Controle de Processos
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1. Para Relembrar... a. Objetivo
b. Ementa Geral
c. Metodologia
d. Bibliografia / Bibliografia Avançada
2. Introdução a. Overview
b. Informática e Automação
c. Gerenciamento e Controle
d. Histórico
e. O que é Controle?
f. Especificações de Desempenho
Sumário
1. ...
2. ...
3. Evolução do Controle a. DDC - Digital Direct Control
b. DCS - Distributed Control Systems
c. FCS - Field Control Systems
4. Sistema a. O que é um Sistema
b. Definição
c. Elementos Básicos de um Sistema i. Subsistema
ii. Relações
iii. Propósito
Sumário
1. ...
2. ...
3. ...
4. ..
5. Sistemas Fechados x Sistemas Abertos a. A era dos Sistemas Abertos
b. Sistemas Abertos na Automação
c. Justificativas dos Fabricantes!!
d. Liberdade
6. Atributos de Sistemas Abertos a. Interconectividade
b. Interoperabilidade
c. Intercambialidade
d. Extensibilidade
e. Escalabilidade
7. Integração de Sistemas x Desafio da Integração
Sumário
• A disciplina de Controle de Processos tem como
objetivo munir os alunos com conceitos e
tecnologias normalmente encontradas em ambientes
fabris. Serão discutidos conceitos de projeto
relativos à automação industrial e as tecnologias
atualmente utilizadas na solução de problemas de
controle na indústria, tendências para o futuro,
vantagens e desvantagens relacionadas à
implantação e operação de processos
automatizados.
Objetivo
• Conceitos de regulagem automática, ações de
controle, análise e projeto de sistemas de controle.
• Aplicação dos sistemas de controle em plantas
industriais: objetivos, instrumentação e malhas de
controle.
Ementa Geral
• O conteúdo será ministrado utilizando-se abordagem
sócio individualizada, através de aulas expositivas,
tarefas em sala, tarefas extra sala (simulação
computacional) e prática de laboratório.
• O objetivo principal é a aplicação do conceito teórico
na prática, permitindo ao aluno uma análise crítica.
Metodologia
• GIOZZA, W. F. E, e outros. Redes Locais de Computadores: tecnologia e aplicações. São
Paulo: Mc GRAW HILL, 1986.
• LOPEZ, R. A. Sistemas de Redes para Controle e Automação. BOOK Express, 2000.
• TANENBAUM, A. S. Redes de Computadores. 4ª Ed. São Paulo: CAMPUS, 2003.
• MOLLENKAMP, R. A. Controle automático de processos. São Paulo: EBRAS, 1988.
• OGATA, K. Engenharia de controle moderno. 4ª Ed. Rio de Janeiro: Prentice-Hall, 2003.
• VALDMAN, B. Dinâmica e Controle de Processos. Santiago (Chile): Tórculo Artes Gráficas,
2000.
Bibliografia
• Livro: ENGENHARIA DE CONTROLE MODERNO; Autor(es).: OGATA, KATSUHIKO;
Editora.: PEARSON MAKRON BOOKS; Edição.: 5; Local de Publicação.: SAO PAULO; Ano
de Publicação.: de 1998 a 2010.
• Livro MODELAGEM DA DINAMICA DE SISTEMAS E ESTUDO DA RESPOSTA;
Autor(es).: FELICIO, LUIS CARLOS; Editora.: RIMA; Edição.: 2; Paginação.: 551;
Local de Publicação.: SAO PAULO; Ano de Publicação.: de 2010 a 2010.
• Livro ENGENHARIA DE CONTROLE; Autor(es).: BOLTON, W.; Editora.: MAKRON BOOKS;
Edição.: 1; Paginação.: 497; Local de Publicação.: RIO DE JANEIRO, RJ Ano de
Publicação.: 1995.
• Livro SISTEMAS DE RETROACAO E CONTROLE, COM APLICACOES PARA
ENGENHARIA, FISICA E BIOLOGIA; Autor(es).: DISTEFANO, JOSEPH J. (OUTROS);
Editora.: MCGRAW-HILL DO BRASIL; Edição.: 1; Paginação.: 480; Local de
Publicação.: RIO DE JANEIRO, RJ; Ano de Publicação.: de 1972 a 1973.
• Livro SOLUCAO DE PROBLEMAS DE ENGENHARIA DE CONTROLE COM MATLAB;
Autor(es).: OGATA, KATSUHIKO; Editora.: PRENTICE-HALL DO
BRASIL; Edição.: 1; Paginação.: 330; Local de Publicação.: RIO DE JANEIRO, RJ; Ano de
Publicação.: 1997.
• Livro SISTEMAS DE CONTROLE MODERNOS; Autor(es).: DORF, RICHARD
C. (OUTROS); Editora.: LTC - LIVROS TECNICOS E CIENTIFICOS; Edição.: 8;
Paginação.: 659; Local de Publicação.: RIO DE JANEIRO, RJ; Ano de Publicação.: 2001.
Bibliografia Avançada
• Os sistemas de controle são uma parte integrante da
sociedade moderna. Diversas aplicações nos
rodeiam:
√ Foguetes e naves espaciais;
√ Refrigeração em usinagem automática;
√ Veículos autônomos;
√ Aeronáutica;
√ Eletrodomésticos;
√ Mecatrônica;
√ Processos químicos.
Introdução
• Os sistemas controlados não são criados apenas pelos seres humanos; eles também existem na natureza. √ Pâncreas – Regula o açúcar no sangue;
√ Adrenalina – Instinto de sobrevivência;
√ Visão – Orientação e mapeamento;
√ SNA – Controle da VFC.
Definição
“Um sistema de controle é a interconexão de componentes (subsistemas e processos) formando uma configuração de
sistema que produzirá uma resposta desejada”.
Introdução
• O ambiente operacional das indústrias mudou de
maneira acentuada nos últimos anos. A informática
está se tornando cada vez mais importante para a
produtividade e a competitividade, e tem
revolucionado o mundo através da internet.
Introdução
• O conceito de rede passou a fazer parte dos sistemas de automação, quando surgiu a necessidade de interligar os vários equipamentos de uma aplicação de forma a minimizar custos e aumentar a operacionalidade de uma aplicação.
• A utilização de redes em aplicações industriais prevê um significativo avanço nas seguintes áreas: √ Custos de instalação;
√ Procedimentos de manutenção;
√ Opções de upgrades;
√ Informação de controle de qualidade.
Informática e Automação
• Flexibilidade para alterar as configurações
atendendo às novas demandas;
• Distribuição de funções críticas, como o controle
para o campo;
• Totalmente digital;
• Arquitetura mais enxuta com custo menor;
• Interoperabilidade entre vários fabricantes
aumentando as possibilidades de escolha e a
redução de custos adicionais;
• Possibilidade de expansão a custo reduzido.
Gerenciamento e Controle
• 1769 → Máquina a vapor de James Watt;
• 1868 → J. C. Maxwell utilizando o cálculo diferencial, estabeleceu a primeira análise matemática do comportamento de um sistema máquina-regulador.
• 1913 → Henry Ford desenvolve uma máquina de montagem utilizada na produção de automóveis;
• 1927 → H. W. Bode analisa amplificadores realimentados;
• 1932 → H. Nyquist desenvolve um método para analisar a estabilidade de sistemas;
• 1952 → Controle numérico desenvolvido pelo MIT;
• 1954 → George Devol desenvolve o primeiro projeto industrial robotizado;
• 1970 → Teoria de variáveis de estado e controle ótimo é desenvolvida;
• 1980 → Projeto de sistemas de controle robusto é desenvolvido;
• 1990 → Automação da manufatura é difundida;
• 1995 → Controle automático é largamente utilizado em automóveis. Sistemas robustos são utilizados na manufatura.
Histórico
• Atual → Enorme variedade de equipamentos de
medidas primárias, transmissão das medidas
(transmissores), de regulação (controles
pneumáticos, elétricos e eletrônicos), de controle
final (válvulas pneumáticas, válvulas solenoide,
servomotores, entre outros), de registro
(registradores), de indicação (indicadores
analógicos e digitais), de computação (relés
analógicos, relés digitais com
microprocessador), PLC’s, SDCD’s, etc.
Histórico
• Um problema de controle consiste em determinar
uma forma de afetar um sistema físico considerado
de modo que o seu desempenho atenda às
especificações de desempenho;
• O comportamento do sistema físico pode ser
alterado através das variáveis manipuladas geradas
por um controlador.
O que é Controle?
• Podem envolver requisitos como:
– Rapidez na resposta: tempo de subida, transferência em
tempo mínimo;
– Exatidão: sobressinal, erro de regime, rastreamento de
referência;
– Custo: mínima energia, mínimo combustível;
– Segurança: estabilidade, robustez à incertezas;
– Conforto: rejeição à distúrbios, capacidade de
autodiagnostico;
– Simplicidade: modelos reduzidos, número pequeno de
componentes.
Especificações de Desempenho
• Os primeiros sistemas de controle de processo eram totalmente analógicos.
• As redes de automação foram introduzidas em 1970 através dos DDC (Direct Digital Control) e logo em seguida também em DCS (Distributed Control Systems) e PLC (Programmable Logic Controller);
• Os equipamentos de campo (transmissores) digitais surgiram em 1980.
• Porém as redes fieldbus FCS (Field Control Systems), que interligam os equipamentos de campo, só vieram a surgir em 1990.
Evolução do Controle
• A função de controle DDC, é um sistema de
supervisão que possui uma linguagem tal, que
permite definir diretamente ações de controle
sem depender de um nível intermediário
representados por componentes inteligentes, já nas
operações de entrada e saída, são usados
componentes mais simples ou são executadas
através de cartões de I/O ligados diretamente no
barramento do micro.
DDC - Digital Direct Control
• A filosofia do “sistema de controle digital distribuído”
é a de dividir os equipamentos em vários módulos
funcionalmente distintos: processo, controle,
operação, gerenciamento e comunicação.
• A arquitetura SDCD, caracteriza-se por um elevado
nível de redundância: √ Redundância de servidores;
√ Redundância de rede de comunicação de dados;
√ Redundância de cartões de entrada e saída, etc.
Exemplo: Rede Hart 4-20 mA.
DCS - Distributed Control Systems
• A arquitetura enxuta de um FCS, eliminou vários
níveis hierárquicos, inclusive a dos caros
controladores e subsistemas de E/S, resultando em
uma arquitetura com apenas dois níveis: industrial e
comercial.
FCS - Field Control Systems
• Um sistema é um conjunto de elementos
independentes em interação, com vistas a atingir um
objetivo.
Definição
SistemaEntrada Saída
• A definição identifica, embora usando termos um
pouco diferentes, três elementos básicos que são
essenciais na conceituação de sistemas:
√ Subsistemas;
√ Relações;
√ Propósito.
Elementos Básicos de um Sistema
• O primeiro aspecto é que os sistemas são
compostos de elementos que podem ser
identificados de forma independente uns dos
outros. Isso significa que embora sejam partes
constituintes do sistema os elementos têm uma
existência e uma identidade próprias que os destaca
como partes individuais.
Subsistema
• Através das interações e relações dinâmicas os
elementos colaboram uns com os outros para
produzir um sistema interessante porque apresenta
algum propósito novo e especial que seus elementos
independentes isoladamente não seriam capazes de
exibir.
Relações
• Qual o objetivo do sistema?
• Para que serve o sistema?
Lembrem-se:
A identificação de um sistema está intimamente
relacionada à identificação do propósito do
sistema.
Propósito
• A indústria de computadores pessoais popularizou o
sucesso das soluções abertas, mostrando que
sistemas compostos a partir de dispositivos de
fabricantes diferentes não só são viáveis mediante a
definição de padrões abertos como também trazem
aos clientes, usuários e até mesmo aos pequenos
fabricantes vantagens indiscutíveis.
A era dos Sistemas Abertos
• Nem mesmo a indústria de automação e controle de
processos, que é por tradição conservadora, não
escapou de seguir esta moderna tendência, e foi
sendo dirigida pela pressão do mercado a definir
padrões para permitir soluções abertas.
• Os grandes sistemas de automação eram até bem
pouco tempo soluções tipicamente proprietárias,
por causa das dificuldades técnicas para se
implementar soluções abertas.
Sistemas Abertos na Automação
• Soluções proprietárias lhes permitiam manter cativos
seus clientes, de forma que se um desses clientes
adquirisse um dispositivo daquele fabricante ele teria
que adquirir também desde parafusos e chaves de
fenda, até softwares de configuração, manutenção e
operação dos dispositivos, e não raro até serviços
de configuração, instalação e assistência técnica.
Justificativas dos Fabricantes!!
• O maior apelo dos sistemas abertos é a liberdade
de escolha que proporcionam ao cliente e ao
usuário final.
• Se ele não está preso por uma arquitetura
proprietária ele tem à sua disposição para escolha
uma vasta gama de equipamentos e soluções de
diversos fabricantes.
Liberdade
• O conceito de sistema aberto é muito abrangente.
Um sistema pode ser mais aberto ou menos aberto
dependendo do grau em que ele apresenta cada um
dos cinco atributos:
√ Interconectividade;
√ Interoperabilidade;
√ Intercambiabilidade;
√ Extensibilidade;
√ Escalabilidade.
Atributos de Sistemas Abertos
• É a capacidade de conectar em rede
equipamentos, máquinas e aplicativos através de
canais de comunicação de forma que eles possam
trocar informações e interpretar as informações
trocadas.
Interconectividade
• A interoperabilidade é conseguida quando soluções de vários fabricantes operaram umas com as outras. Isso quer dizer que, uma vez que se tenha interconectividade, num sistema interoperável os equipamentos, as máquinas e os aplicativos podem comandar uns aos outros.
Interoperabilidade
• A intercambiabilidade tem a ver com a
possibilidade de se substituir um equipamento,
máquina ou aplicativo de um fabricante pelo de outro
sem perda de funcionalidade.
Intercambialidade
• O sistema apresenta
extensibilidade quando
novas funcionalidades
podem ser incluídas
pela simples adição de
novos equipamentos,
máquinas e aplicativos
sem impacto nas
funcionalidades já
existentes no sistema.
Extensibilidade
• A escalabilidade é o atributo que garante que o sistema possa ser usado desde aplicações muito pequenas até aplicações muito grandes, sendo que a configuração para aplicações pequenas é relativamente simples e barata. Mas se a aplicação se desenvolver e se tornar maior e mais complexa, o sistema suporta também uma configuração mais sofisticada e proporcionalmente mais cara. Isso que dizer que o usuário não precisa pagar caro para atender uma aplicação simples, nem pagar mais barato por uma solução simples que depois não pode ser estendida.
Escalabilidade
• Aumento de produção nas empresas → investimento
em novos equipamento / troca de parte dos
equipamentos existentes;
• Surgem situações onde o antigo tem que existir com
o novo → integração dos equipamentos;
• Observe para que a confiabilidade e rendimento do
equipamento modificado sejam no mínimo iguais aos
das novas partes.
Integração de Sistemas
• Para obtenção deste resultado, os sistemas de
controle devem estar totalmente integrados,
permitindo uma operação estável, contínua e
segura.
Integração de Sistemas
• Nas arquiteturas antigas cada ponto ou dispositivo adicional era um peso para o sistema;
• Nas tecnologias distribuídas, cada ponto ou dispositivo adicional contribui com um microprocessador;
• A inteligência é distribuída em níveis cada vez mais baixos na hierarquia → necessidade de mais dispositivos conectados a barramentos de campo industriais;
Integração de Sistemas
• O microprocessamento distribuído permite o controle
de operações com baixo custo, simplicidade e
flexibilidade;
• Evolução da tecnologia em automação → Soluções
em automação de processo e de controle com baixo
custo.
Integração de Sistemas
• O nível mais alto, nível de informação da rede, é
destinado a um computador central que processa o
escalonamento da produção da planta e permite
operações de monitoramento estatístico da planta
sendo implementado, geralmente, por softwares
gerenciais (MIS).
• O padrão Ethernet operando com o protocolo TCP/IP
é o mais comumente utilizado neste nível.
Nível de Informação
• O nível intermediário, nível de controle da rede, é a
rede central localizada na planta incorporando
PLCs, SDCDs e PCs.
• A informação deve trafegar neste nível em tempo
real para garantir a atualização dos dados nos
softwares que realizam a supervisão da aplicação.
Nível de Controle
• O nível mais baixo, nível de controle discreto, se
refere geralmente às ligações físicas da rede ou o
nível de I/O. Este nível de rede conecta os
equipamentos de baixo nível entre as partes
físicas e de controle.
• Neste nível encontram-se os sensores discretos,
contatores e blocos de I/O.
Nível de Dispositivos
• Exemplo: indústrias automobilística, eletroeletrônicos
que utilizam processos de produção em série;
• Funções de controle relativamente simples como
ligar e desligar um sistema, gerenciar uma correia
transportadora, entre outros;
• Um CLP de baixo custo atende a simples sistemas
tranquilamente.
Processos Discretos
• Envolvem aplicações mais complexas e imprescindíveis como nas empresas: químicas, petroquímicas, petrolíferas, siderúrgicas, de mineração, de papel e celulose, usinas de álcool, destilarias de álcool, alimentícias, usinas nucleares, de navegação, usinas de energia elétrica, distribuidoras de energia elétrica etc.
• Quanto mais variáveis e controles de processo envolvidos na aplicação, mais difícil será implementar soluções baseadas em CLPs.
Processos Contínuos
• Principal Objetivo: Conseguir que uma variável dinâmica se mantenha constante em um valor específico;
• Para isso é necessário uma malha de controle fechada, que opere sem intervenção do elemento humano;
• O valor da variável controlada é medido com um sensor e comparado com o valor desejado (setpoint). A diferença entre o setpoint e a variável controlada é conhecida como erro (ou desvio). A saída do controlador é determinada em função desse erro e é usada para ajustar a variável manipulada.
Fundamentos
Controle Automático de Processos
• O termo processo, significa as funções e/ou
operações usadas no tratamento de um material ou
matéria-prima.
√ No exemplo abaixo temos um processo para aquecimento
de água. É um trocador de energia (trocador de calor).
Processos
• Variáveis de Processo (PV) ou Variável Controlada
(VC);
– Controle Direto x Controle Indireto.
• Variável Manipulada (MV);
• Variável de Carga ou Variável Secundária.
Variáveis do Processo
• Variáveis de Processo (PV) ou Variável Controlada (VC): – Variável que indica diretamente o estado do produto;
– Variável que se deseja manter dentro de padrões (limites).
• Controle Direto: Através da leitura da variável controlada ou variável de processo, se garante que o produto se mantenha dentro dos padrões desejados; Exemplo: Num sistema de aquecimento de água, a variável controlada é a temperatura da água de saída do aquecedor.
• Controle Indireto: Quando a leitura direta de uma variável for difícil de ser implementada, pode-se trabalhar com uma variável secundária do processo; – Exemplo: Forno de recozimento, onde a variável controlada seria a
condição de recozimento do produto, porém controla-se a temperatura.
Variáveis do Processo
• Variável Manipulada (MV):
– É a variável sobre a qual o controlador automático atua;
– Pode ser qualquer variável do processo que causa uma
variação rápida na variável controlada;
– Exemplo: No caso do aquecedor de água, a variável
manipulada é a entrada de vapor.
• Variável de Carga ou Variável Secundária:
– São todas as outras variáveis independentes do processo;
– Impõem flutuações no processo que devem ser absorvidos
pelos controladores a fim de manter a variável controlada no
valor desejado;
– Exemplo: Temperatura da água de entrada do aquecedor.
Variáveis do Processo
• Autorregulação;
• Atrasos em Processos
– Resistência;
– Capacitância
• Monocapacitância;
• Bicapacitância;
• Multicapacitância.
– Tempo Morto.
• Efeitos de Distúrbios
– Distúrbio de Alimentação;
– Distúrbio de Demanda;
– Distúrbio de Set-Point.
Características dos Processos
• Característica própria de um processo que ajuda a
limitar o desvio da variável controlada.
– Processo Estável (autorregulado): Existe um equilíbrio
entre entrada e saída do processo;
– Processo Instável (não autorregulado): Não existe
tendência de haver equilíbrio entre entrada e saída.
Autorregulação
• Algumas características dos processos podem atrasar as mudanças nos valores das variáveis envolvidas no controle. Isso aumenta a dificuldade de controle. São causados por três propriedades: – Resistência:
Resistem a transferência de energia ou de um material. Exemplos: paredes das serpentinas, resistência a passagem de um fluido em uma tubulação, resistência a transferência de energia térmica.
– Capacitância: É a característica apresentada por alguns componentes do processo que acumula energia ou material. Exemplos: tanques, reservatórios.
– Tempo Morto: É o intervalo de tempo entre o instante em que o sistema sofre uma variação qualquer e o instante em que esta começa a ser detectada pelo elemento sensor.
Atrasos em Processos
Resistência
• Resistência de tubulações entre outros.
R = 𝑑ℎ
𝑑𝑞.
Onde: 𝑑𝑉 = variação de nível (potencial);
𝑑𝑞 = variação de fluxo.
• Acumula energia ou material.
• Pode ser discriminadas em:
– Monocapacitância;
– Bicapacitância;
– Multicapacitância.
• Exemplo: Tanques de mesma capacidade podem apresentar
diferentes capacitâncias.
C = 𝑑𝑉
𝑑ℎ= 𝐴.
Onde: 𝑑𝑉 = variação de volume;
𝑑𝑞𝑑𝑡 = variação de nível;
𝐴 = área.
Capacitância
Capacitância
Capacidade (V) = 𝜋×𝑑2
4× ℎ =
𝜋×42
4× 8 ≅100𝑚3 Capacidade (V) =
𝜋×(4 2)2
4× 4 ≅100𝑚3
Capacitância (C) = 100
8≅ 12.5𝑚3
𝑚 Capacitância (C) = 100
4≅ 25𝑚3
𝑚
Tempo Morto
• É o intervalo de tempo entre o instante em que
o sistema sofre uma variação qualquer e o
instante em que esta começa a ser detectada
pelo elemento sensor.
TM = 𝑠
𝑣.
Onde: 𝑠 = distância;
𝑣 = velocidade;
TM = Tempo morto τ .
Exemplo de Tempo Morto (Correia Transportadora)
• O tempo morto entre a ação da válvula e a variação
resultante no peso, é igual a distância entre a válvula
e a célula detectora de peso dividida pela velocidade
de transporte da correia.
Exemplo de Tempo Morto (Medição de pH)
• O eletrodo de medição do pH deve ser instalado a
jusante do ponto de adição do neutralizante
cáustico, para dar o tempo necessário de mistura e
reação química.
• Se o fluído flui a uma velocidade de 2 m/s e a
distância é igual a 10 m, o tempo morto será de 5 s.
Inércia (Extra) • Inércia ou indutância é a relação da quantidade de potencial
necessária para modificar uma unidade a velocidade de
variação do fluxo.
• É necessário observar que a indutância relaciona potencial
por taxa de variação.
• A indutância surge nos processos em que grandes massas
oferecem dificuldade de troca de energia (térmica por
exemplo).
• Desta forma, a indutância pode ser representada por:
𝐿 = 𝑑ℎ
𝑑𝑞𝑑𝑡
.
Onde: 𝑑ℎ = variação de potencial;
𝑑𝑞𝑑𝑡 = taxa de variação do fluxo (velocidade de variação).
Distúrbios e seus Efeitos
• Num sistema de controle é importante se levar em
consideração efeito de distúrbios.
• Reflexão: Imagine um sistema de aquecimento
doméstico em malha aberta, tal que um aquecedor é
ligado para obter uma temperatura. O que
aconteceria se uma janela fosse aberta e uma rajada
de ar frio entrasse na sala?
Efeitos de Distúrbios
• No controle automático de processos podem ocorrer
três tipos de distúrbios de processo:
– Distúrbio de Alimentação;
– Distúrbios de Demanda;
– Distúrbios de Setpoint.
Distúrbio de Alimentação
• É uma mudança na entrada de energia (ou de
material) no processo. Geralmente é chamado de
mudança de carga de alimentação.
– Exemplo: No trocador de calor, visto anteriormente,
mudanças na qualidade ou na pressão de vapor, ou na
abertura da válvula são distúrbios de alimentação.
Distúrbios de Demanda
• É uma mudança na saída de energia (ou material)
do processo. Geralmente é chamado de mudança
de carga de demanda.
– No nosso exemplo do trocador de calor, as mudanças de
temperatura da água fria e da vazão da água são
distúrbios de demanda.
Distúrbios de Setpoint
• É a mudança no ponto de trabalho do processo. As
mudanças de setpoint geralmente são difíceis de
analisar por várias razões:
– São, geralmente, aplicadas muito repentinamente;
– São, geralmente, mudanças na alimentação, e por isso
devem atravessar o circuito inteiro para serem medidas e
controladas.