quando o sinal de controle senoidal o sinal de sa da se aproxima do valor m dio da entrada O n vel ir subir enquanto a vaz o de entrada for maior que a vaz o de sa da o n vel ir abaixar quando a vaz o de entrada for menor que a vaz o de sa da Para uma entrada senoidal o sinal de medi o de um elemento capacitivo tamb m senoidal com o mesmo per odo A varia o no sinal de medi o em compara o com a varia o no sinal de controle depende principalmente do per odo Se o sinal de controle cicla muito rapidamente com um per odo curto a oscila o no n vel ser muito pequena De modo diferente se a mesma varia o no sinal de controle ocorre em um per odo mais longo a varia o do n vel ser muito maior H uma diferen a conceitual entre capacit ncia e capacidade A capacidade
451. ra armazenar os ingredientes necess rios e de executar as fun es manuais por meio de equipamento mec nico ou eletr nico de modo autom tico Como havia muitos fen menos qu micos e f sicos pobremente conhecidos o controle do processo batelada foi considerado uma arte ou uma habilidade no passado O cozinheiro pr hist rico fez v rias fun es tais como engenheiro de pesquisa e desenvolvimento especialista de processo operador e instrumentista Os processos de batelada originais eram t o elaborados que requeriam muita aten o e experi ncia para fazer produtos com uma qualidade consistente Atualmente tem se um enfoque mais cientifico e muitas incertezas na qu mica e f sica foram reduzidas ou resolvidas 2 3 Historicamente o crescimento do conhecimento dos fen menos f sicos e qu micos junto com o aparecimento de novas tecnologias m todos e t cnicas possibilitaram o engenheiro de controle automatizar as fun es descritas acima A automa o come ou com as medi es do processo e com os atuadores diretos na planta Depois seguiu se a automa o das fun es de controle l gico de intertravamento e do controle regulat rio Gradualmente a automa o foi aplicada ao controle da sequ ncia e nos n veis de programa o A automa o sempre foi inspirada pela exig ncia ou demanda de 1 aumentar a seguran a 2 proteger o ambiente 3 melhorar a sa de e trabalho do operador 4 melhorar
452. remoto O sinal de ponto de ajuste remoto atua diretamente no fole de ponto de ajuste do conjunto da esta o de controle autom tico 3 h uma chave seletora com duas posi es que recebe os dois sinais ponto de ajuste localmente gerado e ponto de ajuste remoto Sua sa da o sinal selecionado e indicado na chave LouR O segundo ponteiro de ponto de ajuste remoto preto de tamanho menor que os de medi o e ponto de ajuste local Tamb m percorre a escala vertical por m est localizado do lado esquerdo em oposi o aos outros dois ponteiros Ambas as indica es de ponto de ajuste s o atuantes por m internamente apenas um sinal manipulado na unidade de controle autom tico 1 9 Unidade Derivativa claro que apenas o controlador que possui a o derivativa possui a unidade derivativa Na maioria dos casos esta a o est associada s outras duas proporcional e integral Raramente ela vem associada apenas a o proporcional Para se evitar que a altera o do ponto de ajuste seja modificada pela a o derivativa a unidade derivativa colocada diretamente para receber o sinal de medi o A a o derivativa desse modo s responde s altera es da medi o da vari vel Tamb m a unidade de controle autom tico responder rapidamente s varia es da medi o de processos tipo batelada sem o atrasos inerentes s unidades com a o derivativa no circuito de realimenta
453. ress o geral da malha fechada para um dado sistema poss vel analisar matematicamente o tipo de resposta que pode ser esperado para um dist rbio tipo degrau que o tipo de dist rbio freq entemente assumido para o desenvolvimento matem tico Um dist rbio tipo degrau severo e um processo que responde satisfatoriamente quando sujeito a tal dist rbio aprovado com sucesso na aplica o pr tica O sucesso de qualquer an lise matem tica se feito pelos procedimentos descritos ou por outros m todos depende da avalia o precisa das constantes do sistema Isto significa que c lculos cuidadosos devem ser feitos das resist ncias e capacidades do processo bem como nos atrasos de tempo nas se es de medi o e da v lvula da malha Pode tamb m ser necess rio considerar o atraso dentro do controlador em processos r pidos tais como controle de vaz o ou de press o onde o atraso dentro do processo pequeno Isto n o foi considerado por m isto implica apenas em adicionar um est gio resist ncia no controlador Todo o desenvolvimento at agora tem sido de uma maneira geral com o objetivo de obter a equa o da malha fechada O pr ximo passo ser examinar estas equa es analiticamente e aplica las a processos pr ticos para ilustrar o uso das equa es de malha fechada quando na previs o do desempenho de um sistema real quando sujeito a um dist rbio tipo degrau A 16 Enfoque Matem tico 4
454. rigir o computador de certo modo predeterminado que ira modificar o comportamento do sistema de modo previs vel Por exemplo se o operador quer mudar o valor do alarme de alto de uma temperatura ele diz ao computador que ele quer fazer isso O computador solicita o novo valor verifica se razo vel e v lido e g n o se pode ter um alarme de 120 C se a faixa de medi o de 0 a 100 C e se ele razo vel o novo limite de alarme de alto convertido para um formato de computador e armazenado no arquivo de dados central A partir daquele momento a fun o de monitora o ir usar este novo valor para alarmar a temperatura Receita Receita uma cole o de informa o que define as mat rias prima equipamentos e procedimentos requeridos para produzir um determinado material processado de batelada acabada Os testes para completar com sucesso o processamento do produto e os crit rios de aceita o s o tamb m parte da receita Na receita est o inclu dos as quantidades e valores alvo para o produto desejado Geralmente quem cria o produto e define o processo batelada o qu mico Na realidade o criador da receita pode ser um farmac utico cozinheiro padeiro cervejeiro ou qualquer pessoa envolvida no desenvolvimento de fontes para fazer determinado produto Em geral esta pessoa respons vel pelos procedimentos de pesquisa e desenvolvimento Tipicamente os passos para definir uma receita s o
455. rimento em metros Cabo bra adeira parafusos para liga o com estante Op es extras dispon veis 3 3 Especifica es Normais Esta o Modelo Indica es SP 1 2 M1 M2 S 230S5Z Mr SP S 230SE__ m SP S Ponto de ajuste R L 230SF M SPL SPR S Legenda M medi o SP ponto de ajuste S sa da L local M1 medi o primaria M2 medi o secundaria ApostilasiControle 3Controlador DOC 02 DEZ 98 Substitui 27 ABR 97 5 19 6 Controlador Digital 1 Introdu o O uso de um computador para calcular o valor desejado de uma sa da do processo seu valor atual e depois computar um sinal de corre o tem muitas vantagens como 1 Computador n o sobre dos efeitos de desvio drift a longo prazo que os circuitos anal gicos tem 2 Mudan as de constantes podem ser feitas facilmente sem a necessidade da mudan a f sica real do circuito pois estas mudan as podem ser feitas pelo pr prio computador 3 A qualidade do controle melhora quando o computador aprende o processo 4 O tipo de controle pode ser radicalmente alterado simplesmente carregando um novo programa Nenhuma varia o de equipamento hardware necess ria para uma reconfigura o radical 5 Compensa o para atrasos de grande tempo morto ou o uso de controle preditivo antecipat rio requer muitos c lculos que podem ser implementados diretamente pelo computador 6 Guarde de registros
456. rios qualitativos como a import ncia da malha e a facilidade da sintonia em vez dos crit rios quantitativos como o tamanho e dura o do erro Esta nfase qualitativa devida parcialmente complexidade e diversidade dos crit rios quantitativos e as t cnicas de analise associadas Por exemplo uma malha de n vel que tenha uma resposta n o auto regulante pode ser julgada f cil de controlar mesmo que os erros sejam grandes e demorados porque estes erros n o s o importantes desde que o tanque n o fique vazio nem transborde Uma malha de temperatura com uma grande constante de tempo pode ser considerada dif cil de controlar mesmo que os erros sejam pequenos por causa da demora da resposta da malha torna la muito chata para ser sintonizada Para julgar objetivamente se uma malha f cil de ser controlada deve usar crit rios quantitativos aplic veis Os crit rios qualitativos podem ser classificados simplificadamente considerando como base o erro acumulado o pico do erro ou uma combina o dos dois Erro acumulado O erro acumulado o desvio totalizado da vari vel controlada menos o ponto de ajuste Para uma malha de controle de 1 23 Sintonia do Controlador composi o o erro acumulado multiplicado pela vaz o media do produto fornece uma medi o da quantidade total do produto que se desvia do valor desejado da especifica o Para uma malha de vaz o o erro acumulado fornece uma medi o
457. ro dessa faixa de medi o Para a temperatura de 80 C a v lvula estar na posi o limite de fechamento e estar fechada quando a temperatura for menor que 80 OC A partir dessa temperatura ela come ar a abrir e estar totalmente aberta em 100 OC A v lvula n o pode controlar a temperatura at 120 OC pois 7 6 Sintonia do Controlador n o pode abrir mais que 100 Tamb m n o h controle para temperaturas menores que 80 C pois a v lvula n o pode fechar al m de 0 sa da 1009 809 607 SP antigo 409 SP novo 209 gt jd erro permanente Erro Fig 7 7 Aparecimento do erro permanente offset devido a varia o do ponto de ajuste SP temperatur Fig 7 8 Processo se estabiliza por m fora do ponto de ajuste deixando offset O formato da resposta da a o proporcional sempre igual e em fase com o formato do dist rbio A resposta da a o proporcional ao degrau um degrau com amplitude maior banda menor que 100 ou menor banda maior que 100 Quando o dist rbio uma rampa a a o proporcional correspondente tamb m uma rampa com inclina o fun o da banda proporcional e com e com a dire o em fun o da a o direta ou inversa do controlador Quando o erro uma sen ide a a o proporcional uma sen ide em fase e com amplitude fun o da banda proporcional 3 4 Reset manual e autom tico O desvio permanente pode
458. rocesso batelada batch usando um tanque de rea o qu mica que requer a temperatura de rea o constante Para come ar a rea o o tanque deve ser aquecido e isto requer uma vaz o de vapor atrav s da serpentina Depois a rea o exot rmica produz calor e o tanque deve ser resfriado e isto requer uma vaz o de fluido refrigerante atrav s de outra ou da mesma serpentina O controle suave da temperatura conseguido pelo seguinte sistema b sico 1 a sa da do controlador de temperatura varia gradualmente quando a temperatura do tanque aumenta 2 quando o controlador solicita que a v lvula de aquecimento esteja totalmente aberta a v lvula de resfriamento deve estar totalmente fechada 3 quando o controlador solicita que a v lvula de resfriamento esteja totalmente aberta a v lvula de aquecimento deve estar totalmente fechada 4 no meio do caminho ambas as v lvulas devem estar simultaneamente fechadas de modo que n o haja nem aquecimento nem resfriamento 5 cada v lvula se move de modo contr rio e sequencial outra Temperatura Sa da do Posi o da Posi o da span controlador v lvula de v lvula de deram gua vapor 100 100 berta fechada fechada fechada 0 0 fechada aberta b Opera o da v lvula de controle Fig 8 12 Sistema de controle de faixa dividida Temperatura com dois combust veis Tamb m h aplica es envolvendo o aquecimento por dois combust veis onde a prime
459. rola constantemente cada malha separada 1 12 Produto B Produto A Condensado Bomba descarga Entradas Fig 1 16 Processo com controle supervis rio digital computador monitora instrumentos convencionais 1 13 Controle do Processo Produto B Produto Condensado Bomba descarga Fig 1 17 Processo com controle supervis rio digital computador atua como controlador 1 14 Controle do Processo Produto B Produto A Condensado Bomba descarga Sa das Entradas Fig 1 18 Processo com controle a computador distribu do os computadores s o microprocessados 1 15 Controle do Processo Console Operador Console Operador Console Operador Impressora Sistema de Comunica o Sala de Controle Computador Supervis rio Controlador Processo 4 O Interface Robot Fig 1 19 Esquema simplificado de Sistema Digital de Controle Distribu do Fig 1 20 Operador em a o no campo e na sala de controle 1 16 2 Processo Industria Objetivos de Ensino 1 Conceituar processo industrial e mostrar os diferentes tipos cont nuo batelada discreto e fabrica o de pe as 2 Apresentar a terminologia relacionada com as vari veis e carga do processo 3 Analisar os par metros da controlabilidade do processo tempo morto e tempo caracter stico resist ncia e ca
460. role uma caixa vazia apenas com o circuito de indica o e com as chaves de monitoriza o do operador Nessa configura o o operador n o tem aos circuitos de sintonia e ajustes de zero faixa limites de sa da Apenas estabelece o ponto de ajuste aciona manualmente o elemento final de controle Quando essa situa o n o desej vel pode se ter os circuitos eletr nicos e de alarme na pr pria esta o de controle Nesse caso os cart es de controle s o diferentes e n o possuem nenhum ajuste em sua parte frontal S o os cart es 2AX T 3 2 Instru es para Especifica o 1 Modelo ou descri o da fun o b sica manual remoto R L 2 Escala faixa uniforme ou SQ RT 3 Identifica o tag 5 18 8 9 Plaqueta gravada m ximo 2 linhas 17 letras espa os por linha Componente de liga o do arm rio 2AC Estante de montagem 1 posi o Cabo de liga o entre painel arm rio 2AK determinar o comprimento em metros Cabo bra adeira parafusos para liga o com estante Op es extras dispon veis 3 2 Instru es para Especifica o 1 2 3 4 8 9 Modelo ou descri o da fun o b sica manual remoto R L Escala faixa uniforme ou SQ RT Identifica o tag Plaqueta gravada m ximo 2 linhas 17 letras espa os por linha Componente de liga o do arm rio 2AC Estante de montagem 1 posi o Cabo de liga o entre painel arm rio 2AK determinar o comp
461. role integral 2 aumentando o fator de controle derivativo 3 aumentando o fator de controle proporcional Se o sistema verificado pela desigualdade da eq 6 4 e n o fica est vel dentro dos ajustes dispon veis nos controladores comerciais ent o ele pode ficar est vel alterando as resist ncias e capacidades do processo como indicado na eq 6 4 5 6 Processo com uma capacidade com atrasos no elemento de medi o e na v lvula Para o caso do controle proporcional mais derivativo a equa o caracter stica para o sistema mostrado na Fig 2 5 a seguinte 3 ax M5 E M x Mox 0 6 5 onde Ms Tm TV H A 27 Enfoque Matem tico Conclui se que o efeito da resposta Mo Tm y Tm H T H derivativa similar ao seu efeito no exemplo anterior Por m o efeito da M Tn T H RyB resposta proporcional agora oposta da anterior Isto ilustra o fato que n o Mo 1 R a poss vel generalizar acerca do efeito de um tipo particular de controle muito Tm Rm Cm amplamente T R O 5 7 Controle integral Se a a o integral de controle inclu da no sistema da Fig 2 5 obt m se uma equa o diferencial de quarta ordem Para este caso a equa o caracter stica fica igual a 4 3 2 M Me a M X Mox 0 dt dt dt dt 6 8 onde Fig 6 2 Processo com nica capacidade com M Tmn TH controlador ideal mas com atrasos na medi o e na v lvula M3 Tm Iy TnH TH Ainda apl
462. rtanto constantes cujas derivadas s o zero obt m se Apis dE dt bd 2 13 Substituindo eq 2 12 e 2 13 na eq 2 10 Ty AF 0 Xx X9 Fo 2 14 onde a ab 2 15 o fator total do controle proporcional Controlador Fig 2 2 Processo com nica capacidade com controlador ideal e sistema de medi o com atraso no circuito da v lvula A eq 2 14 a express o final para a se o do controlador da malha onde o A 8 Enfoque Matem tico elemento de medi o e o controlador proporcional s o ambos ideais mas onde h um atraso no circuito entre o controlador e a v lvula de controle Resumindo tem se considerado uma se o do controlador que contenha um atraso Comparando a eq 2 14 com a eq 2 1 nota se que o efeito de adicionar um atraso na por o da malha o de aumentar a ordem da equa o Ser visto que cada atraso aumenta a ordem da equa o de um Ty uma constante importante Ela representa o efeito do atraso no circuito da v lvula e o fator que aumenta a ordem da equa o Ela igual ao produto da resist ncia e da capacit ncia no circuito da v lvula e tem unidades de tempo tal como o minuto Assim frequentemente chamada de constante de tempo do circuito Quando ela efetivamente uma resist ncia em serie com uma capacidade esta constante de tempo o tempo associado com um aumento exponencial isto tempo para a vari vel atingir 63 2 do valor fin
463. s es que devem ser tomadas independentes destes detalhes A primeira como estas vari veis est o sendo representadas Se estiver programando em linguagem de alto n vel e se houver muito tempo para ver a malha conveniente escalonar a vari vel de processo em unidade de engenharia com C para temperatura kPa para press o m para n vel e m h para vaz o Por m tentar fazer aritm tica de ponto flutuante 6 6 Controlador Digital em linguagem de m quina ou assembly absurdo Quando se usam unidades de engenharia com matem tica de ponto flutuante deve se fazer todas as opera es subsequentes com muito cuidado Primeiro o condicionamento externo do sinal e a convers o A D devem ser escalonados de modo que em 0 da vari vel de processo o valor do dado seja representado por zero Em 100 da vari vel a sa da de fundo de escala do conversor produzida garantindo a m xima utiliza o da resolu o do conversor Idealmente este sinal de 100 da vari vel de processo combina com o tamanho da palavra do microprocessador usado Se n o deve se estabelecer este valor de 100 fundo de escala para todas as entradas e c lculos subsequentes Um microprocessador de 8 bits com um conversor de 8 bits usa 2 1 255 como seu valor de 100 fundo de escala Por m um conversor de 12 bits usa 2 1 4 095 como seu valor de 100 fundo de escala Isto agora representa um n vel de 100 C lc
464. s executam com os dados O dado se refere a qualquer palavra digital de 16 bit que n o seja instru o de programa ou endere o O dado inclui qualquer e toda informa o da vari vel do processo c digos representando estes valores das vari veis informa o digital sendo transferido para ou de qualquer perif rico Qualquer palavra bin ria de 16 bit que transmitida para e do computador via as estruturas de bus de dados de entrada e sa da um dado independe do que a informa o realmente representa ou como ela ser usada finalmente Os dados de entrada para o computador passa diretamente para a unidade aritm tica ou diretamente para a mem ria do computador para uso futuro Os dados de sa da do computador devem vir da mem ria ou da unidade aritm tica do computador Finalmente deve haver provis o para o fluxo bidirecional de dados entre a mem ria e as unidades aritm ticas 11 19 Computador como Controlador 2 13 Programa o do computador Um computador digital um conjunto muito complexo de circuitos que s o capazes de executar apenas opera es muito simples numa velocidade muito alta Por exemplo a sua unidade aritm tica tem a capacidade de executar somente adi es bin rias Para o mar dois n meros bin rios deve ser seguido o seguinte processo 1 toma se um dos dois n meros da mem ria ou do bus de entrada de dados do computador e armazena este n mero em um registro 2 t
465. s foles medi o ponto de ajuste mais larga a banda proporcional menor o ganho e menos sens vel o controlador Quando mais pr ximo estiver o ponto de apoio do fole proporcional mola mais estreita a banda proporcional maior o ganho e mais sens vel o controlador No caso extremo do fulcro estar no ponto de contato dos foles de medi o e de ponto de ajuste o controlado n o responde a nenhuma varia o n o h controle Quando o fulcro coincidir com o fole proporcional e a mola n o h realimenta o negativa o sistema inst vel e o controlador liga desliga a ser visto depois O fole proporcional um dispositivo que fornece a realimenta o negativa ao controlador antes que a medi o o fa a atrav s do processo A realimenta o interna do controlador mais r pida que a realimenta o externa do processo O fole proporcional dosa a corre o do controlador evitando uma corre o exagerada para uma determinada varia o do processo Se houvesse apenas a realimenta o externa provida pela medi o do processo a corre o seria muito demorada e sempre haveria sobrepico de corre o 4 42 Controlador Suprimento Ia INN Da Fig 4 9 Esquema simplificado do controlador pneum tico proporcional Enquanto houver erro entre a medi o e o ponto de ajuste os seus foles tem press es diferentes o fole de realimenta o atua Quando a medi o fica igual a
466. s intertravamentos de seguran a devem ser separados totalmente dos programas aplicativos para assegurar a integridade O debugging din mico e a impress o anotada de intertravamentos devem tamb m ser requisitados Valida o O sistema de controle para batelada de possuir as seguintes caracter sticas 1 valida o de dados e do sistema 2 capacidade de carregar programas em linha sem desabilitar controladores ou outros programas evitar falha de ponto isolado implementar redund ncias modos de falha tempo de resposta do sistema habilidade de se interfacear com outros sistemas digitais como CLP habilidade de usar CPs como esta o de engenharia 9 capacidade de diagn stico 10 possibilidade de se expandir 11 gerenciamento de alarmes 12 prote o de seguran a security do sistema Oo OI ias 6 so Folha de batelada sem papel O sistema deve gerar documentos sem papel ou seja em vez de ter documentos em papel f sico hard copy o operador interage com a tela e teclado de computador Esta caracter stica obtida de rastreamento da batelada e gera o de relat rios Para tornar realidade isso tamb m requerido redund ncia do equipamento das partes cr ticas do sistema de controle prote o de seguran a do sistema com senhas e valida o total do sistema M dulos I O remotos e consoles de opera o remotos Atualmente j s o dispon veis m dulos I O remotos certificados para montagem
467. s conceitos de controle a realimenta o e preditivo antecipat rio h aplica es que utilizam apenas a unidade de controle da malha com realimenta o negativa Apenas s o usados os m dulos de compensa o din mica e de computa o A computa o matem tica essencial ao controle preditivo antecipat rio A unidade de computa o recebe todos os sinais anal gicos provenientes das medidas dos dist rbios e cargas de entrada mensur veis O equipamentos pode ser pneum tico ou eletr nico embora o eletr nico moderno seja mais eficientes barato vers til e preciso As opera es matem ticas envolvidas s o multiplica o divis o extra o de raiz quadrada soma subtra o integra o e polariza o O compensador din mico corrige o desbalan o do transit rio do processo Sempre necess ria a compensa o din mica quando os elementos din micos da vari vel manipulada e da carga s o diferentes Quando s o iguais e quando a vari vel manipulada e a carga entram no mesmo local do processo em rela o a 8 21 Controle Multivari vel vari vel controlada o compensador din mico pode ser dispensado Por exemplo no controle de rela o de vaz es n o se usa o compensador din mico O compensador din mico tamb m chamado de unidade de avan o atraso lead lag A fun o avan o atraso s se processa durante os transit rios do processo provocados pela varia o de sua carga A
468. s em s rie ou em paralelo 2 1 Controlador Paralelo O controlador paralelo computa os modos proporcional integral e derivativo em paralelo Os modos s o n o interativos no dom nio do tempo mas s o interativos no dom nio da frequ ncia O controlador paralelo chamado de ideal e n o interativo por Shinskey O erro acumulado para o controlador paralelo cerca da metade do correspondente ao controlador em s rie Quando os tempos integral e derivativo s o ajustados muito pr ximos o controlador se torna extremamente sens vel as varia es do ganho e o per odo da malha ir se desviar A Foxboro Co testou um controlador paralelo em processo auto regulante e conclui que 1 o per odo natural da malha aumentou de 16 para 55 segundos 2 a banda proporcional variou de 10 a 100 sem altera o do amortecimento de 4 para 1 O tempo derivativo do controlador paralelo pode ser ajustado cerca de 25 do tempo integral O controlador paralelo dif cil de ser sintonizado e de se manter sintonizado e raramente fabricado Mesmo assim a maioria da literatura t cnica apresenta as equa es e rela es do controlador paralelo pois elas s o separadas e facilmente representadas 4 38 Controlador Proporcional Ponto ajuste ASH Integral Derivativa medi o Fig 4 6 Algoritmo paralelo ideal 2 2 Controlador S rie O controlador s rie computa o modo derivativ
469. s fabricantes de instrumentos oferece pacotes de batelada que suportam a maioria das fun es de controle batelada inclusiva a fun o de planejamento Estes pacotes geralmente fazem parte do SDCD e s o totalmente configur veis pelo usu rio Fig 11 3 Esquema b sico de controle DDC Sala de Controle Central Infelizmente ainda h muita confus o na terminologia e nos conceitos de controle Houve uma mudan a no nfase da cultura fa a voc mesmo dentro da ind stria de processo for ada pela falta de produtos convenientes dos fornecedores da instrumenta o para sistemas de controle de processo que sejam facilmente configur veis pelo usu rio e que requeiram pouco conhecimento em hardware e software Sistema de controle distribu do O Sistema Digital de Controle Distribu do SDCD foi desenvolvidos na d cada de 1970 para substituir o sistema tradicional de controle anal gico dedicado que era usado naquele tempo na ind stria de processo cont nuo O controlador anal gico consistia de um instrumento isolado stand alone geralmente montado na sala de controle junto a outros indicadores e registradores A Honeywell foi a primeira firma a anunciar o seu TDC 2000 em 1975 que substitu a com vantagens o ultimo sistema anal gico o SPEC 200 da Foxboro O SDCD combina v rias malhas de controle em um controlador tendo uma arquitetura dividida onde o display um console baseado em monitor de tubo de
470. s finamente por tentativa e erro observando se a resposta da malha fechada A Tab 1 d os ajustes t picos dos modos de controle para v rios tipos de malhas Estes ajustes assumem que o instrumenta o j tenha selecionado a v lvula de controle a faixa de medi o do sensor ou do transmissor As malhas de press o de g s e n vel de liquido tipicamente tem uma resposta integrante O modo integral deve ser evitado a n o ser que tamb m se possa usar o modo derivativo Nenhum destes modos necess rio para banda proporcional menor que 10 As malhas de press o de g s de fornalha e secador s o frequentemente ruidosas e tem alto ganhos da medi o desde que a faixa calibrada muito estreita Tais malhas de press o requerem grandes bandas proporcionais pequenos ganhos do controlador As malhas de n vel de liquido em colunas de distin o e n veis de bal o da caldeira podem ter ru do e tem um ganho n o linear resposta inicial inversa da resposta final As malhas de n vel de liquido com borbulhamento podem ter ru do e requerem uma larga banda proporcional Tab 1 Ajustes T picos dos Modos do Controlador BP Ti Td Mama rep min min Vaz o 100 500 10 50 Nada P l quido 100 500 10 50 Nada P g s 1 50 2 10 0 002 0 1 N vel 1 50 4 20 0 01 0 05 T 10 50 0 02 1 0 5 20 An lise 200 800 0 01 0 1 Nada 8 7 Sum rio Para maximizar o desempenho da malha 1 Minimizar o tempo morto quando ele apare
471. s mede as vari veis de entrada detect veis e conhecidas recebe o valor do ponto de ajuste recebe outras informa es do processo e computando todos esses dados prev o valor e a ocasi o adequados para a a o de controle ser aplicada na vari vel manipulada de entrada Ele mais convencido que o controlador com realimenta o negativa n o verifica se a a o de controle levou a vari vel controlada para o valor de refer ncia ajustado H casos onde a previs o foi incorreta e consequentemente h erro na vari vel controlada Tamb m os efeitos das vari veis de entrada n o medidas n o s o compensados pelo controle preditivo antecipat rio Associa o As vantagens e desvantagens de ambos sistemas s o complementares de modo que a associa o dos dois sistemas natural Desse modo em sistemas de controle dif cil que requerem malhas de controle complexas pr tica universal a associa o dos dois conceitos de controle As responsabilidades de controle ficam assim distribu das 1 o controlador preditivo antecipat rio cuida dos dist rbios e varia es de carga grandes e frequentes que afetam as vari veis controladas 2 o controlador a realimenta o negativa cuida de quaisquer outros erros que aparecem atrav s do processo cuida dos efeitos dos dist rbios n o medidos cuida dos erros residuais provocados pelas imprecis es dos instrumentos reais de medi o controle e computa o d
472. s o tempo necess rio para executar uma instru o b sica do computador de um ciclo Alguma instru o mais complexa do computador pode requerer mais de um ciclo para sua execu o A transfer ncia de dados entre o computador e seus perif ricos tipicamente requer v rios ciclos de maquina para sua execu o Mesmo que se leve um ciclo do computador para executar a instru o mais b sica na realidade h muitas opera es sequ ncias ocorrendo internamente no computador durante este intervalo de tempo uma delas sendo o ciclo fetch 2 16 Programando o compilador Em qualquer aplica o de controle de processo o custo de instala o real do computador digital representa somente uma fra o dos custos de automa o O custo individual maior normalmente o da programa o O processo de realmente fazer o computador fazer algo uma vez ele tenha sido bloqueado no processo d da responsabilidade do programador do computador n o do t cnico de instrumenta o Por m o t cnico deve estar familiarizado com os problemas que o programador eventualmente encontra de modo que se algo n o funcionar ele possa decidir se o erro est na programa o ou na falha do equipamento f sico Geralmente o programador escreve o programa para o controle do processo em linguagem de maquina Por m para simplificar seu trabalho e reduzir as despesas de programa o outras linguagens de programa do computador foram desenvolvi
473. s receptores s o met licos dur veis e lineares A precis o das indica es de medi o e ponto de ajuste de 0 5 da largura de faixa A precis o da indica o da sa da feita na escala horizontal da esta o manual de controle de 2 da largura da faixa 1 4 Especifica es Funcionais As fun es de controle aplic veis ao modelo 130M e aos outros modelos 130F e 130P s o as seguintes 1 controle liga desliga 130M N1 2 controle proporcional 130M N2 3 controle proporcional derivativo 130M 4 controle proporcional integral 130M 5 controle P D 130M N5 Os limites de ajustes dos controle s o 1 banda proporcional 5 a 500 2 a o integral 0 01 a 50 minutos por repeti o 3 a o derivativa 0 01 a 50 minutos A temperatura de trabalho entre 20 a 65 C A press o de suprimento equivalente a 140 a 155 kPa 20 e 22 psig Os s inais de entrada e sa da 20 a 100 kPa O consumo de ar em opera o normal e autom tica e modos de controle PI 0 5 Nm h Em opera o manual o consumo de 1 0 Nm h A a o derivativa requer mais 0 1 Nm h de ar comprimido A a o de controle revers vel entre direta e inversa por uma rota o de 90 na chave seletora colocada no interior do instrumento A unidade de transfer ncia Auto Manual usada para controlar o processo de modo autom tico e manual sem provocar dist rbios no processo na hora da 5 3
474. s s o especifica es de dois estados tais como Chave limite aberta ou fechada Comparador alto ou baixo Botoeira acionada ou n o acionada 2 Equipamentos de sa da do sistema de controle O elemento final de controle do sistema de controle cont nuo fazem a mesma coisa No caso de controle de processo a estado discreto os equipamento de sa da aceitam somente comandos de dois estados tais como L mpada acesa ou apagada Motor operando ou parado Solen ide energizada ou desenergizada Um estudo do sistema da Fig 7 mostra a seguinte distribui o de elementos Dispositivos de entrada Chaves 1 Caixa direita presente 2 Caixa esquerda presente 3 Limite do movimento da esteira de alimenta o direita 4 Limite do movimento da esteira de alimenta o esquerda 5 Silo baixo 6 Esteira de alimenta o do centro Dispositivos de sa da 1 V lvula solen ide do silo 2 Motor esteira de alimenta o desligado 3 Motor esteira de alimenta o direita 4 Motor esteira de alimenta o esquerda 5 Motor esteira da caixa direita 6 Motor esteira da caixa esquerda N o suficiente simplesmente identificar os dispositivos de entrada e sa da Al m disso importante notar como os dois estados dos dispositivos se relacionam com o processo Por exemplo se uma chave limite de n vel est aberta significa que o n vel baixo ou em determinado valor Se um comando a ser usado para ligar um dispositivo requer um c
475. s sinais de entradas possam ser multiplexados Al m disso deve haver provis o para que certas entradas digitais selecionadas tenham a capacidade de interromper o computador atrav s de algum esquema de prioridade 2 8 Bus de sa da do computador H muitas similaridades entre as interfaces de sa da e de entrada do computador O conversor D A requer informa o de entrada digital paralela mais mem ria Uma estrutura de bus de sa da paralela digital com um registro de sa da buffer satisfaria todas as necessidades do 11 15 Computador como Controlador conversor D A Pode haver muitos conversores D A em um sistema assim estes registros buffer devem ser capazes de serem multiplexadas em suas entradas A defini o do registro flip flop oferecida anteriormente descreve como eles tem esta capacidade ignorando suas entradas exceto quando estiver sendo executado um comando de mem ria Em todos os outros tempos o registro mant m sua sa da exatamente igual a entrada no instante que o comando de mem ria foi dado independente das varia es em seus terminais de entrada Este tipo de interface de sa da do computador tamb m ser capaz de servir qualquer fun o de sa da digital paralela desde que o registro flip flop realmente n o se importa com o que est ligado sua sa da Isto deixa as sa das tipo trem de pulso e as sa das bin rias individuais 1 bit para serem consideradas As sa das de inform
476. s tempos mortos equivalente 5 Somar todos os tempos mortos puros na malha e adicionar a este 1 99 Sintonia do Controlador 10 11 ApostilasiControle total a soma dos tempos mortos equivalentes Usar a constante de tempo total da realimenta o negativa passo 4 e o tempo morto total da malha passo 5 para os processos auto regulante integrante ou com realimenta o positiva para estimar o per odo natural do processo Usar a constante de tempo da realimenta o negativa item 4 e o tempo morto total da malha item 5 para os processos auto regulante integrante e de realimenta o positiva para estimar a banda proporcional Usar o ajuste da banda proporcional item 1 para atenua o do ru do se o ru do for alto Para processos de realimenta o positivo dividir a banda proporcional m xima pela metade da banda proporcional para estimar a largura da banda proporcional Usar o per odo natural item 6 para um controlador Pl ou PID para estimar o tempo integral Escolher os ajustes do modo do controlador dispon vel que estejam mais pr ximos dos valores estimados Lembrar de inverter o tempo integral se o ajuste do modo integral em termos de repeti es por minuto Estimar o erro m ximo e o acumulado pelas equa es te ricas Se a maior constante de tempo do instrumento for maior do que a maior constante de tempo da realimenta o negativa no processo multiplicar os resultados
477. sa da er sa da LS O lt 7O sa da CRs5 1 w sa da LS2 o lt T sa da Fig 22 Diagrama ladder completo para o elevador A solu o para o elevador pode ser simplificada considerando o fato que M e M s o realmente rel s usados para ligar motores atrav s de contatos Se assumido que estes rel s t m contatos adicionais para acionar outras opera es do diagrama ladder ent o alguns rel s de controle podem ser eliminados A Fig 23 mostra a mesma solu o simplificada para o controle do elevador Usam se as designa es M e M para contatos em outras partes do diagrama justo quando se tem rel s de controle 9 16 Controle L gico PB gt Parada sa da 1 sa da R sa da sa da Fig 23 Diagrama ladder simplificado para o elevador Exemplo Enchimento de garrafas vaz o entrada ligado desligado A motorda t esteira ka fio desligado Fig 24 Sistema de enchimento de garrafas Problema Construir um diagrama ladder que seja a solu o para o problema de controle de processo a estado discreto definido na Fig 24 Assumir que quando o sistema de controle cont nuo de n vel desligado a v lvula de entrada fechada e um tempo de 1 minuto para preenchimento seja necess rio para inicializa o Solu o Um selo PARTIDA PARADA fornecido para definir a partida inicial do sistema O diagrama ladder mostrado na Fig 24 A inici
478. se por exemplo em 2 2 vezes o valor da banda proporcional cr tica o que corresponde a um ganho total de aproximadamente 0 45 Neste caso para a mesma margem de ganho tem se um ganho do controlador menor O tempo integral ajustado em 0 50 o per odo natural de oscila o do processo Finalmente quando se tem um controlador proporcional mais integral mais derivativo a filosofia a mesma exceto no seguinte 1 a adi o da a o derivativa torna o controlador mais est vel que o P I e at que o P Por isso o ajuste definitivo da banda proporcional pode ser menor que 2 vezes a banda proporcional cr tica Tipicamente ajusta se a banda proporcional em 1 80 o que corresponde a um ganho total aproximado de 0 55 Neste caso para a mesma margem de ganho tem se um ganho do controlador maior tempo integral ajustado para 0 67 do per odo natural e o tempo derivativo ajustado em 0 125 do per odo natural de oscila o do processo 7 32 Sintonia do Controlador Esta flexibilidade e este grau de liberdade em escolher os valores de sintonia do sistema de controle permitem que haja v rios valores diferentes para os ajustes do controlador tais como os de Ziegler amp Nichols de Murril amp Smith de Cohen amp Coon e de Shinskey 8 6 Ajustes T picos A maioria das malhas sintonizada na pr tica pelo ajuste dos modos a partir de valores t picos iniciais Os ajustes s o depois feito
479. se refere indica o e ao registro das vari veis do processo As malhas abertas de indica o e de registro s o passivas no sentido de s receber os sinais e converte los em leitura A malha de indica o local de temperatura constitu da de um indicador montado no campo interligado ao processo pelo elemento sensor A fun o da malha apenas a de indicar a vari vel A sa da do indicador a leitura visual ele n o possui sinal de sa da Processo Fig 3 13 Malhas abertas ativas controle manual HIC e controle l gico program vel CLP Outro exemplo de malha aberta o registro da temperatura na sala de controle A malha aberta constitu da do transmissor e do registrador O transmissor ligado ao processo envia o sinal para o registrador de painel Pode se dizer que o princ pio da malha o transmissor e o fim o registrador Fig 3 14 Malha aberta ativa de controle manual 3 22 Malha de Controle 3 2 Controle Manual O controle manual pode ser considerado como uma malha aberta ativa no sentido de que h a gera o de um sinal para atuar no processo No controle manual atrav s de uma esta o manual de controle HIC isolada ou acoplada ao controlador autom tico o operador de processo gera manualmente o sinal que atua diretamente na v lvula de controle Normalmente o operador atua e observa a medi o da vari vel por m n o h uma realimenta o f sica entr
480. seguinte especifica o 1 Fase de Inicializa o A Todos os motores desligados V lvula solen ide desligada B Teste da chave limite direita 1 Se engajada ir para C 2 Se n o ajustar motor alimenta o para movimento certo 3 Ligar motor esteira alimenta o 4 Teste da chave limite direita a Se engajada ir para C b Se n o ir para 4 C Estabelecer motor alimenta o para movimento esquerdo e iniciar D Teste da chave de centro 1 Se engajada ir para E 2 Se n o ir para D E Abrir v lvula alimenta o do silo F Teste da chave limite esquerda 1 Se engajada ir para G 2 Se n o ir para F G Todos os motores desligados chave de alimenta o do silo fechada H Ir para fase de opera o A finaliza o desta fase significa que a esteira de alimenta o est posicionada no local limite esquerdo e a metade direita da esteira tem sido cheia do silo de alimenta o O sistema est em uma configura o conhecida como mostrado na Fig 8 sila haixn esteira esnuerda v lvula sila esteira direita caixa direita EP Pai limite esauerda Fig 7 Processo de controle discreto A fase de opera o descrita de modo similar Por exemplo poderia ser a seguinte 2 Fase de opera o A Ligar esteira da caixa direita B Teste chave de presen a de caixa direita 1 Se presente ir para C 2 Se n o ir para B Ligar motor da esteira de alimenta o movimento direito Testar chave de cen
481. seguro e v lvula na entrada A partir da seguran a obtida com o tanque cheio a v lvula deve ser ar para fechar na falta de ar a v lvula abre e o tanque se enche levando o sistema para a seguran a A v lvula est a 100 com 20 kPa e a 0 com 100 kPa A a o do controlador como consegu ncia deve ser direta quando o n vel aumenta a v lvula deve fechar mais para faze lo diminuir e a sa da do controlador deve aumentar fechando mais a v lvula Inc Dec 100 Vaz o ua a ada C Inc Dec sa da y 100 kPa Inc Inc n sa da O Soo Pa Fec Inc Inc o sa da 3 100kPa 4 37 Controlador 1 5 A o Direta ou Inversa O controlador possui a chave seletora para a o direta e a o inversa A a o direta significa que o aumento da medi o implica no aumento da sa da do controlador A a o inversa significa que o aumento da medi o provoca a diminui o da sa da do controlador A escolha da a o do controlador depende da a o da v lvula de controle e da l gica do processo A atua o da v lvula de controle pode ser ar para abrir ou ar para fechar deve ser escolhida em fun o da seguran a do processo A regra b sica para a sele o das a es do controlador e da v lvula a seguinte 1 a partir da seguran a do processo determina se a a o da v lvula de controle 2 depois de definida a a o da v lvula e par
482. ser sempre uma a o corretiva s atuando ap s o aparecimento do erro Em resumo a a o derivativa melhora a resposta din mica do controlador por m o princ pio de atua o totalmente diferente daquele do controle preditivo antecipat rio 9 3 Partes Fundamentais As partes fundamentais do controle antecipat rio s o 1 a medi o da vari vel de processo atrav s de transmissores ou diretamente do processo 2 o mecanismo de computa o matem tica que manipula o valor da medi o recebe outros dados externos ao processo como equa es termodin micas tabelas de dados 3 o controlador do processo que gera um sinal autom tico 8 16 Controle Multivari vel relacionado com o valor da medi o e das equa es matem ticas de balan o de energia e de massa 4 o elemento final de controle ligado diretamente ao processo e recebendo o sinal do controlador 5 o processo que fecha a malha de controle Al m das medi es das vari veis na entrada do processo h uma predi o do resultado ap s a computa o matem tica do valor medido nas equa es fornecidas ao computador H um prognostico como no controle de malha aberta e h uma a o corretiva baseada na medi o e no programa como no controle de realimenta o negativa sa da dictirhine te anipulada m Medi es Controlador i feedforward controlada Fig 3 18 Malha fechada feedfor
483. ser blindados para evitar a influ ncia de ru dos Esta blindagem deve ser aterrada geralmente em um nico ponto O instrumento receptor pode estar distante do processo na sala de controle central O sinal de corre o do controlador enviado para outro atuador eletr nico A sa da do controlador tamb m de 4 a mA cc Geralmente o atuador v lvula ou motor de bomba motor ou aquecedor 1 8 Controle do Processo A malha de controle de temperatura simplificada mostrada na Fig 1 11 Neste diagrama s o mostrados apenas os equipamentos b sicos funcionais como TE Elemento sensor TT Transmissor TC Controlador TV V lvula de controle TI Indicador N o s o mostrados os condicionadores de sinal transdutores de sinal eletr nico pneum tico circuitos compensadores Tamb m por simplicidade o indicador e controlador est o mostrados no mesmo s mbolo TIC 5 3 Controle de temperatura e vaz o Para garantir um produto aquecido adequadamente para o pr ximo estagio em uma vaz o controlada deve se usar um controlador de vaz o acionado a bomba de descarga Ha tamb m uma grande variedade de sensores de vaz o que ser o vistos em outro capitulo Condensado Bomba descarga Fig 1 11 Malha de controle de temperatura Vapor O processo com o controlador de vaz o atuando na bomba de sa da apresenta um grande problema E inteiramente poss vel bombear o tanque e esvazia lo podendo
484. sligada da sa da do controlador Por m o circuito interno garante que a sa da da unidade autom tica mesmo n o operante ir acompanhar o valor da sa da da esta o manual que nessa opera o a sa da do controlador Quando se retorna a opera o de manual para autom tico a esta o autom tica come a a atuar partindo de um sinal igual ao ultimo sinal fornecido pela esta o manual Se na transfer ncia de manual para autom tico a medi o est igual ao ponto de ajuste a sa da do controlador continua inalterada pois n o h nada a corrigir Se por m na transfer ncia de manual para autom tico h desvio entre medi o e ponto de ajuste o controlador come a a alterar o sinal de sa da para eliminar o desvio sempre partindo do valor deixado pela unidade manual 1 13 Instru es para Especifica o 1 Numero do modelo ou defini o de ponto de ajuste local remoto remoto local a es de controle P PIPID uso de esta o manual convencional uso de indicador de sa da ou da esta o manual sem esta o manual e sem indica o esta o autom tica com controlador cego remoto 2 Sinais de entrada e de sa da 3 Faixa da escala de indica o 4 A o do controlador direta ou inversa 5 Dados para a plaqueta gravada 6 Op es extras modifica o para batelada conex o externa para o fole integral posi o de montagem n o horizontal registro lateral alarme com at
485. sor ou com um multiplicador No esquema com o divisor as duas vaz es s o medidas e sua rela o computada por um divisor A sa da do divisor entra em um controlador PI convencional como um sinal de medi o do processo O ponto de ajuste do controlador de rela o a rela o desejada A sa da do controlador vai para a v lvula na vari vel manipulada que altera uma vaz o mantendo constante a rela o das duas vaz es Este sinal computado pode tamb m ser usado para acionar um alarme ou um interlock 8 30 Controle Multivari vel A B FT FT ur FFY e FFC podem ser um nico instrumento o com as duas fun es eo CEX Vaz o A Vaz o B 12 5 A Mistura A B v Fig 8 26 Controle de Rela o de Vaz es No esquema com o multiplicador a vaz o livre medida e este sinal multiplicado por uma constante que a rela o desejada A sa da do multiplicador o ponto de ajuste de um controlador com ponto de ajuste remoto A faixa t pica do multiplicador de 0 a 2 0 O controle de rela o deve ter todos os componentes da malha montados pr ximos um do outro e os tempos de respostas devem ser os menores poss veis Uma varia o na vari vel n o controlada deve ser detectada imediatamente pela controlada O controle de rela o pode ser considerado como um caso simplificado de controle preditivo antecipat rio As medi es s o feitas na entrada do sistema e as
486. sores servi os gerais controle estat stico de processo 8 28 Controle Multivari vel 9 9 Conclus o A adi o de uma malha de controle preditivo t pica envolve v rios instrumentos de medi o controle computa o anal gica e de compensa o din mica O retorno econ mico do acr scimo da malha de controle preditivo deve ser quantificado mesmo que as vari veis econ micas de custo retorno e economia n o sejam diretamente medidas Devem ser considerados os fatores relacionados com a economia dos tanques de armazenagem controle de neutraliza o de pH e de mistura autom tica produtos com a especifica o de pureza desejada e com pouco refugo coluna de destila o e fracionador economia de energia trocador de calor e torre de resfriamento Sob o ponto de vista t cnico as principais reas de aplica o do controle preditivo antecipat rio que produzem resultados dif ceis de serem conseguidos atrav s de outra t cnica s o 1 os processos complexos com grandes per odos de oscila o natural e submetidos a dist rbios e varia es de carga grandes e frequentes incontrol veis pelo sistema convencional de realimenta o negativa 2 Os processos onde as vari veis a serem controladas n o s o poss veis de medi o precisa confi vel ou r pido Mesmo que seja usada uma outra vari vel secundaria inferida da principal o controle convencional a realimenta o negativa insuf
487. speito de todas as alternativas a teoria b sica permanece sempre a mesma O processo v caixas pretas que desempenham fun es especificas qualquer que seja a natureza dos circuitos interiores e o local de montagem Controlador V lvul Fig 3 1 Malha t pica de instrumentos transmissor controlador e v lvula de controle 2 Instrumentos da Malha A malha de controle mais simples poss vel constitu da de um nico controlador ligado diretamente a v lvula de controle que atua no processo Na pr tica por quest o das grandes dist ncias envolvidas dos demorados tempos de resposta da necessidade do condicionamento de sinais mal comportados da vantagem da lineariza o de sinais quadr ticos da exig ncia de compatibilidade de sinais com naturezas distintas a malha de controle possui outros 3 19 Malha de Controle instrumentos para executar estas fun es auxiliares e opcionais Embora pare a irrelevante o uso de tantos instrumentos interligados na malha de controle a coloca o ou a retirada de um instrumento na malha pode alterar a estabilidade do controle do processo O sistema de controle do processo constitu do basicamente pelo processo em si e pela malha de instrumentos de medi o e de controle O melhor sistema de controle aquele que utiliza o m nimo n mero de instrumentos para se obter o controle autom tico mais eficiente e seguro Os principais instrumentos s o o ind
488. ss vel e pode acarretar grandes complica es ONDU co 1 1 Controle do Processo 1 1 Qualidade do Produto A maioria dos produtos industriais fabricada para satisfazer determinadas propriedades f sicas e qu micas Quanto melhor a qualidade do produto menores devem ser as toler ncias de suas propriedades Quanto menor a toler ncia maior a necessidade dos instrumentos para a medi o e o controle autom tico Os fabricantes executam testes f sicos e qu micos em todos os produtos feitos ou pelo menos em amostras representativas tomadas aleatoriamente das linhas de produ o para verificar se as especifica es estabelecidas foram atingidas pela produ o Para isso s o usados instrumentos tais como densit metros viscos metros espectr metros de massa analisadores de infravermelho cromat grafos e outros Os instrumentos possibilitam a verifica o a garantia e a repetitividade da qualidade dos produtos Atualmente o conjunto de normas ISO 9000 exige que os instrumentos que impactam a qualidade do produto tenham um sistema de monitora o onde est o inclu das a manuten o e calibra o documentada deles Martabilidado com Eanbrole manwl Por o de muti margal Distribui o da variis Carntrale marcial Warabididajg um Ponte de ajuste de camntrale matorm lico Erir He uini es Limie interior Distribui o da vardei da esperihca o Controle nufam ti
489. ss vel tirar algumas do modo rela o e oper las independentemente E poss vel tamb m se manter a rela o mesmo com a malha em manual Os par metros operacionais dependem da aplica o Os valores monitorados s o o ponto de ajuste rela o e os valores medidos das duas vaz es 10 2 Caracter sticas A maioria das aplica es se refere ao sistema de rela o de vaz es ou de quantidades O sistema pode envolver mais de duas subst ncias Para se evitar os problemas de n o linearidade e as varia es do ganho o calculo da rela o deve estar fora da malha de controle O ponto de ajuste passa a ser a rela o desejada r KY se X for a vari vel controlada Ou ent o r Y K se Y for a vari vel controlada Tipicamente o ganho ou a rela o de uma esta o de rela o ajustado entre 0 3 a 3 0 A soma das rela es deve ser sempre constante de modo que quando um componente aumenta o outro deve diminuir correspondentemente A soma das rela es sempre igual a 100 ou na forma normalizada igual a 1 0 Quando as medi es das vaz es s o feitas atrav s das placas de orif cio a rela o entre a press o diferencial e a vaz o n o linear o ganho da esta o de rela o o quadrado do ajuste de rela o Portanto o ajuste de rela o a raiz quadrada do ganho e portanto vari vel entre 0 6 a 1 7 O controle de rela o conseguido por dois esquemas alternativos com um divi
490. sso matematicamente como F Fo b py Pvo 2 7 onde b uma constante da v lvula relacionada com a caracter stica inerente da v lvula Ele chamado de fator da v lvula e as unidades de b neste caso s o m3 por min por kPa A vaz o atrav s da resist ncia Ry que ocorre quando h uma varia o na sa da do controlador pode ser expressa como z Pc D F GS Ri 2 8 que simplesmente estabelece que a vaz o atrav s da resist ncia proporcional queda de press o e inversamente proporcional resist ncia lei de Ohm para a vaz o A taxa de varia o da press o no diafragma da v lvula de controle proporcional a vaz o total de entrada ou de sa da e inversamente proporcional capacidade da v lvula ou seja Prak 2 9 d C l Combinando as eq 2 8 e 2 9 obt m se a seguinte equa o para esta se o do controlador d Tp Py 2 10 onde T R 2 11 Na eq 2 10 necessita se de uma express o para a quantidade p py porque se quer uma equa o final que seja apenas em termos de F e x Isto pode ser obtido subtraindo se a eq 2 6 da eg 2 7 lembrando que P o Pvo 1 Po Py ds PATAR Na eq 2 10 necessita se tamb m de uma rela o para a taxa de varia o da press o em termos da vaz o Esta rela o existe na eg 2 7 Diferenciando a eg 2 7 lembrando que Fo e pvo s o os valores iniciais da vaz o e da press o na v lvula respectivamente e po
491. sso cont nuo que trata exclusivamente de valores em regime Por causa da intensidade do trabalho e da necessidade de grande experi ncia bem como da natureza transit ria dos processos originais de batelada o controle do processo de batelada muito mais dif cil e complexa que o controle de processo cont nuo Por isso sempre houve uma procura em transformar o processo de batelada em processo cont nuo A tecnologia para se obter controle autom tico exato de processo cont nuo 10 2 Controle Batelada com menor esfor o se tornou madura mais cedo que a tecnologia para controlar processos de batelada 1 2 Fun es de controle da batelada O controle autom tico de processos cont nuos se consolidou mais cedo do que o controle de batelada por que o controle cont nuo envolve menor n mero de n veis de fun es 1 implementa o das medi es e atuadores em linha com o processo 2 automa o do sistema de controle regulat rio 3 automa o das fun es l gicas de seguran a e intertravamento Al m destas fun es do controle cont nuo o sistema de controle de processo batelada inclui 1 manipula o anormal das fun es 2 sequ ncia dos passos do processo em ordem predeterminada 3 coordena o do processo com fun es auxiliares 4 programa o e supervis o do processo 1 3 Controle manual direto No n vel mais baixo da hierarquia de controle o controle manual ou do operad
492. sso s o simplesmente as declara es do que o processo deve fazer Os objetivos s o usualmente associados com o conhecimento da industrial As vezes um objetivo global definido como o resultado final da planta Este depois quebrado em objetivos individuais geralmente secund rios e independentes para o qual o controle aplicado Por exemplo em uma ind stria de alimento o objetivo global principal produzir bolachas Claramente isto significa que a planta toma v rias mat rias primas processa as de um modo especifico e a sa da s o bolachas embaladas pesadas etiquetadas prontas para venda O objetivo global pode ser dividido em muitos objetivos secund rios A Fig 6 sugere alguns objetivos secundarias que podem ser envolvidos Pode ainda haver subdivis es em opera es mais simples Os objetivos do processo s o formados pelos objetivos de cada parte independente da opera o global Assim as opera es dentro da prepara o da bolacha podem ser vista como um nico processo Produ o de Bolachas Prepara o Cozimento Embalagem da massa Mistura Mistura seca molhada Fig 6 Objetivos e sub objetivos de um processo O especialista de controle de processo n o respons vel tipicamente pelo desenvolvimento dos objetivos que responsabilidade do especialista da ind stria envolvida Assim quem desenvolve os objetivos de uma ind stria qu mica o engenheiro qu mico para
493. ssor e envia o sinal para o elemento final de controle Fig 3 9 Controlador single loop 2 9 Esta o Manual de Controle A esta o manual pode ser parte integrante do controlador ou pode ser um instrumento totalmente separado do controlador A esta o manual de controle HIC permite ao operador gerar o sinal padr o de modo arbitr rio para atuar diretamente no processo Na vers o independente a esta o manual de controle pode ter as op es de indicar os sinais externos de gerar a sa da com a polariza o ajust vel de receber e de acrescentar a polariza o ao sinal externo Gerador Manual de Sinal Regulador de Polariza o Ajust vel Manualmente 3 15 psi ou 20 100 kPa ENTRADA Fig 3 10 Esta o manual de controle HIC 2 10 V lvula de Controle A v lvula de controle chamada normalmente de elemento final de controle atua diretamente no agente de controle manipulando uma vari vel que tenha influ ncia significativa na controlada A v lvula de controle recebe o sinal do controlador e atrav s do atuador o converte em for a e movimento variando a abertura para a passagem do fluido A v lvula deve possuir uma mola que leva a posi o para uma situa o extrema totalmente aberta ou fechada quando n o h sinal de atua o A for a de atua o deve vencer as for as exercidas pela mola e pelo processo A v lvula o equipamento projetado para produzir uma dissipa
494. st em uma das duas condi es poss veis ou totalmente fechado ou totalmente aberto Como consequ ncia a sa da do controlador liga desliga e a vari vel controlada est o oscilando continuamente com amplitude constante Diz se que o ganho total da malha igual a um ou o ganho do controlador infinito ou ainda que a sua banda proporcional zero Um controlador liga desliga pode ser substitu do por quest o de economia por uma chave autom tica que ir fechar ou abrir em fun o da vari vel atingir um valor ajustado previamente Medir n p Panta de aiste Rarra de fareas a X Palhata Eai aba ad Sam raalimantar n Rel nnerm tica Sunrimento Sa da Fig 4 8 Controlador liga desliga pneum tico 3 2 Controlador de Intervalo Diferencial O controlador liga desliga pode sofrer pequenas modifica es que melhoram o desempenho do circuito convencional O controlador de intervalo diferencial ou de gap an logo ao liga desliga por m em vez de ter um nico ponto de refer ncia possui dois pontos de atua o um para ligar o elemento e outro para desligar Entre os dois pontos h um intervalo ou gap O principal objetivo do controle de intervalo diferencial evitar as opera es frequentes de partida e parada do operador final A amplitude de oscila o aumentada por m a frequ ncia de oscila o melhorada e o elemento final de controle acionado um menor n mero
495. st igual ao ponto de ajuste 2 quando houver uma varia o da medi o ou do ponto de ajuste o controlador sente a varia o e modifica sua sa da a fim de eliminar o desvio 3 como agora h restri o nas duas realimenta es instantaneamente n o h realimenta o e o controlador atua como liga desliga com alto ganho e alta sensibilidade 4 quando h varia o muito brusca o pequeno fole pneum tico no interior do tanque derivativo faz o controlador responder rapidamente por causa da realimenta o negativa ao fole proporcional 5 como h um atraso na realimenta o negativa o resultado final como se houvesse um adiantamento no tampo de resposta e esse efeito estabelecido pela a o derivativa 6 a a o derivativa n o discrimina nem toma nenhuma atitude corretiva para desvios lentos ou para o desvio permanente A a o integral ainda continua respons vel pela elimina o do desvio entre medi o e ponto de ajuste 7 com o passar do tempo desde que os ajustes n o levem o controlador para a instabilidade o sistema se equilibra de novo com a medi o igual ao ponto de ajuste 2 8 Sistema Autom tico Manual No controlador pneum tico conectado diretamente ao processo o sistema de transfer ncia e opera o autom tico manual opcional e fornecido apenas quando requerido e especificado No modelo 43 AP o sistema autom tico manual consiste de uma v lvula reguladora de pr
496. st ncia RTD com um transmissor eletr nico O RTD muito preciso e diferente do termopar n o requer fia o especial O sensor de temperatura protegido de dano mec nico ou corros o por um bulbo que colocado dentro de um po o por conveni ncia de processo Mesmo que o reator tenha um n mero limitado de bocais no topo um destes bocais dedicado ao sensor de temperatura Se o reator contem t o pouco l quido que ele deixa de cobrir o sensor de temperatura o sensor pode ser montado em uma sa da do fundo O sensor montado atrav s de uma v lvula com passagem plena O aterramento do sensor de temperatura e do transmissor deve ser analisado e feito se necess rio mas sempre corretamente N vel A medi o de n vel no reator muito mais complicada que a da temperatura Os motivos das complica es s o 1 as propriedades densidade condutividade el trica das quais o n vel inferido variam muito por causa da varia o da temperatura e da composi o do produto 2 dificuldades el tricas e mec nicas de instala o provocadas pela exist ncia do agitador geometria do tanque A agita o violenta que ocorre dentro do reator requer um sensor de n vel robusto e que produza um sinal v lido mesmo com os redemoinhos ondas espumas na superf cie do topo As vezes o sensor interno e o transmissor montado externamente ao reator devem tamb m ter classifica o el trica especial para a
497. sta vari vel n o pode exceder Estes valores limites foram armazenados previamente na mem ria do computador para serem tomados facilmente como refer ncia Isto pode ser conseguido por uma s rie de compara es que matematicamente igual a complementar incrementar e adicionar os dois valores enquanto testando para resultado positivo ou negativo Quando este valor da vari vel for fora da toler ncia este fato normalmente indicado na sa da do computador na forma de um alarme Al m de ou em vez de comparar dos dados a valores m ximo e m nimo frequente o valor atual comparado com seus valores passados para determinar a taxa de varia o da vari vel no tempo Isto introduz a necessidade de um rel gio interno ao computador H v rios modos de manter o rastreamento do tempo real dentro do computador mas normalmente isto requer a simples adi o da habilidade de incrementar ou decrementar um n mero Sistemas mais complicados podem ter este rel gio como uma fun o separada do equipamento interna ou externa ao computador O m todo de manipular a informa o do status do contato de rel em grupos de 16 introduz a necessidade de ser capaz de comparar logicamente os valores das palavras digitais Isto inclui a necessidade de executar as fun es l gicas AND e OR ambas em palavras de 16 bit e nos bits individuais desta palavra desde que cada um dos 16 bits representa um rel diferente Isto tamb m
498. stabilidade produzida na a o derivativa fazer que a a o derivativa atue somente na vari vel do processo e n o no erro Desde que o erro a diferen a entre o ponto de ajuste e a vari vel do processo varia es degrau no ponto de ajuste n o ser o vistas pela a o derivativa do controlador e a perturba o provocada pelo degrau no ponto de ajuste ser evitada f cil fazer esta modifica o no controlador PID paralelo Pela Fig 5 24 a entrada para o diferenciador foi movida da sa da do amplificador de erro Ela ligada diretamente ao sinal da vari vel do processo vPV A sa da do diferenciador negativa Para fazer a realimenta o negativa para o processo a sa da deve ser somada sa da de outros controladores Assim KD dvPV dt ligada entrada n o inversora do somador U5 Os resistores 10 Q e 5 kQ atenuam o sinal para compensar o ganho inerente causado por Rf 10kQ e Ri 10k9 M0kQ A equa o resultante no dom nio do tempo dvpy Vo KpVerro Kif Verrodt Kp Vo E Apostilas Controle 3Controlador DOC 02 DEZ 98 Substitui 27 ABR 97 4 56 D Controlador Anal gico 1 Controlador Pneum tico de Painel 1 1 Conceito O controlador pneum tico de painel modelo 130 o instrumento mais importante da linha O controlador pneum tico Foxboro modelo 130 um instrumento projetado e constru do para ser montado em painel da s rie 102 tipo miniat
499. stantes necess rio ter tr s condi es iniciais Estas s o para uma varia o tipo degrau unit rio em xg no instante t 0 1 o n vel est no ponto de ajuste 2 ataxa de varia o do n vel depende diretamente do valor do dist rbio e inversamente com a constante de tempo ou o valor RC e 3 a seguran a derivada do n vel depende diretamente da primeira derivada e inversamente da constante de tempo todos precedidos pelo sinal negativo ou dx e at k 0 HI dt Jo Estas tr s condi es iniciais expressas matematicamente s o x xo 0 4 10a dx 1 dx 1 qe ne aT o 4 100 A solu o em regime da eq 4 10 4 o M Supondo que a solu o transit ria est vel e sub amortecida como usualmente a forma desejada em controle autom tico ent o a solu o transit ria pode ser escrita como X x Xa Xqo 4 11 X X Bye e B cos bt B sen bt 4 12 onde a1 a2 e b s o n meros reais positivos a serem determinados da equa o auxiliar e B1 B2 e B3 s o constantes a serem determinadas das condi es iniciais A solu o completa X Xo Bje tt e t B cos bt B sen bt a Xgo 4 13 Da primeira condi o inicial eg 4 10a 1 B4 B gt ta Xqo 0 4 14 A 20 Enfoque Matem tico Da segunda condi o eg 4 10b 1 B a B b Boa ta Xqo 0 4 15 Da terceira condi o eq 4 10c Bj Bpb 2B apb Boas xa Xgo 0 H2
500. ste tipo de sa da seria usado tipicamente para acionar motores de passo digitais Outra possibilidade ter o registro buffer ligado a um registro shift A informa o no registro shift ent o deslocada para a direita ou esquerda para fora do registro at que cada um dos 16 bits tenha sido deslocado em uma ordem adequada Isto um conversor paralelo para serial Os sinais de sa da modulados na frequ ncia de pulsos podem ser tamb m sa da de conversor D A a sa da cc de que usada como entrada para um conversor voltagem para frequ ncia Em resumo as necessidades reais da sa da do computador digital s o muito parecidas com as de entrada do computador Ambas requerem a capacidade para a transfer ncia paralela de 16 bits de informa o digital Ambas requerem a capacidade de multiplexar todos equipamentos para os buses tudo disso podendo ser feito usando registros flip flop 11 16 Computador como Controlador 2 9 Entrada Sa da do computador Desde que as necessidades do bus de transfer ncia de dados de entrada e de sa da s o aproximadamente id nticas e desde que o computador pode fazer somente uma opera o de vez normalmente o mesmo bus de 16 bit usado tanto como entrada para como sa da do computador O arranjo comum ou compartilhado do bus de entrada sa da E S do computador foi comum para muitos anos Recentemente por m v rios novos computadores possuem arquitetura baseada estrutur
501. stema de controle at as interliga es entre os instrumentos devem ser consideradas Por exemplo no sistema de controle pneum tico o tempo de atraso das respostas fun o da dist ncia entre o transmissor e o controlador da dist ncia entre o controlador e a v lvula de controle da bitola do tubo de liga o do material dos tubos e do tipo das conex es O modo matem tico correto de expressar o comportamento do fen meno din mico atrav s das equa es diferenciais A vari vel que s depende do tempo pode ser descrita por uma equa o diferencial convencional Se a vari vel depende do tempo e do espa o ela descrita por uma equa o diferencial parcial As equa es diferenciais s o desenvolvidas a partir de conhecidas leis f sicas e qu micas tais como a lei de Newton a lei da conserva o de energia a lei da conserva o das massas e as leis termodin micas A solu o dessas equa es diferenciais obtida inclusive com a transformada de Laplace envolve fun es exponenciais do tempo Est al m dos objetivos do presente trabalho o estabelecimento e a solu o das equa es diferenciais relacionadas com o controle de processo A varia o das condi es de equil brio do sistema de controle faz a medi o da vari vel controlada se afastar do ponto de ajuste e produzir um erro O controlador faz o sinal de medi o voltar a ser igual ao ponto de ajuste alterando sua sa da Por m sem
502. stemas de controle s o projetados e ajustados para se ter um ganho total da malha menor que 1 de modo a ter uma resposta atenuada e ser est vel Nos controladores digitais os ajustes s o feitos no ganho do controlador nos anal gicos os ajustes e a terminologia se referem a banda proporcional 5 5 Banda Proporcional A banda proporcional por defini o a rela o entre a entrada e a sa da do controlador Como consequ ncia a banda proporcional o inverso do ganho A banda proporcional diretamente proporcional a largura de faixa da vari vel controlada quanto mais estreita a faixa calibrada da medi o menor a banda proporcional A banda inversamente proporcional a largura de faixa da sa da do controlador que atua na v lvula de controle quanto maior for a abertura da v lvula menor a banda proporcional Fig 2 23 Curva de transfer ncia de controlador com a o inversa A banda proporcional expressa em Tipicamente tem se controlador com banda proporcional ajust vel com o valor Temperatura S P 0 190 B P larga variando de 20 at 500 A banda proporcional a faixa onde o controlador proporcional responde de modo autom tico s varia es do processo S h controle autom tico dentro da banda proporcional A a o inversa porque a sa da aumenta quando a medi o diminui Neste exemplo abaixo de 375 C extremidade inferior da banda proporcional a sa d
503. storcer as varia es da sa da do controlador que usada para reduzir o erro Neste ambiente errado acreditar que a malha de controle possa executar o controle desejado Em vez disso a rela o entre o controlador e o processo interativa Aqui o tamanho o formato e a taxa de varia o das altera es na sa da do controlador s o cruciais para o controlador restaurar a medi o igual ao ponto de ajuste quando h um dist rbio na carga ou no ponto de ajuste 11 Sintonia do Controlador O modo de controle uma resposta particular a uma varia o na medi o As quatro respostas b sicas s o 1 liga desliga 2 proporcional 3 integral e 4 derivativa Podem existir varia es nestas respostas b sicas entre os diferentes fabricantes de instrumenta o de controle As vezes estas respostas s o identificadas com nomes diferentes ou s o expressas em unidades diferentes A resposta derivativa pode ser gerada de modos diferentes e pode haver diferentes graus de intera o entre as a es proporcional integral e derivativa Para situa es especiais muitas caracter sticas extras foram adicionadas para melhorar o controle tais como a realimenta o externa ao modo integral chaves de batelada rastreamento e polariza o da sa da Atualmente a flexibilidade inerente aos equipamentos eletr nicos digitais aumenta a especializa o e a variedade de algoritmos de controle Mesmo assim
504. streita O controlador t pico para a vaz o o PI com a banda proporcional larga t pica de 150 para reduzir o efeito dos ru dos da vaz o O tempo integral pequeno t pico de 0 1 minuto repeti o para eliminar rapidamente o desvio permanente 7 3 N vel O n vel est associado ao par metro capacidade que o mais f cil de ser controlado O n vel de um liquido no tanque a integral da sua vaz o de entrada A grande vantagem do controle de n vel de liquido a possibilidade de se ter sistema auto regulante O n vel de liquido pode apresentar ru dos provocados pelas ondula es da face liquida Essas ondula es podem ser eliminadas ou diminu das principalmente com o uso de gaiola lateral externa O n vel a vari vel de processo com diferentes graus de dificuldade H n veis f ceis de serem controlados com grande capacidade e pequena demanda H n veis dif ceis de serem controlados O controle de n vel com grande capacidade pode ser executado inclusive com controle liga desliga Quando se requer um controle 7 20 Sintonia do Controlador mais rigoroso utiliza o controlador proporcional e finalmente quando n o admiss vel a ocorr ncia de desvios utiliza se a a o integral Raramente se usa a o derivativa O controlador t pico para o n vel o proporcional puro que fornece um controle do n vel m dio que pode variar entre os valores m ximo e m nimo sem
505. stru o statement 2 V rias instru es formam um passo step 3 V rios passos comp em uma fase 4 As diversas fases podem ser combinadas em uma opera o 5 Finalmente uma sequ ncia de opera es constitui uma batelada batch A sem ntica pode variar de aplicativo de sistema de controle para outro mas o conceito usualmente segue a descri o acima e a ordem segue intuitivamente as tarefas feitas pelo operador O formato pode variar muito de tabelas l gicas para diagramas de bloco e tabelas verdade e de diagramas sequ ncias de tempo para linguagem de alto n vel Uma receita uma cole o de informa es que converte uma sequ ncia gen rica de opera es de batelada em um programa para fazer um determinado produto As receitas podem ter um formato de tabela com as entradas especificando as quantidades de reagentes dura o de diferentes opera es e outras vari veis Em uma planta verdadeiramente modular pode n o ser suficiente personalizar uma sequ ncia de opera es com as quantidades de ingredientes atribu das E necess rio tamb m que o equipamento esteja conforme cada batelada Esta aloca o de equipamento a principal tarefa de um planejador ou programador scheduler q eu pode funcionar automaticamente em sistemas altamente desenvolvidos de controle de batelada O planejamento de uma batelada incorpora informa o sobre as unidades de processamento tempo quantidades de
506. t ligada e assim por diante Um conjunto particular de condi es descrito como um estado discreto de todo sistema Neste cap tulo ser examinada a natureza do controle do processo com estado discreto Al m da natureza deste controle uma t cnica especial para projetar e descrever a sequ ncia dos eventos de processo chamada de diagrama ladder ser apresentada O diagrama ladder apareceu do antigo uso de rel s eletromec nicos para controlar a sequ ncia de eventos em tais processos Sistemas de controle com rel s atualmente s o realizados com m todos baseados em computador o mais comuns deles o controlador l gico program vel CLP As caracter sticas e programa o de CLP tamb m ser o estudadas nestes trabalho 9 1 Controle L gico 2 Processo com estado discreto A Fig 1 uma representa o simb lica de processo de manufatura e o controlador para o processo Todas as medi es das vari veis de entrada S4 S2 S3 e das vari veis de sa da C4 C4 C1 do processo s o feitas e podem assumir apenas dois valores Por exemplos v lvulas est o abertas ou fechadas motores est o ligados ou desligados temperaturas est o altas ou baixas chaves limites est o fechadas ou abertas e assim por diante O estado discreto do processo em qualquer momento o conjunto de todas os valores de entrada e de sa da Cada estado discreto no sentido que h somente um n mero discreto de estados
507. t sa da do controlador Kp ganho do controlador Verro erro A fun o de transfer ncia do controlador proporcional Erro 4 48 Controlador Vo V Kp erro O controlador proporcional pode ter a o direta ou inversa Com a a o inversa um aumento da vari vel de processo provoca uma diminui o na sua sa da O amp op U3 respons vel pela invers o desta a o O controlador com a o direta n o possui o amp op U3 A sa da se move em fase com a vari vel Para uma a o direta a curva erro x sa da do controlador proporcional tem inclina o negativa Fig 4 17 Controlador proporcional 4 3 Controlador Proporcional Integral Para eliminar o erro residual a resposta do controlador deve ser alterada A sa da do controlador proporcional era proporcional ao erro do sistema O controlador integral tem uma sa da cuja taxa de varia o proporcional ao erro Enquanto houver erro a sa da continua variando Quando o erro fica zero a sa da do controlador integral fica constante E mantida a sa da que foi necess ria para eliminar todo o erro 4 4 Controlador Integral A taxa de varia o da sa da de um controlador integral proporcional ao erro Matematicamente dvo 2 Kv dt 1 erro onde vo sa da do controlador K constante de integra o Quando h um grande erro a sa da do controlador varia rapidamente para corrigir o erro Quando o erro
508. t t 2 Heete ta t Tm Ty J2 Rap 0R xo Rayf x xo dt xq Xqo 3 2 A 14 Enfoque Matem tico A eq 3 2 representa a equa o de malha fechada para o caso geral de um processo com duas capacidades sendo co9ntrolado por um controlador ideal mas com o elemento de medi o e o elemento final de controle com atrasos A equa o integral diferencial de quarta ordem ou efetivamente uma equa o diferencial de quinta ordem A ordem da forma da equa o integro diferencial sempre igual ao n mero de capacidades no sistema de malha fechada Na Fig 3 2 h duas capacidades no processo e o equivalente a duas capacidades na se o do controlador da malha E uma express o comparativamente longa mas uma vez os valores num ricos das constantes do processo sejam substitu dos ela se reduz a uma equa o diferencial simples linear tendo coeficientes constantes podendo ser resolvida por m todos bem conhecidos como transformada de Laplace A eq 3 2 representa o caso geral ela pode ser usada para obter as equa es para sistemas mais simples Por exemplo para o caso onde n o h atrasos e onde somente se usa o modo de controle integral os termos Tm Tv e B s o iguais a zero e a eq 3 2 fica mais simples e curta d2x dx Jo J X2 Xo 2e iT X2 Xo Raf x2 Xo dt xy Xgo 3 2a Uma vez a equa o geral tenha sido escrita como a eq 3 2 para um sistema com duas capacidades
509. ta n mero de produtos tipo de equipamentos caracter da planta facilidades de fabrica o roteiro que a batelada segue atrav s da planta tipos de produ o modo de execu o da produ o 9 gt Or Eo o N 1 8 Planejamento Planejamento scheduling uma atividade que aceita entrada do plano de produ o principal e desenvolve baseado no algoritmo de programa o ou baseada na experi ncia do planejador um programa de produ o que tipicamente inclui quantidade a ser produzida equipamento a ser usado objetivos para o tempo de produ o disposi o do produto restri es das fontes Or 0o O 1 9 Equipamentos Um controle de batelada pode ser considerado uma s rie ordenada de controles cont nuos Cada etapa de controle cont nuo requer um controle regulat rio O equipamento para executar o controle regulat rio dentro do processo batelada o mesmo usado no controle regulat rio do processo cont nuo Al m do controle regulat rio o processo batelada requer controle do intertravamento controle da sequ ncia de opera es e a coordena o do processo Intertravamentos Os intertravamentos normalmente operam independentes das fun es de sequ ncia e de controle regulat rio Os intertravamentos podem automaticamente 1 desligar a alimenta o de vapor em caso da temperatura atingir valores perigosos 2 desligar a alimenta o de mat ria prima quando o n vel atingir um ponto
510. tabilizando pois a sua in rcia muito 8 7 Controle Multivari vel grande O controle do processo sensivelmente melhorado com o controle em cascata O controle de temperatura do reator anterior melhorado colocando se um outro controlador de press o na entrada da alimenta o de vapor Agora tem se o controlador de press o cascateado pelo controlador de temperatura A sa da do controlador de temperatura chamado de prim rio estabelece o ponto de ajuste do controlador de press o chamado de secund rio Nessa nova configura o quando houver a diminui o da press o de vapor mesmo com a vaz o constante o controlador de press o ir abrir mais a v lvula para compensar a menor efici ncia do vapor As varia es de press o da alimenta o do vapor s o corrigidas rapidamente pela malha de press o e em vez de serem corrigidas lentamente pela malha de temperatura Reator com temperatura cascateando temperatura poss vel se ter uma vari vel cascateando outra vari vel da mesma natureza por exemplo temperatura cascateando a temperatura Uma aplica o t pica a do controle de temperatura de reator com aquecimento de vapor em jaqueta externa As varia es da temperatura do produto s o mais lentas e demoradas que as varia es da temperatura da jaqueta de aquecimento Nessas condi es pode se usar a temperatura do produto como a vari vel primaria e a temperatura do aquecimento extern
511. tado Fig 20 Inicializa o para mover a plataforma para baixo quando se aperta a botoeira PARTIDA Para a sequ ncia PARADA o rel CRs assumido o mestre para o resto do sistema Como PARADA uma chave NA n o se pode us la para liberar CRs no mesmo sentido usado nos exemplos anteriores Em vez disso se usa PARADA para energizar outro rel CR e usa os 9 15 Controle L gico contatos NF deste rel para liberar CR3 Isto mostrado na Fig 21 Pode se ver que quando a chave PARTIDA apertada CR na linha 4 est energizado pelo selo do contato CR e o contato NF de CRo Quando a botoeira PARADA apertada CR na linha 3 energizado que faz o contato NF na linha 4 abrir e liberar CRs CRa 1 Fig 21 Diagrama ladder para a sequ ncia PARADA Finalmente chega se sequ ncia para subir e descer a plataforma Em cada caso um rel selado para energizar um motor se 1 CR energizado 2 o bot o apropriado apertado 3 a chave limite n o atingida 4 o outro sentido n o est acionado O diagrama completo est mostrado na Fig 22 Uma liga o de rela NF usado para garantir que o motor para cima n o est ligado se o motor para baixo estiver ligado e vice versa Tamb m necess rio adicionar um contato na linha 2 para garantir que M2 n o parte se houver um movimento para cima e algum engra adinho apertou o bot o PARTIDA sa da 1 CR4 1 4 sa da ca
512. tado desejado Este resultado n o previs vel em um sistema de refer ncia de tempo e requer a monitora o das vari veis do processo como vaz o n vel temperatura press o an lise e pH O in cio e fim de cada passo dependem de valores destas vari veis de processo ou da ocorr ncia de determinada condi o Um processo acionado por evento requer prote o ambiental seguran a do pessoal consist ncia do produto e produtividade Para a sele o correta dos instrumentos de monitora o e controle deve se entender a din mica do processo que determina se um dispositivo pode fornecer a qualidade desejada da medi o Estas condi es de processo incluem faixa de temperatura umidade vibra o corros o interna e externa qualidade da alimenta o de pot ncia qualidade do ar de instrumento limpeza dos materiais do processo revestimento do processo interfer ncia eletrost tica e de r dio frequ ncia 4 Automa o da Batelada 4 1 Introdu o Virtualmente todo processo de batelada automatizado em algum grau A automa o pode variar de um processo controlado manualmente com ajuda de poucos sensores at controle com computador atrav s de software sofisticado e muitos sensores e instrumentos de an lise Mesmo nos casos em que o controle manual s o usados sensores para informar o status do processo ao operador tais como aquecimento mistura ou transfer ncias de produtos entre vasos Mesm
513. tante atrav s de um cabo padr o com 42 polegadas de comprimento preso estante por uma bra adeira e com a tomada fixa parede da estante por 4 parafusos Esse conjunto de liga o igual tanto para o indicador registrador esta o manual ou esta o autom tica A esta o de controle autom tico ligada rea do arm rio ao m dulo de controle por um cabo padr o de tamanho vari vel 2AK Normalmente a esta o ligado ao m dulo padr o 2AC Por m quando h caracter sticas especiais p ex sistema auto seletor a esta o de controle deve ser ligada tamb m a um m dulo especial p ex 2AC R3 Ainda quando h op es extras para a esta o de controle p ex indica o do estado AUTO MANUAL ajuste externo do modo AUTO MANUAL as esta es exigem tamb m um m dulo de distribui o de sinais com acesso fun o de controle 2AX DFA Nesse caso a esta o de controle recebe alimenta o das duas reas painel de leitura e arm rio Finalmente em casos extremos pode se exigir o uso de m dulo especial de controle p ex 2AC R3 e m dulo de distribui o especial p ex 2AX DFC Os fus veis dispon veis no m dulo de controle protegem o sistema SPEC200 de curto circuito eventualmente provocados pela esta o de controle e sua fia o Geralmente a sintonia dos circuitos eletr nicos ajustes de calibra o s o encontr veis e feitos no cart o de controle A esta o de cont
514. te tipo de sinal ser encontrado quando o processador digital trabalha com entradas tipo teclado O circuito adicional de sincronismo e controle necess rio para monitorizar as transfer ncia de dados entre o computador e estes equipamentos muito complexo e normalmente est inclu do na interface do computador 2 3 Informa o requerida pelo processo Agora a informa o que o processo deve receber do controlador de modo que possa ser controlado define as necessidades da sa da do computador Como as entradas as sa das podem ser anal gicas ou digitais 2 4 Sa das anal gicas Se o processador um equipamento digital ent o todas as entradas anal gicas devem ser convertidas para a forma digital antes de entrar no processor O processador digital deve tamb m ter a capacidade de tratar com informa o digital serial informa o de frequ ncia de pulsos e com as transfer ncias de informa o de outros equipamentos digitais incluindo os circuitos de sincronismo e controle destas transfer ncias Normalmente a capacidade de interrup o do computador tamb m necess ria Em todos estes exemplos a convers o do tipo de sa da do sensor para voltagens digitais realizado na interface de entrada do computador Assim o computador em si necessita apenas de ter a capacidade de manipular a informa o digital no formato s rie ou paralelo Os comandos da sa da anal gica do controlador ser o usados n
515. te ponto de ajuste previamente entrado pelo teclado calcula novas sa das baseadas no status atual e na sa da anterior e manipula os atuadores diretamente O computador executa todas as fun es de controle Os dados s o armazenados para posterior an lise alarmes soam e mensagens s o impressas se apropriado e os gr ficos coloridos de alta resolu o nos monitores s o atualizados Tudo isso acontece para todas as malhas controladas de 10 a 100 vezes por segundo Muitas t cnicas de controle mais complexas podem ser implementadas com o computador controlando diretamente o atuador Isto fornece uma grande melhoria do desempenho em rela o ao controlador anal gico Por m se o computador falhar o processo inteiro fica totalmente sem controle Isto pode ser desastroso Tamb m o computador deve ser muito r pido e caro para executar todas as tarefas associadas com o controle de cada malha e o armazenamento e display da informa o e interface com o operador 5 9 Controle digital distribu do A ultima gera o de controle digital de processo o controle distribu do a computador A primeira vista ele parece com o controle supervis rio digital Fig 1 19 Cada malha possui seu pr prio sensor transmissor indicador controlador e atuador Por m o controlador indicador agora um poderoso microcomputador C lculo complexos e modelagem do processo podem ser feitos pelo controlador a microcomputador single loop
516. tema de controle auto seletor com duas ou mais vari veis e com unidade de transfer ncia Auto Manual modelo 130 A ou 130 S 2 sistema de controle cascata contendo o circuito de dois controladores j ligados internamente em cascata modelo 130MC 3 sistema de controle de rela o de duas vari veis modelo 130Z 4 sistema de controle supervis rio do ponto de ajuste entre computador digital de processo e instrumenta o pneum tica anal gica modelo 130K Fig 5 3 Vista dos circuitos pneum ticos do controlador com ajustes do P ele D 1 3 Modelo B sico 130M O modelo b sico do controlador da linha PCI 100 pode ser considerado o 130M E um controlador indicador pneum tico com ponto de ajuste estabelecido manualmente Seus sinais de sa da e de entrada s o 20 a 100 kPa Sua alimenta o de 140 kPa 20 psig A descri o de sua parte frontal a seguinte 1 na parte superior h uma plaqueta de grava o onde podem ser escritas at duas linhas com o m ximo de 17 caracteres e espa os por linha E uma plaqueta normalmente transl cida de modo que podem ser instaladas pequenas l mpadas de alarme opcional sob a plaqueta 2 o controlador possui uma escala vertical de tamanho efetivo de 100mm A escala feita de pl stico transparente e branco com d gitos gravados em preto A escala intercambi vel entre os controladores indicadores e esta es manuais 3 o ponteiro de medi o se mov
517. tender as exig ncias da classifica o da rea Os sensores de press o e temperatura s o mais autocontidos que os de n vel Por isso dif cil escolher o sensor de n vel O sensor que atende uma aplica o pode ser incompat vel com outra aplica o O sensor t pico o de press o diferencial desde que a densidade do produto seja constante O sensor capacitivo requer uma ancoragem por causa da agita o O sensor ultra s nico n o suporta a alta temperatura existente Pode se usar c lulas de carga para inferir n vel do peso mas as instala es complexas as tornam caras A escolha do sensor de n vel deve ser feita cuidadosamente considerando todos os par metros da sele o 1 metalurgia e configura o do reator 2 faixas de press o e temperatura do processo caracter sticas do l quido natureza da agita o classifica o da rea pr ticas de manuten o Sa AO Press o ou v cuo A medi o de press o e v cuo a mais f cil e direta poss vel A presen a de vapores corrosivos pode requerer o uso de selo diafragma 10 21 Controle Batelada Vaz o As medi es da vaz o de entrada e de sa da tamb m n o apresentam problemas O cuidado mais importante est relacionado com o fluido e n o com o medidor Deve se garantir que o fluido tenha uma nica fase liquida g s ou p A especifica o do medidor depende do tipo do fluido faixa de medi o viscosidade densid
518. terativo de tentativa e erro que consome tempo e requer paci ncia e habilidade 2 tamb m provoca dist rbio ao processo M todo da Estabilidade Limite O roteiro pr tico para a sintonia do controlador proporcional o seguinte 1 manualmente atua se no processo para que a sa da do controlador fique em 50 2 com o processo estabilizado operando na condi o mais comum 7 31 Sintonia do Controlador e com o controlador em autom tico ajusta se a banda proporcional na valor m ximo Provoca se uma pequena varia o cerca de 1 a 2 no ponto de ajuste e observa se a resposta do controlador Como ele esta com o ganho quase zero ele praticamente n o responde ao dist rbio e o erro quase n o corrigido diminui se a banda proporcional e provoca se novamente uma pequena varia o no ponto de ajuste Agora o controlador j responde melhor ficando um desvio permanente menor diminui se sucessivamente a banda proporcional e provoca se um pequeno dist rbio no ponto de ajuste O desvio permanente diminui cada vez mais at atingir um valor limite chega se a uma banda proporcional que provoca uma oscila o senoidal est vel com amplitude m xima constante Este o ponto de ganho total igual a 1 O processo est oscilando na sua frequ ncia natural N o se deve confundir o ganho total do sistema com o ganho do controlador O ganho do controlador pode ser ajustado tipicamente entre 5 e 0 2
519. tes ao a1 a2 an vem do registro de calibra o em um c lculo estat stico de regress o n o linear Por 6 7 Controlador Digital exemplo um polin mio de ordem 9 d uma linearidade de 1 C A t cnica de lineariza o polinomial requer muita pot ncia de computa o e velocidade mas n o requer mem ria ROM extensiva que a t cnica da tabela requer A lineariza o polinomial geralmente feita por controladores usando matem tica de ponto flutuante programada em uma linguagem de alto n vel A pr xima tarefa do controlador pelo diagrama de blocos entrar o ponto de ajuste Ele j pode estar na mem ria tendo sido lido do painel frontal ou do computador supervis rio em algum ciclo pr vio Se um ponto de ajuste remoto usado o valor deve ser adquirido escalonado e filtrado exatamente como se faz com a vari vel do processo Ainda acerca do ponto de ajuste 1 Ele deve ser escalonado de modo id ntico a vari vel de processo de modo que quando a vari vel de processo se iguala ao ponto de ajuste o c lculo do erro d zero 2 Se a alimenta o desligada e depois ligada o valor do ponto de ajuste n o pode ser perdido Assim ele deve ser armazenado de algum modo em uma mem ria n o vol til ou em mem ria vol til com backup de bateria 3 Algoritmo de controle Agora o momento de calcular o erro A equa o a ser usada depende da a o do controlador direta ou
520. ticos Sua opera o n o requer sala de controle tradicional que pode n o existir nestas instala es antigas 10 23 Controle Batelada A automa o completa de grandes opera es de batelada geralmente empregam sistema digital de controle distribu do SDCD Embora os SDCDs tenham aparecido na d cada de 1970 seu uso em batelada recente Os primeiros SDCDs foram usados em grandes complexos petroqu micos e grandes refinarias de petr leo que empregam controle cont nuo Posteriormente os fabricantes de SDCDs desenvolveram programas aplicativos para processo batelada Antes foi necess rio o desenvolvimento de uma linguagem orientada para batelada O desafio foi combinar as instru es do controle sequencial com os elementos do controle cont nuo Outras temas foram 1 programa o da batelada para otimizar o uso do equipamento manipula o de receitas rastreamento da batelada coleta e relat rio dos dados alarme efetivo interface amig vel de opera o incluindo mensagens interativas procedimentos em linha interven o do operador Dn a O O 4 5 Caracter stica da Instrumenta o Devido a natureza descont nua dos processos bateladas o seu controle pode ser facilmente dividido em partes discretas que s o depois arranjadas em ordem hier rquica Isto pode ser visto na Fig 11 14 que ilustra a maioria dos componentes de um processo batelada 1 A a o mais baixo n vel chamada de in
521. tinentes do processo Al m das exig ncias operacionais e funcionais anteriores h algumas exig ncias de gerenciamento que devem ser satisfeitas O operador deve ter o controle total do processo durante todo o tempo mesmo quando o processo est sob o controle e sequenciamento autom tico dos instrumentos ou do computador A partir do console o operador pode se comunicar com o computador usando o monitor de v deo TRC teclado mouse track ball toque na tela e impressoras Ele pode controlar todas as fun es de monitora o controle regulat rio controle sequencial e relat rios O operador pode fazer uma infinidade de tarefas Na monitora o ele pode estabelecer os limites de opera o e seguran a do processo al m dos quais o sistema deve alarmar ou desligar o processo Para fazer o controle regulat rio ele pode estabelecer para o computador quais condi es devem ser monitoradas ou reguladas Na fun o de sequenciamento o operador pode chamar o programa autom tico sequenciador e tomar o status de cada batelada sob controle autom tico parando ou partindo muitos ou todos os programas de qualquer passo do processo No relat rio o operador pode prover informa o necess ria ao computador para a tomada de decis es ou pode pegar dados num ricos para uso de c lculos ou relat rios em linha Todas as a es que o operador toma atrav s do TRC podem ser registradas de modo permanente e recuperadas q
522. tir da l gica do processo determina se a a o do controlador As quatro alternativas para um sistema de controle de n vel s o 1 a seguran a do tanque cheio ou vazio 2 a a o do controlador direta ou inversa 3 a atua o da v lvula ar para abrir ou ar para fechar e 4 a v lvula de controle na entrada ou na sa da do tanque 2 Circuitos do Controlador As dificuldades de controle do processo variam muito e por isso s o dispon veis controladores comerciais de v rios tipos e modos de controle Existem caracter sticas padronizadas e existem aquelas especiais fornecidas somente quando explicitamente solicitado N o especificar todas as necessidades requeridas implica em se ter um controle de processo insatisfat rio e at imposs vel Especificar o equipamento com caracter sticas extras que n o ter o utilidade no m nimo um desperd cio de dinheiro E tamb m uma inutilidade a especifica o do instrumento com caracter sticas especiais sem entend las e sem ajustar o controlador corretamente A maioria dos textos sobre controle considera o controlador ideal e te rico com as tr s a es separadas independentes e n o interativas Na pr tica da instrumenta o a situa o n o t o simples assim Pode se ter intera o entre os modos de controle nos dom nios do tempo e da frequ ncia Sob o ponto de vista de constru o os controladores podem ter os modos de controle disposto
523. to microprocessado com todas as vantagens inerentes sua natureza que pode ser usado para controlar uma nica malha da o nome single loop E tamb m chamado de single station Por ser dedicado este controlador ainda chamado de stand alone isolado Por quest o de marketing e por causa de sua grande capacidade um nico inv lucro pode incluir dois e at quatro controladores por m com o aumento de dificuldade da opera o quando chamado de controlador multi loop O microprocessador pode ter qualquer fun o configur vel e por isso um mesmo instrumento pode funcionar como controlador controlador cascata controlador auto seletor ou como computador de vaz o com compensa o de press o e temperatura A configura o pode ser feita atrav s de terminal acoplado ao instrumento ou atrav s de programador separado stand alone Como a tecnologia do single loop moderna o instrumento incorpora todos os avan os da tecnologia eletr nica microprocessadores displays novos e programas criativos 7 2 Tamanho Tem tamanho pequeno ou muito pequeno menor que as dimens es DIN N o necessariamente a mais importante mas um das caracter sticas mais not vel da presente gera o de controladores single loop seu pequeno tamanho f sico A maioria dos controladores segue as dimens es europ ias DIN Deutche Industrie Norm para aberturas de painel 6 14 Controlador Digital 1 4 DIN 96 x 96
524. to que possa ser aplicado ao seu projeto antes da constru o real da planta que possa lhe dar informa o se o sistema est tendendo para ser est vel ou n o O uso do crit rio de Routh um procedimento deste tipo e ser descrito em termos de v rias equa es de terceira e quarta ordens t picas de processo controlado 5 4 Processo com nica capacidade controlado com um atraso A Fig 6 1 mostra um processo com uma nica capacidade com controlador e v lvula ideais sem atraso mas com atraso no sistema de medi o Quando o controlador possui as tr s a es PID a equa o do processo a eq 3 1 repetida aqui dx d2x ala Tm H Edo dx Saga T Ravf x xo dt 0 6 1 onde Tm Rm Cm B fator de controle derivativo total a fator de controle proporcional total y fator de controle integral total x n vel controlado Xo n vel desejado ou ponto de ajuste poss vel haver instabilidade neste sistema Sob certas condi es e para certos valores dos coeficientes da equa o diferencial um dist rbio ao sistema pode resultar em oscila o Na pr tica a amplitude da oscila o n o tenderia para um valor infinito por causa das restri es f sicas no sistema controlado ela se torna n o linear e a oscila o atingir alguma amplitude m xima Mesmo assim esta instabilidade intoler vel para a opera o correta da planta A 26 Enfoque Matem tico Controlador Pm
525. to seletor Tab 4 Compara o da controlabilidade das vari veis de processo Vaz o a vari vel certamente mais f cil de ser controlada Vaz o a mais r pida Nunca requer a o derivativa e possui ru do Vaz o N o pode se usar posicionador na v lvula controladora de vaz o No controle vaz o tanto a vari vel controlada como manipulada Press o Relativamente f cil de ser controlada Geralmente controlada com PI Assume diferentes graus de dificuldade de N vel controle Geralmente controlada apenas com P Vari vel com maior gama de varia o de Temperatura dificuldade de controle Pode ser controlada desde liga desliga at com controlador PID pH Vari vel dif cil de ser controlada pois n o linear An lise Geralmente possui grande tempo morto Tipicamente requer PID a Controle Controle Controla 8 Sintonia do controlador O processo industrial modifica uma mat ria prima em um produto acabado atrav s de um balan o entre o suprimento e a demanda de produtos e de energia durante um determinado per odo de tempo Na pr tica nenhum processo igual a outro Os processos apresentam caracter sticas t picas quanto a carga suprimentos transporte de materiais transfer ncia de energia quantidade e qualidade do suprimento de energia Em outras palavras cada processo apresenta um inerente grau de dificuldade para ser controlado automaticament
526. todos os outros est o fora do circuito O sinal de um controlador vai at a v lvula os sinais de todos os outros acabam no seletor de sinais Esta a condi o mais favor vel para o aparecimento da satura o a sa da inoperante de um controlador autom tico contendo o modo integral e em funcionamento Para se evitar a satura o das sa das de todos os controladores que estejam na malha e cujos sinais s o inoperantes pois apenas um sinal selecionado os controladores do sistema sem exce o Essa realimenta o feita para o circuito integral de cada controlador do sistema e portanto todos devem ter essa possibilidade extra de realimenta o externa Tanau A realimenta o da sa da do seletor de sinais para todos os controladores est redundante para aquele controlador momentaneamente selecionado e atuante no processo por m a realimenta o essencial a todos os controladores restantes pois ela os impede de saturarem Quando se tem os controladores eletr nicos basta prove los com a op o de realimenta o externa Quando se usam controladores pneum ticos e v rios seletores de sinais poss vel atrav s de ajustes convenientes nos seletores se conseguir um controle satisfat rio do sistema Por m em sistemas mais dif ceis necess rio se prover cada controlador pneum tico com uma chave batelada para otimizar a resposta din mica do processo Mas a aplica o
527. traso ajusta o ganho do sistema como o proporcional mas aumenta o tipo do sistema para 1 Se o processo do tipo 1 o uso do controlador PI muda o para o tipo 2 O aumento do tipo do sistema aumenta os tipos de entradas que podem ser aplicadas ao sistema sem gerar erros permanentes inaceit veis O controlador PI estabiliza o processo e sempre se tem a vari vel controlada igual ao ponto de ajuste O controlador PI oferece estabilidade e igualdade 7 18 Sintonia do Controlador Como ele possui a o integral h perigo de satura o da sa da do controlador quando o erro for muito demorado A sua resposta relativamente lenta pois a a o integral torna a resposta do controlador mais lenta O controlador Pl menos est vel que o controlador P e o controlador PID Estatisticamente o controlador Pl o mais usado na pr tica de controle de processo cont nuo Controlador PD O controlador PD tamb m chamado de compensador de adiantamento permite a altera o da resposta transiente do sistema O uso do controlador PD pode alterar um sistema sub amortecido para um sistema criticamente amortecido ou super amortecido O ganho pode ser mudado para alterar a estabilidade e o erro permanente O controlador PD estabiliza rapidamente o processo por m s se tem a vari vel controlada igual ao ponto de ajuste para um nico ponto em todos os outros pontos o processo se estabiliza fora do ponto de ajuste ocorre
528. tre computador digital e anal gico Tanto o computador digital como o computador anal gico s o usados para simular processos din micos e equa es matem ticas Desde que a teoria do sistema de controle autom tico gera as necessidades de controle na forma de express es matem ticos os dois tipos de computadores s o adapt veis para simular as equa es de processo e portanto agir como controladores do processo A diferen a b sica est em como eles conseguem a solu o para estas equa es Anal gico um termo usado para implicar uma sequ ncia de eventos continua sem interrup o ou sem quebras O tempo uma qualidade anal gica em que ele sempre existe nunca h uma circunst ncia em que o tempo para ou seja interrompido Digital se refere a uma sequ ncia de eventos discretos Cada evento completamente separado de outros eventos passados ou futuros Usualmente esta separa o um per odo de tempo Como uma compara o entre anal gico e digital os eventos digitais discretos s o normalmente separados por per odos de tempo isto significa que o tempo continuo mesmo entre eventos digitais A maioria dos fen menos naturais s o de natureza anal gica A vida continua desde o instante do nascimento at a morte nunca h um per odo de tempo em que ela n o existe A vida anal gica O calend rio discreto O dia 27 de maio ocorre somente uma vez por ano O dia 27 de maio existe s
529. tro 1 Se engajada ir para E 2 Se n o ir para D Abrir v lvula do silo de alimenta o Testar chave limite direita 1 Se engajada ir para E 2 Se n o ir para D G Fechar v lvula do silo de alimenta o parar esteira de alimenta o H Ligar esteira da caixa esquerda Testar chave presen a de caixa esquerda 1 Se engajada ir para J 2 Se n o ir para J Ligar esteira de alimenta o movimento esquerdo K Testar chave de centro 1 Se engajada ir para L 2 Se n o ir para K Abrir v lvula do silo de alimenta o Testar chave limite esquerda 1 Se engajada ir para II A 2 Sen o ir para M O J nm am 9 7 Controle L gico Notar que o sistema cicla do passo M para o passo A A descri o constru da pela simples an lise de quais eventos ocorrem e qual entrada e sa das devem ser suportadas por estes eventos E limite esquerdo di RS esteira direita limite direito esteira esquerda Fig 8 Fim da fase de inicializa o Exemplo Enchimento de garrafas Problema Descrever a sequ ncia de eventos para o sistema de enchimento de garrafas em movimento na esteira como mostrado na Fig 5 Solu o Assume se que quando um comando dado para parar o sistema de controle cont nuo a v lvula de entrada vai para a posi o fechada Assim a sequ ncia seria l Inicializa o pr enchimento do tanque A Esteira parada V lvula de sa da fechada B
530. trole de temperatura A press o no in cio de uma tubula o est diretamente relacionada com a vaz o da linha A nica participa o din mica do processo a in rcia apresentada pela vaz o do liquido A banda proporcional do controlador de press o deve ser mais estreita ou seja o controlador deve ser mais sens vel do que para o controle de vaz o Raramente se utiliza a a o derivativa para o controle de press o O controlador t pico para o controle de press o o PI A banda proporcional tipicamente maior que 100 e o tempo integral pequeno 7 2 Vaz o A vaz o a vari vel de processo com a resposta mais r pida e com a menor capacit ncia A vaz o a vari vel manipulada da maioria dos controles de outras vari veis Quando se tem o controle de vaz o a coincid ncia entre a vari vel manipulada e a controlada torna ainda mais f cil o controle A vaz o entre dois pontos de uma tubula o com se o circular fechada gerada e modificada pelas bombas e compress es que produzem uma diferen a de press o entre eles A vaz o sempre vai do ponto de maior press o para o de menor press o A vaz o sofre dist rbios das conex es e acidentes da tubula o da coloca o de elementos sensores e de v lvulas de equipamentos tais como trocadores de calor Como a vaz o possui pequena capacit ncia e como a maioria dos l quidos n o compreens vel esses ru dos provocados pelos dist r
531. tru do com circuitos digitais 11 3 Computador como Controlador 1 4 Como um controlador digital difere de um controlador anal gico Provavelmente a diferen a b sica entre o computador digital e o controlador convencional o compartilhamento do tempo time sharing Um nico computador digital pode executar o controle global de centenas a milhares de malhas que requerem centenas a milhares de controladores convencionais Este compartilhamento de um nico computador digital por todas as malhas do processo tornam sua aplica o vi vel e vantajosa economicamente Quando se usam controladores anal gicos convencionais necess rio no m nimo um controlador para cada malha Cada controlador fiado em sua malha e modifica es futuras exigem nova fia o A malha de controle constitu da de sensor transmissor controlador v lvula de controle transdutor pneum tico para corrente Quando se usa um computador digital os sinais dos sensores s o levados para a entrada do computador e servo mecanismos s o ligados sa da do computador esta toda a fia o necess ria Para modificar as fun es de controle P e D e de configura o multivari vel cascata feedforward auto seletor split range as mudan as necess rias s o feitas no programa de configura o do computador e n o necessariamente em algum equipamento A opera o do processo tamb m feita atrav s do computador digital
532. truturas mais complexas que podem em alguns casos melhorar significativamente o desempenho do sistema de controle A maioria das malhas de controle possui uma nica vari vel controlada A minoria dos sistemas mais complexos requer o controle mais avan ado envolvendo mais de uma vari vel ora para manipular mais de um elemento final de controle ora para monitorar mais de uma vari vel controlada Estes sistemas que s o repetidos frequentemente com pequenas modifica es s o conhecidos como sistemas unit rios de controle sistemas estruturados de controle ou sistemas de controle multivari vel Eles s o cl ssicos e podem ser dispon veis em instrumentos especiais com as m ltiplas fun es para atender as aplica es mais complexas facilitar a instala o manuten o e opera o Cada sistema unit rio de controle encontra sua aplica o especifica A caracter stica comum dos sistemas que s o manipuladas e medidas muitas vari veis simultaneamente para se estabelecer o controle no menor tempo poss vel e com o melhor rendimento do processo Ser o tratados aqui e agora os conceitos e s mbolos dos controles estruturados que podem servir como blocos constituintes de um projeto completo de instrumenta o O controle pode ser implementado atrav s das seguintes estrat gias 1 Controle Cont nuo Linear Realimenta o negativa Cascata Preditivo antecipat rio Rela o 2 Controle com sa das
533. u o de v rios tipos de tempo morto devido ao tempo de amostragem a computa o matem tica a filtragem anal gica das harm nicas da frequ ncia de amostragem e a caracteriza o do modo derivativo Por causa deste tempo morto adicional o controlador digital n o pode ser usado indiscriminadamente em malha de controle de processo cr tico e r pido como para o controle de surge de compressor ou controle de press o de forno em faixa estreita Outra desvantagem do controle anal gico ser feito por um controlador digital o recebimento da amostragem O recebimento dos dados de modo discreto considerado um dist rbio para a a o derivativa que poder desestabilizar a malha gerando os impulsos na entrada positivo e sa da da amostra negativo Assim deve se evitar o uso da a o derivativa em controlador digital ou ent o pagar caro pelos complexos algoritmos desenvolvidos para resolver este problema Por outro lado o controlador digital aumentou a capacidade de computa o para o controle e para a caracteriza o das a es de controle sendo adequado para estrat gias de controle avan adas como o controle preditivo antecipat rio Tipicamente o controlador digital superior ao anal gico em precis o e resolu o dos ajustes dos modos de 4 40 Controlador controle na precis o da computa o adicional como na lineariza o e caracteriza o de sinal mais flex vel em fun o da pro
534. u normalmente aberto NA ou normalmente fechado NF e podem ser identificados pelo mesmo n mero Um contato NA aquele que est aberto quando a bobina do rel n o est energizada e se torna fechado quando a bobina fica energizada Do modo contr rio um contato NF aquele que est fechado quando a bobina do rel n o est energizada e se torna aberto quando a bobina fica energizada Os s mbolos para a bobina e os contatos NA e NF est o mostrados na Fig 15 E tamb m poss vel designar um rel temporizado que aquele cujos contatos n o s o atuados instantaneamente mas s o ativados depois de transcorrido determinado intervalo de tempo A bobina ainda indicada por um circulo mas com a designa o de TR para indicar rel temporizado Os contatos como mostrados na Fig 15 tem uma seta para indicar NA para fechar ap s o atraso ou NF para abrir ap s o atraso Este rel chamado de rel temporizado com atraso 9 12 Controle L gico para ligar Quando a bobina energizada os contatos n o s o energizados at que o tempo de atraso tenha expirado H tamb m um rel temporizado para desligar atrasado Neste caso os contatos s o atuados quando a bobina energizada Quando a bobina desenergizada por m h um tempo de atraso antes que os contatos v o para o estado de desenergizado A Bobina de rel NA NF Atraso depois energizar Atraso depois desenergizar Fig 15 Alguns s
535. ua o diferencial linear com coeficientes constantes fazer x eft A equa o auxiliar assim produzida EJA Pa l Ray 0 4 5 As ra zes desta equa o quando encontradas pela formula da equa o alg brica quadr tica s o M M Ray p l L arma 4 6 2M2 4M5 M Uma resposta oscilat ria ocorre se o termo sob o radical for negativo isto se A 18 Enfoque Matem tico R 2 ELA a 4 6a Mo UM Por simplicidade a eg 4 6 pode ser expressa p atib 4 7 onde i 1 MO 2M gt ge EE M2 4M5 A solu o da eq 4 4 x x B4 cos bt B sen bt 4 8 As constantes quando encontradas das condi es inicial e final dadas pela eq 4 3a e 4 3b s o B 0 Xg Xqo a b Bo RqY b Assim a solu o final da eq 4 8 Xg X 2 p E a2 f 2b Jets aY 4 9 Esta equa o familiar para um movimento oscilat rio amortecido o amortecimento sendo menor que o critico o que foi assumido na eg 4 6a Note que as solu es dos problemas de controle s o matematicamente as mesmas para os problemas de vibra o bem conhecidos Por m o estudo dos sistemas de controle mais inclusive do que os de vibra es mec nicas Em sistemas de controle s o encontradas equa es diferenciais de ordens impar por exemplo a eq 4 1 uma equa o de primeira ordem as equa es encontradas na an lise de vibra o s o sempre de ordem
536. uadores e l mpadas 7 Identifica o e aplica o 8 Necessidade ou disponibilidade de estante Necessidade ou disponibilidade de cabo 1 14 Montagem Modular A montagem do controlador pr ximo ao processo vantajosa porque os atrasos na resposta dos sinais s o m nimos A montagem do controlador na sala de controle facilita a opera o Foi desenvolvido um sistema que concilia essas vantagens S o dispon veis controladores cegos com os circuitos de controles que podem ser montados no campo pr ximos ao processo e interligados a esta es de leitura e de ajustes montados na sala de controle Para interligar esses instrumentos usada uma configura o que envolve quatro tubos 1 tubo da medi o que leva o sinal do transmissor para a indica o na esta o do painel e para o controle no controlador do campo 2 tubo para o sinal do ponto de ajuste estabelecido na esta o do painel e usado no controlador do campo 3 tubo para o sinal de sa da do controlador do campo que vai para a v lvula de controle e vai para a esta o do painel para indica o 4 tubo para o sinal de comando das chaves que possibilita a atua o manual do painel de controle Quando a v lvula de controle atuada pelo sinal manual a sa da do controlador de campo bloqueada Esta o de leitura no painel modelo 130D A esta o de leitura Foxboro modelo 130MD prove as indica es da medi o do ponto de ajust
537. uando necess rio Todas estas tarefas podem ser feitas no monitor Se o console tem mais de um monitor o operador pode fazer v rios coisas simultaneamente como processar a informa o mostrada na tela e mostrar a lista de coisas pendentes no computador e uma terceira tela pode estar dispon vel para os comandos do operador Fig 11 11 Interface com operador a TRC Se h mais de um console dois ou mais operadores podem compartilhar o trabalho Cada operador pode ter uma determinada responsabilidade para processos diferentes Algumas informa es pode estar dispon veis apenas no monitor do supervisor Se programado o operador pode operar toda a planta atrav s de seu console 10 16 Controle Batelada abrindo e fechando v lvulas ligando e desligando motores e posicionando v lvulas A interface homem m quina um meio conveniente do operador se comunicar com o processo atrav s do computador Do lado humano da interface tem se esta o de opera o com monitor teclado mouse e impressora Este equipamento permite a vis o r pida e f cil das condi es do processo comunica o com o computador e gera o de relat rios Do lado do computador da interface h um sistema de programas projetados para convertes as entradas do operador para uma forma us vel no computador e para converter a informa o do computador para uma forma us vel pelo operador Assim a interface de console permite o operador di
538. ue devem ser feitos no controlador Este procedimento nem sempre pratico H a possibilidade de produzir resultados desastrosos na planta e na qualidade do produto quando se permite a oscila o no processo Outra desvantagem deste procedimento que ele muitas vezes se torna demorado por causa dos per odos de oscila o excessivamente longos da planta Utilizando este e St 0 285c0s 0 224t 0 190 sen 0 224t procedimento de tentativa e erro h 4 34 Finalmente x xo pode ser plotado como uma fun o do tempo t para dar o quadro completo da curva resposta devido a uma varia o tipo degrau na carga do sistema tamb m a desvantagem da planta ser inst vel quaisquer que sejam os ajustes do controlador Os ajustes do controlador na banda proporcional tempo integral e tempo derivativo s o limitados aos efeitos sobre os coeficientes das equa es da planta Estes coeficientes a B e y s o determinados das constantes do processo A 25 Enfoque Matem tico resist ncia e capacidade e dos ajustes do controlador Em muitos casos pode ser necess rio fazer uma grande altera o na planta para obter o grau de opera o est vel desejado E conveniente que o engenheiro de controle possa utilizar procedimentos que lhe forne am informa o sobre a estabilidade antes da constru o da planta real Isto elimina altera es custosas no projeto da planta que s o necess rias depois da planta ter sido c
539. ue influem no processo Essas vari veis que afetam o desempenho do processo podem ser chamadas de um modo gen rico de dist rbios ou de carga do processo Como o seu controle direto muito dif cil deve se aprender a conviver com elas e ajustar o sistema para compensar a sua influ ncia 2 1 Podem ser considerados como dist rbios do processo as condi es de opera o as condi es ambientais o desgaste dos equipamentos e dos instrumentos a falha de equipamentos os fen menos internos ao processo como as rea es endot rmica e exot rmica Quanto ao local onde os dist rbios podem ocorrer tem se 1 de demanda ocorrido na sa da do processo 2 de suprimento na entrada do processo 3 de opera o com varia o do ponto de ajuste 4 Quanto ao formato da onda o dist rbio pode ser classificado como 5 tipo degrau quando a varia o instant nea de um n vel a outro e depois fica constante A resposta de um sistema a um degrau a resposta ao transiente 6 rampa quando a varia o segue uma reta inclinada Quando a inclina o da reta aumenta muito o dist rbio tipo rampa passa a tipo degrau 7 senoidal variando ciclicamente segundo uma sen ide 8 pulsos quando a dura o do degrau pequena e c clica Normalmente o pulso retangular s vezes o trem de pulsos deformado e se comporta como um sinal senoidal 9 aleat rio quando n o se enquadra em nenhum caso
540. uido determina o n vel do tanque Para o n vel ficar est vel e sob controle basta simplesmente que a vaz o da sa da manipulada seja igual vaz o de entrada livre A v lvula pode ser atuada manualmente Se um n vel diferente desejado ou necess rio deve se simplesmente alterar a posi o da abertura da v lvula de sa da em sua faixa calibrada Quando as condi es do processo s o est veis o controle de malha aberta funciona adequadamente No caso do n vel quando a vaz o de entrada constante raramente alterada basta colocar uma v lvula com ajuste manual na sa da para se obter o controle desejado pois tamb m raramente o operador deve alterar manualmente a v lvula de sa da Vantagens do controle manual 1 usam se poucos equipamentos e por isso h pouca chance de se quebrar 2 o custo do sistema baixo para comprar instalar e operar Por m h problemas quando ocorre dist rbio na vaz o de entrada do tanque O n vel do produto afetado diretamente pelas varia es da vaz o de entrada Um aumento na vaz o atrav s da v lvula de entrada provoca um aumento no n vel do tanque Qualquer varia o da vaz o de entrada afeta o n vel do l quido Obviamente se houver qualquer varia o ou dist rbio na v lvula de entrada o sistema de controle de malha aberta n o manter automaticamente o par metro de sa da no exemplo o n vel no valor desejado Todo dist rbio requer a
541. ula 4 o elemento final de controle atinge seus limites f sicos 5 e exist ncia do processo batelada Enquanto o processo ficar parado para a recarga e o controlador ficar ligado em autom tico a medi o zero o ponto de ajuste finito e o controlador vai variar a sa da para inutilmente tentar fazer a medi o subir para o ponto de ajuste O resultado dessa tentativa de controle a satura o da sua sa da 6 a v lvula de controle atuada por um controlador selecionado entre n controladores Apenas h um controlador respons vel pelo controle e os outros n 1 controladores ficam em espera inativos com as sa das terminando no seletor de sinais Esses n 1 controladores podem saturar suas sa das se tiverem o modo integral 7 O processo com sistema de controle em cascata H determinadas situa es que levam o controlador prim rio e depois todo o sistema para a satura o entrada A gt Fig 7 19 Sa da saturada Depois do ponto A a entrada aumenta por m a sa da cont nua no valor de satura o no fim da faixa ou em 100 4 6 Elimina o da Satura o do Integral A satura o do controlador sempre indesej vel pois a perda do controle pode levar o processo para condi es inseguras e pode provocar ultrapassagem proibitivas da medi o em rela o ao ponto de ajuste Assim a satura o do integral deve ser minimizada quando n o for poss vel elimina la
542. ulo de fora de faixa e overflow devem ser verificados contra 4 095 Para um microprocessador de 8 bits com um conversor de 12 bits com 100 4 095 significa que todas as opera es matem ticas devem ser feitas com n meros de dois bytes dupla precis o Deve se evitar aumentar a escala da vari vel de processo Multiplicar a vari vel de processo por uma constante maior que 1 resulta em um n mero com mais bits que o produzido pelo conversor Isto implica em uma resolu o e exatid o que o conversor realmente n o pode dar Isto parece que se conhece a vari vel de processo mais precisamente do que realmente ela medida e convertida Esta falsa exatid o especialmente um problema quando se quer converter para unidades de engenharia com matem tica de ponto flutuante Antes de reportar o valor no painel frontal ou no computador supervis rio garantir o arredondamento do n mero Reportar o n mero apenas com os d gitos que indicam precisamente a resolu o e precis o para as quais a vari vel foi medida e convertida Filtros digitais passa baixa podem ser usados para remover o ru do abaixo de 0 2 Hz mas acima da taxa de resposta da vari vel de processo Este filtro pode e deve ser feito pelo programa E recomend vel que a frequ ncia cr tica do filtro digital seja a metade do filtro anal gico Filtros anal gicos s o econ micos abaixo at 0 2 Hz Isto implica que a mais alta frequ ncia que um filtro digital
543. um na se o de medi o outro na se o da v lvula Elas representam situa es frequentemente encontradas na pr tica Quando se incluem mais atrasos a an lise se torna mais complexa Foi omitida a considera o do atraso dentro do controlador porque ele usualmente desprez vel em compara o com os outros Por m atrasos adicionais podem ser inclu dos seguindo se os mesmos procedimentos Quase todas as aplica es envolvem capacidades distribu das e bem conhecido que na an lise de tais sistemas quanto maior o n mero de capacidades consideradas maior a precis o A avalia o destes atrasos e a necessidade de leva los em considera o pode ser determinada sem dificuldade ap s se adquirir uma pequena experi ncia em usar estes procedimentos nos sistemas reais Nas se es 1 e 2 foram estabelecidas as equa es do processo e do controlador respectivamente Resta apenas mais um passo obter a equa o da malha fechada que seria usada na an lise final de um sistema controlador de modo autom tico e completo Esta an lise informar exatamente o que pode ser esperado de um dado processo e de um sistema de controle sem ter a planta f sica na frente O objetivo final em toda an lise prever o desempenho que pode ser esperado enquanto o sistema ainda esteja no projeto Este procedimento elimina altera es custosas e facilita o projeto do sistema de controle No pr ximo capitulo ser o combinadas as
544. uma caixa de poli ster moldado com refor o de fibra de vidro sendo extremamente dur vel e resistente maioria das atmosferas de processo industrial A caixa possui uma porta que abre em torno de dobradi as tipo piano com uma janela de policarbonato transparente na altura da escala de indica o No interior da caixa h uma placa de a o que se comporta como o chassis do controlador e onde s o montados rigidamente todos os componentes As partes constituintes do controlador s o 1 sistema de indica o 2 a unidade de controle autom tico 3 sistema autom tico manual 4 ponto de ajuste remoto opcional 5 o elemento sensor Fig 5 12 Controlador pneum tico 43AP 2 2 Indica o As indica es da vari vel medida e do ponto de ajuste s o feitas em uma escala horizontal levemente encurvada localizada na parte frontal superior do instrumento A parte efetiva da escala mede cerca de 152 mm O ponteiro de indica o da medi o totalmente vis vel pela frente e faz a medi o pela parte de baixo da escala O ponteiro do ponto de ajuste uma seta dirigida para baixo e encaixado na parte superior da escala A escala graduada com n meros pretos sobre um fundo branco Obviamente ela fun o da faixa calibrada da vari vel sob controle No canto direito da escala h um pequeno indicador de press o para indicar o sinal pneum tico de sa da com di metro de 38 mm O ponteiro de i
545. ume o valor extremo de zero para suprimento ou de suprimento para zero A sa da permanece nesse valor final mesmo se a medi o recuperou um valor seguro Para rearmar o sistema deve se pressionar o bot o de PARTIDA Quando se aperta o bot o a a o normal do controlador fica restabelecida at que a medi o atinja novamente o ponto de desligamento 2 10 Controlador com ponto de ajuste remoto O controlador pneum tico modelo 43AP pode ser fornecido com a op o extra de ponto de ajuste pneum tico recebido externamente de outro instrumento Para isso o mecanismo de ponto de ajuste local manual eliminado e substitu do por um fole receptor O fole pneum tico recebe o sinal padr o e executa duas fun es independentes 1 atua diretamente no ponteiro de ponto de ajuste para a indica o 2 como o ponteiro est acoplado ao mecanismo de detec o de erro entre medi o e ponto de ajuste ele atuar na unidade de detec o e transmiss o do erro para o conjunto bico palheta Todo o resto do circuito id ntico ao do controlador convencional Fig 5 16 Controlador pneum tico 43 AP A aplica o mais usada para essa vers o de controlador com ponto de ajuste pneum tico remoto em sistema de controle em cascata onde o ponto de ajuste do controlador secund rio estabelecido pela sa da do controlador prim rio 2 11 Sintonia do Controlador V rios ajustes de calibra o podem ser feitos
546. umindo que o efeito destes dois resistores n o ideais s o desprez veis em compara o com os efeitos causados pela tens o erro dv Vo KpVerro Ki f Veroa Kp E Vo onde Kp z2 banda proporcional ganho 1 K Da constante de integra o RC Kp RpCp constante derivativa Vo carga inicial do integrador de offset Para se obter a fun o de transfer ncia toma se a transformada de Laplace da eq 5 24 que d KV Vo E KpVerro F KbSVerro 4 55 Controlador Vo erro Kp AS os S Va _ Kps Kps K Verro S Esta express o chamada de implementa o paralela do controlador PID Cada termo formado em paralelo e ent o recombinados no somador A o derivativa Fig 4 27 Controlador PID paralelo 4 9 Over Run Derivativo A implementa o paralela da Fig 4 26tem um problema pr tico Varia es no ponto de ajuste geralmente s o feitas em degrau Isto verdade se o operador comanda o controlador manualmente em cascata com outro controlador ou de um computador supervis rio remoto Um degrau no ponto de ajuste causa um degrau complementar no erro A a o derivativa do controlador respondendo a taxa de varia o satura Isto satura a sa da atrav s do somador Este degrau no ponto de ajuste causa o controlador saturar lock up O atuador for ado a ficar totalmente aberto hard off O processo pode provocar overshoot ou oscilar A solu o para esta in
547. ura e de alta densidade e que fornece um controle preciso e eficiente ao processo Fig 5 1 Painel de leitura pneum tico mostrando indicador esta o manual e controlador com gr fico opcional lateral O controlador pneum tico alimentado por 20 psig 140 psig recebe um sinal padr o de 20 a 100 kPa 3 a a5 psig ou 0 2 a 1 0 kgf cm proporcional ao valor de medi o de uma vari vel compara o com um sinal proporcional ao ponto de ajuste e gera um sinal de sa da que vai atuar no processo de modo a manter o sinal de medi o igual ao ponto de ajuste ajustado O controlador recebe um sinal do transmissor e seu sinal de sa da vai atuar em uma v lvula de controle 1 2 Modelos O modelo do controlador depende de v rios par metros como modo de estabelecimento do ponto de ajuste uso de esta o manual de controle indica o do sinal de sa da possibilidade de controle especial do tipo rela o cascata auto sele o acoplamento com computador de processo digital Assim quanto ao ponto de ajuste tem se os tr s modelos 1 ponto de ajuste manual modelo 130M 2 ponto de ajuste remoto modelo 130P 3 ponto de ajuste manual remoto modelo 130F Quanto ao uso ou n o uso de esta o manual de controle tem se 1 esta o autom tica conjugada com esta o manual modelo 130 2 esta o autom tica sem esta o manual com indica o da sa da modelo 131 3 esta o autom tica sem esta o
548. vai diminuindo a sa da do controlador varia mais lentamente Isto minimiza a corre o excessiva Enquanto houver qualquer erro a sa da do controlador continua a variar Assim que o erro eliminado a varia o da sa da do controlador tamb m vai para zero Isto significa que o controlador mant m a sa da que eliminou o erro Um grande erro faz a sa da variar rapidamente A diminui o do erro faz a sa da variar mais lentamente Quando o erro desaparece a sa da fica constante Como consequ ncia Vo Ki Verrodt Vo onde Vo o desvio permanente inicial do controlador A transformada de Laplace d KV Vo e e a fun o de transfer ncia vale ga Verro S A Fig 4 18 o esquema simplificado de um amp op integrador Por causa da realimenta o negativa capacitiva a entrada inversora mantida no terra virtual A tens o de entrada ent o faz circular a corrente de entrada em Ri No amp op integrador a corrente i vale 4 49 Controlador Esta corrente que passa por tamb m passar pelo capacitor pois a imped ncia de entrada do amp op infinita A rela o corrente tens o no capacitor vale dve i d G ou vo fidt vo l 1 Vc ao it Vo logo Ki TELUR RC onde K a constante de integra o unidade inverso de segundo e RiCi o tempo de integra o unidade segundo Co Fig 4 18 Amp op integrador O esquema completo de um contro
549. vari veis do processo Por isso muito f cil um controle de trocador de calor ou de forno completamente carregado do que com pequena carga Usa se sempre o modo integral associado ao proporcional quando h atraso na medi o e quando a carga varia e frequentemente Como o uso da a o integral piora a resposta din mica do controlador geralmente aconselh vel o uso tamb m da a o derivativa que melhora a resposta din mica A maioria dos controladores PID usada em malhas de temperatura e a maioria das malhas de temperatura requer o controlador PID Os ajustes da banda proporcional s o em valores estreitos menor que 100 dependendo da faixa do transmissor e do tamanho da v lvula O tempo integral da mesma ordem que o per odo natural do processo ou seja quanto mais r pido o processo menor o 1 21 Sintonia do Controlador tempo integral ajustado O tempo derivativo deve ser ajustado em cerca de 1 4 do per odo natural do processo dependendo do n vel do ru do A conclus o mais importante no estudo do controle de temperatura que a temperatura uma vari vel extremamente complexa e dependente dos fatores termodin micos de transfer ncia de calor de fun es n o lineares de tempo morto E muito frequente a utiliza o de sistema de controle com mais de um controlador para o conjunto executar um controle mais avan ado tipo cascata faixa dividida controle programado controle au
550. vari vel tomada em seu estado verdadeiro A equa o pode depender n o somente do conjunto das vari veis de entrada mas de alguma outra vari vel de sa da Problemas deste tipo s o geralmente considerados na eletr nica digital Exemplo Controle de forno Problema A Fig 12 mostra uma vista pictural de um forno com v rios sinais de entrada e sa da Todas as entradas e sa das s o vari veis de dois estados e a rela o dos estados e as vari veis indicada Construir equa es booleanas que implemente os seguintes eventos 1 O aquecedor deve ser ligado quando a a chave de ligar for ativada b a porta estiver fechada e c a temperatura estiver abaixo do limite 2 Os ventiladores devem ser ligados quando a aquecedor estiver ligado ou b a temperatura estiver acima do limite c porta estiver fechada 3 A luz deve acender se a chave da luz estiver acionada ou b sempre que a porta estiver aberta 9 10 chave porta Controle L gico Solu o A solu o do problema simplesmente transladar as afirma es descritivas dos eventos em equa es booleanas Neste caso referindo se s vari veis definidas na Fig 12 tem se Aquecedor H D T P Ventilador F H D T L mpada L D S Pot ncia P 1 linada E enadoes F 1 linados EN A da L mpada I 1 linada emperatura Chave l mpada TM acimal Aquecedor SM linada H 1 linada Fig 12 Sistem
551. varia es da vaz o n o controlada causam a mudan a da vari vel controlada A vaz o misturada vari vel controlada n o medida A vaz o n o controlada para o controle de rela o pode ser controlada independentemente ou manipulada por outro controlador que responda a outras vari veis Ambas as vaz es devem estar nas mesmas unidades Ambos os sinais devem ser da mesma natureza pneum tico ou eletr nico da mesma rela o matem tica linear ou raiz quadrada e os transmissores devem possuir a mesma rangeabilidade H diferentes tipos de controle quanto as parcelas com rela o controlada Assim pode se ter 1 rela o fixa de duas partes sendo ambas as vari veis de vaz o medidas e somente uma vaz o controlada A vari vel secundaria controlada numa propor o direta com uma vari vel primaria n o controlada Como extens o podem ser misturados at n componentes sendo necess rias n 1 esta es de rela o de vaz es 2 rela o fixa entre uma parte e o total Mede se e controla se a parte e a soma das partes medida e n o controlada Essa aplica o ocorre quando a medi o da vari vel n o controlada imposs vel inacess vel de alta viscosidade corrosiva 3 rela o fixa de duas quantidades de vaz o Em vez de se ter a rela o de duas vaz es tem se rela o de duas totaliza es de vaz es A quantidade da vari vel secundaria controlada numa direta com a
552. ve de transfer ncia de duas posi es AUTOMATICO ou MANUAL que fornece a transfer ncia sem necessidade de balan o e sem provocar descontinuidade ao processo Logo abaixo dessa chave h o bot o de comando manual que gera um sinal de O a 10 V cc em duas velocidades distintas H uma seta indicando o sentido de abertura ou fechamento da v lvula de controle bem como dois ndices de mem ria para indicar os limites de trabalho do operador final 5 17 Quando a esta o do modelo com ponto de ajuste manual h um bot o na parte frontal da esta o para prover o seu ajuste Quando a esta o tem ponto de ajuste ou manual ou remoto al m desse bot o de ajuste manual h uma chave seletora com duas posi es REMOTO LOCAL Opcionalmente pode haver l mpadas de alarmes colocadas na parte superior da esta o Nesse caso h um pequeno bot o de reconhecimento e teste do alarme entre os dois bot es ajuste manual e sele o R L Quando n o h alarme poss vel se encontrar o furo por m com uma tampinha pl stica A identifica o da esta o feita no visor na parte superior e frontal Ponto de i P tuste Henotal G O Medi o Lo TAI Saida a Fig 5 21 Bloco terminal no m dulo de controle Fig 5 22 Esta o com tomada para o cabo A esta o de controle autom tico montada na estante do painel de leitura Cada esta o ocupa um espa o de estante E ligada es
553. ve ser poss vel para o operador interagir com o processo atrav s da fun o seq ncia Para preencher esta exig ncia o operador deve ser capaz de partir parar manter continuar seq ncias e possivelmente come ar em um passo predeterminado O operador deve poder fazer manuten o ou teste em qualquer ponto da sequ ncia Intertravamentos do processo dependentes da fun o podem ser requeridos para certas fases do processo de modo que o controle da sequ ncia autom tica deve ser capaz de ligar ou desligar estes intertravamentos Deve ser poss vel acionar automaticamente uma sequ ncia para um valor constante predeterminado ou para um procedimento de emerg ncia se o estado do processo o requerer Seguran a Em todos os casos os intertravamentos de seguran a n o podem ser contornados bypassados exceto para manuten o teste ou calibra o 1 7 Gerenciamento da Batelada A fun o de gerenciamento da batelada ou controle da batelada selecionar uma receita e a transforma em uma receita de controle execut vel Esta fun o gerencia as fontes necess rias para a execu o da batelada e inicia e supervisiona a execu o da batelada Esta fun o de gerenciamento da batelada tamb m coleta e gerencia os dados da batelada A complexidade da fun o gerenciamento da batelada altamente dependente das seguintes caracter sticas do processo de batelada 10 4 Controle Batelada tipo de recei
554. vel 1 aumentando a resposta integral tende a fazer o sistema mais inst vel 2 aumentando a resposta derivativa tende a fazer o sistema mais est vel 3 aumentando a resposta proporcional tende a fazer o sistema mais est vel ou menos est vel dependendo dos valores dos coeficientes A 29 Enfoque Matem tico 5 10 Outros casos Foi mostrada aplica o do crit rio de Routh para tr s casos de controle de processo incluindo sistemas de terceira e quarta ordem Estes exemplos mostram que a aplica o do crit rio quando usado para determinar se um dado sistema de controle est vel ou n o Note se que o crit rio tem valor como uma verifica o preliminar em um dado projeto e n o fornece dados quantitativos para o grau de estabilidade Embora o m todo envolva algum trabalho em sistemas de ordem superior ele ainda consideravelmente mais r pido que a tentativa de achar as ra zes da equa o caracter stica Depois que o sistema provado ser est vel pelo crit rio de Routh seria pratico fazer uma an lise mais detalhada do problema achando as ra zes e determinando a curva resposta Isto dar um retrato exato do desempenho esperado da planta Est vel gt s Inst vel Est vel M2M3 2M4 E M Fig 6 3 Gr fico de Q eq 6 17 versus coeficiente M1 mostra o efeito de a 5 11 Conclus o O presente trabalho estabelece ainda que o principal objetivo desta an
555. vio permanente por m n o elimina o pico do erro overshoot desde que o pico ocorre antes que a a o integral comece a atuar A a o integral quando associada a a o proporcional come a atuar depois da a o proporcional ela est atrasada em rela o a a o proporcional A a o integral est comumente associada a a o proporcional A quantidade da a o integral fornecida pelo controlador est diretamente ligada a corre o do modo proporcional A a o integral repete a a o proporcional dentro de um determinado per odo de tempo Essa a o repetida se processa continuamente at que a medi o fique igual ao ponto de ajuste 4 2 Rela o Matem tica A express o matem tica da sa da com a a o integral associada proporcional 100 S S e fedt T onde Ti o tempo integral 1 REEERE yfed a a o integral Pode se ter tamb m o ganho proporcional atuando simultaneamente na a o proporcional e na a o integral ou seja s s ot t fedt T BP Quando h um erro a sa da integral varia em uma velocidade proporcional ao erro multiplicado por uma constante K chamada de taxa da a o integral ds Ke dt 7 9 Sintonia do Controlador Faz se uma certa confus o entre a o integral e tempo integral pois eles s o o inverso um do outro O tempo integral o tempo que a a o integral leva para alcan ar ou repetir a a o proporci
556. vios possuem 11 5 Computador como Controlador computadores espec ficos para sua opera o Finalmente um computador digital para controle de processo pode ser um computador de uso geral com perif ricos determinados e com programas software e algoritmos firmware especialmente desenvolvidos para estas aplica es Nestas aplica es em controle de processo o que muda principalmente o sistema operacional que deve ser mais confi vel e est vel que o de um computador de uso geral 1 7 Computador digital em processo cont nuo Para aplica es de controle de processo o computador requerido pode ser de uso geral As aplica es de controle de processo normalmente requerem um processamento aritm tico moderado e n o exigem uma capacidade computacional do tipo cientifico As necessidades de entrada sa da s o extensas por m elas s o totalmente diferentes das aplica es banc rias ou de neg cios Assim o computador para controle de processo n o do tipo cientifico nem de neg cios Normalmente estes dois tipos de computadores possuem capacidades b sicas especificas embutidas exageradas para as necessidades do controle de processo tornando os muito grandes e muito caros Na grande maioria das aplica es de controle de processo computadores digitais de uso geral muito menores s o usados com sucesso e suas interfaces foram modificadas para realizar as capacidades necess rias Em algumas ap
557. xpandidos para dar Aen en En Aen 1 n 1 n 2 Substituindo na eg 13 tem se Von Von 1 Kp en n 4 KlenT a e n n 1 n 1 n 2 Finalmente fica Von Von 1 Kp en en 4 KlenT en E 20h14 en 2 A sa da atual calculada se baseia no valor anterior da sa da erro atual erro anterior tempo de ciclo e constantes de peso Quando se programa esta equa o usando uma linguagem de alto n vel e g C Pascal PL M ou Fortran o trabalho fica mais f cil e menos sujeito a erro do que se usada uma linguagem assembly Tais linguagens permitem o uso de aritm tica de ponto flutuante N meros negativos e overflow s o manipulados automaticamente A eg 15 assume que o tempo de varredura do controlador o tempo entre a amostra da vari vel de processo seja uma constante Por m h v rios compromissos Tempo de varredura muito r pido pequeno T desej vel para a resposta r pida a varia es repentinas da vari vel de processo Por m valores 6 10 Controlador Digital maiores de T s o necess rios para um termo est vel derivativo Valor muito pequeno para T no denominador d um termo derivativo muito grande e h instabilidade oscila o O c lculo da a o derivativa em um sistema de dados amostrados pode produzir oscila es imprevis veis na sa da Iso por que o conversor A D pode somente passar varia es da vari
558. z a sa da real do processo variar se aproximando do ponto de ajuste A Fig 1 7 mostra o controle de malha fechada do tanque Inicialmente o n vel do l quido no tanque deve ser medido A medi o pode ser feita por exemplo atrav s de um transmissor de press o diferencial d p cell O transmissor de n vel mede a press o exercida pela coluna l quida que o n vel amplifica e converte esta press o diferencial em um sinal padr o de corrente de 4 a 20 mA cc Quando calibrado corretamente o transmissor tem sa da de 4 mA cc quando o n vel estiver em 0 e a sa da ser de 20 mA cc quando o n vel estiver em 100 da faixa calibrada Esta corrente anal gica transmitida atrav s de um cabo tran ado eventualmente blindado para o controlador O controlador geralmente est na sala de controle centralizada distante centenas de metros do processo O controlador compara a vari vel do processo medida n vel no exemplo com o valor do ponto de ajuste Uma nova sa da calculada e transmitida para o atuador ainda na faixa padr o de 4 a 20 mA cc Este sinal aplicado e usado para acionar uma v lvula com atuador pneum tico Deve haver uma interface entre o controlador eletr nico e o atuador pneum tico da v lvula para converter o sinal eletr nico de 4 a 20 mA cc no sinal pneum tico de 20 a 100 kPa Esta interface o transdutor i p O atuador pneum tico por sua vez varia a posi o da v lvula ajustando

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