Marcos Marcelino Mazzucco
2009
INTRODUÇÃO AO CONTROLE DE
PROCESSOS QUÍMICOS -
ASPECTOS TEÓRICOS E
EXEMPLOS COM GNU OCTAVE
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL
MODELAGEM DE SISTEMAS
TRANSFORMADA DE LAPLACE
CONTROLE FEEDBACK
GNU OCTAVE
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introdução controle processos odt, Notas de estudo de Engenharia Química
Apostila controle de processos UNISUL
Tipologia: Notas de estudo
2013
1 / 274
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Marcos Marcelino Mazzucco
INTRODUÇÃO AO CONTROLE DE PROCESSOS QUÍMICOS - ASPECTOS TEÓRICOS E EXEMPLOS COM GNU OCTAVE INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL MODELAGEM DE SISTEMAS TRANSFORMADA DE LAPLACE CONTROLE FEEDBACK GNU OCTAVE
INTRODUÇÃO AO CONTROLE DE PROCESSOS QUÍMICOS - ASPECTOS TEÓRICOS E EXEMPLOS COM GNU OCTAVE Este material foi desenvolvido para acompanhar a disciplina Instrumentação e Controle de Processos, ministrada pelo professor Dr. Marcos Marcelino Mazzucco. O uso não autorizado deste material incorre em violação dos direitos autorais, estando sujeito às penalidades previstas na legislação em vigência. Acompanha este material os software livres GNU Octave e MED disponíveis em www.octave.org e www.eqm.unisul.br/prof/marcos.
Marcos Marcelino Mazzucco
Última atualização de conteúdo 20/02/ Última revisão 20/02/
1 INTRODUÇÃO
A busca de sistemas para automatização e controle de tarefas é progressiva e abrange todos os segmentos da vida moderna, de tarefas domésticas até grandes produções industrias. Registros históricos indicam que os egípcios criaram o primeiro sistema de controle, um regulador de nível para um relógio d’água. A revolução industrial somente tomou impulso com o desenvolvimento de mecanismos de controle automático, desde que o controle manual não é viável em processos massivos de produção. Para as máquinas a vapor os reguladores de nível, temperatura e pressão são dispositivos indispensáveis. No período de 1600 a 1800 os sistemas de controle ganharam importância. A partir de 1800 estudos matemáticos impulsionaram a arte de controlar processos. Nos séculos 19 e 20, seguindo necessidades dos meios de comunicação, navegação de aviões, navios, foguetes e a pressão das guerras novos problemas apresentaram-se e assim novas estratégias de controle foram desenvolvidas. O controle digital surgiu e redirecionou as atenções. Hoje, certamente, a demanda de muitos produtos não seria atendida se processos manuais fossem utilizados. Mesmo que uma grande quantidade de pessoas pudesse produzir o mesmo volume de bens que um processo automático, a qualidade e as características do produto obtido não seriam mantidas durante o tempo. Assim, o objetivo de automatizar um processo é aumentar sua capacidade ou eficiência ou diminuir sua periculosidade (Mazzucco, 2003). A automatização deve ser distinguida do controle do processo, cujo objetivo é assegurar uma quantidade (temperatura, pressão, composição, etc.) em um determinado valor ( set point ou referência) ou intervalo pela manipulação de alguma variável. Podemos destacar alguns tipos de variáveis que possuem atribuições formais em controle de processos: variável medida, variável controlada e variável manipulada e perturbações. A variável medida pode coincidir com a controlada, mas isto não é uma regra. Por exemplo, pode-se medir a temperatura e pressão de um gás em um duto, estimar a vazão e controlá-la manipulando, através de uma válvula, o fluxo de massa. Um sistema de controle consiste, ao menos, por: processo(s), sensor(es), controlador(es), e atuador(es). Estes elementos constituem uma malha de controle. Cada elemento possui um comportamento dinâmico mais ou menos importante que deve ser 5
conhecido e, além disso, a interação entre eles é determinante do sucesso de uma proposta de controle. Para formalizar os conteúdos descritos, este material pretende fornecer os conceitos essenciais de controle de processos. Desde modelagem de sistemas até análise de problemas no domínio e Laplace. Desde controle feedback até análise de estabilidade. Para completar o conteúdo serão apresentados os equipamentos típicos utilizados na indústria química para permitir a aplicação das estratégias estudadas, tópico este que será tratado a seguir. 6
2.1 INTRODUÇÃO
Para sistemas de controle a aplicação em campo depende de elementos elétricos, eletrônicos, mecânicos ou pneumáticos que permitam que o processo e o sistema de controle possam interagir de forma compor uma estrutura entrada/saída. Atualmente, muitos destes dispositivos são baseados em equipamentos eletrônicos, sendo divididos e duas categorias, os digitais e os analógicos. Na indústria química a maioria dos elementos de medição e os elementos finais de controle são instrumentos analógicos. Destacam-se as seguintes classes de equipamentos em um sistema de controle: Instrumentos de medição (sensores), elementos finais de controle, transdutores, controladores, indicadores e registradores.
2.2 SINAIS DE ENTRADA E SAÍDA
Tipicamente, na indústria química até meados de 1950, a transmissão de sinais era realizada por via pneumática, sinais típicos de sensores como temperatura e pressão eram conduzidos por via pneumática. Da mesma forma, atuadores como válvulas pneumáticas eram a base dos elementos finais de controle e daí a utilização esta forma de sinal. Assim tanto controladores como registradores foram desenvolvidos para atuar por via pneumática. Atualmente as válvulas pneumáticas correspondem aos representantes mais presentes dos pneumáticos na indústria química. Em alguns projetos onde existe o risco de explosão ainda são utilizados equipamentos pneumáticos. O padrão de transmissão de dados por via pneumática estabelece a faixa de trabalho de 3- 15psig. A partir de 1960, com o desenvolvimento mais intensivo da indústria de eletrônicos, os sinais passaram a ser transmitidos, também, por meio de cabos elétricos em duas formas: corrente (mA) ou tensão (VCC, VDC). Os padrões estabelecidos são: Corrente contínua: 1-5mA, 4-20mA , 10-50mA Tensão contínua: 0-5VDC, 1-5VDC , ±5VDC, ±10VDC
2.3 SENSORES
Os sensores são os elementos responsáveis por permitir a quantificação da variável que se deseja medir. Os sensores típicos da indústria são: 8
- Temperatura: os mais comuns são termopares (sensor da tensão (mV) produzida pela junção de dois metais como níquel, platina, cobre, etc.), termoresistores (sensor resistivo, também conhecido como RTD: resistance-temperature detector , fabricado a partir de materiais como platina, níquel e níquel-cobre) e termistrores (sensor resistivo, também conhecido como NTC- negative temperature coefficient , fabricado a partir de material semicondutor, tais como óxidos de cobalto, magnésio e níquel e sulfetos de cobre, alumínio e ferro. A resistência neste sensor diminui com a temperatura). -Pressão absoluta e diferencial: os mais comuns são tubo de Bourdon , diafragma. -Velocidade de fluxo, fluxo de massa, fluxo volumétrico: tanto para líquidos como gases duas estratégias podem ser utilizadas para medir fluxo: turbina e queda de pressão. No caso da turbina os pulsos gerados podem ser modulados ou totalizados através de um contador ( counter ) para produzir um sinal de fluxo. No caso da queda de pressão, esta deve ser obtida através de uma placa de orifício ou um tubo de Venturi e determinadas as medidas das pressões antes e após o acessório. A vazão é proporcional a raiz quadrada da queda de pressão. As placas de orifício devem garantir uma queda de pressão de 50,8cm (20in) de coluna d'água até 5,08mca (200in). Medições por via magnética, térmica, vórtice e Coriólis também são muito utilizadas. -Nível de líquido: pressão diferencial e bóias são as formas mais simples de medir nível de líquido. -Viscosidade: a queda de pressão é a forma mais simples de inferir a viscosidade. -pH: é uma medida facilmente realizada através de eletrodos de potencial. -Condutividade, Absorção de ultravioleta e infravermelho: são medidas importantes que podem ser utilizadas para inferir composição ou em combinação com outras medidas para fornecer variáveis não mensuráveis. -Umidade: para sólidos ou gases são necessárias técnicas diversas. Uma forma simples é medir a condutividade e traduzi-la em unidade.
2.4 ELEMENTO FINAL DE CONTROLE
Os elementos finais de controle agrupam todas as variáveis que podem ser manipuladas. Neste caso temos o ajuste direto ou indireto da variável deseja. O caso de manipular a vazão de um fluido por ser realizada diretamente restringindo o fluxo de massa. No caso de manipular a temperatura de uma mistura, é necessária a intervenção em outra variável como a vazão, por exemplo. Resistências elétricas podem ser utilizadas como elementos para quantificar energia e portanto regular temperatura em alguns processos. 9
As figuras que seguem foram extraídas de Chemical Engineers' Handbook (Robert H. Perry e Don W. Green, Mc Graw Hill). 11
12
2.4.2 INVERSOR DE FREQÜÊNCIA
De uma geração mais avançada de dispositivos finais de controle, os inversores ou variadores de freqüência representam uma excelente solução para o controle de velocidade de motores. Incorporando possibilidades como comunicação analógica (4- 20mA) e serial (RS232), configuração ampla, controle PID, feedback, reversão de direção, agenda de set-point ( set-point schedule ), indicador configurável, etc. permite um eficiente controle de velocidade de motores trifásicos, mesmo em linhas monofásicas. Os controle de vazão e nível em correntes bombeadas pode ser realizado por este dispositivo sem o uso de válvulas de controle.
2.5 TRANSMISSÃO DE DADOS
A transmissão de dados por via pneumática acontece através de tubos PVC ou polietileno de 1/4 ou 3/8 de diâmetro com paredes rígidas, onde os efeitos de propagação 14
do sinal devem ser considerados. Sinais neste formato são, normalmente, transmitidos por até 200m de distância, respeitadas as condições do meio. A transmissão elétrica de dados é mais flexível que a anterior e quase imune aos efeitos dinâmicos da linha de transmissão. Cabos blindados contendo múltiplos fios são disponíveis para transmissão analógica enquanto para transmissão digital cabos do tipo par-trançado, cabo paralelo são usados, além dos blindados. A transmissão de dados na forma de corrente (4-20mA) deve ser preferida pois na forma de tensão (V) os dados são mais facilmente corrompidos. Cuidados especiais devem ser tomados, entre eles aterrar os cabos em apenas uma das extremidades, utilizar aterramento adequado, conectar adequadamente cabos, bem como cabos e equipamentos (terminações). Os efeitos mais comuns, resultantes de problemas na transmissão são: defasagem ( biasing ), ruído ( noise ) e atenuação. A transmissão digital torna-se mais vantajosa em grandes instalações onde muitos equipamentos estão conectados com grande tráfego de dados. Os protocolos mais utilizados são o serial (RS232 e RS585), o ethernet , e especializados como Fieldbus e o profibus. A tecnologia HART que utiliza sinais analógicos (4-20mA e digitais (1200bps) está presente em muitas aplicações.
2.6 TRANSDUTORES E TRANSMISSORES
Na prática a nomenclatura de transmissores, sensores e transdutores é confusa. Alguns profissionais de processos referem-se indistintamente aos casos, contudo isto não parece adequado, desde que o sinal de um elemento sensor nem sempre é passível de ser transmitido de forma adequada. É requerido assim um transmissor para exercer as funções de converter o sinal em outra forma, linearizá-lo e retransmiti-lo. Em certos casos o transdutor seria representado por um elemento sensor, uma pequena unidade de processamento de sinal e um transmissor. Os transdutores mais comuns são: Transdutor V/I: recebe um sinal em tensão (1-5VDC, por ex.) e retransmite em corrente (4-20mA, por ex.). Transdutor I/V: recebe um sinal em corrente (4-20mA, por ex.) e retransmite em tensão (1-5VDC, por ex.). Transdutor I/P: recebe um sinal em corrente (4-20mA, por ex.) e retransmite em pressão (3-15psig, por ex.). Transdutor de pressão: recebe um sinal em pressão e retransmite em corrente ou tensão. Corresponde ao próprio sensor de pressão na maioria dos casos. 15
sinal indicando o caminho deve ser seguido e depois é enviado/recebido o sinal para este. Placas ou cartões A/D e D/A : responsáveis por realizar a interface entre um computador digital e um sinal analógico. Possuem precisão numérica limitada dada pela quantidade de bits utilizada na representação dos dados. Uma placa com precisão de 12bits pode representar um sinal na faixa de 4-20mA (span=16) com 16/(2^12 -1)= 0,0039mA de resolução. Assim se um elemento sensor é utilizado para medir temperatura na faixa de 0-1 000°C, a precisão da medida será 0,24°C, ou seja, "não existe" diferença entre T=25,1 e 25,2°C. Computadores e Sistemas digitais : a crescente capacidade computacional e a produção em série de computadores permitiram à indústria em geral a expansão e sofisticação dos sistemas de automatização e controle com custo reduzido. Deste fato resultaram complexas redes de comunicação permitindo um acompanhamento rigoroso do processo e ajuste contínuo dos objetivos de controle. Também resulta deste fato a grande quantidade de informações disponibilizada aos operadores e engenheiros de processos. A aplicação de sistemas digitais no controle de processos implica na substituição/adequação de muitos sistemas, principalmente os ditos de nível 0 como sensores e atuadores, para os quais o princípio de operação é intrinsecamente analógico. Porém conduz a um complexo acoplamento de mecanismos constituindo um sistema de controle distribuído (DCS- Distributed Control System ), que consiste, justamente de sistemas microprocessados interligados por uma rede digital. Os sistemas interligados são representados por sensores, atuadores, CLPs, Registradores, Indicadores, Multiplexadores, Interfaces Homem-máquina, servidores, estações de controle, controladores, terminais de programação, unidades de backup , etc. 17
Fonte: Chemical Engineers' Handbook 18