Controle de processo - Senai, Manuais, Projetos, Pesquisas de Automação

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CPM - Programa de Certificação de Pessoal de Manutenção

Instrumentação

Fundamentos de Controle

de Processo

FUNDAMENTOS DE CONTROLE DE PROCESSO

@ SENAI – ES, 1999

Trabalho realizado em parceria SENAI / CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão)

Coordenação Geral Evandro de Figueiredo Neto (CST)

Robson Santos Cardoso (SENAI)

Supervisão Rosalvo Marcos Trazzi (CST)

Fernando Tadeu Rios Dias (SENAI)

Elaboração Adalberto Luiz de Lima Oliveira (SENAI)

Aprovação Wenceslau de Oliveira (CST)

SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial

CTIIAF – Centro Técnico de Instrumentação Industrial Arivaldo Fontes

Departamento Regional do Espírito Santo

Av. Marechal Mascarenhas de Moraes, 2235

Bento Ferreira – Vitória – ES

CEP 29052-

Telefone: (027) 334-

Telefax: (027) 334-

CST – Companhia Siderúrgica de Tubarão

Departamento de Recursos Humanos

Av. Brigadeiro Eduardo Gomes, s/n

Jardim Limoeiro – Serra – ES

CEP 29160-

Telefone: (027) 348-

Telefax: (027) 348-

• 1 – INTRODUÇÃO ASSUNTO PÁGINA
  • 1.1 – EVOLUÇÃO HISTÓRICA DO CONTROLE AUTOMÁTICO
• 2 – CONCEITOS E CONSIDERAÇÕES BÁSICAS DE CONTROLE AUTOMÁTICO
  • 2.1 – CONCEITOS
  • 2.2 – TIPOS DE CONTROLE
    • 2.2.1 – Controle Manual e Controle Automático
      • 2.2.2 – Controle Auto-Operado
    • 2.2.3 – Controle em Malha Aberta e Malha Fechada
  • 2.3 – REALIMENTAÇÃO
  • 2.4 – DIAGRAMA DE BLOCOS
  • 2.5 – ATRASOS NO PROCESSO
    • 2.5.1 – Tempo Morto
      • 2.2.2 – Capacitância
    • 2.2.3 – Resistência
• 3 – CARACTERÍSTICAS DE PROCESSOS INDUSTRIAIS
  • 3.1 – PROCESSOS DE FABRICAÇÃO CONTÍNUA E DESCONTÍNUA
  • 3.1.1 – Processos Contínuos - 3.1.2 – Processos Descontínuos
  • 3.2 – REPRESENTAÇÃO E TERMINOLOGIA DE PROCESSOS
    • 3.2.1 – Esquema de Funcionamento e Diagrama de Blocos
      • 3.2.2 – Processos e a Instrumentação
  • 3.3 – PROCESSOS MONOVARIÁVEIS E MULTIVARIÁVEIS
  • 3.4 – PROCESSOS ESTÁVEIS E INSTÁVEIS - 3.4.1 – Processos Estáveis - 3.4.2 – Processos Instáveis
  • 3.5. – PARÂMETROS DE RESPOSTA DE UM PROCESSO - 3.5.1 – Processos Estáveis - 3.5.2 – Processos Instáveis
• 4 – AÇÕES DE CONTROLE
  • 4.1 – MODOS DE ACIONAMENTO - 4.1.1 – Ação Direta - 4.2.2 – Ação Indireta
  • 4.2 – AÇÃO DE CONTROLE ON-OFF ASSUNTO PÁGINA - 4.2.1 – Características Básicas do Controle ON-OFF - 4.2.2 – Conclusão
  • 4.3 – AÇÃO PROPORCIONAL - 4.3.1 – Faixa Proporcional - 4.3.2 – Erro de Off-Set - 4.3.3 – Características Básicas do Controle Proporcional - 4.3.4 – Esquema Básico de um Controlador Proporcional - 4.3.5 – Conclusão
  • 4.4 – AÇÃO INTEGRAL - 4.4.1– Características Básicas do Controle Integral - 4.4.2 – Esquema Básico de um Controlador Integral - 4.4.3 – Conclusão
  • 4.5 – AÇÃO PROPORCIONAL + INTEGRAL (PI) - 4.5.1 – Esquema Básico de um Controlador Integral - 4.5.2 – Conclusão
  • 4.6 – AÇÃO DERIVATIVA - 4.6.1– Características Básicas do Controle Derivativo - 4.6.2 – Esquema Básico de um Controlador Derivativo - 4.6.3 – Conclusão
  • 4.7 – AÇÃO PROPORCIONAL + INTEGRAL + DERIVATIVO (PID) - 4.7.1 – Esquema Básico de um Controlador Derivativo - 4.7.2 – Conclusão
  • 4.8 – QUADRO COMPARATIVO ENTRE O TIPO DE DESVIO E A RESPOSTA DE CADA AÇÃO
  • 4.9 – EXERCÍCIOS RESOLVIDOS
• 5 – MALHAS DE CONTROLE AUTOMÁTICO
  • 5.1 – MALHA DE CONTROLE TIPO FEEDBACK
  • 5.2 – CRITÉRIOS DE PERFORMANCE E COMPORTAMENTO
    • 5.2.1 – Critério de Taxa de Amortecimento ou Área Mínima DAS AÇÕES PID EM MALHA FECHADA
      • 5.2.2 – Critério de Distúrbio Mínimo
  • 5.2.3 – Critério de Amplitude Mínima
  • 5.2.4 – Ação Proporcional
  • 5.2.5 – Ação Integral
  • 5.2.6 – Ação Derivativa
  • 5.3 – CONTROLE EM CASCATA
  • 5.3.1 – Funcionamento
  • 5.3.2 – Exemplos de Malhas em Cascata
  • 5.4 – CONTROLE DE RELAÇÃO
  • 5.5 – CONTROLE FEED FORWARD ASSUNTO PÁGINA
  • 5.3.1 – Malha de Controle Feed Forward Aberta
  • 5.3.2 – Outros Exemplos de Malhas de Controle Feed Forward
  • 5.6 – CONTROLE TIPO SPLIT-RANGE
• 6 – MÉTODOS DE SINTONIA DE MALHAS
  • 6.1 – MÉTODO DE APROXIMAÇÕES SUCESSIVAS OU TENTATIVA E ERRO
  • 6.2 – MÉTODOS QUE NECESSITAM DE IDENTIFICAÇÃO DO PROCESSO
  • 6.2.1 – Para Processos Estáveis
  • 6.2.2 – Para Processos Instáveis
  • 6.3 – MÉTODO DE ZIEGLER E NICHOLS EM MALHA FECHADA
    • 6.3.1 – Procedimento
  • 6.4 – MÉTODOS DE AUTO-SINTONIA
• 7 – EXERCÍCIOS PROPOSTOS

A partir daqui o progresso do controle automático foi muito rápido. Atualmente existe uma enorme variedade de equipamentos de medidas primárias, transmissão das medidas (transmissores), de regulação (controles pneumáticos, elétricos e eletrônicos), de controle final (válvulas pneumáticas, válvulas solenóide, servomotores etc.), de registro (registradores), de indicação (indicadores analógicos e digitais), de computação (relés analógicos, relés digitais com microprocessador), PLC’s, SDCD’s etc.

Estes equipamentos podem ser combinados de modo a constituírem cadeias de controle simples ou múltiplas, adaptadas aos inúmeros problemas de controle e a um grande número de tipos de processos.

Em 1932, H. Nyquist, da Bell Telephone, cria a primeira teoria geral de controle automático com sua “Regeneration Theory”, na qual se estabelece um critério para o estudo da estabilidade.

2) CONCEITOS E CONSIDERAÇÕES BÁSICAS DE CONTROLE

AUTOMÁTICO

2.1) CONCEITOS

O controle Automático tem como finalidade a manutenção de uma certa variável ou condição num certo valor ( fixo ou variante). Este valor que pretendemos é o valor desejado.

Para atingir esta finalidade o sistema de controle automático opera do seguinte modo:

A- Medida do valor atual da variável que se quer regular.

B- Comparação do valor atual com o valor desejado ( sendo este o último indicado ao

sistema de controle pelo operador humano ou por um computador). Determinação do desvio.

C- Utilização do desvio ( ou erro ) para gerar um sinal de correção.

D- Aplicação do sinal de correção ao sistema a controlar de modo a ser eliminado o

desvio, isto é , de maneira a reconduzir-se a variável ao valor desejado. O sinal de correção introduz pois variações de sentido contrário ao erro.

Resumidamente podemos definir Controle Automático como a manutenção do valor de uma certa condição através da sua média, da determinação do desvio em relação ao valor desejado, e da utilização do desvio para se gerar e aplicar um ação de controle capaz de reduzir ou anular o desvio.

Para concretizar vamos considerar o controle de temperatura da água contida num depósito, de uma maneira simplificada ( fig.2.1).

Fig. 2.1 - Controle de Temperatura.

De todas as grandezas relativas ao sistema ( Nível, pressão, vazão, densidade, pH, energia fornecida, salinidade etc.) a grandeza que nos interessa, neste caso, regular é a temperatura da água. A temperatura é então a variável controlada.

Um termômetro de bulbo permite medir o valor atual da variável controlada. As dilatações e contrações do fluido contido dentro do bulbo vão obrigar o “Bourdon”( Tubo curvo de seção elipsoidal) a enrolar ou desenrolar. Os movimentos do extremo do bourdon traduzem a temperatura da água, a qual pode ser lida numa escala.

No diagrama representa-se um contato elétrico no extremo do bourdon e outro contato de posição ajustável à nossa vontade. Este conjunto constitui um “Termostato”. Admitamos que se quer manter a temperatura da água nas proximidades de 50 °C. Este valor da temperatura da água é o valor desejado.

Se a temperatura, por qualquer motivo, ultrapassar o valor desejado, o contato do termostato está aberto. A bobina do contator não está excitada e o contator mantém interrompida a alimentação da resistência de aquecimento. Não havendo fornecimento de calor , a temperatura da água vai descer devido às perdas. A temperatura aproxima-se do valor desejado. Quando, pelo contrário, a temperatura é inferior ao valor desejado o bourdon enrola e fecha o contato do termostato. O contator fecha e vai alimentar a resistência de aquecimento. Em conseqüência, a temperatura da água no depósito vai subir de modo a aproximar-se de novo do valor desejado.

Normalmente as cadeias de controle são muito mais elaboradas. Neste exemplo simples encontramos contudo as funções essenciais de uma malha de controle.

Medida - A cargo do sistema termométrico. Comparação Efetuada pelo sistema de Contatos ( Posição Relativa) Computação Geração do sinal de correção ( efetuada também pelo sistema de contatos e pelo resto do circuito elétrico do termostato. Correção - Desempenhada pelo órgão de Controle - Contator

Observa-se que , para a correção da variável controlada ( temperatura) deve-se atuar sobre outra variável ( quantidade de calor fornecida ao depósito). A ação de controle é aplicada, normalmente, a outra variável da qual depende a variável controlada e que se designa com o nome de variável manipulada. No nosso exemplo, o “Sinal de Controle “ pode ser a corrente elétrica i.

Distúrbio (Ruído) É um sinal que tende a afetar adversamente o valor da variável controlada.

Desvio Representa o valor resultante da diferença entre o valor desejado e o valor da variável controlada.

Ganho Representa o valor resultante do quociente entre a taxa de mudança na saída e a taxa de mudança na entrada que a causou. Ambas, a entrada e a saída devem ser expressas na mesma unidade.

2.2) TIPOS DE CONTROLE

2.2.1) Controle Manual e Controle Automático

Para ilustrar o conceito de controle manual e automático vamos utilizar como processo típico o sistema térmico das figuras 2.3 e 2.4. Inicialmente considere o caso em que um operador detém a função de manter a temperatura da água quente em um dado valor. Neste caso, um termômetro está instalado na saída do sistema , medindo a temperatura da água quente. O operador observa a indicação do termômetro e baseado nela, efetua o fechamento ou abertura da válvula de controle de vapor para que a temperatura desejada seja mantida.

Deste modo, o operador é que está efetuando o controle através de sua observação e de sua ação manual, sendo portanto, um caso de “Controle Manual”.

Fig. 2.3 - Controle Manual de um Sistema Térmico

Considere agora o caso da figura 2.4, onde no lugar do operador foi instalado um instrumento capaz de substituí-lo no trabalho de manter a temperatura da água quente em um valor desejado. Neste caso, este sistema atua de modo similar ao operador, tendo então um detector de erro, uma unidade de controle e um atuador junto à válvula, que substituem respectivamente os olhos do operador, seu cérebro e seus músculos. Desse modo, o controle da temperatura da água quente é feito sem a interferência direta do homem, atuando então de maneira automática, sendo portanto um caso de “Controle Automático”.

Fig. 2.4 - Controle Automático de um Sistema Térmico

2.2.2) Controle Auto-operado

Controle em que a energia necessária para movimentar a parte operacional pode ser obtida diretamente, através da região de detecção, do sistema controlado. Deste modo, este controle obtém toda a energia necessária ao seu funcionamento do próprio meio controlado. Este controle é largamente utilizado em aplicações de controle de pressão e menos comumente no controle de temperatura, nível, etc. A figura 2.5 mostra um exemplo típico de sistema de controle de pressão, utilizando uma válvula auto-operada.

Fig. 2.5 - Sistema de Controle de Pressão Mínima de Combustível auto-operado

2.2.3) Controle em Malha Aberta e Malha Fechada

Os sistemas de controle são classificados em dois tipos: sistemas de controle em malha aberta e sistemas de controle em malha fechada. A distinção entre eles é determinada pela ação de controle, que é componente responsável pela ativação do sistema para produzir a saída.

a) Sistema de Controle em Malha Aberta

É aquele sistema no qual a ação de controle é independente da saída, portanto a saída não tem efeito na ação de controle. Neste caso, conforme mostrado na fig. 2.6, a saída não é medida e nem comparada com a entrada. Um exemplo prático deste tipo de sistema , é a máquina de lavar roupa. Após ter sido programada, as operações de molhar, lavar e enxaguar são feitas baseadas nos tempos pré-determinados. Assim, após concluir cada etapa ela não verifica se esta foi efetuada de forma correta ( por exemplo, após ela enxaguar, ela não verifica se a roupa está totalmente limpa).

Fig. 2.8 - Representação em Diagrama de Bloco de um Sistema de Controle

2.5 - ATRASOS NO PROCESSO

Todo processo possui características que determinam atraso na transferência de energia e/ou massa, o que consequentemente dificulta a ação de controle, visto que elas são inerentes aos processos. Quando, então, vai se definir o sistema mais adequado de controle, deve-se levar em consideração estas características e suas intensidades. São elas: Tempo Morto, Capacitância e Resistência.

2.5.1 - Tempo Morto

É o intervalo de tempo entre o instante em que o sistema sofre uma variação qualquer e o instante em que esta começa a ser detectada pelo elemento sensor. Como exemplo veja o caso do controle de temperatura apresentado na figura 2.9. Para facilitar, suponha que o comprimento do fio de resistência R seja desprezível em relação à distância l(m) que o separa do termômetro e que o diâmetro da tubulação seja suficientemente pequeno.

Se uma tensão for aplicada em R como sinal de entrada fechando-se a chave S conforme a figura 2.10, a temperatura do líquido subirá imediatamente. No entanto, até que esta seja detectada pelo termômetro como sinal de saída, sendo V(m/min) a velocidade de fluxo de líquido, terá passado em tempo dado por L = l/V (min). Este valor L corresponde ao tempo que decorre até que a variação do sinal de entrada apareça como variação do sinal de saída recebe o nome de tempo morto. Este elemento tempo morto dá apenas a defasagem temporal sem variar a forma oscilatória do sinal.

Fig. 2.9 Exemplo do Elemento Tempo Morto Fig. 2.10 - Resposta ao Degrau Unitário do Elemento Tempo Morto

2.5.2) Capacitância

A capacitância de um processo é um fator muito importante no controle automático. É uma medida das características próprias do processo para manter ou transferir uma quantidade de energia ou de material com relação a uma quantidade unitária de alguma variável de referência.

Em outras palavras, é uma mudança na quantidade contida, por unidade mudada na variável de referência. Como exemplo veja o caso dos tanques de armazenamento da figura 2.11. Neles a capacitância representa a relação entre a variação de volume e a variação de altura do material do tanque. Assim , observe que embora os tanques tenham a mesma capacidade ( por exemplo 100 m 3 ), apresentam capacitâncias diferentes.

Neste caso, a capacitância pode ser representada por :

C

dV

dh

= = A

onde: dV = Variação de Volume dh = Variação de Nível A = Área

Fig. 2.11 - Capacitância com relação à capacidade

2.5.3) Resistência

A resistência é uma oposição total ou parcial à transferência de energia ou de material entre as capacitâncias. Na figura 2.12, está sendo mostrado o caso de um processo contendo uma resistência e uma capacitância.

Fig.2.12 - Processo com uma resistência e uma capacitância

3.1.2) Processos Descontínuos

Um processo descontínuo é um processo que seu produto final é obtido em uma quantidade determinada após todo o ciclo. A entrada de novas matérias primas só se dará após o encerramento desse circuito.

Exemplo: considere a produção de massa de chocolate.

Fig. 3.2 - Tanque de Mistura

Etapas: ⇒ Introduzir o produto A, B e C; ⇒ Aquecer a misturar por 2 horas misturando continuamente; ⇒ Escoar produto final para dar início a nova Batelada.

Os processos descontínuos são também conhecidos processos de batelada.

3.2) REPRESENTAÇÃO E TERMINOLOGIA DE PROCESSOS

3.2.1) Esquema de Funcionamento e Diagrama de Bloco

O esquema da figura 3.3, abaixo representa um tanque, uma bomba e tubulações. Todos esses elementos constituem o processo.

Fig. 3.3 Representação Esquemática de um Processo de Nível

As variáveis físicas envolvidas: ⇒ A vazão de entrada: Q (^) e ⇒ A vazão de saída: Q (^) S ⇒ O nível do tanque: L

As vazões Q (^) e e Q (^) s são variáveis independentes do processo e são chamadas de variáveis de entrada do processo cujo produto é o nível. A variação de uma delas, ou de ambas influencia a variável principal, o nível “L”.

O esquema de funcionamento da fig. 3.3 pode ser representado também conforme o diagrama da fig. 3.4. O retângulo representa simbolicamente o processo.

Fig. 3.4 - Diagrama em Blocos da figura 3.

3.2.2) Processos e a Instrumentação

A representação do diagrama de nível da fig. 3.3 com o seu sistema de controle é mostrado na fig. 3..

Fig. 3.5 - Malha de Controle de Nível

Podemos observar na fig. 3.5 que a variável Q (^) e é manipulável através da válvula controladora de nível. Normalmente é chamada de variável reguladora. A variável Q (^) s é chamada de variável perturbadora do nível pois qualquer variação de seu estado o nível poderá ser alterado. Para diferenciar variáveis reguladoras de variáveis perturbadoras, utilizamos a representação da fig. 3.6 ou 3.7.

O diagrama de bloco da fig. 3.8b, mostra as interações entre as variáveis reguladoras (ou manipuladas) e as variáveis do processo (ou controladas). Podemos observar que a variação em U faz com que apenas a temperatura de saída T (^) s varie e que uma variação em Q (^) e, provocará variações em “L” e “T (^) s”, simultaneamente. Por essa razão o processo é dito multivariável.

De uma forma genérica, um processo é dito multivariável quando uma variável reguladora influencia mais de uma variável controlada.

Um processo monovariável é um processo que só possui variável reguladora que influencia apenas uma variável controlada. No meio industrial o tipo multivariável é predominante.

3.4 - PROCESSOS ESTÁVEIS E INSTÁVEIS

3.4.1) Processos Estáveis (ou Naturalmente Estáveis)

Consideremos o nível “L” do tanque da fig. 3.9. A vazão de saída Q (^) s é função do nível “L”

( Q s ==== k. L ). Se “L” é constante, implica que Q s está igual a Q e. No instante T o, provocamos

um degrau na válvula, o nível começará a aumentar provocando também um aumento na vazão de saída Q (^) s. Após um período de tempo o nível estabilizará em um novo patamar N 1 , isso implicará que a vazão de saída Q (^) s será igual a vazão de entrada Q (^) e. Quando isso ocorre, afirmamos que o processo considerado é um processo estável ou naturalmente estável.

Fig. 3.9 - Exemplo de um Processo Estável

3.4.2) Processos Instáveis (ou Integrador) Modificando o processo anterior com escoamento natural por um forçado, ou seja, acrescentando uma bomba de vazão constante Q (^) s (fig. 3.10) e repetindo o procedimento anterior observamos que o nível não se estabilizará. Esses processos recebem o nome de processo instáveis ou integrador.

Fig. 3.10 - Exemplo de Um Processo Instável.

3.5) PARÂMETROS DE RESPOSTA DE UM PROCESSO

Mostramos anteriormente que a resposta de um processo, há uma determinada excitação, poderá ser do tipo estável ou instável. Nesta seção determinaremos os parâmetros que caracterizam o processo a partir da mesma resposta obtida anteriormente. O conhecimento desses parâmetros nos auxiliará a decidir sobre a otimização da malha de controle.

3.5.1) Processos Estáveis Considerando o diagrama de um trocador de calor da fig. 3.11 com o controlador em manual provocamos um degrau “∆MV” no sinal da variável manipulada e observamos a evolução da temperatura T (^) s. A resposta obtida é mostrada na fig. 3..

Fig. 3.11 - Trocador Térmico.