Curso WEB controle de Processos -MOD1, Notas de estudo de Engenharia Química

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CURSO WEB

CONTROLE DE PROCESSOS

MÓDULO 1

Sub-Módulo

Motivação

Sumário

• 1 Objetivos.......................................................................................................
• 2 Introdução
• 3 Aplicações
  • 3.1 Segurança operacional
  • 3.2 Especificação de produtos
  • 3.3 Regulamentações ambientais...................................................................
• 4 Objetivos de um Sistema de Controle
  • 4.1 Supressão da influência de perturbações externas
  • 4.2 Garantir a estabilidade do processo
  • 4.3 Reduzir intervenções da operação
  • 4.4 Otimizar o desempenho de um processo...................................................
  • 4.5 Preservar a vida útil dos elementos finais de controle
• 5 Vantagens de um Sistema de Controle Eficiente
• Apêndice A - Glossário...........................................................................................

para tentar eliminar o desvio entre a temperatura de saída T(t) e a desejada. Se a

temperatura da saída está acima da desejada, por exemplo, a válvula pode ser fechada de forma a reduzir a energia fornecida pelo vapor e assim diminuir a temperatura de saída do fluido de processo, por exemplo.

Essa operação de controlar a temperatura da saída do trocador através da ação de abrir/fechar a válvula de vapor pode ser feita manualmente por um operador. Entretanto, há diversos problemas nesse controle manual. O primeiro problema é que esse trabalho requer que o operador acompanhe a temperatura freqüentemente para tomar uma ação corretiva quando esta apresenta um desvio com relação ao valor desejado. Segundo, refere-se à problemática de diferentes operadores tomarem diferentes decisões sobre o quanto se deve abrir/fechar a válvula de vapor, o que resulta em uma operação não muito consistente. Um terceiro problema é devido ao grande número de variáveis de um determinado processo que devem ser mantidas em um valor desejado, a correção manual requer um grande número de operadores e a constante sincronização de suas ações. Como resultado desses problemas, é desejado que esse controle seja realizado automaticamente. Ou seja, dispor de sistemas que controlem as variáveis sem necessidade de intervenção do operador. Isso nada mais é que a definição de Controle Automático de Processos.

A configuração de um possível sistema de controle automático para esse trocador de calor é mostrado na Figura 2. A primeira coisa a ser feita é medir a temperatura de saída da corrente de processo. Isso é feito por um sensor (termopar, por exemplo). O sensor é disposto junto à variável a qual se deseja obter medição e, na maioria das vezes através de efeitos físico-químicos, gera uma corrente elétrica (ou tensão) na ordem de μA (ou mV). Este sinal elétrico deve ser transmitido para um sistema de controle (controlador) que pode estar a centenas de metros de distância, o que pode gerar sinais ruidosos e resultar em uma medição não confiável do valor da sua variável de processo. Para eliminar este tipo de problema esse sensor é fisicamente conectado a um transmissor, o qual recebe o sinal elétrico de saída do sensor e o amplifica suficientemente para ser transmitido para um controlador, com um nível de ruído aceitável. O controlador então recebe o sinal, converte para unidade de engenharia (nesse caso, a temperatura) e compara com o valor desejado (também conhecido

como set-point ou SP). Dependendo do resultado dessa comparação, o controlador

decide o que fazer para manter a temperatura no valor desejado. Com base nessa decisão, o controlador manda um sinal elétrico para o elemento final de controle (a

válvula ou um sistema que atua sobre a válvula), que manipula a vazão de vapor. Esse

tipo de estratégia de controle é conhecida como controle feedback.

Figura 2 - Exemplo de um sistema de controle para o trocador de calor

Os três componentes básicos de um sistema de controle são:

Sensor/transmissor: São também conhecidos como elementos primários e secundários. Ilustrado na figura pelo “TT” Transmissor de Temperatura.
Controlador: O “cérebro” do sistema de controle. Verifica o valor do elemento primário e calcula a ação para o elemento final de controle. Ilustrado na figura como “TC” Controlador de Temperatura.
Elemento Final de Controle: Válvula de controle (o mais comum), bombas de velocidade variável, motores elétricos, etc.

Esses três componentes executam as três operações básicas que devem estar presentes em todo sistema de controle:

Medição: Medir a variável que se deseja controlar. É geralmente feito pela combinação de sensor e transmissor. Em alguns sistemas, o sinal do sensor pode alimentar diretamente o controlador não tendo a necessidade de se ter um transmissor.
Decisão: Com base na medição, o controlador decide o que fazer para manter a variável no seu valor desejado.

O controle também é aplicado para garantir a dosagem dos componentes e aditivos. Na produção de polietileno é fundamental manter o controle da relação hidrogênio/etileno para garantir os valores de adequados de melt-index.

3.3 Regulamentações ambientais

O controle de processos permite realizar com maior precisão as emissões gasosas, garantir a correta dosagem de combustível na operação de incineradores, emissões líquidas e garantir as condições adequadas de pH e nutrientes nos processos de tratamento terciário dos efluentes líquidos.

4 Objetivos de um Sistema de Controle

Há diversas razões para se implementar um sistema de controle. Podemos citar as seguintes:

4.1 Supressão da influência de perturbações externas

Em um processo industrial podemos encontrar operações contínuas e em batelada operando em série. Conseqüentemente é comum encontrar uma série de perturbações resultantes dos acoplamentos desses sistemas. Para reduzir esse efeito, podemos utilizar um sistema de controle. Tanques pulmão, por exemplo, são utilizados para fazer a interface entre uma operação em batelada e uma operação contínua de forma a atenuar as oscilações de vazão.

Um exemplo comum de perturbação externa ocorre quando desejamos controlar a

vazão de vapor em um header. O sistema de alívio de pressão gera grandes oscilações

na vazão de vapor e um sistema de controle adequado pode ajudar a reduzir essas perturbações.

4.2 Garantir a estabilidade do processo

Um dos motivos de se aplicar controle é garantir a estabilidade do processo. Por exemplo, o controle de uma variável não deve dificultar ou impossibilitar o controle de outra variável a jusante.

É comum adotar diferentes estratégias de controle para diferentes condições de operação de um mesmo processo. Se aplicássemos os mesmos parâmetros de controle sempre, esses estariam adequados para determinadas condições e exageradas para outras. É o caso de malhas de controle de temperatura, nas quais durante a operação

de partida, devem ser aplicados parâmetros de controle diferentes dos parâmetros utilizados em condição normal de operação.

4.3 Reduzir intervenções da operação

Com o processo trabalhando automaticamente durante um período maior de tempo, não há a necessidade dos operadores ficarem 100% do tempo monitorando o processo, podendo assim estar com as suas atenções voltadas para tarefas mais críticas.

4.4 Otimizar o desempenho de um processo

Ao melhorar o desempenho de um processo, podemos reduzir o consumo (matérias- primas, utilidades e reagentes), aumentar a produtividade (podendo trabalhar mais próximo dos limites de especificação) e melhorar a qualidade do produto final (maior homogeneidade do produto formado).

4.5 Preservar a vida útil dos elementos finais de controle

No caso de válvulas de controle como elemento final, a ação excessiva do controlador pode causar saturação ou movimentação abrupta da válvula de controle, o que reduz a vida útil da mesma. Para o caso de variadores de motores (inversores de freqüência), a utilização de ações de controle mais agressivas provoca movimentações excessivas causando desgaste do equipamento acionado (bombas, compressores, etc.).

5 Vantagens de um Sistema de Controle Eficiente

As principais vantagens de um sistema de controle eficiente estão relacionadas à estabilidade do processo (menor quantidade de oscilações), maior confiabilidade (variáveis atingem os valores desejados) e maior eficiência do processo. A Figura 3 ilustra uma comparação das variáveis de controladores ajustados com diferentes parâmetros.

Apêndice A - Glossário

Ação Integral: A parte I do controlador PID. Com a ação integral, a saída do controlador é proporcional a valor e duração do sinal do erro. Se a ação integral é maior, a saída do controlador irá mudar com uma freqüência maior se há um erro presente. Se a unidade do termo integral é tempo/repetições ou tempo, o aumento do termo integral diminui a ação integral. Se a unidade do termo integral é repetições/tempo ou 1/tempo, o aumento do termo I aumenta a ação integral.

Anti-Reset Windup: Contrário de reset windup.

Banda Proporcional: A parte P dos controladores PID. Com a banda proporcional, a saída do controlador é proporcional ao erro ou a uma mudança na variável de processo. Banda Proporcional = 100/Ganho.

Cascata: Sistema de controle com 2 (dois) ou mais controladores. A saída do

controlador “mestre” é o set-point para o controlador “escravo”. Um exemplo clássico é

o controle de temperatura de um reator (um grande vaso com uma camisa de aço em

torno dele). A saída do controlador da temperatura do produto (mestre) é o set-point

do controlador da temperatura da camisa de aquecimento (escravo).

Composição: Uma variável de processo. Representa uma quantidade de um determinado material em uma solução ou gás, por exemplo.

Controlador PID: Os controladores são projetados para eliminar a necessidade de o operador olhar continuamente o processo. O controle de temperatura em sua casa, através de um termostato, é um exemplo comum de como os controladores são usados para ajustar automaticamente algumas variáveis de forma a manter a variável

de processo em torno do set-point (valor desejado para a variável). O erro é definido

como a diferença entre o set-point e a variável de processos. A saída do controlador

PID irá agir para diminuir o erro entre o set-point e a variável controlada.

Conversor "A para D" ou A/D: A para D significa analógico para digital. Esse dispositivo eletrônico converte um sinal analógico como tensão, corrente elétrica, temperatura, ou pressão para um número digital que o computador pode processar e interpretar.

DCS ou SCD: Sistema de Controle Digital ou Sistema de Controle Distribuído. DCS se refere a sistemas de controle analógicos de maior porte e integrados ao sistema supervisório. DCS eram tradicionalmente utilizados para controle PID na indústria de

processos, assim como os PLCs que eram usados para processamento discreto ou lógico. Entretanto, os PLCs estão cada vez mais sendo aceitos para realizar o controle PID em indústrias cujos processos são mais simples. A maioria das plantas químicas e refinarias utilizam o DCS devido à complexidade do processo. O custo desses sistemas pode ir de vinte mil a milhões de dólares.

DDE: Windows Dynamic Data Exchange. É o protocolo para troca de informações entre aplicativos do Windows. Foi criado pela Microsoft na época do Windows 3.1. Atualmente o DDE está sendo substituído pelo OPC (OLE for Process Control). Veja também OPC.

Delay ou atraso: Esse termo é freqüentemente usado no lugar do tempo morto. Veja

também Tempo Morto.

Derivativo: A parte D dos controladores PID. Com a ação derivativa, a saída do controlador é proporcional a taxa de mudança (ou derivada) da variável de processo ou do erro. Alguns fabricantes utilizam o termo taxa ou pré-ação ao invés de derivativo. A maioria das pessoas não utiliza o termo derivativo nos controladores, pois pode deixar a malha um pouco “nervosa” quando sujeita a ruídos.

Erro: Diferença entre set-point e PV. No modo automático, o controlador feedback usa

o erro em seu cálculo para encontrar a saída para o atuador de forma que a variável

de processo atinja o valor do set-point.

Ganho (do controlador): Esse termo é outra maneira de expressar a parte P (proporcional) do controlador. Quanto maior o ganho, mais rápida é a resposta do processo.

Ganho BandaProporciona l

=^100

Ganho (do processo): O ganho do processo, também conhecido como sensibilidade, é definido como uma mudança na saída dividida pela mudança na entrada. Um processo com ganho alto irá reagir mais a uma mudança na saída do controlador.

Ganho Proporcional: A parte P dos controladores PID. Veja também Ganho (do controlador)

BandaProporciona l

Ganho Proporcional =^100

I/O: Input/Output (Entrada/Saída). Refere-se a um hardware no qual os dispositivos

de campo estão interligados. I/O discretos possuem interruptores como entrada e válvulas solenóides e bombas como saída. I/O analógicos possuem variáveis de processo como entrada e saída do controlador.

Lag Time ou Constante de Tempo: Constante de tempo é a quantidade de tempo

após o tempo morto que a variável de processo leva para atingir 63,2 % do seu valor

final após uma perturbação degrau. Muitos poucos processos têm constante de tempo apenas. Quase todos os processos reais contêm tempo morto.

Lógica Discreta: Se refere a lógicas digitais do tipo “on ou off”. Por exemplo, se a porta do carro está aberta e a chave encontra-se na ignição, então um alarme é disparado.

Malha Aberta: Controlador em modo manual. Veja também Modo.

Malha Fechada: Controlador em modo automático. Veja também Modo.

Margem de Fase: A diferença de fase onde o processo combinado e a razão de amplitude do controlador é zero.

Margem de Ganho: Representa a diferença em logaritmo da razão de amplitude onde o ângulo de fase é de 180 graus.

Medida: Mesmo que variável de processo ou PV.

MMI: Man Machine Interface ou Interface Homem-Máquina. Refere-se a um software

que o operador “vê” o processo. Um exemplo de interface seria uma tela mostrando um sistema de controle de nível e temperatura de um tanque com barras gráficas e valores dessas variáveis. Elementos finais do tipo válvulas e bombas são apresentados na tela e o operador pode clicar no equipamento e acioná-lo ou desligá-lo ou até

mesmo realizar uma mudança no set-point dessa malha de controle. Esse sistema

pode ser chamado também de Sistema Supervisório.

Modo: Automático, manual ou remoto. Em modo automático o controlador calcula a

saída baseada no cálculo do erro (diferença entre set-point e PV). Em modo manual, o

usuário altera a saída do controlador. Em remoto, o controlador fica em modo

automático e o set-point é obtido de outro controlador.

Modo Automático: No modo automático o controlador calcula a saída baseada no sinal do erro (diferença entre set-point e PV). Veja também Modo.

Modo Manual: Em modo manual, o usuário altera a saída do controlador. Veja também Modo.

OPC ou OLE for Process Control é um padrão de comunicação para conexões

rápidas e fáceis para controladores.

Output ou Saída: Saída de um controlador PID. Em modo automático o controlador

calcula a saída baseada no cálculo do erro (diferença entre set-point e PV). Em modo

manual, o usuário escolhe a saída (abertura da válvula, rotação de bomba, etc.).

PLC: Controlador Lógico Programado. Esses dispositivos substituem os antigos relés e dentro desses há controladores PID. PLCs são muito eficientes ao processar sinais discretos.

Processos com Constante de Tempo Dominante: A maioria dos processos consiste de tempo morto e constante de tempo. Se a constante de tempo é maior que o tempo morto, o processo é dito com constante de tempo dominante. Exemplos desse tipo de processo são as malhas de temperatura, nível, vazão e pressão.

Processos com Tempo Morto Dominante: Se o tempo morto é maior que a constante de tempo o processo é dito com tempo morto dominante.

Processo Integrativo: Uma perturbação degrau nessas malhas ocasiona uma variável de processo variando como uma rampa até atingir um limite. Quanto maior a perturbação, maior a rampa. Por outro lado, quanto menor o tempo integral, maior a rampa. Exemplos desse tipo de malhas são as malhas de controle nível de tanques.

PV ou Variável de Processos: A variável que se deseja controlar: temperatura, pressão, vazão, composição, pH, etc. Também chamada de variável medida.

Rate ou taxa: Mesmo que derivativo ou parte D dos controladores PID.

Regulador: Quando um controlador muda um valor da variável de processo de forma

que essa volte para o valor do set-point, o controle é chamado de regulatório.

Reset ou reset-rate: Mesmo que termo integral ou parte I dos controladores PID.

Reset Windup: Utilizando um controlador PID simples, uma ação integral tentaria

modificar a saída do controlador mesmo quando a saída atingir um valor limite máximo. Por exemplo, caso uma válvula abra totalmente, a ação integral continuaria calculando a saída do controlador indefinidamente. A maioria dos controladores usa um

morto do processo mais a contribuição dos componentes com mais de 180 graus da fase lag.

A fase do tempo morto aumenta proporcionalmente com a freqüência. Qualquer processo que tenha mais de 180 graus de fase lag possui tempo morto equivalente.