Controle Automático de Processos - Senai-SP, Provas de Tecnologia Industrial

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Escola SENAI “Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini”

Campinas – S.P.

Controle Automático de Processos

 SENAI-SP, 2001

Trabalho elaborado pela Escola Senai “Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini”

Coordenação Geral Magno Diaz Gomes

Equipe responsável

Coordenação Luíz Zambon Neto

Elaboração Edson Carretoni Júnior

Versão Preliminar

SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Escola SENAI “Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini” Avenida da Saudade, 125, Bairro Ponte Preta CEP 13041-670 - Campinas, SP [email protected]

Métodos de determinação de

parâmetros de processos

O rápido desenvolvimento do controle automático industrial requer um pessoal de operação, manutenção e projeto, que tenha uma firme compreensão das implicações físico-matemáticas da teoria de controle. O uso de controladores microprocessados e computadores aplicados ao controle automático, aumentam a necessidade do conhecimento prático em relação ao comportamento do sistema controlado e aos métodos para alcançar o funcionamento perfeito do sistema.

As unidades de ensino aqui organizadas, teoria e prática, ensinarão ao aluno como obter os parâmetros de estado estáveis e transitórios requeridos para a análise de um sistema controlado automaticamente e usar estes mesmos parâmetros para ajustar e otimizar o sistema obtendo assim melhores resultados do processo.

Definições do controle automático de processos

O termo atual controle automático de processo foi definido quando os procedimentos do controle automático foram aplicados para tornar mais eficiente e seguro a manufatura de produtos. O controle automático de processo é em grande parte responsável pelo progresso que vem acontecendo nas últimas décadas. O principal objetivo do controle automático de processo é conseguir que uma variável dinâmica se mantenha constante em um valor específico.

Basicamente, as estratégias de controle instaladas nas indústrias se dividem em duas: Controle realimentado (Feedback) e controle antecipatório (Feedforward).

É possível também a combinação das duas estratégias de controle para resolver problemas de estabilidade do controle.

A variável do processo que é mantida dentro de limites é chamada de variável controlada que sofre as correções da ação de controle é chamada de variável manipulada.

Variável dinâmica

Qualquer parâmetro físico que possa ser modificado espontaneamente ou por influência externa é uma variável dinâmica. A palavra dinâmica induz a idéia de uma variação no tempo em função de uma influência, não especificada como exemplo de variável dinâmica temos a temperatura, pressão, nível, etc.

Processo típico

Para ilustrar esta apresentação claramente, consideramos um processo simples, como um trocador de calor mostrado na figura abaixo. O termo processo, aqui usado, significa as funções e operações usadas no tratamento de um material ou matéria- prima, portanto, a operação de adicionar energia calorífica à água é um processo. As serpentinas de vapor, o tanque, os tubos e as válvulas constituem o circuito no qual o processo de aquecimento é realizado. A temperatura da água quente (variável controlada) e vazão de vapor (variável manipulada) são as principais variáveis no processo.

TIC 1 TE 1

VAPOR

TCV 1^ ÁGUA FRIA

CONDENSADO

AQUECIDAÁGUA

Figura 1

As partes e o comportamento característico desse processo típico serão analisados nos parágrafos seguintes para retratar o efeito que estes fatores têm na controlabilidade do processo.

Trocador de calor

O aquecedor de água da figura 1, como muitos processos pode ser considerado um trocador de energia. Em muitos outros processos, a troca de materiais apenas, ou a troca de materiais e energia, pode ser envolvida. Na figura 1, a energia é introduzida no processo, passa por uma série de trocas e sai como energia de saída. A quantidade de energia de saída é igual a quantidade de energia de entrada, menos as perdas e a energia armazenada no processo.

No trocador de calor, a quantidade de energia de saída depende da vazão de água regulada pela válvula de água quente, da temperatura da água fria e das perdas de energia calorífica, como por exemplo através das paredes do tanque. A quantidade de energia de entrada depende da vazão de vapor e da qualidade e pressão de alimentação do vapor. Então, se as variáveis do processo estão estáveis ou estão mudando, dependem apenas se a quantidade de energia de entrada seja ou não igual a quantidade de energia de saída (compreendendo na saída as perdas, etc.).

Condições de equilíbrio

Deixando o processo correr normalmente, a temperatura de saída d'água atingiria finalmente um valor estável de maneira que a energia de saída seria igual a energia de entrada. Quando a energia de entrada é igual a energia de saída, o processo é dito estar em condições de "estado estável", isto é, em equilíbrio. Qualquer distúrbio, seja de entrada de energia ou na saída irá romper este equilíbrio e conseqüentemente causará uma mudança nos valores das variáveis do processo. Quando a saída de energia calorífica é equilibrada com a energia de entrada, a temperatura de saída d'água permanece a um valor constante até que a relação de energia calorífica seja mudada.

O tanque irá esvaziar completamente ou transbordar. Não existe tendência deste processo a equilibrar sua saída com sua entrada. Esta característica é denominada de "não auto-regulação".

Tanto o processo auto-regulado ajuda as aplicações do controle automático, como as características de não auto-regulação irão torná-las difíceis, ou talvez impossíveis. A não auto-regulação pode ser definida como uma tendência do processo a se desequilibrar permanentemente.

Variáveis de processo

A variável controlada de um processo é aquela que mais diretamente indica a forma ou o estado desejado do produto. Consideremos por exemplo, o sistema de aquecimento de água mostrado na figura 1. A finalidade do sistema é fornecer uma determinada vazão de água aquecida. A variável mais indicativa desse objetivo é a temperatura da água de saída do aquecedor, que deve ser então a variável controlada.

Assim, é realizado um controle direto sobre a qualidade do produto, que é a maneira mais eficaz de garantir que essa qualidade se mantenha dentro dos padrões desejados. Um controle indireto sobre uma variável secundária do processo pode ser necessário quando o controle direto for difícil de se implementar. Por exemplo, num forno de recozimento, que é projetado para recozer convenientemente peças metálicas, a variável controlada deveria ser a condição de recozimento do material.

Entretanto, é muito difícil de se obter esta medida com simples instrumentos, e normalmente a temperatura do forno é tomada como variável controlada. Assume-se que existe uma relação entre temperatura do forno e a qualidade de recozimento. Geralmente o controle indireto é menos eficaz que o controle direto, porque nem sempre existe uma relação definida e invariável secundária e a qualidade do produto que se deseja controlar.

A variável manipulada do processo é aquela sobre a qual o controlador automático atua, no sentido de se manter a variável controlada no valor desejado. A variável manipulada pode ser qualquer variável controlada e que seja fácil de se manipular. Para o trocador da figura 1, a variável manipulada pelo controlador deverá ser a vazão de vapor. É possível, mas não prático, manipular a vazão da água de entrada ou a sua

temperatura. As variáveis de carga do processo são todas as outras variáveis independentes, com exceção das variáveis manipulada e controlada.

Para o trocador da figura 1, a temperatura da água de entrada é uma variável de carga. O controlador automático deverá absorver as flutuações das variáveis de carga para manter a variável controlada no seu valor desejado.

Propriedades do processo

À primeira vista, o controle de temperatura da água, na figura 1, pode parecer fácil.

Aparentemente seria apenas preciso observar o termômetro de água quente e corrigir a abertura da válvula de vapor de maneira a manter ou mudar a temperatura da água para o valor desejado. Porém, os processos têm a característica de atrasar as mudanças nos valores das variáveis do processo. Esta característica dos processos aumenta demais as dificuldades do controle. Estes retardos são geralmente chamados atrasos de tempo do processo.

Os atrasos de tempo do processo são causados por quatro propriedades: ¾ Resistência ¾ Capacitância ¾ Tempo morto ¾ Inércia (ou indutância)

Resistência

A resistência é a relação da quantidade de potencial necessário para incrementar em uma unidade a quantidade de fluxo.

Estão localizadas nas partes do processo que resistem a uma transferência de energia ou de material entre as capacitâncias.

Exemplos: As paredes das serpentinas no processo típico: resistência a passagem de um fluído em uma tubulação, resistência a transferência de energia térmica, etc.

4m

5,64m

Capacitância = 1004 = 25m^3 m. nível

Capacidade = π.^442 .4 = 100m^3 Capacidade = π.^ (4 4 2)^2 .4 = 100m^3 Capacitância = 1004 = 12,5m^3 m. nível

Figura 3

Um exemplo do problema que a capacitância traz para o processo é que em nosso processo típico ficaria difícil o operador controlar manualmente o processo devido à pequena massa de líquido que circula pelo trocador de calor, variando assim constantemente a temperatura final da água aquecida.

Resumindo: a capacitância é uma característica dinâmica de processo e a capacidade é uma característica volumétrica do processo.

Tempo morto

Como o próprio nome diz, o tempo morto é a característica de um sistema pela qual a resposta a uma excitação é retardada no tempo.

É o intervalo após a aplicação da excitação durante o qual nenhuma resposta é observada. Esta característica não depende da natureza da excitação aplicada; aparece sempre da mesma forma. Sua dimensão é simplesmente a de tempo.

8

O tempo morto ocorre no transporte de massa ou energia através de um dado percurso. O comprimento do percurso e a velocidade de propagação definem o tempo morto.

O tempo morto também é denominado de atraso puro, atraso de transporte ou atraso distância x velocidade. Assim como os outros elementos fundamentais (resistência e capacitância), raramente ocorrem sozinhos nos processos reais. Mas não são poucos os processos onde não está presente de alguma forma. Por isso, qualquer que seja a técnica de controle que se deseja usar num determinado sistema, o projeto deve prever a influência do tempo morto.

Um exemplo de processo que consiste basicamente de tempo morto é o sistema de controle de peso de sólidos sobre uma correia transportadora (figura 4). O tempo morto entre a ação da válvula e a variação resultante no peso, é igual a distância entre a válvula e a célula detectora de peso dividida pela velocidade de transporte da correia.

SAÍDA controlador

VÁLVULA

PESO set point

Figura 4

Outro exemplo de tempo morto está ilustrado na figura 5. O eletrodo de medição do pH deve ser instalado a jusante do ponto de adição do neutralizante cáustico, para dar o tempo necessário de mistura e reação química. Se o fluído flui a uma velocidade de 2 m/s e a distância é igual a 10m, o tempo morto será de 5s.

Num sistema de controle com realimentação, uma ação corretiva á aplicada na entrada do processo, baseada na observação de sua saída. Um processo que possui tempo morto não responde imediatamente à ação de controle, fato que complica bastante a efetividade do controle.

O tempo morto pode ser determinado pela relação da distância pela velocidade do fluxo:

TM = s v Onde: s = distância TM = Tempo Morto (τ) v = velocidade

Inércia (ou Indutância)

Inércia ou indutância é a relação da quantidade de potencial necessária para modificar uma unidade a velocidade de variação do fluxo.

É necessário observar que a indutância relaciona potencial por taxa de variação.

A indutância surge nos processos em que grandes massas oferecem dificuldade de troca de energia (térmica por exemplo).

Desta forma, a indutância pode ser representada por:

L = dh dq/dt

Onde: dh = variação de potencial dq/dt = taxa de variação do fluxo (velocidade de variação)

Tipos de distúrbios de processo

Na análise de um processo do ponto de vista do controle automático é bom dar-se particular consideração a 3 vários tipos de distúrbios de processo que podem ocorrer.

Distúrbios de alimentação

É uma mudança na entrada de energia (ou materiais) no processo. No trocador de calor, visto anteriormente, mudanças na qualidade ou pressão de vapor, ou na abertura da válvula são distúrbios de alimentação.

Distúrbios de demanda

É uma mudança na saída de energia (ou material) do processo. No nosso exemplo do trocador de calor, as mudanças da temperatura da água fria e na vazão da água são distúrbios de demanda.

Estes distúrbios são usualmente chamados mudanças da carga de alimentação e mudanças de carga de demanda, respectivamente. Existem diferenças importantes na reação de um processo a estes 2 tipos de mudanças de carga.

Distúrbios de Set-Point

É a mudança no ponto de trabalho do processo. As mudanças de setpoint geralmente são difíceis por várias razões:

A) - Elas são geralmente aplicadas muito repentinamente. B) - Elas são geralmente mudanças na alimentação, e por isso devem atravessar o circuito inteiro para serem medidas e controladas.

Curvas de reação do processo

Pode-se aprender muita coisa sobre aquelas características de um processo que determinam sua controlabilidade pelo estudo das reações das variáveis do processo, provocadas por mudanças de cargas em condições de não controle. Na discussão que segue, o processo representado pelo trocador de calor, pode se suporto estar em condição estável. É mostrado o efeito de mudanças bruscas em degrau na alimentação e na demanda. As curvas de reação são dadas para várias combinações de RC e tempo morto.

O trocador de calor pode ser considerado, aproximadamente, como um processo de capacitância simples, já que a capacitância calorífica C1 das serpentinas, paredes do tanque e bulbo do termômetro, são praticamente tão grande que ele pode englobar todos os outros.

Nestas condições, como reagiria a temperatura de saída da água quando se fizer mudanças bruscas na carga de alimentação e na carga de demanda?

Utilizando o diagrama de blocos temos:

O bloco representando o processo demonstra:

O numerador representa o Ganho Estático do processo (Gs), isto é, o ganho do processo para alterações permanentes e sem oscilações de setpoint, já que para alterações permanentes de setpoint a freqüência assume valor igual a zero.

O denominador representa uma variável complexa. No caso demonstrado, o valor do par RC formado pela resistência e pela capacitância do processo tem valor igual a 2

segundos, e por fim, a variável “ s ” representa o valor da freqüência, em radianos por

segundo, se for aplicada à entrada um sinal variante no tempo.

Deve ser observado que o processo se encontra em malha aberta, isto é, não está sendo realimentado. Desta forma, para que ocorra variação no processo (PV) é necessário uma alteração no valor da variável manipulada (MV), sendo que o novo valor da variável do processo não será aqui utilizado para restabelecer controle.

O Ganho de Malha Aberta pode ser facilmente calculado pelo produto dos ganhos do processo e do controlador:

GMA = Gc x Gp sendo:

GMA = Ganho de Malha Aberta Gc = Ganho do controlador Gp = Ganho do processo

Gp = =

2s + 1

Gc (^) Gp = = 1 2s + 1 PV

SP ε^ MV

PV

Processo multicapacitivo (de 2ª ou Enésima Ordem)

Supõe-se que as serpentinas de aquecimento do trocador de calor em questão são suficientemente grandes para ter uma capacitância calorífica C1 que é inteiramente significativa quando comparada com a capacitância C2 da água no tanque. Neste caso, o processo pode ser considerado processo de 2 capacitâncias. Assim, à resistência R1 entre as capacitâncias C1 e C2 é a resistência à transferência de calor oferecida pelas paredes das serpentinas e as películas isolantes de água nas suas faces interna e externa (das serpentinas).

A figura 8 fornece as curvas de reação em condições de não controle para este processo de 2 capacitâncias seguindo a uma mudança brusca de carga de alimentação causada pelo aumento na abertura da válvula de vapor no tempo zero.

ATRASO PEQUENO

ATRASO MÉDIO

ATRASO GRANDE

TEMPO

TEMPERATURA ÁGUA QUENTE

0 1 2 3 4 5

Figura 8

A comparação entre o gráfico do processo monocapacitivo e multicapacitivo ilustra uma diferença significativa entre os processos de capacitância simples e de 2 capacitâncias. A temperatura em vez de mudar imediatamente começa a subir vagarosamente, a seguir mais rapidamente, a seguir mais devagar, finalmente reequilibrando gradativamente a um novo valor de estado estável. Esta curva de reação em forma de S é característica dos efeitos de mudanças de carga de alimentação em um processo de 2 ou mais pares de resistência - capacitância relativamente iguais, ou seja, processo multicapacitivo.