Universidade do Vale do Paraíba Colégio Técnico Antônio Teixeira Fernandes Disciplina Controle e Automação

Transcrição

1 Universidade do Vale do Paraíba Colégio Técnico Antônio Teixeira Fernandes Disciplina Controle e Automação Curso Técnico em Eletrônica e Informática Industrial Material I-Bimestre Conceitos Básicos de controle; Sistemas de controle e modelos de sistemas; Loop causal; realimentação positiva/negativa; Diagramas de processos; Técnicas de controle (On/Off) Site : Prof. Responsáveis Wagner Santos C. de Jesus 1

2 Histórico A maioria das plantas industriais era essencialmente operada manualmente antes dos anos de Usava-se apenas controladores elementares. 1950, tornou-se anti-econômico, ou inviável, operar plantas sem dispositivos de controle automático. 2

3 Controle e Automação década (1940) 3

4 Sistemas para combustíveis alternativos

5 Somente a partir da década de 1960 é que toda a teoria de controle e análise dinâmica, desenvolvidas inicialmente por engenheiros eletricistas e aeroespaciais, começou a ser aplicada em processos industriais. Nos anos 1970 a 1980, a teoria de controle evoluiu para melhoria e o refinamento de sistemas de controle usando processamento dos computadores digitais, foram desenvolvidos algoritmos DDC (controle digital direto). 5

6 Sistemas de Controle e Automação Um sistema de automação industrial é conceituado como um conjunto de recursos de produção (máquinas, robôs, ferramentas, dispositivos de armazenamento, etc) capaz de funcionar de modo relativamente autônomo, controlado por computadores. Além da eficiência econômica, esses sistemas devem ter características como modularidade e flexibilidade, de modo que seja possível a sua adaptação a possíveis mudanças na estrutura produtiva (ex. atualização de produtos, reconfiguração, manutenção, ampliação física das instalações). 6

7 Usando métodos para: Identificação; Otimização; Controle avançado; Controle estatístico dos processos. 7

8 Ferramentas de um Sistema de Automação A U T O M A Ç Ã O Computação / Eletrônica Mecânica Controle 8

9 9

10 CNC Controle Numérico Computadorizado 10

11 FMS Sistemas Flexíveis de Manufatura 11

12 Microscópio de Inspeção 12

13 Arquitetura de Controle Industrial Planta Gerenciamento de dados (Gerencial) Controle Coordenação de equipamentos e dispositivos (Estratégico) Campo aquisição do estado dos equipamentos (Operacional) 13

14 Nível de Planta O nível de planta responde por tarefas de coleta, processamento, armazenamento e gerenciamento dos dados utilizados pelas atividades corporativas, ou seja, no domínio da unidade fabril. Para isto, em geral mantém uma base de dados global onde são guardadas informações sobre a produção, que são utilizados para fins de análise, histórico e decisões estratégicas da organização industrial. Além disso, é neste nível que são executados os planos de produção e realizados os diagnósticos dos elementos do próprio nível e dos níveis inferiores da estrutura hierárquica 14

15 Nível de Controle O nível de controle é responsável pela execução das tarefas de supervisão e controle do processo, com base nas informações inter-relacionadas com o nível de campo. Ou seja, ele responde pela coordenação da operação dos equipamentos e dispositivos que compõem a linha de produção. 15

16 Nível de Campo Neste nível os dados trafegam por redes conhecidas como redes de campo ( fieldbuses). A s i n f o r m a ç õ e s características deste nível envolvem o transporte de variáveis de processo, envio de set-points de máquinas, aquisição do estado dos equipamentos, atuação sobre motores, válvulas e outros equipamentos. Setpoint é o valor-alvo que um sistema de controle automático tentará alcançar 16

17 Anos 1990: Evolução da ciência e engenharia da computação contribuiu para o surgimento de Sistemas Especialistas: Lógica difusa; Redes Neurais; Redes de comunicação de dados 17

18 Processos Industriais e Variáveis de Processo. Vários são os tipos de indústrias existentes nos diversos ramos da atividade industrial. Em geral, podemos distinguir indústrias de duas naturezas: Processamento contínuo; Processamento discreto, ou manufaturas. 18

19 Processamento contínuo O s p r o c e s s o s c o n t í n u o s essencialmente manipulam fluidos. Podemos citar como exemplo as industrias petrolíferas, químicas, petroquímicas, papel e celulose, alimentícias, cimenteira, metalúrgica, tratamento de água, geração de distribuição de energia elétrica. 19

20 Variáveis do processo contínuo Temperatura; Pressão; Vazão; Vibração; Peso; Força; Radiação 20

21 Processamento discreto, ou manufaturas Os processos discretos a produção é medida em unidades produzidas, tais como na indústria automobilística, computadores, antenas e fabricas em geral. 21

22 Variáveis do processo discreto Ligado; Desligado; Temperatura alta; Nível baixo; Limite de posição 22

23 Tanque de fluxo por gravidade Processo industrial do tipo contínuo F 0 F 0 (m 3 /s) Variante no tempo F(m 3 /s) Escoa através de uma tubulação H(m) Vazão de saída do tanque h Em regime permanente, a vazão de entrada F 0 é igual a vazão de saída F, o nível h do tanque se mantém constante e a pressão exercida. F Tanque de fluxo por gravidade 23

24 Resposta do tanque a um aumento em degrau na vazão de entrada. F 0 3,35 3,3 3,25 3,2 3,15 3,1 3, (Lento) F 0 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, (Rápido) 24

25 A Dinâmica de Sistemas Modelagem Soft e Hard. Os estudos sobre dinâmica de sistemas começaram com Forrester e sua equipe no MIT Massachussets Institute of Technolog, por volta de Inicialmente, eles denominaram esta abordagem de dinâmica industrial. A dinâmica de sistemas é um método que envolve a construção modelos sistêmicos através de relacionamentos entre variáveis contidas em um sistema. Existem dois tipos de abordagens para a modelagem com a utilização da teoria de sistemas: Modelagem Soft : modelagem através de uma abordagem conceitual, provendo informações qualitativas; Modelagem Hard : modelagem com envolvimento de equações matemáticas, resultando em representações da realidade com informações quantitativas. 25

26 Loop Causal O resultado da modelagem soft é denominado diagrama de loop causal, que serve para realizar análise sobre as causas de estados de variáveis envolvidas em um processo. Técnica usada em planejamento de projetos. 26

27 Termologia para construção de Loop Causal As flechas significam uma relação de influência entre duas variáveis; e os sinais em suas pontas representam o sentido de variação dos elementos relacionados. +/- B A 27

28 Termologia para construção de Loop Causal (-) O sinal negativo significa que as variáveis modificam-se em sentidos opostos. - B Qualquer modificação em (A) muda o estado de (B) A 28

29 Termologia para construção de Loop Causal (+) Sinal positivo que significa que variam no mesmo sentido. elas + B Qualquer modificação em (A) não muda o comportamento de (B) A 29

30 Exemplo Loop causal em uma situação de controle de projetos (Aumento de prazos do projeto, Pressão no trabalho, Produtividade, Trabalho realizado e Trabalho a ser feito). São as variáveis 30

31 Considere em regime permanente para realizar o loop causal F 0 + F 0 Não se altera h Nível(h) se mantém constante - + F Escoamento do fluído F 31

32 Termologia para construção de Loop Causal ( ) Sinal que indica algum tipo de atraso no processo. + B Entre a ocorrência de A e B existe algum tipo de atraso. A 32

33 Exemplo de atraso no processo. 33

34 Termologia para construção de Loop Causal (malhas de Balanço) Quando existe ligações entre as variáveis do processo. A B C (B) (B) 34

35 Exemplo: Malha de Balanço 35

36 Termologia para construção de Loop Causal (malhas de Reforço) Quando não existe ligações entre as variáveis do processo. A B C (R) (R) D 36

37 Exemplo de malhas de reforço 37

38 Conceitos Básicos e Terminologia Dinâmica : de Controle de processos. Comportamento de um processo dependente do tempo. O comportamento sem controladores no sistema é chamado de resposta em malha aberta. 38

39 Variáveis de Entrada Pressão, temperatura, vazões, composições químicas entre outras, dos fluxos de entrada dos processos. Também serão usadas como variáveis manipuladas aquelas que iremos variar para manipular o sistema. 39

40 Variáveis de Saída Pressão, temperatura, vazões, composições químicas entre outras, dos fluxos de entrada dos processos. Também serão usadas como variáveis controladas aquelas que iremos variar para controlar o sistema. 40

41 Controle à Realimentação (feedback) A maneira tradicional de se controlar um processo é medir a variável a ser controlada, comparar seu valor de referência, ou set point do controlador, e alimentar a diferença o erro, em um controlador que mudará a variável manipulada de modo a levar a variável medida (controlada) ao valor desejado. 41

42 Controle à realimentação Variável Variável Entrada Manipulada Processo controlada Saída set point Controlador Sinal Sinal Medição 42

43 Análise matemática do sistema VE 0 = 2; i = 1, VS i = Err VE 0 i >= n >= 1; VE i = VS i 1 n={1,2,3,...j} Os valores de saída fazem a realimentação da entrada. 43

44 Controle à realimentação VE & VS V. Entrada V. Saída Variável de saída é crescente em relação a de entrada. 44

45 Controle Antecipativo (feedforward) Esta estratégia foi difundida posteriormente à realimentação negativa e se aplica a processos com grandes atrasos. A técnica, consiste em detectar o distúrbio assim que este ocorre no processo e realizar a alteração apropriada na variável manipulada, de modo a manter a saída igual ao valor desejado. Desta forma a ação corretiva tem início assim que o distúrbio na entrada do sistema for detectado, em vez de aguardar que o mesmo se propague por todo o processo antes de a correção ser feita, como ocorre na realimentação. 45

46 Controle Antecipativo Variável Variável Entrada Manipulada Processo controlada Saída Medição Sinal set point Sinal Controlador 46

47 Análise Sistema antecipativo VE 0 = 0; se VE 0 > 0; VS i = Err VE i; VS i = VE i Caso o valor de entrada não esteja dentro das especificações o sistema detectou a presença de distúrbio que será corrigido. 47

48 Saída VS=VE Instável Tempo Um processo é instável se sua saída ficar cada vez maior. 48

49 Saída Tempo Processo Estável 49

50 Classificação dos Instrumentos As diversas funções necessárias ao correto funcionamento de uma malha de controle são desempenhadas por dispositivos chamados de instrumentos para controle de processos. 50

51 Elemento Primário ou Sensor Parte de uma malha ou de um instrumento que primeiro sente o valor da variável de processo. Indicador Transmissor Controlador Registrador Conversor Válvula de controle Chave 51

52 Indicador Dispositivo que apenas indica o valor de uma determinada variável de processo, sem interferir no mesmo. Indicador VE = 0 Processo 52

53 Transmissor Dispositivos que sente uma variável de processo por meio de um elemento primário e que produz uma saída cujo valor é geralmente proporcional ao valor da variável de processo. O elemento primário pode ser ou não parte integrante do transmissor. Transmissor TR Sinal Processo - 1 Processo

54 Controlador Dispositivo que tem por finalidade manter em um valor pré-determinado uma variável do processo. VC VC = 5 Controlador Processo Stop() 54

55 Registrador Dispositivo destinado ao armazenamento dos valores de uma determinada variável de controle. Esta função anteriormente era realizada por meio do traçado de gráficos sobre um papel de forma contínua. Atualmente o armazenamento de tais informações é feito de modo digital. 55

56 Exemplo de Registrador Controle Processo Registrador REGISTROS 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5 Saída 1 0, , , , , , , , , , ,

57 Conversor Dispositivo que emite um sinal de saída padronizado modificado em relação à natureza do correspondente sinal de entrada. A/D 57

58 Válvula de controle É um elemento final de controle que manipula diretamente a vazão de um ou mais fluidos de processo. Controle Fluido 58

59 Chave Dispositivo que conecta, desconecta ou transfere um ou mais circuitos, manual ou automaticamente. Neste caso, atuado diretamente pela variável de processo ou seu sinal representativo. Sua saída pode ser usada para atuar alarmes, lâmpadaspiloto, inter-travamento ou sistema de segurança. As chaves não participam do controle contínuo das variáveis de processo. 59

60 Identificação dos Instrumentos 1º Grupo de letras identifica a variável medida ou iniciada. 1º Letra variável medida Letras mais usadas: P Pressão, T Temperatura, F vazão, L nível 2º Letra Modificadora Letras mais usadas: D diferencial, Q Totalização, S segurança ISA Instrumentation Symbols and Identification 60

61 2º Grupo de letras Identifica a função 1º Letra Função passiva ou de informação. Letras mais usadas: A alarme, E elemento primário, G visão direta (gauge), I indicador, R registrador. 2º Letra Função ativa de saída Letras mais usadas: C controlador, S chave, T transmissor, V válvula ou damper, Y relé. 3º Letra Modificadora Letras mais usadas: H alto, L baixo. 61

62 Exemplos de identificadores PIC Controlador e indicador de pressão. TIC Controlador e indicador de temperatura. LIC Controlador e indicador de nível. PT Transmissor de pressão. TT Transmissor de temperatura. LT Transmissor de nível. FQI Totalizador e indicador de vazão. LSH Chave de nível alto. LSLL Chave de nível muito baixo. PSV Elemento final (válvula) de segurança de pressão. PSLL Chave de pressão muito baixa. LSHH chave de nível muito alto. LV Elemento final (válvula) de nível. PV Elemento final (válvula) de pressão. PI Indicador de pressão LG Visor de nível 62

63 Criação de Simulações CA Usando C++ Builder Tipos de dados : int Inteiro (T - Temperatura, F - Vazão, R - Registrador). double (L - Nível) boolean ( S chave) String representação implícita de grandezas ou exibição de resultados. 63

64 Operações Aritméticas (+) Soma (-) Subtração (*) Multiplicação (/) Divisão (%) Resto da divisão 64

65 Operadores Relacionais > Maior que < Menor que == Igual a!= diferente de >= Maior ou igual <= Menor ou igual 65

66 Operadores Lógicos && (and) (or)! (not) 66

67 Verificação e tomada de decisão de controles if () if ( <condição> ) <Instrução>; else <Instrução>; 67

68 Usando blocos de instrução if() if ( <condição> ) { <Bloco-Instrução>; } Else { <Bloco-Instrução>; } 68

69 Mostrar Informações de saída ShowMessage( <String> ); 69

70 boolean Chave = 1; If(Chave == 1) ShowMessage( Sistema Ligado ); else ShowMessage( Sistema Desligado ); 70

71 Repetições for() e while() Podem ser usadas para simular mudanças de tempo e alimentação e realimentação de registradores, contagens, somas etc. for(<inicialização>;<condição>;<incremento>) { } <Bloco-Instruções> While(<condição>) { } <Bloco-Instruções> 71

72 Exemplo: Um sistema de temperatura entra em regime permanente aos 300ºC. A cada 1 hora a temperatura que tem estado inicial zero irá subir e terá como saída duas peça de alumínio a mais para cada 1 hora. Implementar um programa para simular esse sistema de controle. Σ T = 300 p+2, se i<=300 T=1 72

73 Implementação do algoritmo p <- 0 para T<- 1 ate 300 faca p <- p + 2 fim_para Escrever Serão produzidas,p, Pecas 73