Sistema de Automação e Controle, Notas de estudo de Informática
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1 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 9 1.1 Introdução 9 1.2 Conceito 9 1.3 Desenvolvimento da Automação 10 1.4 Tipos de Automação 13 1.4.1 Automação Fixa 13 1.4.2 Automação Programável 13 1.4.3 Automação Flexível 14 2 CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS 16 2.1. Considerações gerais 16 2.1.1 Perspectiva Histórica 16 2.2. Estruturas básicas do Controle Automático 19 2.2.1 Controle em Malha Fechada 19 2.2.2 Controle em Malha Aberta 22 2.2.3 Comparação entre os sistemas em malha fechada e aberta. 22 2.3. Controle Digital 23 2.4 Exemplos de Sistemas de Controle e Regulação Industrial 27 2.5 Controladores Automáticos Industriais 29 2.5.1 Introdução 29 2.5.2 Ações de Controle Básicas 30 2.6 Controladores Analógicos 41 2.7 Reguladores Digitais 44 2.8 Ajuste Ótimo dos Controladores Industriais 47 2.8.1 Método baseado na Sensibilidade Crítica (2º Método) 48 2.9 Exemplo de Aplicação Industrial 50 2.10 Malhas de Controle 61 2.10.1 Introdução 61 2.10.2 Realimentação negativa 61 2.10.3 Controle Cascata 64 2.11 Controle de Faixa Dividida 72 2.11.1 Conceito 72 2.11.2 Aplicações 72 2.12 Balanço de Cargas 74 2.13 Controle de malhas redundantes 75 2.14 Controles chaveados 77 2.15 Controle Auto-Seletor 79 2.15.1 Conceito 79 2.15.2 Exemplos 80 2.15.3 Características 81 2.15.4 Cuidado para a não Saturação 81 2.15.5 Aplicações 82 2.16 Controle Feed-forward 84 2.16.1 Introdução 84 2.16.2 Funções Básicas 84 2.16.3 Partes Fundamentais 85 2.16.4 Características 85 2.16.5 Limitações 86 2.16.6 Comparação com o Feedback 87 2.16.7 Desenvolvimento do Controlador 89 2.16.8 Aplicações 91 2.16.9 Conclusão 99 2.17 Controle de Relação (Ratio) 100 2.17.1 Conceitos 100 2.17.2 Características 101 2.17.3 Aplicações 103 2.18 Conceitos de Projeto do Controle 105 2.18.1 Critérios Gerais 106 2.18.2 Controle Global da Planta 106 2.18.3 Otimização de controle 107 3 NOÇÕES DE CIRCUITOS LÓGICOS 109 3.1 Tópicos da Álgebra de Boole 109 3.2 Conceitos Introdutórios 109 3.2.1 Grandezas Analógicas e Digitais 109 3.2.2 Sistemas de Numeração Digital 110 3.2.3 Representação de Quantidades Binárias 111 3.2.4 Circuitos Digitais /Circuitos Lógicos 112 3.2.5 Sistemas de Numeração e Códigos 112 3.3 Aritmética Digital 115 3.3.1 Introdução 115 3.3.2 Adição Binária 115 3.3.3 Representação de Números com Sinal 116 3.3.4 Forma do Complemento a 1 116 3.3.5 Forma do Complemento a 2 116 3.3.6 Representação de Números com Sinal Usando Complemento a 2 117 3.3.7 Negação 117 3.3.8 Faixa de Representação do Complemento a 2 118 3.3.9 Adição no Sistema de Complemento a 2 119 3.3.10 Subtração no Sistema de Complemento a 2 120 3.3.11 Overflow Aritmético 120 3.3.12 Multiplicação de Números Binários 120 3.3.13 Divisão Binária 121 3.3.14 Adição BCD 121 3.3.15 Aritmética Hexadecimal 122 3.3.16 Adição em Hexadecimal 122 3.3.17 Subtração em Hexadecimal 122 3.4 Portas Lógicas e Álgebra Booleana 123 3.4.1 Descrevendo Circuitos Lógicos Algebricamente 125 3.4.2 Portas NOR e NAND 126 3.4.3 Teoremas da Álgebra de Boole 126 3.4.4 Universalidade das Portas NAND e NOR 127 3.4.5 Simplificação de Circuitos Lógicos 128 3.4.6 Projetando Circuitos Lógicos 128 3.4.7 Método do Mapa de Karnaugh para Simplificação Circuitos Lógicos 129 4 SISTEMAS DE SUPERVISÃO E DE CONTROLE 130 4.1 Sistemas Analógicos com Painéis Mímicos 130 4.2 Sistemas de Supervisão e Comando com Painéis Mímicos atualizados por Computadores. 130 4.3 Controladores Lógicos Programáveis 131 4.3.1 Introdução 131 4.3.2 Controladores Lógicos Programáveis usados no Seqüênciamento de operações. 133 4.3.3 Componentes básicos de um CLP 134 4.3.4 Processador 134 4.3.5 Memória 134 4.3.6 Circuito de Entrada 135 4.3.7 Circuito de Saída 135 4.3.8 Painéis de Programação 135 4.3.9 Fonte de Alimentação 135 4.3.10 Endereçamento 136 4.3.11 Exemplo de um Endereço Indexado 136 4.3.12 Endereçamento de Instruções de Arquivo 137 4.3.13 Constantes Numéricas 137 4.3.14 Instruções Básicas para programação de CLP 137 4.3.15 Instrução do Tipo Relé 138 4.3.16 Instrução - Liga a Saída 138 4.3.17 Exemplos de programas 139 4.3.18 Instrução Liga e Desliga com Selo (OTL E OTU) 143 4.3.19 Instrução Liga em uma varredura (OSR) 144 4.3.20 Temporizadores 145 4.3.21 Temporizador TON 147 4.3.22 Contadores 148 4.3.23 Contador CTU 150 4.3.24 Instrução RES 151 4.4 IEC 61131-3: A Norma para Programação 153 4.4.1 Elementos Comuns 154 4.4.2 Linguagens de Programação 158 4.4.3 Implementações 160 4.4.4 Conclusão 160 4.6 Os Sistemas Digitais de Controle Distribuído (SDCD) 162 4.7 Os SDCDs convencionais 163 4.8 Configuração geral de um SDCD 164 4.9 Sistemas Supervisórios Modernos 167 4.10 Configurações Gerais dos Sistemas Supervisórios 169 4.11 Computadores utilizados nos sistemas supervisórios 170 4.12 Portas seriais utilizadas nos sistemas de comunicação 171 4.13 Sistemas de redes locais usadas em sistemas supervisórios 171 4.14 Meio de transmissão 172 4.15 Configurações de rede 173 4.16 Controle de acesso aos canais 174 4.17 Padrões de Redes de comunicação 175 4.18 Rede Ethernet 177 4.19 Introdução às Redes Industriais 178 4.19.1 Níveis de uma Rede Industrial 178 4.19.2 Classificação das redes industriais 179 4.19.3 Redes de célula 179 4.19.4 Arquitetura MAP 179 4.19.5 O Projeto MAP 180 4.19.6 EPA/MAP 185 4.19.7 Mini-MAP 187 4.19.8 Redes de Campo de Baixo Nível 188 4.19.9 Redes de campo efetivas 188 4.19.10 A Pirâmide CIM 189 4.20 Interface AS-I 191 4.20.1 Características Gerais 191 4.20.2 Topologia 192 4.20.3 Componentes Principais 194 4.21 Rede PROFIBUS 202 4.21.1 Tecnologia Profibus 202 4.21.2 Perfis de Comunicação 204 4.21.3 Perfis Físicos 204 4.21.4 Perfis de Aplicação 205 4.21.5 Características básicas 205 4.21.6 Arquitetura do Protocolo PROFIBUS 205 4.21.7 Tecnologia de transmissão RS-485 206 4.21.8 Tecnologia de Transmissão IEC 1158-2 210 4.21.9 Instruções de instalação para IEC-1158 211 4.21.10 Protocolo PROFIBUS para o acesso ao meio 213 4.21.11 Perfil de comunicação DP 215 4.21.12 Funções básicas 215 4.21.13 Características básicas 216 4.21.14 Funções de diagnóstico 217 4.21.15 Configuração do sistema e tipos de dispositivos 218 4.21.16 Comportamento do sistema 219 4.21.17 Transmissão cíclica de dados entre os dispositivos dpm1 e os dispositivos escravos 220 4.21.18 Modo sync e modo de congestionamento (freeze) 220 4.21.19 Mecanismos de proteção 221 4.21.20 Funções DP estendidas 221 4.21.21 Endereçamento 222 4.21.22 Transmissão acíclica de dados entre dispositivos DPM1 e dispositivos escravos 223 4.21.23 Transmissão acíclica de dados entre dispositivos DPM2 e dispositivos escravos 224 4.21.24 Perfil de comunicação FMS 225 4.21.25 Serviços FMS 227 4.21.26 Lower link interface (LLI) 229 4.21.27 Gestão da Rede 230 4.21.28 Perfis de aplicação 231 4.21.29 Aspectos de aplicação 233 4.21.30 Aplicações tolerantes a falhas 235 4.21.31 Automação de edifícios 236 4.21.32 Perfis de aplicação para tipos especiais de dispositivos 236 4.22 FOUNDATION Fieldbus 237 4.22.1 Considerações Iniciais 237 4.22.2 Definições 240 4.22.3 Níveis de Protocolo 242 4.22.4 Níveis de Software 243 4.22.5 Nível Físico 245 4.22.6 Distribuição de Energia 249 4.22.7 Benefícios do Fieldbus 259 4.22.8 Comparações com as tecnologias anteriores 261 4.22.9 Detalhando um projeto FIELDBUS 265 4.22.10 Uso de barreiras de proteção 270 4.22.11 Componentes de um projeto FIELDBUS e suas características 280 4.22.12 Cabos 280 4.22.13 Tipos de Equipamentos 284 4.22.14 Exemplo de documentação de um projeto 286 5 SISTEMAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS-SAD 309 5.1 Componentes de um SAD 310 5.2 Software dos sistemas de aquisição de dados 316 5.3 Escolha dos sistemas de aquisição de dados 317 5.4 Sistemas Supervisórios 320 5.5 Plataforma de Hardware 321 5.6 Estrutura dos Sistemas Supervisórios 321 5.7 Características Gerais de um Software Supervisório 324 5.8 Configuração dos Sistemas Supervisórios 326 6 INTERFACE HOMEM-MÁQUINA (IHM) 329 6.1 Tipos de IHM 331 6.2 Meios de Comunicação da IHM 334 7 SISTEMA PIMS 343 7.1 Apresentação 343 7.2 Comunicação com Sistemas Externos 343 7.3 Modelo de Gerenciamento de Dados CST 344 8 BIBLIOGRAFIA 346
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Sistemas de Automação e Controle

Sistemas de Automação e Controle F 0 D 3SENAI – ES, 2005. Direitos de Reprodução para a CST

Apostila elaborada pelo Professor de Instrumentação/Automação Industrial: Fábio da Costa Pinto.

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SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional do Espírito Santo CETEC – Centro de Educação e Tecnologia Arivaldo Fontes Avenida Marechal Mascarenhas de Moraes, 2235 - Bento Ferreira – Vitória – ES. CEP 29052-121 Telefone: (27) 3334-5200 Telefax: (27) 3334-5212 ÍNDICE

1 Automação Programável................................................................................... 8 1 Sistemas Supervisórios Modernos.................................................................... 108 1.1 Etapa 2 – Escolha do método de condicionamento do sinal............................. 192 1.2 Etapa 4-Escolha dos cabos.............................................................................. 193 1.3 Etapa 5-Seleção do software............................................................................ 193 1.4 Visualização...................................................................................................... 195 1.5 Alarmes............................................................................................................. 195 1.6 .......................................................................................................................... 1.7 Gráficos............................................................................................................. 195

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1.8 .......................................................................................................................... 1.9 Relatórios.......................................................................................................... 196 1.10 Linguagem de controle...................................................................................... 196 1.11 .................................................................................................... 1.12 Ajuda on-line..................................................................................................... 196 1.13 A qualquer momento o operador pode recorrer à ajuda on-line para tirar dúvidas de utilização do software supervisório. Há sistemas modernos que utilizam as técnicas de hipertexto..................................................................................................................... 196

11 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

1.11 Introdução Você já reparou que a automação faz parte do dia-a-dia do homem moderno? Pela manhã, o rádio relógio automaticamente dispara o alarme para acordá-lo e começa a dar as notícias do dia. Nessa mesma hora, alguém esquenta o pão para o café da manhã numa torradeira elétrica, ajustando tempo de aquecimento. Na sala, uma criança liga o videocassete, que havia sido programado para gravar seu programa infantil predileto da semana anterior. Quando a casa esquenta pela incidência dos raios solares, o ar condicionado insufla mais ar frio, mantendo a temperatura agradável. Esses simples fatos evidenciam como a automação faz parte da vida cotidiana.

1.21 Conceito Automação é um sistema de equipamentos eletrônicos e/ou mecânicos que controlam seu próprio funcionamento, quase sem a intervenção do homem. Automação é diferente de

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mecanização. A mecanização consiste simplesmente no uso de máquinas para realizar um trabalho, substituindo assim o esforço físico do homem. Já a automação possibilita fazer um trabalho por meio de máquinas controladas automaticamente, capazes de se regularem sozinhas.

Fig.1.1. Evolução da automatização ao longo dos tempos.

1.31 Desenvolvimento da Automação As primeiras iniciativas do homem para mecanizar atividades manuais ocorreram na pré- história com invenções como a roda. O moinho movido por vento ou força animal e as rodas d'água demonstram a criatividade do homem para poupar esforço. Porém, a automação só ganhou destaque na sociedade quando o sistema de produção agrário e artesanal transformou-se em industrial, a partir da segunda metade do século XVIII, inicialmente na Inglaterra. Os sistemas inteiramente automáticos surgiram no início do século XX, entretanto, bem antes disso foram inventados dispositivos simples e semi-automáticos. Devido à necessidade de aumentar a produção e a produtividade, surgiram uma série de inovações tecnológicas: • Máquinas modernas, capazes de produzir com maior precisão e rapidez em relação ao trabalho feito à mão. • Utilização de fontes alternativas de energia, como o vapor, inicialmente aplicada a máquinas em substituição às energias hidráulica e muscular.

Por volta de 1788, James Watt desenvolveu um mecanismo de regulagem do fluxo do vapor em locomotivas. Isto pode ser considerado um dos primeiros sistemas de controle com realimentação e regulador e consistia num eixo vertical com dois braços próximos ao topo, tendo em cada extremidade uma bola pesada. Com isso, a máquina funcionava de modo a se regular sozinha, automaticamente, por meio de um laço de Realimentação.

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Fig.1.2. Representação simplificada do mecanismo de J. Watt.

A partir de 1870, também a energia elétrica passou a ser utilizada e a estimular indústrias como a do aço, a química e a de máquinas-ferramenta e o setor de transportes progrediu bastante graças à expansão das estradas de ferro e à indústria naval. No século XX, a tecnologia da automação passou a contar com computadores, servomecanismos e controladores programáveis. Os computadores são o alicerce de toda a tecnologia da automação contemporânea.

Encontramos exemplos de sua aplicação praticamente em todas as áreas do conhecimento e da atividade humana, por exemplo, ao entrarmos num banco para retirar um simples extrato somos obrigados a interagir com um computador. Passamos o cartão magnético, informamos nossa senha e em poucos segundos obtemos a movimentação bancária impressa.

Fig.1.3. Aplicação do computador

A origem do computador está relacionada à necessidade de automatizar cálculos, evidenciada inicialmente no uso de ábacos pelos babilônios, entre 2000 e 3000 a.C. O marco seguinte foi à invenção da régua de cálculo e, posteriormente, da máquina- aritmética, que efetuava soma e subtração por transmissões de engrenagens. George Boole desenvolveu a álgebra booleana, que contém os princípios binários, posteriormente aplicados às operações internas de computadores. Em 1880, Herman Hollerith criou um novo método, baseado na utilização de cartões perfurados, para automatizar algumas tarefas de tabulação do censo norte-americano. Os resultados do censo, que antes demoravam mais de dez anos para serem tabulados, foram obtidos em apenas seis semanas. O êxito intensificou o uso desta máquina que, por sua vez, norteou a criação da máquina IBM, bastante parecida com o computador.

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Em 1946, foi desenvolvido o primeiro computador de grande porte, completamente eletrônico o Eniac, como foi chamado, ocupava mais de 180 m2 e pesava 30 toneladas. Funcionava com válvulas e relês que consumiam 150.000 watts de potência para realizar cerca de 5.000 cálculos aritméticos por segundo: Esta invenção caracterizou o que seria a primeira geração de computadores que utilizava tecnologia de válvulas eletrônicas. A segunda geração de computadores é marcada pelo uso de transistores (1952). Estes componentes não precisam aquecer-se para funcionar, consomem menos energia e são mais confiáveis. Seu tamanho era cem vezes menor que o de uma válvula, permitindo que os computadores ocupassem muito menos espaço.

Com o desenvolvimento tecnológico, foi possível colocar milhares de transistores numa pastilha de silício de 1 cm2 , o que resultou no circuito integrado (CI): Os CIs deram origem à terceira geração de computadores, com redução significativa de tamanho e aumento da capacidade de processamento.

Em 1975, surgiram os circuitos integrados em escala muito grande (VLSI): Os chamados chipsconstituíram a quarta geração de computadores. Foram então criados os computadores pessoais, de tamanho reduzido e baixo custo de fabricação.Para se ter idéia do nível de desenvolvimento desses computadores nos últimos quarenta anos, enquanto o Eniac fazia apenas 5 mil cálculos por segundo, um chip atual faz 50 milhões de cálculos no mesmo tempo. Voltando a 1948, o americano John T Parsons desenvolveu um método de emprego de cartões perfurados com informações para controlar os movimentos de uma máquina- ferramenta. Demonstrado o invento, a Força Aérea patrocinou uma série de projetos de pesquisa, coordenados pelo laboratório de servomecanismos do Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Poucos anos depois, o MIT desenvolveu um protótipo de uma fresadora com três eixos dotados de servomecanismos de posição. A partir desta época, fabricantes de máquinas-ferramenta começaram a desenvolver projetos particulares. Essa atividade deu origem ao comando numérico, que implementou uma forma programável de automação com processo controlado por números, letras ou símbolos. Com esse equipamento, o MIT desenvolveu uma linguagem de programação que auxilia a entrada de comandos de trajetórias de ferramentas na máquina. Trata-se da linguagem APT (do inglês, Automatically Programmed Tools, ou “Ferramentas Programadas Automaticamente”). Os robôs (do tcheco robota, que significa "escravo, trabalho forçado") substituíram a mão- de-obra no transporte de materiais e em atividades perigosas. O robô programável foi projetado em 1954 pelo americano George Devol, que mais tarde fundou a fábrica de robôs Unimation. Poucos anos depois, a GM instalou robôs em sua linha de produção para soldagem de carrocerias. Ainda nos anos 50, surge a idéia da computação gráfica interativa: forma de entrada de dados por meio de símbolos gráficos com respostas em tempo real. O MIT produziu figuras simples por meio da interface de tubo de raios catódicos (idêntico ao tubo de imagem de um televisor) com um computador. Em 1959, a GM começou a explorar a computação gráfica. A década de 1960 foi o período mais crítico das pesquisas na área de computação gráfica

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interativa. Na época, o grande passo da pesquisa foi o desenvolvimento do sistema sketchpad, que tornou possível criar desenhos e alterações de objetos de maneira interativa, num tubo de raios catódicos. No inicio dos anos 60, o termo CAD(do inglês Computer Aided Design ou "Projeto Auxiliado por Computador") começou a ser utilizado para indicar os sistemas gráficos orientados para projetos. Nos anos 70, as pesquisas desenvolvidas na década anterior começaram a dar frutos. Os setores governamentais e industriais passaram a reconhecer a importância da computação gráfica como forma de aumentar a produtividade. Na década de 1980, as pesquisas visaram à integração e/ou automatização dos diversos elementos de projeto e manufatura. Com o objetivo de criar a fábrica do futuro, o foco das pesquisas foi expandir os sistemas CAD/CAM (Projeto e Manufatura Auxiliado por Computador). Desenvolveu-se também o modelamento geométrico tridimensional com mais aplicações de engenharia (CAE - Engenharia Auxiliada por Computador). Alguns exemplos dessas aplicações são a análise e simulação de mecanismos, o projeto análise de injeção de moldes e a aplicação do método dos elementos finitos. Hoje, os conceitos de integração total do ambiente produtivo com o uso dos sistemas de comunicação de dados e novas técnicas de gerenciamento estão se disseminando rapidamente, já sendo uma realidade o CIM (Manufatura Integrada por Computador). 1.41 Tipos de Automação Embora a automação industrial tenha sido desencadeada, fundamentalmente, pela necessidade de melhorar os níveis de produtividade, as alterações do tipo de mercado têm feito evoluir o conceito de automação. Quando o mercado era caracterizado pela abundância de produtos iguais e duradouros, em que a economia de escala dominava a cena industrial, a automação era fixa, isto é, a seqüência de operações no sistema era fixada pela configuração do equipamento projetado para um determinado produto. Embora com taxas altas de produtividade, essas alterações exigiam operações complexas, demoradas e dispendiosas. Com o aparecimento de um mercado caracterizado pela diversidade de produtos com vida útil reduzida, o sistema produtivo, para dar resposta, teve de se flexibilizar, sem, contudo pôr em causa os níveis médios de produtividade. Assim, a seqüência de operações passa a ser controlada por um programa (listagem de instruções), permitindo a flexibilização do processo automático de produção. Esta mudança provocou alterações ao nível da tecnologia utilizada nos dispositivos de controle. A evolução tecnológica tem vindo a permitir a implementação de novos sistemas de automação que acompanham as novas concepções das linhas de produção. Podemos distinguir genericamente os seguintes tipos de automação: • Automação fixa; • Automação programada; • Automação flexível. Vamos seguidamente caracterizar de uma forma resumida cada um destes tipos de automação.

1.4.11 Automação Fixa Este tipo de automação é caracterizado pela rigidez da configuração do equipamento. Uma vez projetada uma determinada configuração de controle, não é possível alterá-la

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posteriormente sem realizar um novo projeto. As operações a realizar são em geral simples e a complexidade do sistema tem, sobretudo a ver com a integração de um elevado número de operações a realizar. Os aspectos típicos da automação fixa são: • Investimentos iniciais elevados em equipamentos específicos; • Elevadas taxas de produção; • Impossibilidade em geral de prever alterações nos produtos; Este tipo de automação justifica-se do ponto de vista econômico quando se pretende realizar uma elevada produção. Como exemplos de sistemas deste tipo, podemos citar as primeiras linhas de montagem de automóveis nos Estados Unidos. (Ex: linha de produção do Ford T, 1913).

1.4.21 Automação Programável Neste caso, o equipamento é montado com a capacidade de se ajustar a alterações da seqüência de produção quando se pretende alterar o produto final. A seqüência de operações é controlada por um programa. Assim, para cada novo produto terá que ser realizado um novo programa. Os aspectos típicos da automação programável são: • Elevado investimento em equipamento genérico, • Taxas de produção inferiores à automação fixa, • Flexibilidade para alterações na configuração da produção, • Bastante apropriada para produção por lotes (“batch processing”). No final da produção de um lote, o sistema é reprogramado. Os elementos físicos envolvidos como, por exemplo, ferramentas de corte e parâmetros de trabalho das máquinas ferramentas, devem ser reajustados. O tempo despendido na produção de um lote deve incluir o tempo dedicado aos ajustamentos iniciais e o tempo de produção do lote propriamente dito. Podem-se referir como exemplos de sistemas de automação programável as máquinas de Comando Numérico (“CNC – Computer Numeric Control”) com início de atividade em 1952 e as primeiras aplicações de robôs industriais em 1961. (Ver Fig.1.4).

Fig.1.4 Exemplo de aplicação industrial de um robô: alimentação de peças de uma

máquina-ferramenta. (Fonte: Eshed Robotec).

1.4.31 Automação Flexível É uma extensão da automação programável. A definição exata desta forma de automação está ainda em evolução, pois os níveis de decisão que envolve podem neste momento incluir toda a organização geral da produção. Um sistema flexível de produção é capaz de produzir uma determinada variedade de produtos sem perda significativa de tempo de

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produção para ajustamentos entre tipos diferentes. Assim, o sistema pode produzir várias combinações de produtos sem necessidade de os organizar em lotes separados. Os aspectos típicos da automação flexível são: • Elevados investimentos no sistema global; • Produção contínua de misturas variáveis de produtos; • Taxas de produção média; • Flexibilidade de ajustamento às variações no tipo dos produtos;

Os aspectos essenciais que distinguem a automação flexível da programável são: • Capacidade de ajustamento dos programas a diferentes produtos sem perda de tempo de produção; • Capacidade de ajustamento dos elementos físicos da produção sem perda de tempo de produção;

Fig.1.5.

Exemplo de um sistema automático flexível controlado por computador. (Fonte: Eshed Robotec).

As alterações dos programas são feitas normalmente “off-line” num nível hierárquico superior, sendo transmitidas ao computador do processo via ligação em rede. A evolução previsível da automação flexível no futuro próximo será função dos desenvolvimentos que se vierem a dar nas seguintes áreas: • Desenvolvimento de computadores cada vez mais rápidos e em comunicação com todos os sistemas envolvidos na produção, através de redes industriais (Ex: redes Ethernet, Telway, PROFIBUS, etc). • Desenvolvimento de programas “inteligentes("Expert Systems"), • Desenvolvimentos nos campos da robótica e da visão artificial, • Desenvolvimento nos veículos guiados automaticamente (AGV’s).

21 CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS

12.. Considerações gerais A regulação e o controle automático de sistemas industriais desempenha um papel de vital importância no desenvolvimento da ciência e da engenharia. Para além de possuir

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uma importância fundamental nos sistemas de pilotagem de navios, aviões, mísseis, veículos espaciais, etc. passou a tornar-se uma parte integrante do funcionamento de processos industriais típicos (manufatura, produção de energia, produtos químicos, transportes, instalações de frio e ar condicionado, etc.). O controle automático é essencial, por exemplo, em operações industriais que envolvam o controle de posição, velocidade, pressão, vazão, temperatura, umidade, viscosidade, etc. Neste capítulo, vamos apresentar os conceitos básicos relativos à teoria do controle automático, bem como as principais estruturas utilizadas no controle de processos industriais. Por fim, faremos uma breve descrição do tipo de controladores ou reguladores mais utilizados na indústria, bem como as suas principais características e formas de ajuste dos respectivos parâmetros.

2.1.11 Perspectiva Histórica Embora desde sempre o homem tenha tentado controlar os fenômenos naturais em seu próprio proveito, a primeira tentativa séria e que historicamente é considerada como um dos primeiros trabalhos significativos na área de controle automático, foi efetuado pelo investigador James Watt, que construiu um regulador centrífugo para efetuar o controle de velocidade de uma máquina a vapor (Inglaterra, séc. XVIII). Dado o seu interesse histórico, apresenta-se na Fig.2.1, o esquema de um regulador de velocidade de um motor Diesel, baseado no princípio inventado por James Watt.

Fig.2.1. Esquema básico do regulador de Watt aplicado à regulação de velocidade de motor

Diesel.

No esquema da Fig.2.1, podemos verificar que o veio do motor tem acoplado um sistema com duas massas (m) que rodam com o veio à velocidade de rotação ω. Assim, quando o motor aumenta de rotação, devido à ação centrífuga as massas tendem a afastar-se diminuindo o curso (y), elevando assim a haste (h) ligada à válvula de combustível. Deste modo, o caudal de combustível diminui o que faz baixar a velocidade de rotação do motor. Por conseguinte, as massas tendem a aproximar-se do veio, aumentando y, baixando h aumentando a velocidade do motor ω. Este procedimento repete-se até se atingir uma situação de equilíbrio. No século XX, foram iniciados de fato os estudos e as aplicações do controle automático à indústria. Assim, com o avanço da ciência e da tecnologia, foram dados os primeiros passos nas décadas de vinte e trinta, períodos nos quais foram efetuados importantes desenvolvimentos. Durante a década de quarenta, foram dados novos e importantes passos nesta área. Deste modo, após a introdução do primeiro regulador pneumático PID1 na indústria, os investigadores J. Ziegler e N. Nichols desenvolveram um método de ajuste ótimo destes reguladores, que ficou conhecido por "Método de Ziegler-Nichols". Este método permitiu resolver muito dos problemas de ajuste dos parâmetros de reguladores, através de uma metodologia relativamente simples e eficaz.

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1 Estes reguladores utilizam as 3 ações básicas de regulação: Proporcional (P), Integral (I) e Derivativa (D), relativamente ao erro. São também designados na indústria, por reguladores de três ações (“three-term-regulator”).

a) b) Fig.2.2.

a)Aspecto de um regulador pneumático PID atual utilizado na indústria. b)Controlador eletrônico e sensores analógicos de diversos tipos.

Nos anos setenta e seguintes, devido ás crescentes potencialidades dos computadores digitais para efetuar a manipulação de grandes volumes de dados e de efetuar cálculos complexos, estes passaram a ser progressivamente cada vez mais utilizados na construção de reguladores industriais, sensores transdutores, etc. Esta técnica, que recorre à utilização em larga escala de micro-computadores para efetuar a monitorização e o controle digital é conhecida por controle digital direto (DDC - "Direct Digital Control"). Neste tipo de controle, é utilizado um computador digital para efetuar o controle do processo em tempo real, de um ou mais processos, consoante o tipo e complexidade da aplicação industrial.

Fig.2.3.

Aspecto de uma gama de reguladores industriais atuais baseados em microprocessador.

Por fim, os métodos de estudo e análise de sistemas de controle contínuo e digital passaram a ficar extraordinariamente facilitados com o surgimento nos últimos anos de diversas ferramentas informatizadas cada vez mais poderosas, versáteis e com capacidades gráficas muito interessantes. Deste modo, o estudo de sistemas complexos, que através dos métodos tradicionais se revelava bastante complexo, passou a ser bastante acessível através do recurso às potencialidades destes programas2, de utilização cada vez mais generalizada no ensino das matérias de Controle Automático.

Fig.2.4. Exemplo de um diagrama de simulação gráfico em MATLAB/SIMULINK

NOTA: A figura representa o diagrama de blocos do sistema de controle em malha fechada de um motor de combustão interna.

12.. Estruturas básicas do Controle Automático

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2 Podemos destacar entre outros o MATLAB/SIMULINK (Mathworks, Inc.), MAPLE e MATHCAD.

2.2.11 Controle em Malha Fechada No sistema clássico de controle em malha fechada, que na sua forma mais usual é constituído por componentes contínuos ou analógicos, o sinal de saída possui um efeito direto na ação de controle, pelo que poderemos designá-los por sistemas de controle com realimentação ou retroação ("feedback”). Neste tipo de sistemas, o sinal de erro que corresponde à diferença entre os valores de referência e de realimentação (que pode ser o sinal de saída ou uma função do sinal de saída), é introduzido no controlador de modo a reduzir o erro e a manter a saída do sistema num determinado valor, pretendido pelo operador. Por outras palavras, o termo "MALHA FECHADA" implica necessariamente a existência de uma realimentação com o objetivo de reduzir o erro, e manter deste modo a saída do sistema num determinado valor desejado. A Fig.2.5 representa a relação entrada-saída de um sistema de controle típico em malha fechado. Esta representação gráfica é designada na literatura de Controle por "DIAGRAMA DE BLOCOS".

Ação de controle

Fig.2.5.

Diagrama de blocos de um sistema de controle em malha fechada.

Para ilustrar o sistema de controle em malha fechada, vamos considerar o sistema térmico da Fig.2.6, na qual está representado um operador que desempenha a função de controlador. Este operador pretende manter constante a temperatura da água à saída de um permutador de calor. No coletor de saída, está montado um termômetro (elemento de medida) que mede a temperatura real da água quente (variável de saída do sistema). Deste modo, em função das indicações fornecidas pelo elemento de medida, o operador irá manipular a válvula de controle de vazão de vapor de aquecimento, de modo a manter a temperatura da água o mais próxima possível do valor desejado.

Fig.2.6.

Esquema de Controle Manual de um Sistema Térmico.

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Se em vez do operador, for utilizado um controlador automático, conforme apresentado na Fig.2.7, o sistema de controle passa a designar-se por automático. Neste caso, o operador seleciona a temperatura de referência ("set-point") no controlador. A saída do processo (temperatura real da água quente à saída do permutador de calor), é medida pelo transdutor de temperatura, e comparada no controlador com a temperatura de referência de modo a gerar um sinal de erro. Tomando como base este sinal de erro, o controlador gera um sinal de comando3 para a válvula de regulação de vapor (atuador).

Este sinal de comando permite variar gradualmente a abertura da válvula, e, por conseguinte a vazão de vapor a admitir no permutador. Deste modo, é possível controlar automaticamente a temperatura da água à saída do permutador, sem que seja necessária a intervenção do operador.

Fig.2.7. Esquema do sistema de regulação automática de um sistema térmico.

a) b) c) d) Fig.2.8.

Dispositivo de regulação de temperatura com componentes atuais. a) Transdutor de temperatura. b) Controlador digital PID. c) Conversor corrente-pressão (Conversor I-P), que converte o sinal de controle de 4-20 mA para pressão (3-15 psi). d) Válvula de regulação com comando por ar comprimido (3-15 psi = 0.21-1.05 bar).

Como podemos verificar através das figuras anteriores, os dois sistemas funcionam de uma forma muito semelhante. Deste modo, os olhos do operador e o termômetro, constituem o dispositivo análogo ao sistema de medida de temperatura; o seu cérebro é análogo ao controlador automático, realiza a comparação entre os valores de temperatura desejada e medida, e gera o respectivo sinal de comando. Este sinal é veiculado pelos seus músculos que realizam a abertura ou fecho da válvula, os quais têm um papel análogo ao motor da válvula de regulação de vapor.

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3 Sinal de controle -> o sinal de saída do regulador, é normalmente do tipo elétrico, pneumático ou hidráulico. É enviado para o atuador através de uma interface de potência (amplificador, conversor, corrente-pressão (I/P), etc.).

2.2.21 Controle em Malha Aberta Neste tipo de sistemas de controle, a saída não exerce qualquer ação no sinal de controle. Deste modo, a saída do processo não é medida nem comparada com a saída de referência. A Fig.2.9 representa o diagrama de blocos de um sistema deste tipo.

Fig.2.9. Diagrama de blocos de um sistema de controle em malha aberto.

Como se pode observar na figura, neste tipo de controle, a saída não é comparada com a entrada de referência. Deste modo, para cada valor da saída irá corresponder uma condição de funcionamento fixa. No entanto, na presença de perturbações, o sistema não irá atingir os objetivos desejados. Na prática, o controle em malha ou malha aberto, somente deve ser utilizado em sistemas para os quais a relação entre a entrada e a saída seja bem conhecida, e que não tenham perturbações internas ou externas significativas.

2.2.31 Comparação entre os sistemas em malha fechada e aberta. A vantagem dos sistemas de controle em malha fechada, relativamente aos de malha aberta, consiste no fato da realimentação, tornar a resposta do sistema relativamente insensível e perturbações externas e a variações internas dos parâmetros do sistema. Deste modo, é possível utilizar componentes mais baratos e de menor precisão, para obter o controle preciso de um dado processo. Esta característica é impossível de obter com um sistema em malha aberta. Do ponto de vista da estabilidade, os sistemas de controle em malha aberta são mais robustos, uma vez que a estabilidade não constitui um problema significativo. Nos sistemas de controle em malha fechada, a estabilidade constitui um problema de primordial importância, visto que o sistema pode tender a sobrepor erros, produzindo oscilações de amplitude constante ou variável. Assim, podemos concluir que:

Os sistemas em que são conhecidas as variáveis de entrada antecipadamente no tempo, e nos quais não haja perturbações muito significativas, é aconselhável a utilização do controle em malha aberta. Para sistemas que estejam sujeitos a perturbações imprevisíveis e/ou variações não previstas nos componentes do sistema, deve-se utilizar o controle em malha fechada.

Sempre que possível, é aconselhável utilizar uma combinação apropriada de controle em malha aberta e fechada, visto ser normalmente a solução mais econômica, e que fornece um desempenho global do sistema mais satisfatório. NOTA: O conceito de controlador ou regulador é aplicado nestes apontamentos de forma indistinta. No entanto, existem diferenças entre as duas designações. Assim, tem-se: Regulador: dispositivo de controle utilizado preferencialmente quando se pretende manter fixa a referência r(t) e controlar as perturbações na saída c(t). É o caso usual do controle de processos utilizados na indústria (pressão, temperatura, vazão, nível, etc.). Exemplo: Pretende-se manter constante a temperatura da água à saída de um

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permutador, independentemente da vazão de passagem e da temperatura da água à entrada. Controlador: dispositivo de controle utilizado preferencialmente quando se pretende que a saída c(t) acompanhe uma referência variável no tempo r(t) para além de efetuar também o controle das perturbações na saída. Um exemplo típico deste dispositivo de controle designa-se por servomecanismo, sendo muito utilizado em sistemas de controle de posição e velocidade. Exemplo: 1) Controle do ângulo de leme de um navio. Neste caso pretende-se que o leme rode de um ângulo igual ao da referência de ângulo de leme. 2)Controle de velocidade de um motor Diesel de navio.

12.3. Controle Digital Conforme já foi referido anteriormente, com o avanço cada vez maior da tecnologia dos microprocessadores, o regulador clássico (contínuos ou analógicos) apresentado no ponto anterior, têm vindo progressivamente a ser substituído por controladores ou reguladores digitais, baseados em microprocessador. Assim, no sistema de controle contínuo representado na Fig.2.5, pode-se substituir o controlador analógico por um controlador digital. As diferenças básicas entre estes dois controladores residem no fato de o sistema digital funcionar com sinais discretos (ou amostras do sinal contínuo medido pelo transdutor de medida), em vez dos sinais contínuos utilizados no controlador analógico. (Os diversos tipos de sinais no esquema da Fig. 2.10, estão representados na Fig.2.11).

Fig.2.10. Diagrama de blocos do esquema de controle digital em malha fechada.

Fig.2.11. Evolução temporal dos sinais num malha de controle digital.

No diagrama do sistema de controle digital da Fig. (2.10), podemos ver que este contém elementos analógicos e digitais. Deste modo, o relógio (clock) ligado aos conversores A/ D e D/A (D/A e A/D converters) fornece um pulso para cada T segundos. Os conversores D/A e A/D enviam apenas os respectivos sinais quando chega o sinal pulsado de relógio. O objetivo desta ação, é o de fazer com que o processo (“Plant”) receba apenas amostras do sinal de entrada u(k) e envie apenas sinais de saída y(k) sincronizados com o sinal de relógio. Deste modo, é necessário manter constante o sinal de entrada u(k) durante o intervalo de amostragem. Assim, vamos supor que o sinal u(k) representa a amostra do sinal de

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entrada. Existem técnicas que permitem obter a amostra u(k) e manter ou reter (hold) o sinal de modo a produzir um sinal contínuo û(t).O gráfico da Fig.2.12 mostra que o sinal û(t)é mantido constante para u(k) no intervalo [kT ; (k+1)T]. Esta operação de retenção de û(t)constante durante o intervalo de amostragem é designada por "retenção de ordem zero" ou "zero-order hold".

Fig.2.12. Resposta de um sinal com retentor de ordem zero ("zoh -> zero order hold").

O sinal û(t) tratado pelo retentor de ordem zero é introduzido em H2(s) de modo a produzir a saída do processo y(t). Este sinal é depois amostrado pelo conversor A/D de modo a poder-se obter o sinal y(k) que irá ser igual à amostra do sinal contínuo y(t). Esta operação é equivalente a introduzir o sinal u(t) em H(s) de modo a obter o sinal contínuo de saída do processo y(t).

Fig.2.13. Evolução dos sinais num sistema digital (em cima) e contínuo analógico (em baixo).

Exemplo de sistema de controle digital (posição angular do veio de um motor). Na Fig.2.14 nós podemos observar um sistema de regulação digital da posição do veio de um motor elétrico, através de micro-computador contendo um processador digital de sinal (“DSP - Digital Signal Processor”), de modo a poder realizar um elevado volume de cálculos sem necessitar de utilizar o microprocessador do computador. O elemento de medida de posição fornece um sinal analógico que é seguidamente convertido num sinal digital através de um conversor A/D, de modo a poder ser efetuada a lei de controle. Note que o sinal do encoder é também enviado para o PC via porta serial a fim de poder ser recolhida a posição angular do veio do motor. Na placa de DSP, são efetuados os cálculos do algoritmo de controle (PID ou outro…), obtendo-se um sinal de controle digital, que terá de ser convertido para um sinal analógico através de um conversor D/A. Neste caso, o atuador é constituído por um amplificador de potência de modo a poder atuar o motor. Assim, o computador e placa dedicada de DSP funcionam como um regulador digital de posição (servomecanismo), realizando a ação de controle através de um programa escrito numa linguagem de alto nível (Basic, Fortran, C, C++, Visual Basic, etc...).

Fig.2.14.

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Sistema de regulação digital de posição de um motor elétrico.

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2.41 Exemplos de Sistemas de Controle e Regulação Industrial

Robôs manipuladores -Os manipuladores mecânicos (robôs), são usados freqüentemente na indústria para aumentar a produtividade. Os robôs podem realizar trabalhos monótonos e complexos, sem produzirem erros durante o funcionamento. Para, além disso, podem operar em ambientes intoleráveis para os seres humanos.

Fig.2.15a. Sistema robótico, com utilização de câmara de vídeo para a detecção de objetos, a

sua posição e orientação.

Fig.2.15b. Diagrama de Blocos do Sistema com Visão

O Robô Industrial é constituído por uma parte mecânica, construída das mais diversas formas e geometrias. No entanto, deve possuir pelo menos um ombro, um braço e um punho, e desenvolver a potência suficiente para manipular as peças durante o ciclo de trabalho. Deve possuir também uma série de sensores (posição, velocidade, força, etc..), que são instalados nas diversas partes da estrutura mecânica. Num robô de elevada qualidade, pode ser também instalado um sistema de visão artificial (Ex: câmara de vídeo), para detectar a presença de um objeto a manipular, a sua localização e a respectiva orientação. O sistema de controle do Robô (computador digital), efetua a operação de manipulação do objeto, de acordo com o programa especificado pelo utilizador.

Máquina-ferramenta com comando CNC - Na Fig.2.16, podemos observar uma Máquina-ferramenta com controle numérico (CNC – Computer Numeric Control), para a usinagem de peças com perfis complexos (Ex: rotor de um compressor centrífugo). Neste caso, as coordenadas da peça, são introduzidas através de uma disquete, e o controlador digital envia os respectivos sinais de controle para o sistema de maquinação de modo a reproduzir a peça. A realimentação do sistema (feedback), garante que o perfil da peça irá ser executado com a precisão desejada. Controle de processos industriais – É o caso mais usual de aplicação de sistemas de controle, quer na indústria em geral, quer no caso de instalações marítimas em particular. A título de exemplo, podem-se referir os seguintes casos: i) Controle de temperatura de um trocador de calor; ii) Controle de nível de uma caldeira; iii) Controle de velocidade de uma turbina a vapor; iv) Controle de pressão de vapor numa tubulação; v) Controle do ângulo de leme de um navio (piloto automático).

Computador

Fig.2.16. Sistema CNC de uma máquina-ferramenta.

2.51 Controladores Automáticos Industriais

2.5.11 Introdução Um controlador automático tem como função produzir um sinal de controle que anule o erro (desvio), ou o reduza a um valor muito pequeno. O controlador compara o valor real da saída do processo com o valor desejado (set-point), determina o erro ou desvio, e produz o respectivo sinal de comando para o atuador. Os controladores podem ser classificados de acordo com o tipo de tecnologia utilizada na sua construção. Deste modo, poderemos ter: - Controladores pneumáticos - Controladores hidráulicos - Controladores eletrônicos (analógicos e digitais) A seleção do tipo de controlador deverá ser estudada caso a caso, visto que irá depender da natureza do processo, energia disponível, condições de segurança, custo, precisão, confiabilidade, peso e dimensões do equipamento.

2.5.21 Ações de Controle Básicas A realização do sinal de comando pelo controlador, pode ser obtida de diversas formas, designadas por "ações de controle ou de regulação", o que nos permite classificar os controladores da seguinte forma:

- Controladores de duas posições (ON-OFF) - Controladores Proporcionais (P) - Controladores do tipo Integral (I) - Controladores do tipo Proporcional +Integral (P +I) - Controladores do tipo Proporcional +Derivativo (P +D) - Controladores do tipo Proporcional +Integral +Derivativo (P +I +D)

O controlador executa diversas funções que poderemos descrever da seguinte forma: em primeiro lugar é detectado o sinal de erro, normalmente de baixo nível de potência, pelo que o controlador deve possuir um órgão que permita amplificá-lo a um nível suficiente elevado. A saída de um controlador é ligada a um dispositivo de potência, como por exemplo, uma válvula pneumática, motor hidráulico ou elétrico.

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Na Fig.2.17 podemos observar um diagrama de blocos de um controlador industrial, bem como o elemento de medida (sensor). O controlador é formado por um detector de erro (ponto de soma) e um algoritmo de controle + amplificador. O elemento de medida converte a variável de saída em uma outra variável, como seja um deslocamento, pressão ou sinal elétrico que é utilizado para comparar a saída em relação ao sinal de entrada de referência. Este elemento constitui o ramo de realimentação do sistema em anel fechado. O ponto de ajuste do controlador deve ser convertido numa entrada de referência com as mesmas unidades do sinal de realimentação do elemento de medida. O amplificador tem como função amplificar a potência do sinal de saída do controlador, de modo a poder operar o atuador. O atuador tem como função alterar a entrada do processo de acordo com o sinal de controle, de modo a que a saída do processo seja igual ou o mais próxima possível do valor de referência (set-point).

Fig.2.17. Diagrama de blocos de um sistema de controle automático.

2.5.2.11 Ação de Controle de duas posições (ON-OFF) Este sistema de controle apresenta a vantagem de ser simples e barato, o que se traduz na sua grande aplicação, tanto em sistemas industriais como domésticos. Neste sistema, o elemento possui apenas duas posições fixas, que são a de ligado ou desligado. Considerando o sinal de saída do controlador u(t) e o sinal de erro e(t), num controle deste tipo, o sinal u(t) permanece ou num valor máximo ou num valor mínimo, dependendo do sinal de erro ser positivo ou negativo. Assim:

u(t)=M1 para e(t)>0 M1, M2 = constantes

u(t)=M2 para e(t)<0

O valor mínimo M2 é normalmente nulo ou –M1. Os controladores deste tipo são geralmente dispositivos elétricos, onde é bastante utilizada uma válvula operada por um solenóide elétrico. Podemos ter controladores proporcionais pneumáticos /eletrônicos funciona como controladores de duas posições denominadas controladores de duas posições. Isto pode suceder, se tivermos um controlador proporcional funciona com um ganho muito elevado. Na Fig.2.18, podemos observar os diagramas de blocos destes dois controladores.

(a) (b)

Fig.2.18. a) Diagrama de blocos de um controlador ON-OFF (liga-desliga);

b) Diagrama de blocos de um Controlador “ON-OFF” com histerese diferencial.

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Designa-se por "intervalo diferencial" ao intervalo através do qual o sinal de erro deve variar antes de ocorrer à comutação. Este intervalo diferencial faz com que a saída do controlador u(t), mantenha o seu valor atual até que o sinal de erro se tenha alterado ligeiramente, para além do valor zero. Normalmente, este intervalo, é colocado intencionalmente de modo a evitar um funcionamento demasiado freqüente do sistema.

Considere-se o sistema de controle de nível de líquido indicado na Fig.2.19. Com o controle de duas posições, a válvula ou está aberta ou fechada o que implica que a vazão de entrada de água ou é positivo ou nulo. Conforme se pode ver na Fig.2.19, o sinal de saída varia continuamente entre os dois limites exigidos de modo a fazer com que o elemento se mova de uma posição fixa para outra. Nota-se que a curva do nível (saída) segue uma das duas curvas exponenciais, uma que corresponde à curva de enchimento e a outra à curva de esvaziamento. Esta oscilação da saída entre os dois limites é uma característica da resposta típica deste tipo de sistemas. Pode-se concluir através da análise da Fig.2.19, que a amplitude da oscilação de saída pode ser reduzida, se diminuirmos o intervalo diferencial. Esta ação tem como desvantagem o aumento do número de operações da válvula, reduzindo-se assim, a vida útil do atuador. O intervalo diferencial deve ser ajustado, tendo em consideração a precisão exigida e a vida útil do atuador.

Fig.2.19. a) Sistema de controle de nível de liquido. b) Curva do nível h(t) em função do tempo.

2.5.2.31 Ação de Controle Proporcional (P) Neste caso a relação entre a saída u(t) e o sinal de erro e(t), é dada pela expressão:

Em que Kp é designado por sensibilidade ou ganho proporcional. Um controlador deste tipo consiste basicamente de um amplificador de ganho ajustável. O diagrama de blocos deste controlador está indicado na Fig.2.20.

Fig.2.20. Diagrama de blocos de um controlador proporcional.

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Em regulação industrial, é muitas vezes utilizada a Banda Proporcional (B.P.), que é definida como o inverso de Kp em percentagem (%). Deste modo, a B.P (%), pode ser definida da seguinte forma:

O inverso da B.P. é obviamente o ganho proporcional (valor adimensional). Para tornarmos Kp dimensional, teremos que multiplicar Kp pelas escalas das variáveis de erro e de saída do controlador. Assim, tem-se:

O ganho proporcional Kp pode igualmente vir expresso em diversas unidades de que são exemplo as seguintes: psi /ºC, V /mA, mA /V, etc.

2.5.2.32 Ação de Controle Integral (I) Na ação integral, o valor de saída u(t) varia com uma taxa proporcional ao sinal de erro e(t). Assim, teremos:

Em que Ki é uma constante de ganho ajustável (Ganho integral). Se o valor de e(t) duplicar então u(t)irá variar duas vezes mais rapidamente. Para e(t)=0, o valor de u(t) irá manter-se num valor constante ou estacionário. O diagrama de blocos deste tipo de controlador está representado na Fig.2.21.

Fig.2.21. Diagrama de blocos de um controlador integral.

2.5.2.41 Ação de Controle Proporcional +Integral (PI) Esta ação de controle é definida pela seguinte equação:

Em que Kp é a sensibilidade ou ganho proporcional e Ti é o tempo integral. Tanto Kp como Ti são ganhos ajustáveis. Ti tem como função ajustar a ação de controle integral, enquanto que Kp tem ação sobre a parte proporcional e também sobre a integral. O tempo integral, aparece em muitos controladores com a escala de minutos por repetição (m.p.r). O inverso do tempo integral ou ganho integral Ki, designa-se por taxa de restabelecimento ("reset time"), ou seja, é o número de vezes por minuto que a ação proporcional duplica, sendo definida em termos de repetições por minuto (r.p.m.). A Fig.2.22a representa o diagrama de blocos de um Controlador PI. Se o sinal de erro e(t) for uma função degrau unitário, conforme representado na Fig. 2.22b, então a saída u(t) será a indicada na Fig.2.22b.

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Fig.2.22a. Diagrama de Comando de um Controlador Proporcional+Integral(PI).

Fig.2.22b Diagramas indicando a entrada degrau unitário e(t) e a saída do controlador u(t).

(NOTA: Kp =1; Ti =1 seg.).

2.5.2.51 Ação de Controle Proporcional + Derivativa (PD) Esta ação de controle é definida pela seguinte equação:

Em que Td é o tempo derivativo definido em segundos ou minutos. Tanto Kp como Td são grandezas ajustáveis. A ação de controle derivativa é proporcional á taxa de variação do sinal de erro. O tempo derivativo Td é o intervalo de tempo durante o qual a ação derivativa antecipa o valor da ação de controle proporcional. A Fig.2.23 representa o diagrama de blocos de um controlador PD. Se e(t) é uma função rampa unitária, então a saída u(t) será a indicada no gráfico 1 da Fig.2.23b. Como se pode concluir da observação do gráfico 2 da Fig.2.23b, a ação de controle derivativa tem um caráter "antecipatório". Obviamente, a ação de controle derivativa nunca poderá antecipar uma ação que ainda não tenha ocorrido. Esta ação tem como desvantagem, amplificar os sinais de ruído e causar um efeito de saturação no atuador. NOTA IMPORTANTE: A ação de controle derivativa nunca deve ser utilizada isoladamente, porque esta ação somente atua quando o erro varia no tempo, ou seja, durante os períodos transitórios.

Fig.2.23a. Diagrama de Blocos de um Controlador Proporcional + Derivativo

Fig.2.23b. Diagramas indicando a entrada em rampa unitária e a saída do controlador.

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(NOTA: Kp =1 ; Td =1 seg.).

2.5.2.61 Ação de Controle Proporcional + Integral + Derivativa (PID) Esta ação resulta da combinação de três ações, que são: a proporcional, a derivativa e a integral (PID). A equação respeitante a esta ação mista, é dada por:

A equação anterior é também conhecida em controle industrial por algoritmo ou equação ideal. O diagrama de blocos do algoritmo ideal pode ser observado na Fig.2.24a. Se e(t) for uma função do tipo rampa unitária, então a saída u(t) terá o aspecto representado na Fig.2.24b.

Fig.2.24a. Diagrama de Blocos de um Controlador Proporcional + Integral + Derivativo(PID)

Fig.2.24b Diagramas indicando a entrada em rampa unitária e a saída do controlador.

(NOTA: Kp = 1 ; Ti= 1 seg. ; Td = 1 seg.).

Na indústria, existem diversas variantes à equação do PID ideal, sendo as mais usuais as seguintes: 1) Algoritmo PID paralelo

2) Algoritmo PID série (ou com interação)

Na Fig.2.25, pode-se analisar a evolução da variável controlada (processo) e a ação de controle (gráfico inferior) para uma perturbação na saída do sistema controlado.

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Fig.2.25. Evolução da saída do processo controlado através das variáveis de regulação P, PI

e PID. De notar o erro em regime estacionário (“off-set”), evidenciado pela ação proporcional.

Da análise da Fig.2.25, pode-se verificar que estando o sistema estabilizado no valor de 40%, sofre uma perturbação para t = 5segundos, o que faz aumentar a saída até cerca de 46 % no caso do sistema que utiliza um controlador proporcional. Como é óbvio, todo os controladores estabilizam o sistema, verificando-se que para t =40segundos, se entrou definitivamente em regime estacionário. Deste modo, é possível concluir que: 1) Controlador P: obtém-se uma variação máxima da variável controlada (46%) e estabiliza-se o sistema com um erro em regime estacionário de 4% (off-set) ao fim de 30 segundos. A precisão é baixa, embora a estabilização da saída seja relativamente rápida. 2) Controlador PI: obtém-se uma variação máxima da variável controlada (46%) e estabiliza-se o sistema sem erro em regime estacionário (off-set) ao fim de 40segundos, com oscilações. A precisão é boa, embora a estabilização da saída seja obtida ao fim de bastante tempo. 3) Controlador PID: obtém-se uma variação máxima da variável controlada (45%) inferior ao dos controladores P e PI. A saída do sistema estabiliza-se sem erro em regime estacionário (off-set) ao fim de aproximadamente 27 segundos e com oscilações de menor amplitude que as obtidas com ação PI. Portanto, este controlador permite obter uma estabilização mais rápida e com erro em regime estacionário nulo. NOTA: Deve-se notar que, embora em geral o controlador PID permita obter os melhores resultados, na prática existem processos que devido às suas características dinâmicas, desaconselham a utilização da ação derivativa (D). É o caso, por exemplo, do controle de vazão.

2.61 Controladores Analógicos

2.6.11 Introdução Ao longo deste século, foram surgindo diversos tipos de controladores analógicos cada vez mais sofisticados, com especial destaque para os pneumáticos numa primeira fase e que de certa forma, inauguraram a era moderna do controle automático industrial. Para além dos controladores pneumáticos, que eram geralmente utilizados no controle de processos industriais (nível, temperatura, vazão, etc.), os controladores hidráulicos foram também ganhando destaque especialmente no controle de posição e velocidade (Ex. controle do passo das hélices e do ângulo do leme dos navios, velocidade de rotação dos motores, etc.). No entanto, com o avanço da tecnologia eletrônica, numa primeira fase analógica e mais recentemente digital, esta tecnologia ganhou uma tal dimensão que hoje em dia a grande maioria das aplicações recorre unicamente a controladores eletrônicos do tipo analógico e/ou digital.

2.6.21 Controladores Eletrônicos Os controladores eletrônicos analógicos atuais utilizam em larga escala um componente ativo designado por "Amplificador Operacional". As possibilidades de efetuar montagens com estes componentes são bastante elevadas devido às sua versatilidade de aplicação. No campo específico do controle industrial, são muito utilizadas (entre outras), as seguintes montagens típicas: - Amplificador diferencial (ponto de soma) PAGE 1 PAGE 137

- Amplificador inversor (ação proporcional) - Amplificador integrador (ação integral) - Amplificador diferenciador (ação derivativa) - Amplificador somador (soma de várias ações de controle)

Controlador proporcional - A montagem típica do controlador proporcional está representada na Fig.2.26a. De acordo com o esquema, teremos:

Em que Vs(0), corresponde à tensão à saída do controlador para t=0. O ajuste de Kp é efetuado através do potenciômetro R1. O circuito inversor, é utilizado para inverter o sinal de saída do amplificador inversor, de modo a que Vout seja positivo quando a tensão de erro VE for positiva (VE>0).

Controlador Eletrônico PI - A montagem típica deste controlador, baseia-se essencialmente num amplificador de ganho, amplificador integrador e amplificador somador para efetuar a soma das ações P e I. O esquema típico deste controlador, está representado na Fig.2.26b.

Deste modo, a função de transferência relativa ao controlador PI eletrônico, será dada por:

NOTA: Para obter Vout positivo, teríamos que introduzir um inversor na saída do controlador.

Fig.2.26a Esquema simplificado de um controlador eletrônico proporcional.

Fig.2.26b Esquema simplificado de um controlador eletrônico analógico PI.

Controlador eletrônico PID - A montagem típica deste controlador, baseia-se essencialmente em: amplificador de ganho, amplificador integrador, amplificador diferenciador e amplificador somador para efetuar a soma das ações P, I e D. O esquema típico deste controlador, está representado na Fig.2.27. Deste modo, a função de transferência do controlador PID eletrônico, será dada por: PAGE 1 PAGE 137

NOTA: Para obter um Vout positivo, teríamos que introduzir um inversor na saída do controlador.

Fig.2.27 Esquema simplificado de um controlador eletrônico analógico PID.

2.71 Reguladores Digitais As ações de controle num regulador digital são inteiramente realizadas por programas (“software”), executados em microprocessadores dedicados. Estas ações são calculadas numericamente de modo a reproduzir as ações de controle contínuas ou analógicas anteriormente apresentadas. Assim, vamos descrever de uma forma resumida a forma de implementação das três ações mais importantes (proporcional, integral e derivativa) num regulador ou controlador digital.

Ação proporcional No programa de regulação, o erro é geralmente calculado em percentagem do valor total da gama (escala de medida), ou seja:

É conveniente que o erro seja expresso em percentagem do valor total da gama de medida. Deste modo, todos os ganhos são determinados em função do erro que é uma percentagem da gama.

Assim, o erro determina uma alteração da saída expressa também em percentagem do valor total da escala.

No programa de computador, o erro poderia ser calculado da seguinte forma:

Em que:

A ação de controle proporcional será dada por:

Em que P0 é o valor da saída do regulador para um erro nulo.

Em termos de programação, teríamos:

Em que:

ROUT= valor Maximo da escala de saída do regulador

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POUT= Saída correspondente à ação proporcional

Ação de controle integral – A ação de controle integral é dada por:

Em que P(0) é o valor da ação integral no instante inicial. Conforme é conhecido da análise numérica, o integral pode ser obtido através do método de integração retangular, que corresponde a fazer a seguinte aproximação:

Em que:

Em termos de programação, iríamos ter:

Em que:

Existem diversas formas alternativas de calcular a ação integral. Uma das formas mais usuais consiste em utilizar integração trapezoidal.

Ação derivativa – A ação de controle derivativa, é dada por:

Uma forma possível de calcular a derivada consiste em fazer a seguinte discretização, também conhecida pela aproximação de Euler:

Assim, em termos de programação, teríamos:

Ação de controle PID – A ação de controle PID, pode ser programada recorrendo à soma das três ações de controle anteriormente apresentadas. Assim, teríamos: PAGE 1 PAGE 137

Este pseudocódigo pode ser programado numa linguagem específica (FORTRAN, BASIC, C, etc...) e introduzido na memória do controlador digital, a fim de ser executado em tempo real.

2.81 Ajuste Ótimo dos Controladores Industriais Existem muitos métodos na literatura especializada para efetuar o ajuste automático dos parâmetros dos controladores. Pelo seu caráter histórico, vamos apresentar o mais conhecido dos métodos de ajuste de controladores, desenvolvido por Ziegler e Nichols (1941), e que é conhecido por 2º método de Ziegler-Nichols.

2.8.11 Método baseado na Sensibilidade Crítica (2º Método) Este método faz uso de uma curva de resposta típica do sistema em anel fechado, de acordo com o esquema representado na Fig.2.28. Neste método, admite-se um máximo sobre-impulso (“overshoot”) de 25% na saída do processo c(t), ou seja:

Fig.2.28. Sistema de controle proporcional em Malha fechada.

Fig.2.29a. Resposta a um degrau unitário, com um máximo de 25% de máximo sobre-impulso (Mp).

Fig.2.29b Oscilação limite estacionária de período Pcr.

Para aplicar este método, devem-se seguir os seguintes passos: 1) No caso do controlador possuir ações de controle integral e derivativa, estas devem ser retiradas, ficando o controlador a funcionar somente com ação proporcional (Kp). 2) Aumenta-se o ganho, até se obter o valor limite Kcr correspondente a uma oscilação uniforme da variável controlada (Fig.2.29b). Isto implica que se aumentar o ganho para além deste valor, a

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oscilação irá aumentar. Por outro lado, se o ganho baixar, a oscilação irá amortecer-se progressivamente. 3) Anote os valores de ganho proporcional crítico (Kcr) e período correspondente à oscilação crítica (Pcr). 4) Introduza os valores lidos no ponto 3 na TABELA 2.1, de modo a obter os parâmetros ótimos do controlador para o processo estudado.

TABELA 2.1

TABELA 2.2

NOTA: Os valores desta tabela 2.2 são iniciais e consideram que o controlador PID se baseia na expressão ideal ou série. Não se aplicam a todos os tipos de controladores PID existentes na indústria. (Fonte: Expertune). Hoje em dia, já existem programas comerciais para computador que permitem efetuar o ajuste automático dos parâmetros dos controladores, aplicáveis a uma vasta gama de marcas e de modelos.

2.91 Exemplo de Aplicação Industrial Num sistema de regulação, pretende-se controlar a temperatura da água à saída de um trocador de calor, com escala do transdutor de medida [0 ; 200] ºC (Fig.2.30). Admita que o valor desejado para regulação é 70ºC, e que o sistema de medida fornece um valor de 30ºC quando a válvula de regulação do tipo pneumático está toda aberta (Pressão = 3 psi na saída do controlador) e que para 110ºC está toda fechada (Pressão = 15 psi na saída do controlador). Deste modo, determine a B.P. (banda proporcional), do controlador.

Resolução: Diz-se neste caso que a válvula é do tipo ar para fechar, ou seja vai fechando à medida que aumenta a pressão de regulação. Assim, a Banda Proporcional, seria dada por:

Se por exemplo quiséssemos ter uma B.P. =100%, então teríamos a seguinte variação total da temperatura controlada de ± 100 ºC em torno do set-point (70 ºC), ou seja:

Fig.2.30. PAGE 1 PAGE 137

Sistema de regulação pneumática de temperatura.

Na Fig.2.31, estão representadas as retas correspondentes às B.P. de 0%, 40% e 100%. Da análise destas retas, podemos verificar que para um valor de B.P de 0%, a variação de erro é nula em torno da variável controlada (70 ºC), pelo que teremos uma reta vertical. Para esse caso, o ganho proporcional Kp, dado que é o inverso da B.P. teria que ser infinito, o que não é possível de obter na prática. Deste modo, irá existir sempre um erro em regime estacionário para um sistema controlado através de um controlador com ação proporcional. Este erro é designado por erro estático ou “off-set”. Por outro lado, para uma B.P.=100%, podemos verificar que a válvula não abre totalmente pois o valor mínimo da gama do sensor de temperatura é 0 ºC e não –30ºC conforme indicado na expressão anterior. Para a B.P. de 40% temos uma banda de erro de 40ºC em torno do set-point de 70 ºC, ou seja, uma variação total de 80 ºC para a variação total da saída do controlador (3-15 psi). Esta gama de valores corresponde a uma gama de variação de (0 –100%) de abertura da válvula de regulação. O ganho proporcional Kp é o inverso da B.P. sendo dado por:

Podíamos também obter este valor a partir da B.P. Assim, teríamos:

Da análise da equação que rege o funcionamento do controlador proporcional, verifica-se que a ação de regulação só se altere caso o erro também varie. Assim, quando o erro estabilizar num determinado valor a ação de regulação irá igualmente estabilizar e manter-se constante. Isto quer dizer que a ação de regulação mantém a sua ação corretiva constante, caso o erro se mantenha constante, mesmo que a saída do processo se afaste do valor de ajuste ou set-point. Neste caso, diz-se que o sistema exibe um determinado erro em regime estacionário ou off-set. Deste modo, é necessário ter um certo cuidado no ajuste da B.P. do controlador de modo a evitar oscilações muito bruscas ou ações de resposta bastante lentas. Vamos exemplificar através de um exemplo muito simples a forma de ajuste da B.P. e o problema do off-set característico do controlador proporcional.

Fig.2.31. Gráficos de evolução das B.P. de 0%, 40% e 100%, para o sistema de regulação de

temperatura.

Considere um reservatório que recebe água quente e fria. A temperatura da água na saída do tanque é regulada por um controlador de temperatura que atua sobre a válvula de alimentação de água fria. No equilíbrio resultante da mistura de vazão de água quente (100 litros/h; 80 ºC) e de água fria (100 litros/h; 20 ºC), irá resultar:

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Considere-se que a B.P. foi ajustada de tal maneira que para cada 1ºC de erro de temperatura relativamente à temperatura desejada (50ºC), a válvula de água fria recebe um sinal do controlador que faz variar a vazão de 10 l/h. Considere-se agora que devido a uma perturbação na água na saída baixou para 48ºC. Como o controlador está ajustado para 50ºC, vai dar origem a um sinal para a válvula de modo que esta diminua a vazão de água fria de 20 l/h, pelo que este irá passar para 80 l/h. Neste caso, a nova temperatura de equilíbrio resultante da mistura será dada por:

A temperatura de equilíbrio passa agora para 53ºC. Deste modo, o controlador vai aumentar a vazão de água fria em 30 l/h, pelo que este irá passar para 130 l/h. Neste caso, a nova temperatura de equilíbrio resultante da mistura será dada por:

Como se podem ver os erros de temperatura estão a aumentar, o que significa que o ganho do controlador é excessivo, pelo que deverá ser reduzido de modo a ir reduzindo aos poucos as diferenças de temperatura e, por conseguinte as oscilações na temperatura regulada.

Suponhamos agora que a temperatura de água quente passou de 80ºC para 90ºC. Deste modo aplicando o raciocínio anteriormente apresentado, iríamos obter as variações da vazão de água fria e de temperatura de mistura para o ganho de 5 l/h por cada erro de 1ºC na temperatura da água de mistura, representadas na Fig.2.32. Da análise dos gráficos da Fig.2.32, verifica-se que por mais tentativas que o controlador faça, a temperatura irá estabilizar num valor diferente de 50ºC. Verifica-se que o sistema converge para uma temperatura em regime estacionário de 52.5ºC, que corresponde a um erro estático de 2.5ºC, (off-set). Como é evidente este off-set será tanto menor quanto maior for o ganho proporcional Kp. No entanto, somente com ação proporcional não é possível removê-lo completamente, para além de que ao aumentar-se Kp, irão aumentar as oscilações anteriormente referidas. Estas oscilações são altamente indesejáveis em termos de regulação. Deste modo, a solução mais usual consiste em adicionar ação integral ao controlador de modo a remover o erro em regime estacionário.

Fig.2.32. Evolução do caudal e da temperatura de água fria quando o caudal de água quente sofre

uma variação de +10ºC.

Adição de ação integral ao controlador proporcional Conforme visto anteriormente, define-se tempo integral Ti como sendo o tempo que a ação integral demora a atingir igual valor da ação proporcional. Devido a esta característica, em diversos controladores aparece a designação de minutos por repetição M.P.R. (NOTA: Ti é normalmente expresso em segundos ou em minutos). Existe uma outra unidade de ajuste da ação integral que é o inverso do tempo integral, designada por Repetições Por Minuto R.P.M. Esta unidade é definida da seguinte forma: PAGE 1 PAGE 137

Vamos agora supor que num sistema de regulação PI de temperatura, o set-point é 100ºC, a BP =75% e que surge bruscamente um erro de 25ºC, ou seja, que a temperatura baixou para 75ºC. De acordo com a reta de regulação representada na Fig.2.33, devido à ação proporcional de ganho:

Iremos ter uma ação de regulação de:

Que corresponde a uma abertura da válvula

Esta abertura corresponde na Fig.2.33 ao ponto B. No entanto devido à ação integral, a válvula irá continuar a abrir, atingindo ao fim de um certo tempo, por exemplo, o ponto C. Isto quer dizer que o percurso da válvula ABC corresponde na prática ao percurso AC. Como se pode ver no gráfico, a reta AC corresponde a uma B.P. bastante menor (ganho proporcional muito maior), que neste caso corresponde a 30%. Por esta razão, o controlador PI pode produzir uma resposta bastante oscilatória.

Análise da evolução temporal das ações de controle Vamos agora analisar a situação em que temos um gráfico de erro a variar no tempo de acordo com um diagrama temporal conhecido. Deste modo vamos considerar o exemplo inicial, em que o controlador tem como parâmetros BP =40% e Ti =20 s. Considere igualmente que surge um erro na temperatura da água à saída do tanque, de acordo com o gráfico temporal da Fig.2.34.

Fig.2.33 Exemplo de aplicação de um controlador com ação PI.

Fig.2.34. Evolução temporal do sinal de erro à entrada do controlador.

Pretende-se determinar a evolução da saída do controlador PI.

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Resolução: Da análise do gráfico do erro, verifica-se que:

Logo, de acordo com o gráfico da Fig.2.31, verifica-se que estando T acima de 70ºC, a pressão de regulação irá subir acima de 9 psi. Portanto este diagrama de erro tem como conseqüência um aumento de pressão de ar para a válvula de modo a que esta feche uma determinada vazão de vapor a fim de baixar a temperatura da água. Deste modo, teremos:

1) Ação proporcional (P) – (NOTA: Considere neste caso que Kp=1.2 psi/ºC.) Traço [0 – 30 s]

Traço [30 – 60 s]

Traço [60 – 80 s] Para t =90s a ação proporcional é de 9 psi, visto que o erro é nulo.

Conclusão: o gráfico da ação proporcional é do mesmo tipo do gráfico do erro visto que Up é proporcional ao erro.

2)Ação integral (I) Traço [0 – 30 s]

Traço [30 – 60 s]

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Traço [60 – 80 s] Neste caso, para simplificar os cálculos vamos considerar que o eixo dos tempos é deslocado para t =60seg. Deste modo, obtém-se:

Na Fig.2.35 está representado o gráfico de evolução das ações de regulação P, I bem como a soma da ação de regulação P+ I.

Adição de ação derivativa No caso de se pretender adicionar ação derivativa, com Td =6 seg., teríamos:

3) Ação derivativa (D) Traço [0 – 30 s]

Traço [30 – 60 s]

Traço [60 – 80 s]

Neste caso o gráfico das ações de regulação P, I e D bem como da ação PID está representado na Fig.2.36.

Fig.2.35. Evolução das ações de regulação P, I e PI para o exemplo anterior.

Fig.2.36. Evolução das ações de regulação P, I, D e PID para o exemplo anterior.

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2.101 Malhas de Controle

2.101.2.10.11 Introdução A malha de controle a realimentação negativa (feedback) convencional com entrada única e saída única (single input-single output) é o núcleo da maioria das estruturas de controle de processo. Porém, ultimamente, foram desenvolvidas estruturas mais complexas que podem, em alguns casos, melhorar significativamente o desempenho do sistema de controle. A maioria das malhas de controle possui uma única variável controlada. A minoria dos sistemas mais complexos requer o controle mais avançado, envolvendo mais de uma variável, ora para manipular mais de um elemento final de controle, ora para monitorar mais de uma variável controlada. Estes sistemas, que são repetidos freqüentemente com pequenas modificações, são conhecidos como sistemas unitários de controle, sistemas estruturados de controle ou sistemas de controle multivariável. Eles são clássicos e podem ser disponíveis em instrumentos especiais, com as múltiplas funções para atender as aplicações mais complexas, facilitar a instalação, manutenção e operação. Cada sistema unitário de controle encontra sua aplicação especifica. A característica comum dos sistemas é que são manipuladas e medidas muitas variáveis simultaneamente, para se estabelecer o controle, no menor tempo possível e com o melhor rendimento do processo. Serão tratados aqui e agora os conceitos e símbolos dos controles estruturados, que podem servir como blocos constituintes de um projeto completo de instrumentação. O controle pode ser implementado através das seguintes estratégias: a) Controle Contínuo Linear • Realimentação negativa • Cascata • Preditivo antecipatório • Relação b) Controle com saídas múltiplas • Balanço de cargas • Faixa dividida c) Malhas redundantes • Reserva (backup) redundante PAGE 1 PAGE 137

• Tomada de malha integral • Controle de posição da válvula

2.10.21 Realimentação negativa O objetivo do controle com realimentação negativa é controlar uma variável medida em um ponto de ajuste. O ponto de ajuste nem sempre é aparente ou facilmente ajustável. Os estados operacionais são automáticos e manuais. Os parâmetros operacionais são o ponto de ajuste (em automático) e a saída (em manual). Os valores monitorados são o ponto de ajuste, a medição e a saída. (monitorar não significa necessariamente indicar.)

A realimentação negativa é mais um conceito do que um método ou um meio. No sistema com realimentação negativa sempre há medição (na saída), ajuste do ponto de referência, comparação e atuação (na entrada).

A saída pode alterar as variáveis controladas, que pode alterar a variável medida. O estado da variável medida é realimentado para o controlador para a devida comparação e atuação.

Fig.2.37. Esquema da realimentação negativa.

Em resumo, esta é a essência do controle à realimentação negativa. É irrelevante se há seis elementos na fig.2.38 e apenas um na válvula auto-regulada de pressão fig.2.39. Na válvula auto- operada, os mecanismos estão embutidos na própria válvula, não há display e os ajustes são feitos de modo precário na válvula ou nem são disponíveis. Na malha de controle convencional, os instrumentos podem ter até circuitos eletrônicos microprocessados. É irrelevante também se as variáveis medida e manipulada são as mesmas na malha de vazão ou diferentes na malha de pressão. O conceito de controle é a realimentação negativa, independente do meio ou método de sua realização.

Fig.2.38. Malha de controle de vazão.

Fig.2.39. Reguladora de pressão.

Na malha de controle de vazão da Fig.2.38, a vazão é sentida pela placa (FE), o sinal é transmitido (FT), extraída a raiz quadrada (FYA) e finalmente chega ao controlador (FIC). Este sinal de medição é comparado com o ponto de ajuste (não mostrado na figura) e o controlador gera um sinal (função matemática da diferença entre medição e ponto) que vai para a válvula de controle (FCV), passando antes por um transdutor corrente para pneumático (FY-B), que compatibiliza a operação do controlador eletrônico com a válvula com atuador pneumático. A atuação do controlador tem o objetivo de tornar a medição igual (ou próxima) do ponto de ajuste. Na válvula auto-regulada acontece a mesma coisa, porém, envolvendo menor quantidade de equipamentos. O valor da pressão a ser controlado é levado para um mecanismo de comparação que está no atuador da válvula. No mecanismo há um ajuste do valor da pressão a ser controlado. Automaticamente a válvula vai para a posição correspondente à pressão ajustada. Nos dois sistemas sempre há:

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1. medição da variável controlada 2. ajuste do valor desejado 3. comparação entre medição e ajuste

4. atuação para tornar medição igual ao ponto de ajuste. Enquanto a medição estiver igual ao ponto de ajuste (situação ideal), a saída do controlador está constante (cuidado! Não é igual a zero!). Só haverá atuação (variação na saída) quando ocorrer diferença entre medição e ponto de ajuste. A maioria absoluta dos sistemas de controle se baseia no conceito de realimentação negativa. Embora seja lento e susceptível à oscilação, ele é o mais fácil de ser realizado. A minoria dos sistemas utiliza outras estratégias de controle ou combinação de várias malhas a realimentação negativa. O advento da instrumentação microprocessada (chamada estupidamente de inteligente) permite a implementação econômica e eficiente de outras técnicas de controle.

2.10.31 Controle Cascata

2.10.3.11 Introdução O controle cascata permite um controlador primário regular um secundário, melhorando a velocidade de resposta e reduzindo os distúrbios causados pela malha secundária. Uma malha de controle cascata tem dois controladores com realimentação negativa, com a saída do controlador primário (mestre) estabelecendo o ponto de ajuste variável do controle secundário (escravo). A saída do controlador secundário vai para a válvula ou o elemento final de controle. O controle cascata é constituído de dois controladores normais e uma única válvula de controle, formando duas malhas fechadas. Só é útil desdobrar uma malha comum no sistema cascata quando for possível se dispor de uma variável intermediária conveniente mais rápida.

A Fig. 2.40 é um diagrama de blocos do conceito de controle de cascata, mostrando as medições (primaria e secundaria), o ponto de ajuste do primário estabelecido manualmente e o ponto de ajuste do secundário estabelecido pela saída do controlador primário.

Fig.2.40. Diagrama de blocos do controle cascata.

A característica principal do controle cascata é a saída do controlador primário ser o ponto de ajuste do secundário. O controlador primário cascateia o secundário.

A Fig.2.41 é um exemplo de um controle convencional de temperatura, envolvendo uma única malha. Na Fig.2.42 tem-se controle de cascata. (É interessante notar como um esquema simples pode esconder fenômenos complexos. Por exemplo, eventualmente a reação da figura pode ser exotérmica e nada é percebido)

Fig.2.41. Controle convencional de temperatura.

Fig.2.42. Controle de cascata temperatura – temperatura.

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No controle cascata a temperatura do vaso (mais lenta) cascateia a temperatura da jaqueta (mais rápida). Quando houver distúrbio no vapor fazendo a temperatura da jaqueta cair, o controlador secundário corrige esta variação mais rapidamente que o controlador primário.

Fig.2.43. Controle Cascata: controlador de nível estabelece ponto de ajuste no de vazão

2.10.3.31 Conceito O controle em cascata divide o processo em duas partes, duas malhas fechadas dentro de uma malha fechada. O controlador primário vê uma malha fechada como parte do processo. Idealmente, o processo deve ser dividido em duas metades, de modo que a malha secundaria seja fechada em torno da metade dos tempos de atraso do processo. Para ótimo desempenho, os elementos dinâmicos no processo devem também ser distribuídos eqüitativamente entre os dois controladores. É fundamental a escolha correta das duas variáveis do sistema de cascata, sem a qual o sistema não se estabiliza ou não funciona.

1. a variável primaria deve ser mais lenta que a variável secundaria. 2. a resposta da malha do controlador primário deve ser mais lenta que a do primário. 3. o período natural da malha primária deve ser maior que o da malha secundaria.

4. o ganho dinâmico da malha primária deve ser menor que a da primária. 5. a banda proporcional do controlador primário deve ser mais larga que a do controlador secundário.

6. a banda proporcional do controlador primário deve ser mais larga que o valor calculado para o seu uso isolado, Quando os períodos das malhas primárias e secundárias são aproximadamente iguais, o sistema de controle fica instável, por causa das variações simultâneas do ponto de ajuste e da medição da malha secundária. Usualmente, o controlador primário é P + I + D ou P + I e o secundário é P + I.

As combinações típicas das variáveis primárias (P) e secundaria (S) no controle em cascata são: temperatura (P) e vazão (S), composição (P) e vazão (S), nível (P) e vazão (S), temperatura (P) e pressão (S) e temperatura lenta (P) e temperatura rápida (S).

Quando o controlador secundário é de vazão e recebe o sinal de um transmissor de pressão diferencial associado a placa de orifício, deve se usar o extrator de raiz quadrada, para linearizar o sinal da vazão, a não ser que a vazão esteja sempre acima de 50% da escala. Quando se tem controle de processo em batelada ou quando o controlador secundário está muito demorado, pode ocorrer a saturação do modo integral. Um modo de se evitar esta saturação é fazendo uma realimentação externa do sinal de medição do controlador secundário ao circuito integral do controlador primário. Em vez do circuito integral receber a realimentação do sinal de saída do controlador, ele recebe a alimentação do sinal de medição do controlador secundário.

2.10.3.32 Objetivos Há dois objetivos do controle cascata: 1. eliminar os efeitos de alguns distúrbios (variações da carga próximas da fonte de suprimento) 2. melhorar o desempenho dinâmico da malha de controle, reduzindo os efeitos do atraso, principalmente do tempo morto. Para ilustrar o efeito da rejeição do distúrbio, seja o refervedor (reboiler) da coluna de destilação. Quando a pressão de suprimento do vapor aumenta, a queda da pressão através da válvula de PAGE 1 PAGE 137

controle será maior, de modo que a vazão de vapor irá aumentar. Com o controlador de temperatura convencional, nenhuma correção será feita até que a maior vazão de vapor aumente a temperatura na bandeja 5. Assim, o sistema inteiro é perturbado por uma variação da pressão do suprimento de vapor. Com o sistema de controle cascata, com a temperatura da coluna cascateando a vazão de vapor, o controlador de vazão do vapor irá imediatamente ver o aumento na vazão de vapor e irá fechar a válvula de vapor para fazer a vazão de vapor voltar para o seu ponto de ajuste. Assim o refervedor e a coluna são pouco afetados pelo distúrbio na pressão de suprimento do vapor.

Outro sistema de controle cascata envolve um processo com resfriamento de um reator, através da injeção de água na jaqueta. A controlador da temperatura do reator é o primário; o controlador da temperatura da jaqueta é o secundário. O controle de temperatura do reator é isolado pelo sistema de cascata dos distúrbios da temperatura e pressão d'água de resfriamento da entrada. Este sistema mostra como o controle cascata melhora o desempenho dinâmico do sistema. A constante de tempo da malha fechada da temperatura do reator será menor quando se usa o sistema cascata.

2.10.3.41 Vantagens As vantagens do sistema de cascata são:

1. os distúrbios que afetam a variável secundaria são corrigidos pelo controlador secundário, que é mais rápido, antes que possam influenciar a medição primaria. 2. o atraso de fase existente na parte secundaria é reduzido pela malha secundaria, melhorando a velocidade de resposta da malha primaria. 3. a malha secundaria permite uma manipulação exata da vazão de produto ou energia pelo controlador primário.

2.10.3.51 Saturação do modo integral O controle em cascata é utilizado para eliminar os efeitos de pequenos distúrbios no processo.

Em aplicações do controle em cascata sempre há a possibilidade de haver a saturação dos dois controladores. O problema da saturação do modo integral é criado pela excursão da carga do processo além da capacidade da válvula de controle. A válvula irá ficar saturada em seu limite externo, 0 ou 100%, totalmente fechada ou aberta, fazendo com que haja um desvio permanente entre a medição e o ponto de ajuste do controlador primário. Se não for tomada nenhuma providência, o controlador primário irá saturar.

Como conseqüência, o controlador secundário também irá saturar. Uma solução simples e prática é utilizar a medição da variável secundaria como realimentação externa para o modo integral do controlador primário. Convencionalmente, o controlador primário é realimentado pela sua própria saída que é o ponto de ajuste do controlador secundário. Quando o controlador secundário estiver em operação normal, o seu ponto de ajuste coincide com a medição e o funcionamento da malha é igual ao modo convencional. Se houver uma diferença entre a medição e o ponto de ajuste do secundário, a ação integral do controlador primário fica estacionária e só é restabelecida quando a malha secundaria voltar a normalidade.

O que se fez, realmente, nessa nova configuração foi incluir a resposta dinâmica da malha secundaria dentro do circuito integral do controlador primário. A ação integral do controlador primário pode ser maior que a usual pois qualquer atraso ou variação na resposta da malha secundaria é corrigido pela ação do controlador primário. Há ainda uma vantagem adicional: o controlador primário raramente precisa ser transferido para manual. Quando o controlador secundário estiver em manual, o controlador primário não poderá saturar, pois é quebrada a realimentação positiva para o seu modo integral. Dois requisitos são essenciais ao novo sistema: 1. o controlador primário deve ter disponível a opção de realimentação externa ao modo integral.

2. o controlador secundário é comum, porém, não pode haver desvio permanente entre sua medição e seu ponto de ajuste. Ou, em outras palavras, o controlador secundário deve ter, PAGE 1 PAGE 137

obrigatoriamente, a ação integral, para eliminar sempre o desvio permanente.

2.10.3.61 Aplicações

Reator com temperatura e pressão Seja a malha de controle de temperatura do produto de um reator, feito através da manipulação da vazão de entrada de vapor.

Quando a pressão do vapor cai, o seu poder de aquecimento diminui. Para uma mesma vazão, tem-se uma diminuição da temperatura do produto. Essa diminuição do efeito de aquecimento do vapor só é sentida pela malha de temperatura. O elemento primário sentirá a diminuição da temperatura e irá aumentar a abertura da válvula. Essa correção é demorada. Nesse intervalo de tempo, se houver a recuperação da pressão original, certamente haverá um super aquecimento. Essa oscilação pode se repetir indefinidamente, com o processo nunca se estabilizando, pois a sua inércia é muito grande. O controle do processo é sensivelmente melhorado com o controle em cascata.

O controle de temperatura do reator anterior é melhorado colocando-se um outro controlador de pressão na entrada da alimentação de vapor. Agora, tem-se o controlador de pressão cascateado pelo controlador de temperatura. A saída do controlador de temperatura, chamado de primário, estabelece o ponto de ajuste do controlador de pressão, chamado de secundário. Nessa nova configuração, quando houver a diminuição da pressão de vapor, mesmo com a vazão constante, o controlador de pressão irá abrir mais a válvula, para compensar a menor eficiência do vapor. As variações de pressão da alimentação do vapor são corrigidas rapidamente pela malha de pressão e em vez de serem corrigidas lentamente pela malha de temperatura.

Reator com temperatura cascateando temperatura É possível se ter uma variável cascateando outra variável da mesma natureza, por exemplo, temperatura cascateando a temperatura.

Uma aplicação típica é a do controle de temperatura de reator, com aquecimento de vapor em jaqueta externa. As variações da temperatura do produto são mais lentas e demoradas que as variações da temperatura da jaqueta de aquecimento. Nessas condições, pode-se usar a temperatura do produto como a variável primaria e a temperatura do aquecimento externo como a

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secundaria. Quando houver variações na temperatura da jaqueta, a correção é feita diretamente pelo controlador secundário.

Fig.2.44. Controle de temperatura convencional

Fig.2.45. Controle cascata temperatura – pressão

2.111 Controle de Faixa Dividida

2.11.11Conceito O objetivo de estender ou dividir a faixa é alterar a faixa normal de um elemento final da que ele dispõe, aumentando ou diminuindo-a. Este controle é chamado de split range. Por exemplo, em vez de a válvula operar entre 20 e 100 kPa (normal), ela opera entre 20 e 60 kPa (metade inferior) ou entre 60 e 100 kPa (metade superior). O controle de faixa dividida ou de split range consiste de um único controlador manipulando dois ou mais elementos finais de controle. Neste controle, é mandatório o uso do posicionador da válvula. Os posicionadores são calibrados e ajustados e as ações das válvulas são escolhidas para que os elementos finais de controle sejam manipulados convenientemente.

Por exemplo, uma válvula pode operar de 0 a 50% do sinal e a outra de 50 a 100% do sinal de saída do controlador.

2.11.21Aplicações

Aquecimento e resfriamento

A Fig.2.47 mostra um esquema de controle de temperatura para um processo batelada (batch), usando um tanque de reação química que requer a temperatura de reação constante. Para começar a reação o tanque deve ser aquecido e isto requer uma vazão de vapor através da serpentina. Depois, a reação exotérmica produz calor e o tanque deve ser resfriado e isto requer uma vazão de fluido refrigerante, através de outra (ou da mesma) serpentina. O controle suave da temperatura é conseguido pelo seguinte sistema básico:

1. a saída do controlador de temperatura varia gradualmente quando a temperatura do tanque aumenta 2. quando o controlador solicita que a válvula de aquecimento esteja totalmente aberta, a válvula de resfriamento deve estar totalmente fechada; 3. quando o controlador solicita que a válvula de resfriamento esteja totalmente aberta, a válvula de aquecimento deve estar totalmente fechada;

4. no meio do caminho, ambas as válvulas devem estar simultaneamente fechadas, de modo que não haja nem aquecimento nem resfriamento. 5. cada válvula se move de modo contrário e seqüencial à outra.

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Fig.2.46. Sistema de controle de faixa dividida

Temperatura com dois combustíveis Também há aplicações envolvendo o aquecimento por dois combustíveis, onde a primeira válvula A (do combustível mais barato) é atuada pela saída do controlador, indo de 0 a 100% de abertura. Depois de totalmente aberta, a segunda válvula B (do combustível mais caro) começa a atuar, indo também de 0 a 100%. Neste caso, pode-se ter as duas válvulas totalmente fechadas (no início do processo) ou totalmente abertas, (no máximo aquecimento) simultaneamente.

Fig.2.47. Sistema com dois Combustíveis

Fig.2.48. Controle de Faixa Dividida

2.121 Balanço de Cargas O objetivo do controle com balanço de carga é permitir a regulação da saída comum (somada) de várias malhas. Os estados operacionais são qualquer combinação dos estados normais de operação das malhas individuais. Qualquer malha pode estar em manual e a malha externa ainda tenta manter a vazão total em seu ponto de ajuste. Os parâmetros operacionais são os de todos os controladores, incluindo o controlador mais externo que balanceia a carga. (Isto não quer dizer que todas as combinações sejam úteis.)

Fig.2.49. Controle de balanço de cargas

2.131 Controle de malhas redundantes O objetivo do controle com malhas redundantes é fornecer controle mesmo quando há falha de uma malha, ou fazer controladores operarem em tempos diferentes, através da inclusão de ações de controle ou ajustes de ganho ou em pontos diferentes, através de diferentes pontos de ajuste.

Fig.2.50. Backup simples, malhas redundantes.

Fig.2.51. Malhas redundantes com ajustes de ganhos diferentes (controlador com maior ganho atua

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primeiro)

A ação integral torna o controlador mais lento, de modo que um controlador PI é mais lento que um controlador P. A ação derivativa torna o controlador mais rápido, de modo que um controlador PID é mais rápido que um controlador PI.

Controlador com ganho grande (banda proporcional estreita) é mais rápido que um com ganho pequeno.

Fig.2.52. Malhas redundantes, com ações de controle diferentes (controlador P atua antes do

controlador PI)

2.141 Controles chaveados Os conceitos de controle chaveados são divididos em 1. seletivo 2. seletor (alta ou baixa)

3. estrutura variável O controle seletivo Fig.2.53 envolve um chaveamento na entrada do controlador, que recebe o sinal de dois transmissores de análise. Quando um deles falha, o outro assume a função de enviar o sinal de medição. O controle seletor Fig.2.54 envolve dois (ou mais) controladores com o chaveamento na saída, pois há um único elemento final de controle. Em operação normal o controlador de vazão (FIC) opera; quando o nível se aproxima de um valor crítico (muito baixo), automaticamente o controlador LIC assume o controle. Nesta configuração, é necessária a proteção contra saturação do modo integral dos controladores, pois o controlador que está fora de controle, mas ligado, pode saturar se tiver a ação integral. O controle de estrutura variável Fig.2.54 permite ao controlador TIC controlar o processo com uma válvula TVA, até que a pressão atinja valor perigoso. Agora o controlador de pressão assume o controle da válvula principal e o controlador de temperatura atua na válvula secundaria, TVB. Também é necessária a realimentação externa ao modo integral ao PIC, para evitar a saturação da saída (não é necessária a realimentação ao TIC, pois ele sempre está operando). Todo esquema de controle seletor chaveado inclui obrigatoriamente um seletor de sinais.

Fig.2.53. Controle chaveado

Fig.2.54. Controle auto-seletor, com proteção contra saturação do modo integral.

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2.151 Controle Auto-Seletor

2.15.11Conceito O controle auto-seletor é também chamado de controle seletivo, limite, override ou cut-back. Há situações onde a malha de controle deve conhecer outras variáveis controladas, por questão de segurança e controle. Isto é principalmente verdade em plantas altamente automatizadas, onde o operador não pode tomar todas as decisões nas situações de emergência, de partida e de parada do processo.

Fig.2.55. Controle auto-seletor entre nível e vazão do

tanque

O controle auto-seletor é uma forma de controle multivariável, em que a variável manipulada pode ser ajustada em qualquer momento, por uma variável, selecionada automaticamente entre diversas variáveis controladas diferentes. A filosofia do controle auto-seletor é a de se usar um único elemento final de controle manipulado por um controlador, selecionado automaticamente entre dois ou mais controladores. Tendo-se duas ou mais variáveis medidas, aquela que estiver em seu valor crítico assumem o controle do processo.

Outro enfoque de se ver o controle auto-seletor é considerar os dois controladores ligados a uma única válvula de controle. Em condições normais, uma malha comanda a válvula; em condições anormais, a outra malha assume automaticamente o controle, mantendo o sistema dentro da faixa de segurança. O controle normal é cortado apenas durante o período necessário para se restabelecer a segurança do sistema. Quando a condição anormal desaparece, a malha normal assume novamente o controle.

2.15.21 Exemplos O conceito de controle seletivo ou auto-seletor é explicado pelo exemplo na Fig.2.56, que mostra um tanque cujo nível é controlado pela modulação da válvula de controle na linha de dreno de saída. A vazão do dreno do tanque é controlada usando-se a mesma válvula. Há duas exigências do processo: 1. em operação normal, o tanque é esvaziado com uma vazão constante, estabelecida no controlador de vazão. Vazão muito elevada é considerada critica. 2. o nível muito baixo é considerado uma situação critica que deve ser evitada. Quando o nível ficar muito baixo, o controlador de nível entra automaticamente em ação e substitui o controlador da vazão. Quando a vazão tender a aumentar, o controlador de vazão está em ação e também corta o excesso de vazão. Sempre, a válvula toma a posição menos aberta dos comandos dos dois controladores.

A escolha de qual controlador deve assumir o controle é feita automaticamente por um relé seletor,

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que faz uma transição suave de um sinal de entrada para outro. A função seletora deste relé pode ser incorporada ao circuito do controlador. Note que esta configuração é totalmente diferente do controle de cascata. No controle de cascata, nível cascateando a vazão, o ponto de ajuste do controlador de vazão é estabelecido automaticamente pelo controlador de nível. Assim, quando o nível diminui, a saída do controlador também diminui e o ponto de ajuste do controlador de vazão também diminui. No controle de cascata, a vazão é diminuída continuamente pelo abaixamento do nível. No controle auto-seletor, a vazão é constante e o valor é estabelecido externamente pelo operador de processo. Em operação normal, a vazão é a variável controlada e manipulada, ao mesmo tempo. Quando o nível atinge um valor crítico, automaticamente o controlador de nível assume o controle. A partir deste ponto, a vazão de saída do tanque tende a diminuir com a diminuição do nível do tanque. Quando o nível é baixo, a variável controlada passa a ser o nível e a manipulada contínua sendo a vazão.

Outro exemplo de sistema de controle seletivo envolve sistemas com mais de um elemento sensor. Os sinais de três transmissores de temperatura localizados em vários pontos ao longo de um reator tubular entram em um seletor de alta (HS). A temperatura mais elevada é enviada ao controlador de temperatura cuja saída manipula a água fria. Assim, este sistema controla o pico de temperatura no reator, qualquer que seja o ponto onde ela esteja. Outro exemplo comum é o controle de duas vazões de um reator, onde o excesso de um dos reagentes poderia levar a composição no reator para uma região onde poderia haver explosão. Assim, é vital que a vazão deste reagente seja menor do que alguns valores críticos, relativos a outra vazão. São usadas medições múltiplas e redundantes da vazão e o maior sinal das vazões é usado para o controle. Em adição, se as diferenças entre as medições de vazão excedem em algum valor razoável, o sistema inteiro será intertravado, até que a causa da discrepância seja encontrada.

Assim, os controles override e seletivo são muito usados para manipular problemas de restrições e segurança. Os limites de alta e baixo nas saídas do controlador são também muito usadas para limitar o valor da variação permitido.

2.15.31 Características O sistema de controle auto-seletor, qualquer que seja o seu enfoque, sempre possui os seguintes componentes: 1. duas ou mais malhas de controle, com os transmissores de medição e os controladores.

2. um seletor de sinais, de mínimo ou de máximo. O seletor eletrônico de sinais pode receber até quatro sinais simultâneos. O seletor pneumático só pode receber dois sinais de entrada e são usados (n-1) seletores quando se utilizam n controladores pneumáticos.

3. um único elemento final de controle. 4. opcionalmente, o sistema pode ter uma estação manual de controle (HIC),

para a partida suave. Há sistemas que provêm todos os controladores com a opção de seleção e atuação automático-manual e outros que possuem uma única e independente atuação manual.

2.15.41 Cuidado para a não Saturação No controle auto-seletor apenas um controlador atua, enquanto todos os outros estão fora do circuito. O sinal de um controlador vai até a válvula, os sinais de todos os outros acabam no seletor de sinais.

Esta é a condição mais favorável para o aparecimento da saturação: a saída inoperante de um controlador automático, contendo o modo integral e em funcionamento.

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Para se evitar a saturação das saídas de todos os controladores que estejam na malha e cujos sinais são inoperantes, pois apenas um sinal é selecionado nos controladores do sistema, sem exceção. Essa realimentação é feita para o circuito integral de cada controlador do sistema e, portanto, todos devem ter essa possibilidade extra de realimentação externa.

Fig.2.56. Realimentação externa para evitar saturação do modo integral dos controladores.

A realimentação da saída do seletor de sinais para todos os controladores está redundante para aquele controlador momentaneamente selecionado e atuante no processo, porém a realimentação é essencial a todos os controladores restantes, pois ela os impede de saturarem.

Quando se tem o controlador eletrônico, basta prove-lo com a opção de realimentação externa. Quando se usam controladores pneumáticos e vários seletores de sinais são possíveis, através de ajustes convenientes nos seletores, se consegue um controle satisfatório do sistema. Porém, em sistemas mais difíceis é necessário se prover cada controlador pneumático com uma chave batelada, para otimizar a resposta dinâmica do processo. Mas, a aplicação das chaves só é necessária e justificável quando o processo sofre variações bruscas, se aproximando de um processo descontínuo, tipo batelada.

2.15.51 Aplicações O sistema de controle unitário de seleção automática é empregado nos seguintes casos:

1. para proteção de equipamentos, quando a saída do controlador da variável que atinge valores perigosos é cortada e outro controlador assume o controle. 2. para aumentar a confiabilidade da malha de controle, quando são colocados instrumentos redundantes. É o que ocorre em instrumentação de plantas nucleares, onde se utilizam geralmente três transmissores para cada variável crítica; um seletor de sinais escolhe o valor mais seguro, conforme uma programação pré-determinada. Para otimizar o controle do sistema, de modo que a variável com valor mais próximo do valor crítico seja a responsável pelo controle. Têm-se vários controladores, porém, apenas o controlador da variável com o valor crítico assume o controle do sistema. O operador final do controle estará sempre numa posição segura.

Controle de Compressor O funcionamento correto do compressor depende basicamente de três variáveis:

1. a pressão de sucção, que não pode ser muito baixa. Se a pressão de sucção for muito baixa, há problema de cavitação na bomba e o compressor pode inverter o sentido do fluxo. 2. a carga do motor, que não pode ser muito alta, sob pena de se queimar o motor.

3. a pressão de descarga, que não pode ser muito elevada. Se a pressão da descarga subir muito, a vazão após a válvula pode aumentar demais e ficar pulsante e descontínua. O sistema de controle auto-seletor para o compressor é constituído de: 1. o transmissor e o controlador de pressão de sucção, de ação direta. 2. o transmissor de temperatura (ou corrente elétrica), proporcional a carga do motor elétrico, com controlador de ação inversa. 3. o transmissor e o controlador da pressão de descarga, com ação inversa. 4. o gerador de rampa, para a partida suave do sistema. O sinal gerador manualmente deve ser PAGE 1 PAGE 137

da mesma natureza que os sinais de saída dos controladores. 5. o seletor de sinais, no caso seletor do sinal mínimo. Quando o equipamento é pneumático, é necessário se utilizar vários reles, pois o relé pneumático só pode receber dois sinais simultâneos nas entradas. 6. a válvula de controle, com ação ar para-abrir. 7. como os controladores possuem a ação integral e para impedir que os modos integrais saturem, todos os controladores devem possuir a opção extra de realimentação externa ao modo integral. O sinal da saída do relé seletor, que vai para o elemento final de controle, deve ser realimentado externamente a todos os controladores.

Fig.2.57. Controle auto-seletor de compressor

Fig.2.58. Controle auto-seletor com proteção contra

Saturação do modo integral dos controladores

2.161 Controle Feed-forward

2.16.11Introdução Alguns assuntos da área de teoria de controle de processo são conhecidos apenas pelo ouvir dizer. As pessoas, mesmo as do ramo, sabem de sua existência, conhecem superficialmente alguns conceitos, mas não passam disso. Certamente o controle preditivo antecipatório (feed- forward) é um desses assuntos, que o pessoal considera muito complicado e avançado para ser aplicado no controle do processo de seu interesse. O autor traduziu livremente o termo feed-forward como preditivo e antecipatório. Na literatura técnica esse tipo de controle é chamado indistintamente de preditivo e de antecipatório. Ambos os nomes são justificados e fazem sentidos: a ação preditiva do controlador antecipa o aparecimento do erro no sistema. No presente trabalho, mesmo parecendo uma redundância, serão usados os dois nomes simultaneamente.

A maioria das estruturas de sistema de controle usa o conceito de realimentação negativa (feedback). Um erro deve ser detectado na variável controlada antes do controlador tomar uma ação corretiva para a variável manipulada. Assim, os distúrbios devem perturbar o processo antes que o controlador possa fazer algo. Parece muito razoável que, se pudesse detectar um distúrbio entrando no processo, se começasse a corrigir o antes que ele perturbasse o processo. Esta é a idéia básica do controle preditivo antecipatório (feed-forward). Se for possível medir o distúrbio e envia-se este sinal através de um algoritmo de controle preditivo antecipatório que faça correções apropriadas na variável manipulada de modo a manter a variável controlada próxima de seu ponto de ajuste.

O controle preditivo antecipatório necessita de ferramentas matemáticas especificas, para ser realizado quantitativamente.

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2.16.21 Funções Básicas As principais funções do controle preditivo antecipatório são:

1. detectar os distúrbios quando eles entram no processo e afetam a variável controlada 2. fazer computações matemáticas com esses dados e outros arbitrariamente estabelecidos 3. fazer compensação dinâmica do tempo de resposta, considerando as características dinâmicas do processo. 4. prever o comportamento da variável controlada e estabelecer o valor e a ocasião a ser aplicada da ação de controle e

5. manipular as variáveis do processo, de modo que as variáveis controladas da saída sejam mantidas constantes e iguais aos pontos de ajuste estabelecidos. Deve se tomar cuidado de não confundir os conceitos de ação derivativa do controlador convencional e de controle preditivo antecipatório. A ação derivativa do controlador também apressa a ação corretiva do controlador e, freqüentemente, é chamada de ação antecipatória. Porém, ela será sempre uma ação corretiva, só atuando após o aparecimento do erro. Em resumo: a ação derivativa melhora a resposta dinâmica do controlador, porém, o princípio de atuação é totalmente diferente daquele do controle preditivo antecipatório.

2.16.31 Partes Fundamentais As partes fundamentais do controle antecipatório são: 1. a medição da variável de processo, através de transmissores ou diretamente do processo, 2. o mecanismo de computação matemática, que manipula o valor da medição, recebe outros dados externos ao processo, como equações termodinâmicas, tabelas de dados, 3. o controlador do processo, que gera um sinal automático, relacionado com o valor da medição e das equações matemáticas de balanço de energia e de massa; 4. o elemento final de controle, ligado diretamente ao processo e recebendo o sinal do controlador; 5. o processo, que fecha a malha de controle.

Além das medições das variáveis na entrada do processo, há uma predição do resultado, após a computação matemática do valor medido nas equações fornecidas ao computador. Há um prognostico, como no controle de malha aberta e há uma ação corretiva, baseada na medição e no programa, como no controle de realimentação negativa.

Fig.2.59. Malha fechada feed-forward (preditiva antecipatória)

2.16.41 Características As principais características do controle preditivo antecipatório são: 1. a ação do controlador é preditiva, baseada em um prognóstico. O controlador não espera que o desvio entre a medição e o ponto de ajuste seja detectado, através do processo, para atuar na variável manipulada. A atuação é feita no momento mais adequado, de modo que não haja aparecimento do erro. A variável manipulada é atuada antes que os distúrbios, principalmente a variação de carga do processo, afetem a variável controlada.

2. o controlador prevê quanto de ação deve ser aplicada e quando é mais conveniente. Geralmente se fala que o controlador toma uma providência imediata. Será visto mais tarde que, há aplicações, onde a ação é proposital e artificialmente adiantada ou atrasada.

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3. o controlador faz medições nas variáveis de entrada e atua na variável manipulada, também na entrada do processo. Não há medição da variável controlada, pois não há realimentação. Por esse motivo, há quem diga que o controle preditivo antecipatório é de malha aberta, o que é incorreto. Mesmo não havendo realimentação, a malha de controle é fechada pelo processo. 4. o balanço entre o suprimento e a demanda é conseguido pela medição da carga da demanda real, pelo calculo da demanda potencial e pela atuação no suprimento do processo. As medições, os pontos de ajuste e os cálculos matemáticos são usados para estabelecer a ação de controle a ser aplicada antes do aparecimento do erro entre medição e ponto de ajuste.

5. o distúrbio está na entrada do processo e na entrada do controlador. O conceito envolve o fluxo de informações adiante da malha. 6. teoricamente, quando bem projetado e calculado, um controlador preditivo antecipatório pode executar um controle perfeito. Seu erro é devido aos erros das medições e dos cálculos feitos por equipamentos reais. Quanto mais difícil e complexa for a computação, maior será o erro antecipado.

7. O controlador preditivo antecipatório não exibe nenhuma tendência a oscilação.

Fig.2.60. Diagrama de blocos do sistema de controle preditivo antecipatório (feed-forward)

2.16.51 Limitações A primeira aplicação prática do controle preditivo antecipatório foi em 1925, no controle de nível de caldeira.

Embora o seu resultado possa ser teoricamente perfeito, o seu desenvolvimento foi lento, principalmente pelas limitações na sua aplicação prática e pelos seguintes motivos: 1. os distúrbios que não são medidos, ou porque são desconhecidos ou suas medições são impraticáveis, tornam o resultado do controle imperfeito. As alterações da variável controlada não são compensadas pelo controlador, porque não foram consideradas. Todo distúrbio que afete a variável controlada deve ser detectado e medida; quando não se pode medi-lo, não se pode usar o conceito de controle preditivo antecipatório. 2. deve se saber como os distúrbios e as variáveis manipuladas afetam a variável controlada. Deve se conhecer o modelo matemático do processo e a sua função de transferência, no mínimo, de modo aproximado. Uma das características mais atraente e fascinante do controle preditivo antecipatório é que, mesmo sendo rudimentar, aproximado, inexato e incompleto, o controlador pode ser muito eficiente na redução do desvio causado pelo distúrbio. 3. As imperfeições e erros das medições, dos desempenhos dos instrumentos e das numerosas computações provocam desvios no valor da variável controlada. Tais desvios não podem ser eliminados porque não são medidos ou conhecidos. 4. a pouca disponibilidade ou o alto custo de equipamentos comerciais que pudessem resolver as equações matemáticas desenvolvidas e simulassem os sinais analógicos necessários para o controle. Porém, com o advento da eletrônica de circuitos integrados aplicada a computadores, a microprocessadores e a instrumentos analógicos, foram conseguidos instrumentos de altíssima qualidade, baixo custo, fácil operação, extrema confiabilidade e, principalmente, adequados para implementar a técnica avançada de controle preditivo antecipatório.

2.16.61 Comparação com o Feedback

Semelhanças Mesmo sendo conceitualmente diferente a malha de controle com realimentação negativa possui algumas características comuns a malha de controle preditivo antecipatório. Assim, PAGE 1 PAGE 137

1. ambas as malhas são fechadas. 2. em ambas as malhas há os componentes básicos: dispositivo de medição, controlador e válvula atuadora.

3. o controlador é essencialmente o mesmo, para ambas as malhas. 4. ambos controladores possuem o ponto de ajuste, essencial a qualquer tipo de controle. Diferenças As diferenças entre os sistemas com realimentação negativa e preditivo antecipatório são mais acentuadas.

No controle com realimentação negativa a variável controlada é medida, na saída do processo. O controlador atua nas variáveis manipuladas de entrada para manter a variável controlada igual ou próxima os valores desejados. Como a variável controlada depende de todas as variáveis de entrada, indiretamente através do processo e geralmente com atraso, o controle com realimentação negativa leva em consideração todas as variáveis de entrada. Porém, os atrasos na ação corretiva podem ser praticamente inaceitáveis, em alguns processos de grande capacidade e longo termo morto. No controle preditivo antecipatório as variáveis de saída controladas não são medidas para a comparação com o valor desejado. O controlador apenas mede as variáveis de entrada detectáveis e conhecidas, recebe o valor do ponto de ajuste, recebe outras informações do processo e computando todos esses dados, prevê o valor e a ocasião adequados para a ação de controle ser aplicada na variável manipulada de entrada.

Ele é mais convencido que o controlador com realimentação negativa: não verifica se a ação de controle levou a variável controlada para o valor de referência ajustado. Há casos onde a previsão foi incorreta e conseqüentemente, há erro na variável controlada. Também, os efeitos das variáveis de entrada não medidas não são compensados pelo controle preditivo antecipatório. Associação As vantagens e desvantagens de ambos sistemas são complementares, de modo que a associação dos dois sistemas é natural. Desse modo, em sistemas de controle difícil que requerem malhas de controle complexas, é prática universal a associação dos dois conceitos de controle. As responsabilidades de controle ficam assim distribuídas: 1. o controlador preditivo antecipatório cuida dos distúrbios e variações de carga grandes e freqüentes que afetam as variáveis controladas. 2. o controlador a realimentação negativa cuida de quaisquer outros erros que aparecem através do processo, cuida dos efeitos dos distúrbios não medidos, cuida dos erros residuais provocados pelas imprecisões dos instrumentos reais de medição, controle e computação da malha antecipatória. Como o principal objetivo do controlador a realimentação negativa é eliminar o desvio permanente, ele deve ser, necessariamente, proporcional mais integral (PI). Como a quantidade de trabalho a ser executado por ele é diminuído pela presença do controlador preditivo, normalmente basta ser PI.

A presença do controlador preditivo antecipatório na malha de controle à realimentação negativa não provoca tendência a oscilação. Em termos de função de transferência, a presença do controlador preditivo não altera o denominador da função de transferência original.

A configuração mais utilizada na associação das duas malhas de controle é o sistema em cascata. Porém, é controvertida a opção de quem cascateia quem. Shinskey diz que é mandatório que o controlador à realimentação estabeleça o ponto de ajuste do controlador preditivo.

Porém, em todas as aplicações práticas, raramente o sinal do controlador preditivo é aplicado diretamente na válvula de controle.

Nessa configuração, é o controlador preditivo que estabelece o ponto de ajuste do controlador convencional a realimentação negativa.

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Fig.2.61. Controle feedback cascateando o feed-forward

2.16.71 Desenvolvimento do Controlador Qualquer processo pode ser descrito em termos das relações entre as suas saídas e suas entradas. As saídas do processo são as variáveis dependentes e geralmente são as variáveis a serem controladas. As variáveis de entrada são as independentes. Embora todas as variáveis de entrada afetem as de saída, elas podem, sob o ponto de vista de controle, ser divididas em três grupos: 1. variáveis de entrada que podem ser detectada e medidas; 2. variáveis de entrada desconhecidas e não possíveis de ser medidas praticamente.

3. variáveis de entrada manipuladas, para a obtenção do controle. As variáveis de entrada que chegam ao processo em pontos diferentes afetam de modo diferente as variáveis controladas. A aplicação do sistema de controle preditivo antecipatório requer o conhecimento prévio e completo do processo a ser controlado. Antes de se aplicar o controle preditivo antecipatório, deve ser possível desenvolver as equações termodinâmicas, geralmente de balanço de materiais e de balanço de energia,

que modelam o processo. E, principalmente, deve se conhecer a integração entre ambos balanços. Aliás, o desenvolvimento do controle antecipatório foi atrasado por causa da falta de tais conhecimentos. Assim que as equações são escritas e resolvidas para a variável controlada, devem ser especificados os equipamentos de controle, comercialmente disponíveis, que as manipulem. A falta desses equipamentos e o seu alto custo, também dificultaram a implementação do controle preditivo antecipatório. Tais equipamentos podem ser pneumáticos ou eletrônicos. Atualmente, são mais usados os instrumentos eletrônicos, principalmente os microprocessadores de processo. Computações que requerem dois ou mais instrumentos pneumáticos interligados são feitas por um único instrumento eletrônico, com maior precisão, menor custo, maior confiabilidade e operação mais simples.

O processo opera em duas situações distintas: em regime e em transitórios entre regimes. Mesmo depois de estabilizado, o processo sofre variações transitórias quando há variação em sua carga. O controlador preditivo é o modelo matemático do processo e, portanto, deve também possuir duas componentes: dinâmica e estática. Essa divisão é essencial principalmente durante a Calibração e ajuste de partida. O controlador de regime permanente é igual ao dinâmico, quando a variável manipulada de entrada e os distúrbios de entrada estão matematicamente localizados do mesmo lado, relativamente ao lado da variável de saída controlada.

Desenvolvimento da equação do controlador As equações termodinâmicas de balanço de energia e de materiais são usadas para se chegar ao controlador preditivo antecipatório de regime estático. As equações diferenciais, relativas aos transitórios dos processos determinam o modelo do controlador transitório. Obviamente, o controlador de regime permanente é mais fácil de ser desenvolvido e modelado que o transitório.

O procedimento a ser seguido é mais ou menos o seguinte: 1. definir todas as variáveis do processo, separando-as em distúrbios mensuráveis, variáveis controladas e variáveis manipuladas. Também devem ser conhecidas as constantes do processo, tais como capacidades de tanque, diâmetros de tubulações, densidades de produtos, pontos de ajuste das variáveis controladas. Sempre que uma variável de processo é pouco alterada, ela deve ser considerada como constante. Os fatos de medir ou não medir um distúrbio de entrada e de considerar ou não considerar constante uma variável do processo podem tornar linear o modelo do controlador PAGE 1 PAGE 137

preditivo antecipatório. 2. fazer as hipóteses simplificadoras, relativas ao processo. Por exemplo, quando se tem um tanque de mistura, deve se considerar perfeita a mistura.

As perdas de calor nas vizinhanças de um tocador de calor devem ser consideradas desprezíveis. O acúmulo de calor nas paredes de um reservatório é nulo. As capacidades de calor independem da temperatura do processo. São essas simplificações que tornam nítidos e separados os modelos estáticos e dinâmicos do controlador. 3. escrever as equações termodinâmicas e diferenciais, na forma dimensional padrão. Reescrever as equações, atribuindo-se as entradas e saídas os sinais analógicos normalizados (valores entre 0 e 1,0). 4. resolver a equação, ou seja, encontrar o sinal de saída em termo de todos os sinais de entrada mensuráveis. Para encontrar a equação do controlador, o modelo do processo é invertido: as variáveis manipuladas são as incógnitas e as variáveis controladas e as entradas medidas do processo são as variáveis independentes da equação matemática. Na solução, as variáveis controladas devem assumir os valores dos pontos de ajuste e entrar como constantes na equação. A equação final é a equação do controlador preditivo antecipatório e está na forma escalonada. Ela mostra como o controlador deve atuar ou modificar a variável manipulada. Em sistemas mais complexos, o método analítico anterior também se torna muito complexo e impraticável. A solução é usar técnicas numéricas.

Componentes do controlador A equação resultante do controlador preditivo antecipatório, conseguida a partir do modelo do processo, pode possuir mais de um termo, referente as componentes, computação analógica e compensação dinâmica. O controlador preditivo antecipatório possui as ações de controle convencionais: proporcional, integral e derivativa. Aliás, todo o controlador é igual ao convencional, de realimentação negativa. Ele recebe ponto de ajuste, local ou remoto, possui chave de transferência automática manual. Quando há associação dos conceitos de controle a realimentação e preditivo antecipatório, há aplicações que utilizam apenas a unidade de controle da malha com realimentação negativa. Apenas são usados os módulos de compensação dinâmica e de computação. A computação matemática é essencial ao controle preditivo antecipatório. A unidade de computação recebe todos os sinais analógicos, provenientes das medidas dos distúrbios e cargas de entrada mensuráveis. O equipamento pode ser pneumático ou eletrônico, embora o eletrônico moderno seja mais eficiente, barato, versátil e preciso. As operações matemáticas envolvidas são: multiplicação, divisão, extração de raiz quadrada, soma, subtração, integração e polarização. O compensador dinâmico corrige o desbalanço do transitório do processo. Sempre é necessária a compensação dinâmica quando os elementos dinâmicos da variável manipulada e da carga são diferentes. Quando são iguais e quando a variável manipulada e a carga entram no mesmo local do processo, em relação a variável controlada, o compensador dinâmico pode ser dispensado. Por exemplo, no controle de relação de vazões, não se usa o compensador dinâmico. O compensador dinâmico é também chamado de unidade de avanço /atraso (lead /lag) A função avanço /atraso só se processa durante os transitórios do processo, provocados pela variação de sua carga. A unidade avanço /atraso repete o sinal de entrada na sua saída quando a entrada é constante. Quando há variação na entrada, o sinal de saída é atrasado ou adiantado. Obviamente, é impossível se fazer uma compensação quando se deve criar um avanço de tempo. Na prática, isso é conseguido fazendo-se um atraso na saída do controlador. O compensador dinâmico, desse modo, pode ser colocado antes ou depois do controlador. Quando anterior ao controlador, ele modifica o sinal da variável medida. Quando há associação das malhas de realimentação e preditiva antecipatório, deve se cuidar de sempre deixar o compensador dinâmico fora da malha de realimentação.

2.16.81 Aplicações Nem todo processo requer a aplicação do controle preditivo antecipatório. Inclusive, há processos PAGE 1 PAGE 137

onde a implementação do controle antecipatório é impossível ou impraticável. Como a implantação de um controle antecipatório requer o uso de vários instrumentos adicionais, a sua aplicação deve se justificar economicamente.

Sob o ponto de vista de engenharia de controle de processo, é justificada a aplicação do controle preditivo antecipatório quando: 1. as variações nos distúrbios e cargas de entrada do processo levam um tempo considerável para afetar a variável controlada na saída, tornando pouco eficiente o controle convencional a realimentação negativa,

2. as variáveis de entrada que afetam significativamente a variável controlada são possíveis de ser medidas por equipamentos disponíveis comercialmente. 3. o processo é bem conhecido e suas equações termodinâmicas de balanço de materiais e de energia, bem como as equações diferenciais de seus transientes são facilmente resolvidas teoricamente; 4. as equações matemáticas finais são resolvidas por equipamentos de controle, encontráveis no mercado e a custos razoáveis. Embora o sistema de controle antecipatório seja menos usado que o sistema convencional a realimentação negativa, sua aplicação se torna cada vez mais freqüente. São áreas de aplicação: coluna de destilação, trocador de calor, neutralização de pH, controle de caldeira, controle de mistura automática de vários componentes (blending). A seguir serão mostrados alguns exemplos de aplicações, para fins didáticos, pois é necessário se conhecer completamente o processo a ser modelado.

Caldeira a três elementos A Fig.2.62 mostra um sistema de controle de alimentação de água de caldeira a três elementos padrão. O exemplo é dado para enfatizar a importância de ter conceitos claros. A porção de feed- forward é destacada. Mesmo que esta porção esteja no lado da descarga da caldeira, é ainda feed-forward, desde que este conceito trata dos distúrbios do processo onde eles ocorrem. O objetivo desta malha feed- forward é calcular a vazão de alimentação de água necessária para satisfazer a demanda, a carga (também um distúrbio). O objetivo da malha de controle de nível é ajustar o cálculo, de modo que o nível permaneça próximo do ótimo para a eficiência e segurança da caldeira. A malha de controle de nível é uma falha de feedback cascateando a malha de controle de vazão da água de alimentação. O objetivo da malha de controle de vazão de água de alimentação é melhorar a eficiência da resposta para o ponto de ajuste calculado e estabelecido. Ela é também feedback.

Fig.2.62. Controle feed-forward aplicado à caldeira.

O estado operacional normal é automático. Porém, para entradas anormais, pode se entrar com uma entrada fixa manualmente, sob certas circunstancias. Os parâmetros operacionais são o ponto de ajuste e, algumas vezes, entradas manuais (sistema em falha). Os valores monitorados são as entradas medidas e a saída calculada. Coluna de destilação Certamente, é no controle da coluna de destilação onde se aplica com maior freqüência o controle preditivo antecipatório. A destilação binária é um processo de separação, onde uma matéria prima é decomposta em dois produtos: um leve (destilado) e um pesado (produto de fundo). Na coluna de destilação um jato de vapor mais rico em um componente mais leve entra em contato contínuo com um fluxo de liquido mais rico em um componente mais pesado, de modo que o vapor fica cada vez mais rico do componente mais leve e o liquido cada vez mais pobre desse componente mais leve. O vapor é

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gerado no refervedor e o liquido é gerado no condensador. Para se garantir que os produtos finais fiquem dentro da especificação de pureza desejada, são controladas as temperaturas e pressões da coluna, bem como o balanço de energia, as vazões de alimentação principal, de saída do destilado, do vapor do refervedor, do refluxo. Simplificando, são envolvidos essencialmente os balanços de energia e de materiais, propícios para a aplicação do controle preditivo antecipatório. Há vários problemas associados com o controle da coluna de destilação: resposta lenta, por causa da grande capacidade da coluna e dos tempos envolvidos, influência de muitas variáveis, dificuldades de uso de analisadores em linha, interação entre os balanços de energia e de materiais. As variáveis de entrada independentes e não controladas são: composição da alimentação, vazão da alimentação, entalpia da alimentação, entalpia do vapor do refervedor, temperatura do refluxo.

As variáveis manipuladas de entrada são: vazão do refluxo, do destilado, do produto de fundo, calor de entrada no refervedor, calor de saída do condensador. As variáveis de saída, dependentes das variáveis de entrada e manipuladas, a serem controladas são as seguintes: composição do destilado, composição do produto pesado, temperatura das bandejas da coluna, nível do acumulador, nível do fundo da coluna. Nem todas as variáveis podem ser controladas e manipuladas arbitrariamente. Mesmo assim, há dezenas de configurações práticas para o controle convencional da coluna de destilação, pela combinação das diversas variáveis controladas e manipuladas. Quando se acrescenta o controle preditivo antecipatório, o número de configurações aumenta, pois há também um grande número de variáveis de entrada, que afetam as variáveis controladas e que podem ser medidas. O controle preditivo antecipatório mais simples, aplicado a coluna de destilação é mostrado. Consiste na colocação de um multiplicador e de um compensador dinâmico. O multiplicador permite que a vazão da alimentação da coluna modifique o ponto de ajuste do controlador de vazão do destilado. A vazão do destilado será ajustada de conformidade com a vazão da alimentação. A colocação do compensador dinâmico determina o timing correto da ação de controle. No caso, há um atraso no sinal de vazão da alimentação. Quando há uma variação na vazão da entrada da coluna, deverá se alterar o ponto de ajuste da vazão do destilado. Porém, a variação na entrada irá demorar para afetar a vazão do destilado e portanto, a alteração do ponto de ajuste do controlador de vazão do destilado também deverá ser retratada. O compensador dinâmico avanço /atraso cuidará desse atraso. Outra configuração simplificada é esquematizada, mostrando como as variáveis de entrada podem ser medidas e usadas para prover o controle preditivo antecipatório. O computador analógico recebe os sinais de medição da composição do produto de alimentação, vazão da alimentação, temperatura do topo da coluna, temperatura do refluxo, executa as operações matemáticas previamente calculadas. Os controladores devem atuar nas variáveis manipuladas: vazão do refluxo e vazão do produto de fundo. A saída do controlador que atua na vazão do produto de fundo, além da componente de computação, sofre um atraso dinâmico e uma correção na realimentação do controlador convencional.

Neutralização de pH O controle de pH é um dos mais complexos e difíceis, pois envolve funções não lineares, grande tempo morto e grande tempo característico.

A atividade do íon H+ de uma solução pode ser medida continuamente através de um eletrodo de pH. Esse eletrodo desenvolve uma milivoltagem proporcional a atividade do íon H+ na solução aquosa. A medição de pH não é linear, mas logarítmica: pH = - log10 H+. A não linearidade do pH significa que próximo da neutralidade (pH = 7), pequenas variações do reagente causam grandes variações no pH e longe do ponto de neutralização (próximo de 0 ou de 14) grandes quantidades do reagente são necessárias para provocar pequenas variações no pH. O modelo matemático do processo é fácil de ser desenvolvido, pois é muito conhecido e estudado. A equação do controlador preditivo antecipatório dá a vazão do reagente necessária para neutralizar a mistura final, o efluente, quando a vazão e o pH do efluente variam. As variáveis

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medidas são: pH do efluente na entrada, pH do efluente na saída, vazão da entrada do efluente. A variável manipulada é a vazão do reagente. Freqüentemente se utilizam várias válvulas, de tamanhos diferentes, para prover maior relação entre a medição máxima e medição mínima. Nesse caso deve ser acrescentado um sistema lógico seqüencial. São hipóteses simplificadoras: que a medição seja feita onde a reação está completa e que a mistura seja homogênea e perfeita.

Como não é admissível desvio permanente no pH do efluente final e principalmente, por causa da grande sensibilidade da curva de pH justamente na região próxima da neutralização, deve-se usar um controlador a realimentação negativa convencional. O controlador convencional é não linear, com uma curva característica complementar a curva de pH: pequeno ganho próximo do ponto de ajuste e grande ganho quando o desvio aumenta. De outro modo: o controlador deve ter ganho proporcional ao erro entre medição e ponto de ajuste.

Fig.2.63a. Esquema simplificado do controle convencional com realimentação negativa aplicada a

uma coluna de destilação

Fig.2.63b. Esquema simplificado do controle com realimentação negativa cascateado pelo controlador

preditivo antecipatório aplicado a uma coluna de destilação

Fig.2.63c. Esquema simplificado do controle preditivo antecipatório aplicado a uma coluna de

destilação, associado ao controle com realimentação negativa.

O sistema de controle pode ter o controlador com realimentação negativa associados ao controlador preditivo antecipatório. A medição da vazão de entrada do efluente deve ser modificada, de modo que se tenha a mesma natureza logarítmica do pH. O instrumento a ser usado, além do eventual extrator de raiz quadrada, é o caracterizador de sinais. Quando se utiliza a Calha Parshall essa modificação pode ser dispensada.

Fig.2.64a. Controle de pH convencional, com realimentação negativa.

Fig.2.64b. Controle de pH preditivo antecipatório.

Os sistemas de controle avançado se aplicam a processos determinados e seu objetivo é o de obter o melhor controle do processo. As vantagens que apresentam a aplicação dos sistemas de PAGE 1 PAGE 137

controle avançado são a economia de energia conseguida na operação da planta, o aumento da capacidade de fabricação, a diminuição do custo de operação e a diminuição da percentagem de recuperação dos produtos que saem fora de especificação durante o processo de fabricação.

Os rendimentos típicos que oferecem os sistemas de controle avançado são: 1. economia de energia com 5% de aumento na produção; 2. capacidade de fabricação da planta aumenta de 3% a 5%;

3. custo de operação da planta se vê reduzido de 3% a 5%; 4. recuperação dos produtos melhora de 3% a 5%;

5. retorno da inversão de produz em um tempo de 1 a 5 anos; 6. rendimento global é de 5% a 35%. As aplicações dos sistemas de controle avançado aumentam dia a dia e se aplicam a processos tais como fabricação de amônia, processos batelada, fornos, caldeiras de vapor, plantas petroquímicas, sistemas de economia de energia, reatores químicos, plantas de gás natural, compressores, serviços gerais, controle estatístico de processo.

2.16.91 Conclusão A adição de uma malha de controle preditivo típica envolve vários instrumentos, de medição, controle, computação analógica e de compensação dinâmica. O retorno econômico do acréscimo da malha de controle preditivo deve ser quantificado, mesmo que as variáveis econômicas de custo, retorno e economia não sejam diretamente medidas. Devem ser considerados os fatores relacionados com a economia dos tanques de armazenagem (controle de neutralização de pH e de mistura automática), produtos com a especificação de pureza desejada e com pouco refugo (coluna de destilação e fracionador), economia de energia (trocador de calor e torre de resfriamento). Sob o ponto de vista técnico, as principais áreas de aplicação do controle preditivo antecipatório, que produzem resultados difíceis de serem conseguidos através de outra técnica são: 1. os processos complexos, com grandes períodos de oscilação natural e submetidos a distúrbios e variações de carga grandes e freqüentes, incontroláveis pelo sistema convencional de realimentação negativa. 2. os processos onde as variáveis a serem controladas não são possíveis de medição precisa, confiável ou rápido. Mesmo que seja usada uma outra variável secundaria, inferida da principal, o controle convencional a realimentação negativa é insuficiente para prover um produto dentro das especificações desejadas.

Como conclusão, o controle de malha aberta é raramente empregado em processos industriais contínuos. O controle preditivo antecipatório é uma técnica alternativa, e adicional para o controle de processos complexos e difíceis. Geralmente ele é associado ao controle com realimentação negativa, quando são combinadas as duas técnicas. O controle com realimentação negativa ainda é empregado na maioria das malhas de controle do processo industrial.

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2.171 Controle de Relação (Ratio)

2.17.11Conceitos O controle de relação é também chamado de razão, fração ou proporção. O controlador de fração de vazões ou de relação de vazões é simbolizado com o tag FFC ou FrC. O controle relação é freqüentemente parte de uma estrutura de controle feed-forward; há quem considere o controle de relação como um sistema de controle elementar de feed-forward.

O controle de relação é um sistema unitário de controle, com a função de manter uma proporção fixa e determinada entre duas variáveis, normalmente duas vazões. Exemplos comuns industriais incluem:

1. manter uma relação de refluxo constante em uma coluna de destilação, 2. manter quantidades estequiométricas de dois reagentes sendo alimentados em um reator, 3. purgar fora uma percentagem fixa de um jato de alimentação de uma unidade,

4. misturar dois produtos, como gasolina e álcool numa relação constante.

Um sistema é considerado de controle de relação quando: 1. as duas variáveis X e Y são medidas; 2. apenas uma das duas variáveis é manipulada, por exemplo, X.

3. a variável realmente controlada é a relação K entre as duas variáveis X e Y. O controle de relação (geralmente de vazões) é aplicado para regular misturas ou quantidades estequiométricas em proporções fixas e definidas.

O objetivo do controle de relação é ter uma relação controlada fixa entre as quantidades de duas substâncias, como:

Fig.2.65. Diagrama de blocos do controle de relação

Blending é uma forma comum de controle de relação envolvendo a mistura de vários produtos, todos em proporções definidas. A Fig.2.65 mostra o diagrama de blocos do conceito de controle de relação. A álgebra é feita fora do controlador para evitar problemas de ganho e, como conseqüência, de estabilidade. No controle de relação de duas vazões, uma vazão necessariamente deve variar livremente e a outra é manipulada. Quando se tem o controle de relação de várias (n) vazões, uma delas deve ser livre e as (n-1) são manipuladas. Enfim, sempre deve haver um grau de liberdade, no mínimo. Os estados operacionais dependem da aplicação. Quando se tem várias malhas, é possível tirar algumas do modo relação e operá-las independentemente. É possível também se manter a relação, mesmo com a malha em manual. Os parâmetros operacionais dependem da aplicação.

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Os valores monitorados são o ponto de ajuste (relação) e os valores medidos das duas vazões.

2.17.21 Características A maioria das aplicações se refere ao sistema de relação de vazões ou de quantidades. O sistema pode envolver mais de duas substâncias.

Para se evitar os problemas de não linearidade e as variações do ganho, o calculo da relação deve estar fora da malha de controle. O ponto de ajuste passa a ser a relação desejada r = KY

Se X for a variável controlada. Ou então, r= Y/K Se Y for a variável controlada.

Tipicamente, o ganho ou a relação de uma estação de relação é ajustado entre 0,3 a 3,0. A soma das relações deve ser sempre constante, de modo que quando um componente aumenta o outro deve diminuir correspondentemente. A soma das relações é sempre igual a 100%, ou na forma normalizada, igual a 1,0. Quando as medições das vazões são feitas através das placas de orifício, a relação entre a pressão diferencial e a vazão é não-linear, o ganho da estação de relação é o quadrado do ajuste de relação. Portanto, o ajuste de relação é a raiz quadrada do ganho e, portanto, variável entre 0,6 a 1,7. O controle de relação é conseguido por dois esquemas alternativos, com um divisor ou com um multiplicador. No esquema com o divisor, as duas vazões são medidas e sua relação é computada por um divisor. A saída do divisor entra em um controlador PI convencional como um sinal de medição do processo. O ponto de ajuste do controlador de relação é a relação desejada. A saída do controlador vai para a válvula na variável manipulada que altera uma vazão, mantendo constante a relação das duas vazões. Este sinal computado pode também ser usado para acionar um alarme ou um interlock.

Fig.2.66. Controle de Relação de Vazões

No esquema com o multiplicador, a vazão livre é medida e este sinal é multiplicado por uma constante, que é a relação desejada. A saída do multiplicador é o ponto de ajuste de um controlador com ponto de ajuste remoto. A faixa típica do multiplicador de 0 a 2,0. O controle de relação deve ter todos os componentes da malha montados próximos um do outro e os tempos de respostas devem ser os menores possíveis. Uma variação na variável não controlada deve ser detectada imediatamente pela controlada. O controle de relação pode ser considerado como um caso simplificado de controle preditivo antecipatório. As medições são feitas na entrada do sistema e as variações da vazão não- controlada causam a mudança da variável controlada. A vazão misturada (variável controlada) não é medida.

A vazão não-controlada para o controle de relação pode ser controlada independentemente ou manipulada por outro controlador, que responda a outras variáveis. Ambas as vazões devem estar nas mesmas unidades.

Ambos os sinais devem ser da mesma natureza (pneumático ou eletrônico), da mesma relação matemática (linear ou raiz quadrada) e os transmissores devem possuir a mesma rangeabilidade. Há diferentes tipos de controle, quanto as parcelas com relação controlada. Assim, pode se ter:

1. relação fixa de duas partes, sendo ambas as variáveis de vazão medidas e somente uma vazão é controlada. A variável secundaria é controlada numa proporção direta com uma variável primaria não controlada. Como extensão, podem ser misturados até n componentes, sendo necessárias

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(n-1) estações de relação de vazões. 2. relação fixa entre uma parte e o total. Mede se e controla se a parte e a soma das partes é medida e não controlada. Essa aplicação ocorre quando a medição da variável não controlada é impossível, inacessível, de alta viscosidade, corrosiva. 3. relação fixa de duas quantidades de vazão. Em vez de se ter a relação de duas vazões, tem-se relação de duas totalizações de vazões. A quantidade da variável secundaria é controlada numa direta com a quantidade de uma variável primaria não controlada. Geralmente se aplica quando se requer alta precisão e se utilizam turbinas, que são apropriadas para a totalização e são muito precisas. 4. relação entre duas ou mais variáveis, não necessariamente vazões. São usados computadores analógicos para executar as operações matemáticas envolvidas.

2.17.31 Aplicações

Controle de relação com o divisor As duas vazões são medidas e sua relação é computada pelo divisor. Esta relação computada entra no controlador convencional PI como o sinal de medição do processo. O ponto de ajuste é a relação desejada. A saída do controlador faz a vazão controlada seguir uma relação fixa com a outra vazão não controlada. Este sistema é usado quando se quer saber continuamente a relação entre as vazões. O sinal da relação pode ser usado para alarme, override ou intertravamento.

Fig.2.67. Controle de relação com divisor

Controle de relação com o multiplicador A vazão não controlada é medida e passa por um multiplicador, cuja constante é a relação das vazões desejada. A saída do multiplicador é o ponto de ajuste remoto do controlador de vazão. A saída do controlador manipula a vazão controlada.

Fig.2.68. Controle de relação com multiplicador

Controle de relação e cascata Sejam as duas vazões dos componentes A e B, alimentando o tanque. O nível do liquido é afetado pela vazão total, por isso o controlador de nível cascata o controlador da vazão A, ou seja, o ponto de ajuste do controlador da vazão A é estabelecido pela saída do controlador de nível do tanque. A vazão A, por sua vez, está relacionada fixamente com a vazão B, através do controlador de relação de vazão. A composição do liquido do tanque depende exclusivamente da relação das vazões A e B. O controlador de analise de composição estabelece o fator de relação do multiplicador. O controlador de relação atua na vazão B. Para se evitar altos ganhos em baixas vazões por causa das placas de orifício, usam-se extratores de raiz quadrada. Para diminuir o efeito do controlador de composição no nível do líquido, a vazão B deve ser a menor das duas vazões.

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Fig.2.69. Controle de Relação e Cascata

2.181 Conceitos de Projeto do Controle Após ter aprendido um pouco acerca do equipamento e de várias estratégias usadas em controle, é possível agora falar acerca de alguns conceitos básicos de projeto do sistema de controle. Neste ponto, a discussão será totalmente qualitativa, fornecendo uma visão ampla de como encontrar uma estrutura de controle efetivo e projetar um processo facilmente controlado. Deve-se, feita a consideração da dinâmica no projeto de uma planta, nos primeiros estágios, preferivelmente durante a operação e projeto da planta piloto. Por exemplo, é importante ter pausa em vasos de surge, linhas de refluxo, bases de coluna, para fornecer um amortecimento efetivo dos distúrbios (p. ex., de 5 a 10 minutos). Um excesso suficiente de transferência de calor deve ser disponível em reboilers, condensadores, jaquetas de resfriamento, para ser capaz de manipular as variações dinâmicas e distúrbios durante operação. Os sensores e as medições devem ser localizados, de modo que possam ser usadas para controle efetivo.

2.18.11Critérios Gerais Alguns critérios recomendados são discutidos abaixo, juntos com alguns exemplos de suas aplicações.

1. Manter o sistema de controle tão simples quanto possível. Todo mundo envolvido no processo, do operador até o gerente da planta, deve ser capaz de entender o sistema. Use o menor número possível de instrumentos de controle. Cada equipamento adicional que é incluído no sistema é um item a mais que pode falhar ou se desviar. O vendedor nunca irá dizer isso a ninguém, é claro. 2. Usar o controle feed-forward para compensar distúrbios da medição grandes, freqüentes e mensuráveis.

3. Usar o controle override para operar em ou para evitar limites. 4. Evitar atrasos e tempos mortos em malhas de realimentação negativa. O controle é melhorado mantendo os atrasos e tempos mortos dentro da malha tão pequenos quanto possíveis. Isto significa que os sensores devem ser localizados próximos dos pontos onde a variável manipulada entra no processo. 5. Usar controlador de nível apenas com a ação proporcional em tanques de surge e bases de coluna para amortecer os distúrbios. 6. Eliminar os pequenos distúrbios, usando sistemas de controle cascata, onde possível. 7. Evitar interação de malha de controle, se possível, mas se não for possível, garanta que os controladores sejam sintonizados para fazer todo o sistema estável. 8. Verificar o sistema de controle com relação a problemas dinâmicos potenciais durante as condições anormais de operação ou nas condições de operação que não sejam iguais às de projeto. A habilidade do sistema de controle trabalhar bem sobre uma grande faixa de condições é chamada de flexibilidade.

Partidas e paradas também devem ser estudas. A operação em pontos de baixa produção ou no início da faixa pode também ser um problema. Os ganhos do processo e constantes de tempo podem variar drasticamente em baixas vazões e a re-sintonia do controlador pode ser necessária. A instalação de válvulas iguais de controle (uma grande, outra pequena) pode ser necessária. 9. Evitar a saturação da variável manipulada. Um bom exemplo de saturação é o controle de nível PAGE 1 PAGE 137

de uma linha de refluxo em uma coluna de destilação que tem uma relação de refluxo muito alta. 10. Evitar associar malhas de controle. As malhas de controle devem ser agrupadas somente se a operação da malha externa depender da operação da malha interna.

2.18.21 Controle Global da Planta A discussão até agora só tratou de um único controlador a realimentação negativa e estabeleceu uma estratégia de controle para uma operação unitária: um reator, uma coluna, uma torre de resfriamento, um trocador de calor, uma caldeira, um compressor. O próximo nível de complexidade é olhar uma planta inteira operando, que é constituída de muitas operações unitárias ligadas em série e paralelo, com material e energia de reciclo entre as várias partes da planta. Isto é um dos trabalhos mais difíceis do controle de processo.

Buckley foi um dos pioneiros neste aspecto de controle. Sua metodologia de projeto da planta global consiste dos seguintes passos:

1. Fazer o esquema lógico do controle para manipular todas as malhas de níveis e pressão de líquidos, em toda planta, de modo que as vazões de uma unidade para a próxima sejam tão suaves quanto possíveis. Buckley chamou estas malhas de balanço de material. Se a vazão de alimentação é estabelecida na frente do processo, as malhas de balanço de material devem ser colocadas na direção da vazão, i.e., a vazão de saída de cada unidade é estabelecida por um nível ou pressão de liquido na unidade. Se a vazão de saída do produto da planta é estabelecida, as malhas de balanço de material deve ser na direção oposta da vazão, i.e., a vazão em cada unidade é estabelecida por um nível ou pressão de liquido na unidade. 2. Depois projetar as malhas de controle de composição para cada operação unitária. Buckley chamou estas malhas de qualidade do produto. Determine as constantes de tempo de malha fechada destas malhas de qualidade do produto. 3. Dimensionar os volumes de pausa, de modo que as constantes de tempo de malha fechada das malhas de balanço de material sejam um fator de 10 maiores que as constantes de tempo das malhas de qualidade de produto. Isto quebra a interação entre os dois tipos de malhas.

2.18.31 Otimização de controle Genericamente, otimização é a estratégia que dá o melhor resultado sob um determinado conjunto de condições. Matematicamente, otimização é a tarefa de achar um grande pico em um espaço multidimensional. Para o engenheiro prático, otimização sugere um exercício altamente teórico, que não é muito relevante no mundo real, onde tubulações vazam, sensores se entopem e bombas cavitam. Otimização é a integração do know-how do controle de processo para maximizar a produtividade industrial.

É desejável controlar o que uma planta produz. Plantas não produzem vazão, pressão, temperatura, nível e análise, portanto, estas variáveis são apenas limites ou restrições. As variáveis controladas podem se relacionar com a produtividade ou eficiência da planta. A otimização causa o fim da era das malha de controle isoladas e o início do controle de envelope multivariável.

O envelope é um polígono, com os lados representando vazão, pressão, temperatura, nível, análise e outras variáveis de processo. Dentro deste envelope está o processo que é continuamente movido para a máxima eficiência.

A otimização multivariável é o enfoque do senso comum ou a técnica de controle aplicada pela natureza e freqüentemente é também o método de controle mais simples e mais elegante. Só se aplica otimização a um processo que já opere. Otimizar um controle é aumentar o modelo do processo, adicionando o custo, com ponto de ajuste zero.

Fig.2.70.

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Vista de uma planta instrumentada globalmente

31 NOÇÕES DE CIRCUITOS LÓGICOS

31.3.11Tópicos da Álgebra de Boole É uma técnica matemática que é usada quando consideramos problemas de natureza lógica. Em 1847, o matemático inglês George Boole desenvolveu leis básicas aplicadas em problemas de lógica dedutiva. Até 1938, isto se restringia ao estudo de matemática, quando então um cientista do Bell Laboratories, Claude Shammon, começou a utilizar tais leis no equacionamento e análise de redes com multi-contatos. Paralelamente ao desenvolvimento dos computadores, a álgebra de Boole foi ampliada, sendo hoje ferramenta fundamental no estudo de automação. A álgebra de Boole utiliza-se de dois estados lógicos, que são 0 (zero) e 1(um), os quais, como se vê, mantém relação íntima com o sistema binário de numeração. As variáveis booleanas, representadas por letras, só poderão assumir estes dois estados: 0 ou 1 , que aqui não significam quantidades. O estado lógico “0” representa um contato aberto, uma bobina desenergizada, uma transistor que não está em condução, etc.; ao passo que o estado lógico 1 representa um contato fechado, uma bobina energizada, um transistor em condução, etc.

3.21 Conceitos Introdutórios

3.2.11 Grandezas Analógicas e Digitais Grandezas analógicas são aquelas que podem variar em um intervalo contínuo de valores. Por exemplo, a velocidade de um veículo pode assumir qualquer valor de 0 a 200 Km/h. Grandezas digitais são aquelas que variam em passos discretos. Por exemplo, o tempo varia continuamente, mas a sua medição através de um relógio digital é feita a cada minuto.

Um sistema analógico contém dispositivos que podem manipular quantidades físicas analógicas. Por exemplo, a saída de um amplificador pode variar continuamente dentro de um certo intervalo.

Um sistema digital contém dispositivos capazes de manipular informações lógicas (representadas na forma digital). Um exemplo seria um computador. As vantagens das técnicas digitais são várias:

• Sistemas digitais são mais fáceis de projetar; • Fácil armazenamento de informação; • Maior exatidão e precisão; • A operação do sistema pode ser programada; • Circuitos digitais são menos afetados pelo ruído; • Um maior número de circuitos digitais pode ser colocado em um circuito integrado.

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3.2.21 Sistemas de Numeração Digital

Sistema Decimal – contém 10 algarismos (0 a 9). Representação:

(273,41)10 = (2 x 102) + (7 x 101) + (3 x 100) + (4 x 10-1) + (1 x 10-2)

Pesos 102 101 100 10-1 10-2

2 7 3 4 1

Sistema Binário – contém 2 algarismos (0 e 1).

Representação:

(101,01)2 = (1 x 22) + (0 x 21) + (1 x 20) + (0 x 2-1) + (1 x 2-2) = 5,2510

Pesos 22 21 20 2-1 2-2

1 0 1 0 1

Sistema Octal – contém 8 algarismos (0 a 7). Representação:

(157,2)8 = (1 x 82) + (5 x 81) + (7 x 80) + (2 x 8-1) = 111,2510

Pesos 82 81 80 8-1

1 5 7 2

Sistema Hexadecimal – contém 16 algarismos (0 a F).

Representação: (15A,2)16 = (1 x 162) + (5 x 161) + (10 x 160) + (2 x 16-1) = 346,12510

Pesos 162 161 160 16-1

1 5 10 2

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3.2.31 Representação de Quantidades Binárias Em sistemas digitais, a informação geralmente apresenta a forma binária. Essas quantidades binárias podem ser representadas por qualquer dispositivo que apresente dois estados de operação.

Uma chave, por exemplo, pode estar aberta ou fechada. Podemos dizer que a chave aberta corresponde ao dígito binário “0” e a chave fechada corresponde ao dígito binário “1”. Outros exemplos: uma lâmpada (acesa ou apagada), um diodo (conduzindo ou não), um transistor (conduzindo ou não) etc. Em sistemas digitais eletrônicos, a informação binária é representada por níveis de tensão (ou correntes). Por exemplo, zero volts poderia representar o valor binário “0” e +5 volts poderia representar o valor binário “1”. Mas, devido a variações nos circuitos, os valores binários são representados por intervalos de tensões: o “0” digital corresponde a uma tensão entre 0 e 0,8 volts enquanto o “1” digital corresponde a uma tensão entre 2 e 5 volts.

Com isso percebemos uma diferença significativa entre um sistema analógico e um sistema digital. Nos sistemas digitais, o valor exato da tensão não é importante.

Fig.3.1. Intervalos típicos de tensão para os binários 0 e 1.

3.2.41 Circuitos Digitais /Circuitos Lógicos Circuitos digitais são projetados para produzir tensões de saída e responder a tensões de entrada que estejam dentro do intervalo determinado para os binários 0 e 1. O exemplo abaixo mostra isso:

Fig.3.2. Resposta de um circuito digital

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Praticamente todos os circuitos digitais existentes são circuitos integrados (CIs), o que tornou possível a construção de sistemas digitais complexos menores e mais confiáveis do que aqueles construídos com circuitos lógicos discretos.

3.2.51 Sistemas de Numeração e Códigos O sistema binário de numeração é o mais importante em sistemas digitais. O sistema decimal também é importante porque é usado por todos nós para representar quantidades. Já os sistemas octal e hexadecimal são usados para representar números binários grandes de maneira eficiente.

Conversões Binário-Decimal – Cada dígito tem um peso correspondente à sua posição. 110112 = (1 x 24) + (1 x 23) + (0 x 22) + (1 x 21) + (1 x 20) = 2710

Conversões Decimal-Binário – O método usado é o das divisões sucessivas:

Conversão Octal-Decimal – Cada dígito tem um peso correspondente à sua posição. 3728 = (3 x 82) + (7 x 81) + (2 x 80) = 25010

Conversão Decimal-Octal – O método usado é o das divisões sucessivas:

Conversão Octal-Binário – Cada dígito octal é convertido para o seu correspondente em binário.

Dígito Octal 0 1 2 3 4 5 6 7 Equivalente Binário 000 001 010 011 100 101 110 111

4728 = (100) (111) (010) = 1001110102

Conversão Binário-Octal – O número binário é dividido em grupos de 3 dígitos iniciando-se a partir do dígito de menor peso. Cada grupo é convertido no seu correspondente octal. 1001110102 = (100) (111) (010) = 4728

Conversão Hexadecimal-Decimal – Cada dígito tem um peso correspondente à sua posição. 2AF16 = (2 x 162) + (10 x 161) + (15 x 160) = 68710

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Conversão Decimal-Hexadecimal – O método usado é o das divisões sucessivas:

Conversão Hexadecimal-Binário – Cada dígito hexadecimal é convertido para o seu correspondente em binário.

9F216 = (1001) (1111) (0010) = 1001111100102

Conversão Binário-Hexadecimal – O número binário é dividido em grupos de 4 dígitos iniciando-se a partir do dígito de menor peso. Cada grupo é convertido no seu correspondente hexadecimal. 11101001102 = (0011) (1010) (0110) = 3A616

O Código BCD – O código BCD não constitui um sistema de numeração. Ele apenas relaciona cada dígito do sistema decimal com um grupo de 4 dígitos do sistema binário.

87410 = (1000) (0111) (0100) = 100001110100 (BCD)

Relacionando as Representações

Decimal Binário Octal Hexadecimal BCD 0 0 0 0 0000 1 1 1 1 0001 2 10 2 2 0010 3 11 3 3 0011 4 100 4 4 0100 5 101 5 5 0101 6 110 6 6 0110 7 111 7 7 0111 8 1000 10 8 1000 9 1001 11 9 1001 10 1010 12 A 0001 0000 11 1011 13 B 0001 0001 12 1100 14 C 0001 0010 13 1101 15 D 0001 0011 14 1110 16 E 0001 0100 15 1111 17 F 0001 0101

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3.31 Aritmética Digital

3.3.11 Introdução Uma máquina digital (computadores e calculadoras) manipula e armazena dados na forma binária. Dessa forma, as operações aritméticas também serão realizadas sobre os números na forma binária. A aritmética digital não é muito diferente da aritmética tradicional (base 10). As operações de adição, subtração, multiplicação e divisão são praticamente as mesmas, a não ser pelo número de algarismos usados nessas operações: 2.

3.3.21 Adição Binária A Adição decimal é mostrada a seguir:

A adição é feita a partir do algarismo menos significativo. Quando a adição resulta em um valor maior que 9 ocorre um carry (vai um) para a próxima posição.

Na adição binária podemos encontrar apenas quatro possibilidades:

0 + 0 = 0

0 + 1 = 1 1 + 0 = 1 1 + 1 = 10 (0 + carry 1 para a próxima posição)

Por exemplo:

3.3.31 Representação de Números com Sinal Em sistemas digitais, os números binários são armazenados e manipulados em conjuntos de flip- flops, os registradores. Um registrador com 6 flip-flops pode armazenar números binários de

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000000 a 111111 (0 a 6310), representando a magnitude do número.

Como os computadores e calculadoras podem operar com números positivos e negativos, uma maneira de representar números positivos e negativos é mostrada na figura seguir:

A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 1 1 0 1 0 0 = +5210 Bit de Sinal (+) Magnitude = 5210

A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 1 1 0 1 0 0 = -5210 Bit de Sinal (-) Magnitude = 5210

O bit A6 é chamado bit de sinal, ou seja, ele determina qual o sinal do número. Esse número possui magnitude de 6 bits mais um bit de sinal. Embora esse sistema seja direto, computadores e calculadoras não as utilizam normalmente porque a implementação do circuito é mais complexa. O sistema de representação de números binários com sinal mais utilizado é o sistema de complemento a 2.

3.3.41 Forma do Complemento a 1 O complemento a 1 de um número binário é obtido substituindo-se cada 0 por 1 e cada 1 por 0. Isso pode ser visto a seguir:

1 0 1 1 0 1 F 0 A F F 0 A F F 0 A F F 0 A F F 0 A F F 0 A F

0 1 0 0 1 0

3.3.51 Forma do Complemento a 2 O complemento a 2 de um número binário é obtido tomando-se o complemento a 1 do número e adicionando-se 1 na posição do bit menos significativo. Por exemplo:

1 0 1 1 0 1 Equivalente binário de 4510 0 1 0 0 1 0 Complemento a 1

+ 1 Adiciona-se 1 0 1 0 0 1 1 Complemento a 2 do número binário original

3.3.61 Representação de Números com Sinal Usando Complemento a 2 O sistema de complemento a 2 para representar números com sinal funciona do seguinte modo:

• Se o número é positivo, a magnitude é mostrada na sua forma binária direta e um bit de PAGE 1 PAGE 137

sinal 0 é colocado na frente do bit mais significativo (MSB).

• Se o número é negativo, a magnitude é representada na sua forma de complemento a 2 e um bit de sinal 1 é colocado na frente do bit mais significativo (MSB).

A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 1 0 1 1 0 1 = +4510 Bit de Sinal (+) Binário direto

A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 0 1 0 0 1 1 = -4510 Bit de Sinal (-) Complemento a 2

3.3.71 Negação A negação é a operação que converte um número positivo no seu negativo equivalente ou um número negativo no seu positivo equivalente. Por exemplo:

0 1 0 0 1 = +9 (número binário original) 1 0 1 1 1 = -9 (complemento a 2, negar) 0 1 0 0 1 = +9 (negar novamente)

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3.3.81 Faixa de Representação do Complemento a 2 A faixa completa de valores que pode ser representada no sistema de complemento a 2 que tem N bits de magnitude é:

-2N a +(2N-1)

Por exemplo, com N = 3 bits, a faixa de números sinalizados é mostrada na tabela abaixo:

Valor Decimal Complemento a 2 +7 = 23 - 1 0111 +6 0110 +5 0101 +4 0100 +3 0011 +2 0010 +1 0001 0 0000 -1 1111 -2 1110 -3 1101 -4 1100 -5 1011 -6 1010 -7 1001 -8 = -23 1000

Por exemplo, com N = 7 bits, mais um bit de sinal, a faixa de valores fica:

100000002 = -27 = -12810 011111112 = 28 = +12710

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3.3.91 Adição no Sistema de Complemento a 2 Vamos analisar vários casos de adição:

Dois números positivos: A adição de dois números positivos é direta.

+9 F 0 A E 0 1001 +4 F 0 A E 0 0100 +13 0 1101

Um número positivo e um outro menor e negativo: O número negativo deve estar na forma de complemento a 2.

+9 F 0 A E 0 1001 -4 F 0 A E 1 1100 +5 1 0 0101

A soma é feita sobre todos os bits, inclusive os bits de sinal. O carry (vai um) gerado na última posição (MSB) é sempre descartado.

Um número positivo e um outro maior e negativo:

-9 F 0 A E 1 0111 +4 F 0 A E 0 0100 -5 1 1011

Dois números negativos:

-9 F 0 A E 1 0111 -4 F 0 A E 1 1100 -13 1 1 0011

Dois números iguais em magnitude mas de sinais contrários:

+9 F 0 A E 0 1001 -9 F 0 A E 1 0111 0 1 0 0000

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3.3.101 Subtração no Sistema de Complemento a 2 A operação de subtração no sistema de complemento a 2, na verdade, envolve uma operação de adição. Quando subtraímos um número binário (o subtraendo) de outro número binário (minuendo), usamos o seguinte procedimento:

Negar o subtraendo. Adicionar o número obtido ao minuendo.

Por exemplo, +9 – (+4) = +5

+9 F 0 A E 0 1001 +4 F 0 A E 0 0100

+9 F 0 A E 0 1001 -4 F 0 A E 1 1100 +5 1 0 0101

3.3.111Overflow Aritmético O Overflow aritmético ocorre quando temos, por exemplo, a adição de +9 e +8:

+9 F 0 A E 0 1001 +8 F 0 A E 0 1000

1 0001

O resultado esperado seria +17, mas a resposta tem um sinal negativo e uma magnitude incorreta. A representação do 17 precisa de mais de quatro bits, ocasionando um erro de overflow.

O overflow pode ocorrer sempre que dois números positivos ou dois números negativos estão sendo somados.

3.3.121 Multiplicação de Números Binários A multiplicação de números binários é mostrada abaixo:

1001 = 910 1011 = 1110 1001 1001 0000 1001 1100011 = 9910

Na multiplicação acima os bits de sinais não foram usados. Observe que o primeiro multiplicando (1001) é deslocado para a esquerda com relação ao segundo multiplicando (1011). Depois disso, os resultados parciais são somados para obter o produto final. Multiplicação no Complemento a Dois

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A multiplicação no complemento a dois é feita do mesmo modo descrito anteriormente, desde que os dois multiplicandos estejam na forma binária verdadeira. Se os números a serem multiplicados forem positivos a multiplicação é feita conforme mostrado anteriormente e o bit de sinal é 0. Se os números forem negativos, eles devem ser convertidos para a forma binária verdadeira e o resultado será positivo (bit de sinal igual a 0). Quando os números a serem multiplicados tiverem sinais opostos, o número negativo deve ser convertido para a forma binário verdadeira através do complemento a dois. Como resultado esperado é negativo, deve ser aplicado o complemento a dois e o bit de sinal será 1.

3.3.131 Divisão Binária A divisão binária é mostrada a seguir:

1001 11 011 11 0011 11 0

A divisão binária é igual à divisão decimal. A divisão de números com sinal é feita de maneira idêntica à multiplicação, onde os números negativos são transformados em positivos através do complemento a dois.

3.3.141 Adição BCD Muitos computadores e calculadoras usam o código BCD para representar números decimais. Na operação de adição usando números representados pelo código BCD devem ser levadas em consideração duas possibilidades:

Soma menor ou igual a 9 – Por exemplo, 5 + 4:

5 0101 +4 +0100 9 1001

Outro exemplo, 45 + 33:

45 0100 0101 +33 +0011 +0011 78 0111 1000

A soma de cada dígito não gerou nenhum vai-um (carry).

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Soma maior do que 9 – Por exemplo, 6 + 7:

6 0110 +7 +0111 13 1101

O resultado da soma não é um código BCD, já que o resultado é um número maior do que 9. O resultado esperado seria 0001 0011 (13 BCD) e para corrigir isso devemos somar ao resultado o código 0110 (6 BCD), ou seja:

0110 6 (BCD) +0111 7 (BCD) 1101 soma > 9 0110 soma 6 0001 0011 13 (BCD)

3.3.151 Aritmética Hexadecimal Números hexadecimais são amplamente utilizados na programação de computadores em linguagem de máquina e na especificação de endereços de memória de computadores.

3.3.161 Adição em Hexadecimal O procedimento para a adição em hexadecimal é o seguinte: Some os dois dígitos hexadecimais em decimal, inserindo mentalmente o decimal equivalente para os dígitos maiores do que 9; Se a soma é menor ou igual a 15, ele pode ser expresso por um dígito hexadecimal; Se a soma é maior ou igual a 16, subtraia 16 e coloque um carry na próxima posição.

Por exemplo:

58 +4B A3

3.3.171 Subtração em Hexadecimal Um modo eficiente de representar números binários é através dos números hexadecimais. A subtração hexadecimal utiliza o mesmo método dos números binários: o complemento a dois do subtraendo é somado ao minuendo e qualquer carry da posição MSD deverá ser descartado.

O complemento a dois de um número hexadecimal é mostrado a seguir:

73A Número hexadecimal 0111 0011 1010 Converte para binário 1000 1100 0110 Complemento a 2 8C6 Converte para hexadecimal

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Um outro método é mostrado a seguir:

F F F –7 –3 –A 8 C 5

+1 8 C 6

3.41 Portas Lógicas e Álgebra Booleana A álgebra booleana é a ferramenta fundamental para descrever a relação entre as saídas de um circuito lógico e suas entradas através de uma equação (expressão booleana). Existem três operações básicas: OR (OU), AND (E) e NOT (NÃO).

• Operação Lógica OR (OU)

Fig.3.3. Circuito Lógico “OU”

• Operação Lógica AND (E)

Fig.3.4. Circuito Lógico “E”

• Operação Lógica NOT (NÃO)

Fig.3.5. Circuito Lógico “Não”

3.4.11 Descrevendo Circuitos Lógicos Algebricamente Qualquer circuito lógico pode ser descrito usando as portas AND, OR e NOT. Essas três portas são os blocos básicos na construção de qualquer sistema digital.

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Fig.3.6. Circuito Lógico e sua Expressão Lógica

Implementando Circuitos Lógicos a partir de Expressões Booleanas

Podemos usar a expressão booleana para gerar o circuito lógico. Por exemplo:

Fig.3.7. Expressão Lógica e seu Circuito Lógico

3.4.21 Portas NOR e NAND Outros tipos de portas lógicas existentes são as portas NOR e NAND, que na verdade são combinações das portas OR, AND e NOT.

Fig.3.8. Portas NOR e NAND

3.4.31 Teoremas da Álgebra de Boole Esses teoremas, aplicados na prática, visam simplificar as expressões booleanas e conseqüentemente os circuitos gerados por estas expressões.

Teoremas Booleanos

Teoremas de De Morgan

3.4.41 Universalidade das Portas NAND e NOR

Qualquer expressão lógica pode ser implementada usando apenas portas NAND ou portas NOR. Isso porque podemos representar portas OR, AND ou NOT usando apenas portas NAND ou NOR.

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3.4.51 Simplificação de Circuitos Lógicos Depois de encontrada as expressões de um circuito lógicos, podem-se reduzi-la para uma forma mais simples. A intenção é diminuir o número de variáveis nessa expressão, o que significa diminuir o número de portas lógicas e conexões em um circuito lógico.

3.4.51.3.4.5.11Simplificação Algébrica A simplificação algébrica é feita com o uso dos teoremas da álgebra booleana e de DeMorgan. Exemplo:

3.4.61 Projetando Circuitos Lógicos Passos para o projeto completo de um circuito lógico:

• Montar a tabela-verdade:

A B C x 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1

• Analisar a saída: Quando qualquer entrada de uma porta OR for “1” então a saída será “1”. Então podemos deduzir que a saída x é uma operação OR de todos os casos em que a saída x é “1”.

Cada caso corresponde a uma operação lógica AND com todas as variáveis de entrada.

• Simplificar a expressão lógica obtida: PAGE 1 PAGE 137

A expressão pode ser reduzida a um número menor de termos se aplicarmos os teoremas booleanos e de DeMorgan.

• Implementar o circuito através da expressão lógico:

3.4.71 Método do Mapa de Karnaugh para Simplificação Circuitos Lógicos Vamos usar a tabela anterior como exemplo.

41 SISTEMAS DE SUPERVISÃO E DE CONTROLE Neste capítulo, apresenta-se uma visão geral dos sistemas digitais de controle, partindo-se dos sistemas analógicos com painéis mímicos e concluindo-se com os modernos sistemas de supervisão e de controle integrados em redes de computadores.

4.11 Sistemas Analógicos com Painéis Mímicos Esse processo, que até hoje é utilizado em muitas instalações industriais, era a única opção de comando centralizado até o início do uso de computadores de processo, na década de 60. O comando centralizado de equipamentos industriais vem sendo utilizado há muitas décadas. Esse método consiste em se concentrar, em uma sala de controle, as chaves necessárias para se ligar e desligar os equipamentos existentes na indústria. Em muitos casos, estas salas eram colocadas em locais elevados na planta industrial para que os operadores pudessem ter uma visão ocular dos equipamentos para poderem manobrá-los. Utilizavam-se somente chaves e equipamentos de medição. O passo seguinte na evolução dessas salas de comando foi à introdução dos medidores, que eliminaram a exigência de uma visão ocular das instalações. Inicia-se, assim, o desenvolvimento dos painéis mímicos e das centrais de comando, incluindo os centros de comando de motores (CCM). Na década de 50 e início da década de 60, esses sistemas integrados de comando eram totalmente analógicos, incluindo botoeiras, medidores analógicos, e registradores para a medição e arquivamento de dados de operação. A evolução desses sistemas veio com os computadores de processo lançados na década de 60 e que são analisados na seção seguinte.

4.21 Sistemas de Supervisão e Comando com Painéis Mímicos atualizados por Computadores. Na época dos computadores de segunda geração, foram lançados os computadores de processo que foram os precursores dos modernos sistemas digitais de controle distribuídos. Esses computadores, empregados tanto nas indústrias como em concessionárias de energia, tinham a função de coletar dados provenientes das estações remotas, atualizar os painéis mímicos e enviar para o campo os comandos executados pelos operadores do sistema. Esses computadores, com memórias em núcleo de material ferro magnético e com capacidades de 8 ou 16 kbytes, eram capazes de comandar fábricas inteiras ou sistemas elétricos com dezenas de subestações. Como não possuíam capacidade gráfica, toda a informação de conjunto do sistema comandado era desenhada em painéis mímicos com centenas de lâmpadas indicadoras. Essas lâmpadas podiam ser atualizadas pelo próprio computador, ou ser ligadas diretamente aos equipamentos de campo. Neste caso, havendo perda do computador, os operadores podiam perfeitamente operar o sistema. Em muitos casos, devido à alta taxa de falhas dos computadores e à precariedade dos PAGE 1 PAGE 137

serviços de manutenção, os sistemas eram operados sem o computador por muitas horas e até dias. Uma característica importante destes sistemas era a centralização da supervisão e comando, deixando-se, na maioria dos casos, para se efetuar o controle através de equipamentos pneumáticos ou de eletrônica analógica. O próximo passo na evolução dos sistemas de controle vem com os microprocessadores e Controladores Lógico Programáveis.

A idéia de se utilizar uma grande tela para mostrar dados de supervisão e controle em uma sala existe há muito tempo. O quem tem mudado de tempos em tempos é a tecnologia por trás dessas grandes telas. Entre 1965 e 1985 se usavam painéis de cerâmica montados em estrutura metálicas (painéis mímicos). Sobre a cerâmica era feito o desenho (serigrafia) lógico do sistema a ser controlado. Os elementos dinâmicos eram representados por componentes luminosos, tais com lâmpadas ou LEDS. De 1985 a 1997 foi à vez dos painéis CRT ou LCD - painéis compostos por monitores CRT (Cathode Ray Tube) ou LCD (Liquid Crystal Display). No período de 1997 a 2001, surgiu a primeira geração dos painéis DLP e, finalmente, de 2001 a 2003, os painéis DLP SIP Inteligentes - painéis compostos por cubos DLP com inteligência integrada ao sistema, através do programa tecnológico SIP - System Intelligent Processing.

4.31 Controladores Lógicos Programáveis

4.3.11 Introdução Este capítulo pretende apresentar uma visão moderna dos controladores industriais, cobrindo não só as funções de lógica e seqüênciamento, mas também os módulos de controle realimentado presentes em grande parte dos controladores existentes no mercado. Devido a grande quantidade de fabricantes dedicados à produção destes controladores, procurou-se exemplificar de forma geral, para não se restringir à abrangência do trabalho. Inicialmente, será apresentado um breve histórico da evolução destes dispositivos.

A história dos controladores lógicos programáveis coincide, em parte, com o desenvolvimento dos microprocessadores que vieram viabilizar a implementação de funções complexas de controle digital em equipamentos industriais. Antigamente, as funções de seqüênciamento de operações eram executadas em painéis de controle lógico com centenas e até milhares de relés que efetuavam o acionamento de contatores que, por sua vez, ligavam e desligavam os motores e chaves presentes nos sistemas automáticos industriais. Com a evolução dos minicomputadores, no final da década de 60 e início da década de 70, parte destas funções passaram a ser executadas por estes computadores ligados aos processos industriais e que, na época, eram conhecidos como computadores de processo. A criação do microprocessador e dos computadores pessoais viabilizou o desenvolvimento do que hoje se denomina Controlador Lógico Programável (CLP). Os primeiros CLPs totalmente programáveis [1] foram desenvolvidos em 1969 por uma firma de engenharia denominada Bedford Associates. Posteriormente, a Bedford Associates mudou de nome para Modicon. O seu primeiro CLP foi projetado como um sistema de controle por computador, especialmente idealizado para uma divisão da General Motors. O primeiro sistema recebeu o número 084 e foi denominado Hard Hat. O número 084 se refere às 84 tentativas de criação do sistema. Os modelos foram evoluindo, sendo que os modelos 184 e 384 se pareciam bastante com os CLPs que estão a venda hoje no mercado. Estes modelos eram totalmente programáveis, usando a lógica de escada. O hardware era composto de microprocessador e lógica de estado sólido. O modelo 284 da Modicon era um sistema pequeno com 80 entradas e 40 saídas. Já o modelo 1084 era capaz de controlar 5120 entradas e 5120 saídas. A sua memória era de 40 K bytes. Em 1977, a Modicon foi comprada pelo Gould Inc. No ano seguinte, foi projetada rede Modbus que permitia aos modelos 484 transmitirem dados entre si. A primeira rede entrou em operação em 1979. Em 1980 a Modicon apresentou um sistema pequeno, compacto, de baixo custo e bastante poderoso. Este sistema, denominado Micro 84, era capaz de controlar 64 entradas e saídas e possuía contadores, temporizadores, seqüenciadores, e funções matemáticas. Em 1984, foi apresentado o modelo 984 que incluía funções de PID. O primeiro sistema da Allen Bradley também foi apresentado em 1969 para o mesmo projeto da PAGE 1 PAGE 137

General Motors, embora não tenha sido empregado no projeto. Na realidade, o primeiro sistema da Allen-Bradley foi desenvolvido em 1959 e foi denominado PDQ. O primeiro controlador da Allen-Bradley com temporizadores, contadores e demais funções de CLP, foi apresentado em 1970 e foi denominado PMC. Em 1975, foi lançado o PLC-2 e, em 1979, o PLC 2/20. Diversos outros modelos foram lançados, posteriormente, pela mesma companhia. A Texas Instruments também lançou vários modelos a partir de 1973, se tornando, juntamente com a Modicon e Allen-Bradley, os maiores fabricantes destes equipamentos. Os CLPs hoje existentes consistem basicamente, de um microprocessador com entradas e saídas digitais e analógicas e que podem ser programados para ligar ou desligar as saídas dependendo dos valores das suas entradas, ou então, variar os valores das saídas analógicas, dependendo dos valores introduzidos em suas entradas analógicas. As saídas são comandadas por um programa, que calcula os valores das saídas com base nas entradas. Este programa fica constantemente em loop, fazendo a varredura das entradas, em intervalos de tempo bastante pequenos.

Basicamente, entende-se por Controladores Lógicos Programáveis (CLP) os dispositivos empregados em controle de processos que executam funções que podem ser classificadas em dois tipos:

• Seqüênciamento de operações • Controle realimentado

Por razões didáticas, estas duas funções são apresentadas separadamente, neste texto, embora estejam integradas em grande parte dos CLPs encontrados no mercado. Assim sendo, há três tipos de CLPs, no que se refere às suas funções:

• Tipo 1 - Somente com funções de seqüênciamento de operações • Tipo 2 - Somente com funções de controle realimentado • Tipo 3 - Com controle realimentado e funções de seqüênciamento de operações

Como exemplo do tipo 3 pode-se citar a linha 5 da Allen Bradley. O controlador MicroLogix 1000 é um exemplo do tipo 1, enquanto que o CD600 da Smar é um caso típico de controlador do tipo 2. Inicialmente, serão tratados os CLPs do tipo 1.

4.3.21 Controladores Lógicos Programáveis usados no Seqüênciamento de operações. Este tipo de controlador tem sido amplamente utilizado nos processos industriais. O termo programável se refere ao fato de que os CLPs trabalham com programas armazenados na memória e que podem ser facilmente alterados para atender às diversas condições de operação das indústrias. Os CLPs substituem os antigos painéis de controle lógico, amplamente utilizados no passado.

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Fig.4.1. Representação esquemática de um CLP.

A diferença básica entre um CLP e um painel de controle lógico é que no CLP, a lógica de controle é executada através de um programa digital armazenado em sua memória. No painel de controle lógico, a lógica de controle é executada através da abertura e fechamento das chaves e relés fisicamente instalados. A utilização de um CLP tem duas fases distintas:

• Programação • Operação

Na fase de programação, toma-se como base o diagrama de contatos do painel lógico de controle e se introduz o programa na memória do CLP. Na fase de operação, o CLP é conectado ao processo para comandar as ações de ligar e desligar seqüencialmente os motores e demais equipamentos. Nesta fase, o CLP executa o programa do usuário em um ciclo fechado, isto é, faz as varreduras nos módulos de entrada e saída e executa e programa, repetidamente.

Conforme se pode observar pela fig.4.1, o CLP possui uma entrada física onde se conecta a fiação de entrada, da mesma forma que em um painel de controle lógico. A cada uma dessas entradas corresponde um bit na memória. Ao conjunto de bits correspondentes à entrada, denomina-se palavra de entrada. Na fase de operação, o CLP usa a palavra de entrada para alimentar o programa do usuário. O resultado deste programa é armazenado na palavra de saída que, então, servirá de base para energizar as saídas físicas correspondentes, com os níveis de tensão preestabelecidos. Em geral, os CLPs são compostos dos componentes básicos que estão descritos a seguir.

4.3.31 Componentes básicos de um CLP Uma configuração mínima de CLP deverá ser composta dos seguintes componentes:

• Processador • Memória • Circuito de Entrada • Circuito de Saída • Painéis de Programação • Fonte de Alimentação

4.3.41 Processador Os CLPs mais simples empregam processadores de 8 bits, devido à pouca exigência de processamento numérico de suas funções. São empregados microprocessadores tais como o Z80 e o 8085 além de microcontroladores 8031, 8032, etc. Diversos fabricantes desenvolveram seus próprios processadores especialmente para os seus CLPs.

Todos esses processadores possuem um conjunto de instruções básicas que permitem:

• Processamento aritmético e lógico • Acesso à memória • Acesso às portas de entrada e saída

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Com estas instruções, são desenvolvidos os programas que permitem a execução das tarefas exigidas dos CLPs. Em geral, os fabricantes de CLP fornecem o software necessário para que o usuário possa, de forma bastante amigável, introduzir os diagramas de contatos e solicitar do equipamento a execução das funções desejadas.

4.3.51 Memória Os CLPs empregam memórias dos tipos ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory), EPROM (erasable and Programmable Read Only Memory) e, principalmente, as memórias do tipo RAM não volátil. Esta última é fundamental para que o CLP não perca os programas armazenados em caso de perda de alimentação elétrica. Uma parte da memória RAM já vem dentro do próprio chip do microprocessador, enquanto que o restante é introduzido em módulos, pelo fabricante do CLP. A quantidade total de memória é definida pelo fabricante com base na capacidade desejada para o seu equipamento. As exigências de memória dos CLPs são mínimas comparadas com os computadores convencionais. Isto, também, se deve ao fato de que os CLPs trabalham, basicamente, com diagramas lógicos, com pouco processamento numérico e com quase nenhuma manipulação algébrica. Os CLPs empregam também memórias do tipo EPROM que são utilizadas para armazenamentos dos programas básicos e dados numéricos. Fica também residente na memória EPROM o programa monitor que inicia as operações básicas e gerencia todas as operações do CLP. Em geral, as memórias dos CLPs são divididas nas seguintes áreas.

• Área de armazenamento de programas • Área de dados • Memória de entrada e saída

A primeira se refere à área onde o programa do usuário fica armazenado. A área de dados se refere às posições de memória para armazenamento de constantes, tais como parâmetros de PID, valores analógicos, dados de contadores, temporizadores, etc. A memória de entrada e saída guarda o estado dos bits que representam as chaves fechadas ou abertas, tanto da entrada como da saída. Em geral, todas estas áreas são do tipo RAM não volátil, pois é importante que, na falta de energia, o programa e os dados não se percam.

4.3.61 Circuito de Entrada Trata-se de um circuito eletrônico capaz de identificar as entradas que estiverem energizadas, fazendo com que as posições correspondentes da palavra de entrada sejam habilitadas caso a entrada correspondente esteja energizada. As entradas, propriamente ditas, podem ser de 110 ou 220 Vac, ou 24 Vdc.

4.3.71 Circuito de Saída Trata-se de um circuito eletrônico capaz de ligar as saídas caso as posições correspondentes na palavra de saída estejam habilitadas. As saídas, propriamente ditas, podem ser de 110 ou 220 Vac, ou 24 Vdc, ou ainda, contatos secos.

4.3.81 Painéis de Programação Os painéis de programação são dispositivos especiais que servem para auxiliar a introdução de programas nos CLPs. Estes dispositivos possuem um teclado especial e podem ser conectados diretamente aos CLPs, em operação. Atualmente estes dispositivos estão caindo em desuso devido ao baixo custo dos computadores do tipo laptop, que os substituem com grandes vantagens.

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4.3.91 Fonte de Alimentação Os CLPs necessitam de uma fonte de alimentação capaz de energizar os seus circuitos eletrônicos e, em certos casos, outra fonte para a energização dos elementos de saída. Em alguns CLPs, as saídas são constituídas apenas de contatos secos.

As seções seguintes serão dedicadas ao detalhamento das instruções básicas mais utilizadas nos CLPs. Para que se possa efetuar aplicações práticas, serão utilizadas as convenções do fabricante [Micrologix 1000, ALLEN BRADLEY], embora grande parte dos princípios apresentados tenha caráter geral. Assim sendo, estes conceitos podem ser aplicados à maioria dos CLPs disponíveis no mercado. Inicialmente, serão apresentados os detalhes de endereçamento.

4.3.101 Endereçamento Para se programar o CLP, deve-se referenciar os bits correspondentes às entradas, às saídas, aos bits que correspondentes aos relés auxiliares etc. Deve-se também endereçar as posições de memória correspondem aos valores analógicos. Cada fabricante usa uma determinada convenção para referenciar estes elementos. No caso específico dos CLPs do fabricante [Micrologix 1000, ALLEN BRADLEY], são utilizadas as convenções apresentadas na tabela 4.1.

Tabela 4.1-Endereçamento

TIPO DO ARQUIVO IDENTIFICADOR LETRA EXEMPLO NÚMERO DO ARQUIVO

SAÍDA (output) O O:0/1 0 ENTRADA (input) I I:0/4 1 ESTADO (Stage) S S:0/3 2 Bit B B3/5 3 TEMPO (Tempo) T T4:0/DN 4 CONTADOR (Counter) C C5:0/DN 5 CONTROLE (Control) R R6:0 6 INTEIRO (Integer) N N7:10 7

A especificação dos endereços é feita por xf:e, onde x é o tipo de arquivo f é o número do arquivo, e é o número do elemento. As convenções utilizadas em cada tipo de endereço estão apresentadas juntamente com as explicações das instruções, nas seções seguintes.

Pode-se também especificar endereços indexados. Para isto, deve-se colocar o caractere # antes do identificador do tipo de arquivo, em um endereço lógico. Pode-se usar mais do que um endereço indexado em um programa. O programa sempre armazena um valor de off-set na palavra S:24. Todas as instruções que usam endereços indexados armazenam o valor de off-set na palavra S:24. O processador começa a operação no endereço indicado pela soma do endereço base com o valor de off-set. Desta forma, pode-se manipular o valor de off-set através de programa do tipo Ladder. Entretanto, para se especificar endereços indexados devem-se seguir as seguintes diretivas:

• Deve-se ter certeza de que o endereço indexado não venha a ultrapassar os limites de cada tipo de arquivo.

• Quando uma instrução usar mais do que os dois endereços indexados, o processador tomará o mesmo índice para cada endereço indexado.

• Deve-se atribuir o valor do off-set à palavra de índice, imediatamente antes de se usar o endereço indexado.

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4.3.111Exemplo de um Endereço Indexado Neste exemplo, uma instrução Masked Move - MVM (veja seção seguinte) faz uso de endereços indexados, tanto nos endereços da fonte como nos endereços de destino. Considere que o valor de off-set, armazenado em S:24 seja igual a 10. Então, o processador irá manipular o conteúdo das posições correspondentes ao endereço base, mais o valor 10. A Fig.4.2 mostra a instrução MVM dentro do diagrama Ladder e a tabela 4.2 mostra os endereços correspondentes.

Fig.4.2. Um exemplo de instrução com endereçamento indexado.

Tabela 4.2 – Endereços do exemplo

VALOR ENDEREÇO BASE VALOR DE OFF-SET ARMAZENADO EM S:24

ENDEREÇO DE OFF-SET

Fonte N7:10 10 N7:20 Destino N7:50 10 N7:60

4.3.121 Endereçamento de Instruções de Arquivo As instruções abaixo manipulam os arquivos das tabelas de dados. Os arquivos são endereçados com o sinal #. Através destas instruções, pode-se armazenar um valor de off-set na palavra S:24, da mesma forma que o endereçamento indexado apresentado anteriormente.

Tabela 4.3 - Instruções de Arquivo

INSTRUÇÃO SIGNIFICADO COP Copy File: Copia arquivo FLL Fill File: preenche o arquivo BSL Bit Shift Left: desloca o bit para a esquerda BSR Bit Shift Right: desloca o bit para a direita FFL FIFO Load: carrega a pilha do tipo “primeiro que entra, primeiro que sai”. FFU FIFO Unload: descarrega a pilha do tipo “primeiro que entra primeiro, que

sai” LFL LIFO Load: carrega a pilha do tipo “último que entra primeiro que sai” LFU LIFO Unload: descarrega a pilha do tipo “último que entra primeiro que sai” SQO Sequencer Output: saída do sequenciador SQC Sequencer Compare: comparação do sequenciador SQL Sequencer Load: carrega o sequenciador

4.3.131 Constantes Numéricas Pode-se introduzir constantes numéricas diretamente em diversas instruções. A faixa de variação para a maioria destas instruções é de -32768 até +32767. Estes valores podem ser mostrados como:

• Números inteiros • Números binários • ASCII • Hexadecimal

Quando se introduz uma constante em uma instrução ou tabela, pode-se especificar o tipo da PAGE 1 PAGE 137

constante através do operador &, seguido de um caractere que define o tipo, isto é:

Tabela 4.4 - Especificação de Constantes

TIPO OPERADOR INTEIRO &N BINÁRIO &B ASCII &A HEXADECIMAL &H BCD &D OCTAL &O

4.3.141 Instruções Básicas para programação de CLP A programação dos CLPs exige sempre o conhecimento detalhado do equipamento a ser utilizado. Há necessidade de se conhecer as características e procedimentos específicos de cada fabricante. Entretanto, uma linguagem bastante utilizada é aquela que imita os diagramas de contatos, amplamente utilizados no passado, nas indústrias. Nestes diagramas, consideram-se uma barra negativa e outra positiva que ligam saídas através de contatos. Como estes desenhos tomam uma forma semelhante a uma escada (Fig.4.5), esta forma de programar os CLP passou a ser conhecida como programação através de diagramas LADDER (escada). Nesses diagramas, têm-se diversos elementos que, em princípio, simbolizam dispositivos físicos que eram utilizados nos painéis de contatos. Basicamente, estes dispositivos físicos eram:

• Contatos • Saídas • Temporizadores • Contadores • Outras funções específicas

Os CLPs utilizam estes mesmos conceitos, exceto que, em vez de utilizarem elementos físicos, realizam estas funções por software. Na verdade, cada um destes elementos e muitos outros, são representados por instruções de software. Esta é a grande vantagem da utilização dos CLPs, pois grandes partes das modificações, em geral, não implicam em mudanças físicas na planta, mas, somente, na modificação do programa armazenado no CLP.

4.3.151 Instrução do Tipo Relé As instruções do tipo relé têm a finalidade de substituir os relés eletromecânicos antigos. Podem ser no tipo NA ou NF conforme mostrados na fig.4.3.

Fig.4.3. Instruções do tipo bit

Relé NA: tais dispositivos fecham os seus contatos quando são energizados (Fig.4.3). A denominação NA, normalmente aberto, se refere à consideração do que os relés eletromecânicos, deste tipo, estariam abertos se estivessem fora do circuito, ou seja, na prateleira. Relé NF: tais dispositivos abrem os seus contatos quando são energizados (Fig.4.3). A denominação NF, normalmente fechado, se refere à consideração de que os relés eletromecânicos, deste tipo, estariam fechados se estivessem fora do circuito, ou seja, na prateleira. PAGE 1 PAGE 137

4.3.161 Instrução - Liga a Saída Esta instrução serve para habilitar uma saída, que tanto pode corresponder a uma saída física do CLP, como a um bit. A saída será habilitada quando a condição do degrau, onde está localizada a instrução se tornar verdadeira. Quando a condição do degrau se tornar falsa, a saída será desabilitada. Este tipo de instrução representa, basicamente, a energização das bobinas nos antigos relés eletromecânicos.

4.3.171 Exemplos de programas Exemplo 1 Nesta aplicação, um CLP é utilizado para acionar uma pá capaz de retirar da esteira rolante os produtos que estiverem tombados. A fig.4.4 ilustra o problema.

Fig.4.4. Exemplo de uma esteira rolante.

SOLUÇÃO: Na fig.4.4, as duas setas horizontais estão simbolizando a existência de duas células fotoelétricas que irão energizar as entradas I:0/1 e I:0/2, caso o objeto esteja em pé. Se o objeto estiver tombado, a entrada I:0/1 estará desligada e I:0/2 estará ligada. Neste caso, deve-se acionar o dispositivo (saída O:0/2) que irá tirar o produto da esteira. Se ambas estiverem desligadas, isto significará que não há produto passando em frente às células, naquele momento. O diagrama ladder correspondente está apresentado na fig.4.5.

Fig.4.5. Diagrama ladder correspondente ao Exemplo

EXEMPLO 2

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Nesta aplicação, um CLP é utilizado para acionar um carimbo capaz de imprimir um rótulo no produto que estiver passando pela esteira rolante. A fig.4.7 ilustra o problema.

Fig.4.6. Exemplo de uma esteira rolante.

SOLUÇÃO: Na fig.4.7 as duas setas verticais estão simbolizando a existência de duas células fotoelétricas que irão energizar as entradas I:0/1 e I:0/2, caso o objeto esteja posicionado. Se o objeto não estiver posicionado, as entradas estarão desligadas. Se ambas estiverem ligadas, o carimbo será acionado. O diagrama ladder correspondente está apresentado na fig.4.7.

Fig.4.7. Diagrama ladder correspondente ao Exemplo 2.

EXEMPLO 3 Este exemplo é uma aplicação de CLPs em automação de subestações de eletricidade. Trata-se do intertravamento entre um disjuntor e duas seccionadoras. Através deste intertravamento, impede-se que se operem as seccionadoras com o disjuntor ligado. O diagrama unifilar da fig.4.8 ilustra o problema.

Fig.4.8. Diagrama unifilar.

SOLUÇÃO: O CLP deverá receber as seguintes entradas: I:0/0 - Contato auxiliar do disjuntor informando a sua condição de aberto ou fechado I:0/1 - Comando para ligar a seccionadora 1 I:0/2 - Comando para desligar a seccionadora 1 I:0/3 - Comando para ligar a seccionadora 2 I:0/4 - Comando para desligar a seccionadora 2

As saídas do CLP deverão ser: O:0/1 - Saída para ligar a seccionadora 1 O:0/2 - Saída para desligar a seccionadora 1 O:0/3 - Saída para ligar a seccionadora 2 O:0/4 - Saída para desligar a seccionadora 2

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Na prática, este problema poderá envolver outras variáveis que não serão tratadas neste exemplo. Por exemplo, pode-se incluir contatos auxiliares em cada uma das seccionadoras e, desta forma, supervisionar o motor que liga e desliga as seccionadoras. Assim, pode-se monitorar os casos em que, por algum problema, o fechamento ou a abertura das seccionadoras não se complete. Por motivos didáticos, neste exemplo, apresenta-se uma forma simplificada de solução.

Fig.4.9. Diagrama ladder do exemplo 3

Deve-se observar também que, neste exemplo, considera-se que para se ligar ou desligar as seccionadoras basta pressionar a botoeira correspondente. A tarefa de selar o contato será feita por outro dispositivo. Para se selar uma saída usando o próprio CLP pode-se usar as instruções apresentadas a seguir.

4.3.181 Instrução Liga e Desliga com Selo (OTL E OTU) Através da instrução OTL uma saída será ligada quando a condição do degrau a que pertence se tornar verdadeira, permanecendo ligada mesmo que as condições se tornem falsas. A saída somente será desligada através da instrução OTU. No exemplo apresentado na fig.4.10, a saída O:0/1 será ligada e permanecerá ligada, quando a entrada I:0/4 for ligada. Quando a entrada I:0/5 for ligada, a saída O:0/1 será desligada através da instrução OTU.

Fig.4.10. Instruções OTL e OTU

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O diagrama da fig.4.11 pode ser feito, sem as instruções OTL e OTU, utilizando-se contatos auxiliares, como na fig.4.11.

Fig.4.11. Selando a saída

Na fig.4.11, ao se habilitar a entrada I:0/4, estando a I:0/5 desabilitada, a saída O:0/1 fica ligada em definitivo. Para desligá-la basta um pulso na entrada I:0/5. Como se pode observar, para isso foi necessário o uso do bit B3/1. Observe que os diagramas das fig.4.10 e fig.4.11 executam, exatamente, a mesma tarefa, porém com instruções diferentes.

4.3.191 Instrução Liga em uma varredura (OSR) Esta instrução serve para ligar uma saída quando o estado de um degrau passar de falso para verdadeiro. Nestas condições, a instrução passará de desligada para ligada, somente em uma varredura. Terminada a varredura a instrução voltará a ser falsa, mesmo que as condições do degrau permaneçam verdadeiras. A instrução se tornará verdadeira novamente, somente quando a condição do degrau passar de falsa para verdadeira. O código mnemônico para esta instrução é OSR. Pode-se usar somente uma instrução OSR, por degrau, para cada saída. O endereço da instrução OSR deve ser de um bit, isto é, não poderá ser de uma saída ou entrada física. Este endereço não pode ser usado em outra parte do programa. O diagrama da fig.4.12 ilustra o uso desta instrução.

Fig.4.12. Instrução OSR

Neste exemplo, quando a entrada I:0/4 for ligada, a saída I:0/5 será também ligada e permanecerá ligada somente durante o tempo de uma varredura do CLP. A saída somente voltará a ser ligada quando a entrada I:0/4 for ligada novamente. Observe que mesmo que a entrada permaneça ligada, a saída somente ficará ligada durante o tempo de uma varredura do CLP.

4.3.201 Temporizadores Os temporizadores realizam, por software, as funções dos antigos relés de tempo eletromecânicos. Estes relés eram construídos com peças de relojoaria bastante precisas e

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realizavam com perfeição a função de fechar e abrir contatos após ter transcorrido o tempo prefixado. Os temporizadores são programados através de instruções que ocupam 3 palavras. A palavra 0(zero) contém os controles, a palavra 1(um) contém o valor prefixado e a palavra 2(dois) contém o valor acumulado. O esquema da fig.4.13, mostra a organização dessas três palavras.

Fig.4.13. Estrutura do Temporizador.

Na fig.4.13 os bits EN, TT e DN têm significados diferentes dependendo do tipo de instrução que estiver sendo utilizada. Os elementos do temporizador são:

Valor acumulado (ACC): trata-se do tempo transcorrido desde a última vez que o temporizador foi inicializado.

Valor prefixado (PRE): trata-se do valor que o temporizador precisa atingir para que o bit DN seja habilitado. Tanto ACC como PRE podem variar de 0 a +32.767. Se, por algum motivo, ACC ou PRE assumirem valores negativos, ocorrerá um erro de execução.

Base de tempo: trata-se do valor pelo qual deve-se multiplicar o valor de tempo real transcorrido. Há somente duas possibilidades para a base de tempo 0.01 (10ms) ou 1.0 segundo.

O endereçamento dos temporizadores, para o mesmo fabricante, é feito como no exemplo seguinte, onde o temporizador utilizado tem o número zero (0). Observe que todos os temporizadores serão referidos por T4. A convenção usada segue a fórmula Tf:e.s/b onde cada um dos elementos tem o significado apresentado abaixo:

Tabela 4.5 - Endereçamento de um Temporizador

SÍMBOLO SIGNIFICADO T Indica que se trata de um temporizador f Trata-se do número do arquivo, que no caso de temporizadores, deve ser

sempre igual a 4. : Delimitador de elemento e Número do elemento. Varia de 0 a 39, onde cada número representa um

conjunto de 3 palavras. Indica que o símbolo ou número que vem em seguida se refere a uma palavra de memória e não um bit.

S Trata-se do sub-elemento, que tanto pode ser a representação de uma palavra ou um bit. É um delimitador que indica que o símbolo que vem em seguida se refere a um bit e não a uma palavra de memória.

b trata-se do símbolo ou do número do bit correspondente.

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Na tabela seguinte, apresentam-se os endereços correspondentes aos elementos do temporizador de número 0 (zero).

Tabela 4.6 - Exemplos de Endereços

ENDEREÇO SIGNIFICADO T4:0/15 ou T4:0/EM Bit EN do temporizador 0 T4:0/14 ou T4:0/TT Bit TT do temporizador 0 T4:0.1 ou T4:0.PRE Valor prefixado para o temporizador 0 T4:0.2 ou T4:0.ACC Valor acumulado do temporizador 0 T4:0.1/0 ou T4:0.PRE/0 Bit 0 do valor prefixado T4:0.2/0 ou T4:0.ACC/0 Bit 0 do valor acumulado

Para o CLP apresentado há basicamente, 3 tipos de temporizadores:

• Temporizador TON (Timer On Delay) • Temporizador TOF (Timer Of-Delay) • Temporizador RTO (Retentive Timer RTO)

4.3.211Temporizador TON Esta instrução deve ser usada para se atrasar o momento de se ligar ou desligar um contato. Quando as condições do degrau se tornarem verdadeiras o temporizador começará a contar o tempo e os bits DN, EN e TT se comportarão como na tabela abaixo.

Tabela 4.7 – Temporizador TON

BIT SERÁ HABILITADO QUANDO PERMANECERÁ HABILITADO ATÉ QUE

Dn (Done Bit) O valor acumulado for igual ou maior que o valor prefixado

as condições do degrau se tornem falsas

EN (Enable Bit) As condições do degrau se tornarem verdadeiras

as condições do degrau se tornem falsas

TT (Timer Timing Bit) As condições do degrau se tornarem verdadeiras e o valor acumulado for menor que o valor prefixado

as condições do degrau se tornarem falsas ou quando o bit DN for habilitado.

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A fig.4.14 mostra como o temporizador pode ser utilizado em um diagrama Ladder.

Fig.4.14. Exemplo do uso de um temporizador.

Neste exemplo, quando a entrada I:0/4 for habilitada, será dada a partida no temporizador T4:0. Transcorridos 12 segundos, o bit T4:0/DN será habilitado, ligando-se a saída O:0/1. Caso a entrada I:0/4 seja desabilitada antes de se completar o tempo prefixado, o temporizador será desabilitado, zerando-se o acumulador.

4.3.221 Contadores Os contadores são instruções usadas para se contar eventos. No caso do fabricante [2] cada instrução de contador utiliza três palavras conforme a fig.4.15.

Fig.4.15. Estrutura do Contador

Na fig.4.15, os bits referenciados são os seguintes:

Bit 15: Bit de habilitação de contagem crescente (Counter Up) Bit 14: Bit de habilitação de contagem decrescente (Counter Down)

Bit 13: Bit de conclusão da contagem (Done Bit) Bit 12: Bit de Overflow (Overflow Bit) Bit 11: Bit de Underflow (Underflow Bit)

Bit 10: Bit de indicação de atualização do acumulador

Os demais elementos do contador são:

Valor acumulado (ACC): trata-se do número de vezes que o degrau passou da condição de falso para verdadeiro, desde a última vez que o contador foi inicializado.

Valor prefixado (PRE): trata-se do valor que o acumulador precisa atingir para que o bit DN seja habilitado. Tanto ACC como PRE podem variar de -32.767 a +32.767. Os valores negativos são armazenados na forma de