controle automatico de processos E-Tec, Notas de estudo de Mecatrônica

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Controle Automático

de Processos

Fernando Mariano Bayer

Olinto César Bassi de Araújo

Santa Maria - RS

RIO GRANDEDO SUL

INSTITUTOFEDERAL

Presidência da República Federativa do Brasil Ministério da Educação Secretaria de Educação a Distância

Ficha catalográfica elaborada por Denise B. dos Santos – CRB10/ Biblioteca Central – UFSM

© Colégio Técnico Industrial de Santa Maria Este Material Didático foi elaborado pelo Colégio Técnico Industrial de Santa Maria para o Sistema Escola Técnica Aberta do Brasil – e-Tec Brasil. Comissão de Acompanhamento e Validação - Colégio Técnico Industrial de Santa Maria/CTISM

B357c Bayer, Fernando Mariano. Curso técnico em automação industrial : controle automático de processos / Fernando Mariano Bayer, Olinto César Bassi de Araújo. – 3. ed. – Santa Maria : Universidade Federal Santa Maria : Colégio Técnico Industrial de Santa Maria, 201 1. 92 p.: il. ; 30 cm

**1. Automação industrial. 2. Modelagem matemática. 3. Simulação

• Sistemas. 4. Modelos computacionais. 5. Controle automático. 6. Algoritmos. I. Araújo, Olinto César Bassi de. II.Título.** CDU: 681.

Coordenador Institucional Paulo Roberto Colusso/CTISM Professor-autor Fernando Mariano Bayer/CTISM Olinto César Bassi de Araújo/CTISM Coordenação Técnica Iza Neuza Teixeira Bohrer/CTISM Coordenação de Design Erika Goellner/CTISM

Revisão Pedagógica Andressa Rosemárie de Menezes Costa/CTISM Francine Netto Martins Tadielo/CTISM Marcia Migliore Freo/CTISM Revisão Textual Daiane Siveris/CTISM Lourdes Maria Grotto de Moura/CTISM Vera da Silva Oliveira/CTISM Diagramação e Ilustração Gustavo Schwendler/CTISM Leandro Felipe Aguilar Freitas/CTISM Maíra Rodrigues/CTISM Marcel Santos Jacques/CTISM Máuren Fernandes Massia/CTISM Rafael Cavalli Viapiana/CTISM Ricardo Antunes Machado/CTISM

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Indicação de ícones

Os ícones são elementos gráficos utilizados para ampliar as formas de linguagem e facilitar a organização e a leitura hipertextual.

Atenção : indica pontos de maior relevância no texto.

Saiba mais : oferece novas informações que enriquecem o assunto ou “curiosidades” e notícias recentes relacionadas ao tema estudado.

Glossário : indica a definição de um termo, palavra ou expressão utilizada no texto.

Mídias integradas : sempre que se desejar que os estudantes desenvolvam atividades empregando diferentes mídias: vídeos, filmes, jornais, ambiente AVEA e outras.

Atividades de aprendizagem : apresenta atividades em diferentes níveis de aprendizagem para que o estudante possa realizá-las e conferir o seu domínio do tema estudado.

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• Palavra do professor-autor Sumário
• Apresentação da disciplina
• Projeto instrucional
• Aula 1 – Conceitos e noções preliminares de controle automático
  • 1.1 Sistemas de controle
  • 1.2 Conceitos e noções preliminares
  • 1.3 Diagrama de blocos
  • 1.4 Controle em malha aberta e malha fechada
• Aula 2 – Estabilidade e algoritmos de controle
  • 2.1 Perturbações e estabilidade
  • 2.2 Estabilidade
  • 2.3 Conceitos e aplicação de algoritmos de controle
• Aula 3 – Ação liga-desliga (on-off) e ação proporcional (P)
  • 3.1 Ações básicas de controle
  • 3.2 Ação liga-desliga ( on-off )
  • 3.3 Ação proporcional (P)
• Aula 4 – Ação integral (I) e derivativa (D)
  • 4.1 Ação integral e derivativa
  • 4.2 Ação integral
  • 4.3 Ação derivativa
• Aula 5 – Ação proporcional, integral e derivativa (PID)
  • 5.1 Combinações de ações de controle
  • 5.2 Ação proporcional, integral e derivativa
• Aula 6 – Sintonia de controladores PID
  • 6.1 Parâmetros de ajuste
  • 6.2 Ajuste manual de controladores PID
  • 6.3 Sintonia por tentativa e erro e-Tec Brasil
  • 6.4 Método de Ziegler-Nichols
• Aula 7 – Simulação de sistemas – modelagem
  • 7.1 Simulação
  • 7.2 Modelos físicos
  • 7.3 Modelos matemáticos
  • 7.4 Representação de modelos matemáticos
  • 7.5 Modelos lógicos
  • 7.6 Modelos de sistemas discretos
  • 7.7 Modelos computacionais
• Aula 8 – Simulação de sistemas
  • 8.1 Software de simulação
  • 8.2 Exemplo de simulação
  • 8.3 Simulação de um controle on-off
  • 8.4 Simulação de um controle PID
• Referências
• Currículo do professor-autor

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Apresentação da disciplina

Automatizar e controlar um processo significa atuar sobre ele ou sobre às condições as quais o processo está sujeito, de modo a manter variáveis e quantidades estáveis com o passar do tempo, mesmo que interferências externas tentem desviá-lo desta condição.

A utilização de sistemas de controle automático se encontra difundida no dia a dia de todas as sociedades desenvolvidas. Tais sistemas agem como elementos decisivos na tentativa de se obterem progresso e desenvolvimento. Podemos dizer que o controle automático num processo produtivo tem a finalidade de otimizar os sistemas capazes de produzir bens com menor custo, com maior quantidade, em menor tempo e com maior qualidade. Atualmente, a Automação Industrial é uma realidade em quase todas as fábricas no mundo. Dentre as diversas demandas para controle automático de processos estão o controle de pressão, temperatura, umidade, viscosidade e ainda operação e montagem de partes mecânicas das indústrias de fabricação. O exemplo mais clássico de indústrias com essas características são as montadoras de automóveis com robôs utilizados em todas as atividades, como soldar, fixar rebites, pintar e conduzir peças.

Um temor recorrente é que a automação venha a reduzir a mão de obra empregada. De fato, isso pode ocorrer em alguns seguimentos, mas é neces- sário entender que neste processo muitos outros empregos são criados em novas funções necessárias para operar sistemas complexos. Esse novo tipo de profissional possui melhor remuneração e, devido à especialização, uma maior estabilidade no emprego. Ao invés de fazer a tarefa diretamente, o operador controla a máquina que faz a tarefa. Isso significa substituir um trabalho com ênfase braçal por outro com ênfase na capacidade mental do funcionário, relegando tarefas repetitivas a máquinas. Como motivação para o desenvolvimento desse novo cenário, está o aumento de produtividade das indústrias para a fabricação de produtos de alta qualidade com melhores condições de rendimento e segurança, a custos de produção compatíveis com o mercado consumidor.

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Disciplina : Controle Automático de Processos (carga horária: 60h).

Ementa : Conceitos e noções preliminares de controle automático. Estabilidade e algoritmo de controle. Ação liga-desliga ( on-off ) e ação proporcional (P). Ação integral (I) e derivativa (D). Ação proporcional, integral e derivativa (PID). Sintonia de controladores (PID). Simulação de sistemas – modelagem. Simulação de sistemas.

AULA (^) APRENDIZAGEMOBJETIVOS DE MATERIAIS

CARGA HORÁRIA (horas)

1. Conceitos e noções preliminares de controle automático

Reconhecer conceitos básicos de controle automático. Interpretar diagramas de blocos que representam sistemas de controle. Identificar e conhecer malhas de controle e suas características.

Ambiente virtual: Plataforma moodle ; Apostila didática; Recursos de apoio: links, exercícios.

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2. Estabilidade e algoritmos de controle

Identificar processos estáveis e instáveis. Conhecer e analisar as características de regime transitório e regime permanente. Identificar algoritmos de controle em um processo industrial.

Ambiente virtual: Plataforma moodle ; Apostila didática; Recursos de apoio: links, exercícios.

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3. Ação liga-desliga ( on-off ) e ação proporcional (P)

Compreender o comportamento da ação de controle liga-desliga. Compreender o comportamento da ação de controle proporcional.

Ambiente virtual: Plataforma moodle ; Apostila didática; Recursos de apoio: links, exercícios.

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4. Ação integral (I) e derivativa (D)

Compreender o comportamento da ação de controle integral e derivativa.

Ambiente virtual: Plataforma moodle ; Apostila didática; Recursos de apoio: links, exercícios.

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5. Ação proporcional, integral e derivativa (PID)

Compreender o comportamento das ações proporcional, integral e derivativa combinadas. Conhecer as resposta das ações de controle P, I e D sozinhas ou combinadas.

Ambiente virtual: Plataforma moodle ; Apostila didática; Recursos de apoio: links, exercícios.

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6. Sintonia de controladores PID

Diferenciar metodologias de sintonia de controladores PID.

Ambiente virtual: Plataforma moodle ; Apostila didática; Recursos de apoio: links, exercícios.

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7. Simulação de sistemas – modelagem

Compreender as bases da simulação de sistemas e sua importância. Conhecer os principais métodos e programas de simulação.

Ambiente virtual: Plataforma moodle ; Apostila didática; Recursos de apoio: links, exercícios.

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Projeto instrucional

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AULA (^) APRENDIZAGEMOBJETIVOS DE MATERIAIS

CARGA HORÁRIA (horas)

8. Simulação de sistemas

Conhecer softwares comerciais de simulação. Fixar os conhecimentos da disciplina através da utilização de um sistema de simulação.

Ambiente virtual: Plataforma moodle ; Apostila didática; Recursos de apoio: links, exercícios.

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Processos industriais – procedimentos envolvendo passos químicos ou mecânicos que fazem parte da manufatura de um ou vários itens, usados em grande escala.

Variável de processo – qualquer grandeza ou condição de um processo que é passível de variação.

Controle de processos – técnica de manter variáveis de um processo (como temperatura e pressão) em valores predeterminados a partir de um procedi- mento que calcula correções proporcionais a uma ou mais variáveis que são medidas em tempo real por um determinado equipamento.

Automação – sistema automático de controle pelo qual os mecanismos verificam seu próprio funcionamento, efetuando medições e introduzindo correções, sem necessidade de interferência do homem.

Variável controlada – variável sobre a qual o controle atua, no sentido de manter um determinado comportamento desejável no processo.

Variável manipulada – qualquer variável do processo que causa uma varia- ção rápida na variável controlada e que seja fácil de manipular.

Valor desejado ( setpoint ) – sinal de entrada que estabelece o valor desejado da variável controlada. O setpoint e a variável controlada são expressos nas mesmas unidades.

Exemplo: Sistema de aquecimento de água a vapor para uma temperatura de 75ºC.

• Variável controlada: temperatura da água
• Variável manipulada: vazão do vapor - Setpoint : 75ºC

Neste estudo, mais especificamente, vamos tratar do Controle Automático de Processos Industriais, em que técnicas são aplicadas ao controle e otimização de um determinado processo industrial. Exemplos: produção de aço (processos siderúrgicos), produção de celulose, extração e beneficiamento de minérios, refino de petróleo, entre outros.

e-Tec Brasil 16 Controle Automático de Processos

Figura 1.1: Indústria automotiva fonte: http://g1.globo.com/noticias/carros/foto/0,,20603683-ex,00.jpg

Podemos citar como objetivos operacionais do controle dos processos industriais:

• Adaptação a perturbações externas
• Adaptação às restrições dos equipamentos e materiais
• Aumento da estabilidade operacional
• Atendimento da especificação do produto
• Otimização do uso de recursos e matéria-prima
• Melhora nos resultados econômicos do processo;
• Segurança operacional e pessoal
• Redução do impacto ambiental.

No princípio da era industrial o operário procurava atingir os objetivos citados através de controles manuais em instrumentos como manômetro, termômetro e válvulas. Isso era suficiente devido à simplicidade dos processos. Com o passar

Aula 1 - Conceitos e noções preliminares de controle automático 17 e-Tec Brasil

Observe que uma variedade de erros pode surgir, por isso a escolha da variável do processo a ser manipulada é determinada pelas características do processo, por fatores econômicos e também de produção.

Diante disso, podemos concluir que a filosofia básica de um sistema de con- trole consiste em aplicar sinais adequados na entrada do processo com o intuito de fazer com que o sinal de saída satisfaça certas especificações e/ou apresente um comportamento particular.

Um problema de controle consiste então em determinar os sinais adequados a serem aplicados a partir da saída desejada e do conhecimento do processo.

1.3 Diagrama de blocos A análise de um sistema de controle pode mostrar-se uma tarefa difícil, uma vez que não raramente ele é composto por vários elementos. Para facilitar o entendimento, um processo pode ser adequadamente representado de forma simplificada por um diagrama de blocos.

Um diagrama de blocos apresenta uma abstração das funções desempenhadas por cada componente e um fluxo de sinais, veja a Figura 1.2.

Figura 1.2: Forma elementar Fonte: CTISM

As setas identificam a direção da informação, e o bloco representa a operação a ser aplicada à entrada que proporciona a saída. O bloco pode ser identificado a partir de uma legenda, etiqueta ou símbolo do elemento.

O diagrama de blocos representado pela Figura 1.2 mostra o sistema como uma caixa preta, no qual não se conhecem detalhes internos e sim as relações entre um sinal de entrada (variável controlada) e o sinal de saída (variável controlada). Observe que esta abstração não necessariamente prejudica o entendimento, uma vez que vários sistemas totalmente diferentes podem apresentar comportamentos ou sinais de saída semelhantes.

Aula 1 - Conceitos e noções preliminares de controle automático 19 e-Tec Brasil

O diagrama de blocos da Figura 1.3 apresenta os componentes principais de um sistema, integrados por meio de linhas que indicam os sentidos de fluxos de sinais entre os blocos. A partir deste diagrama é possível estudar as relações de dependência entre as variáveis que interessam à cadeia de controle.

No diagrama, o setpoint expressa a saída desejada (ou ideal) para o sistema, enquanto a variável controlada expressa o que realmente ocorre (saída real). O controlador gera o sinal de controle que atua sobre o processo no sentido de diminuir o erro e, idealmente, levar a zero.

Figura 1.3: Diagrama de blocos de um sistema Fonte: CTISM

1.4 Controle em malha aberta e malha fechada Os sistemas de controle são classificados em sistemas de controle em malha aberta e sistemas de controle em malha fechada. A diferença entre esses sis- temas reside na forma em que o controle atua para produzir a saída desejada.

1.4.1 Sistemas em malha aberta Num sistema em malha aberta, o sinal de entrada é um sinal predefinido, baseado em experiências passadas, de forma que o sistema forneça o sinal de saída desejado. Nesse sistema, não existe informação de realimentação e é pos- sível corrigir o sinal de entrada de forma a alcançar um sinal de saída desejado.

Um exemplo prático desse tipo de sistema é o forno de micro-ondas. Após ter sido programada a função “descongelar”, com tempos pré determinados, não há possibilidade de verificar se ela foi efetuada de forma correta. Torna-se

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