Processos em Engenharia: Conceitos de Controle de Processos e Ações de Controle Elementares

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1 Processos em Engenharia: Conceitos de Controle de Processos e Ações de Controle Elementares Prof. Daniel Coutinho coutinho@das.ufsc.br Departamento de Automação e Sistemas DAS Universidade Federal de Santa Catarina UFSC DAS Aula 4 p.1/43

2 Sumário Conceitos Básicos de Sistemas de Controle Ações de Controle Elementares: 1. Controle Liga-Desliga 2. Ação Proporcional 3. Ação Integral 4. Ação Derivativa Exemplo DAS Aula 4 p.2/43

3 Introdução - I Processos industriais métodos utilizados para modificar e/ou transformar matéria-prima com o objetivo de criar um produto final. A matéria-prima pode passar e/ou permanecer em estado líquido, gasoso ou líquido-sólido durante a realização de um processo (transferência, mistura, separação, aquecimento, armazenamento, manipulação). Controle de processo metodologia utilizada para controlar certas variáveis do processo quando manufaturando um determinado produto. DAS Aula 4 p.3/43

4 Introdução - II Exemplos de controle de variáveis proporção de um ingrediente com relação a outro, a temperatura dos materiais, mistura e ou separação de ingredientes, pressão, etc. Objetivos no controle das variáveis de um processo: Redução da variabilidade dos produtos; Aumento da eficiência (e/ou qualidade do produto); Aumento da segurança de operação do processo. DAS Aula 4 p.4/43

5 Introdução - III Redução da variabilidade: o set-point (condição de operação) pode ser colocado próximo ao ponto de produção ótimo. DAS Aula 4 p.5/43

6 Introdução - IV Aumento da Eficiência: O ponto de operação pode ser mantido próximo ao ponto específico para maximizar a eficiência. Por exemplo, a variável de processo que configura o ponto de operação pode ser a temperatura em um reator químico. Um controle da temperatura pode maximizar a reação química no reator. A minimização dos recursos para a produção de um produto pode aumentar o lucro na produção. DAS Aula 4 p.6/43

7 Introdução - V Segurança de operação: Processos operando sem controle (malha aberta) ou que perdem o controle (instáveis) podem levar a situações catastróficas (explosões, perda completa da produção, etc.), por exemplo, em usinas nucleares e na indústria petro-química. Em muitos casos, um preciso controle de certas variáveis do processo é necessário para assegurar uma faixa segura de operação. DAS Aula 4 p.7/43

8 Sistema de Controle - I Um sistema de controle possui três ações básicas: 1. Medição (medir a variável de processo) 2. Comparar com o valor desejado (set point) 3. Correção ou ajuste (lei de controle) Por exemplo, em um controle de nível em um tanque, é necessário medir o nível do tanque (LT) e transmiti-lo para o dispositivo de tomada de decisão (LIC). Esse valor é então comparado com um valor pré-determinado de operação (SP). O controle então envia um sinal de correção ao elemento de atuação (no caso uma válvula controlada). DAS Aula 4 p.8/43

9 Sistema de Controle - II Diagrama de um controle de nível DAS Aula 4 p.9/43

10 Terminologia - I Existem vários termos normalmente utilizados na área de controle de processos. Com base no exemplo anterior: 1. Variável do processo (PV) altura da coluna de líquido (ou vazão de saída). 2. Variável medida às vezes a variável medida não corresponde a variável do processo (e.g., sensor de pressão para estimar o nível). 3. Ponto de operação ou valor de referência (SP) valor desejado para o nível de líquido (ou vazão). 4. Variável manipulada (MV) é a abertura da válvula de saída. DAS Aula 4 p.10/43

11 Terminologia - II Sistema Realimentado: sinal de erro Variável Manipulada Variável do Processo SP + _ Controlador Processo Transmissor (sensor) DAS Aula 4 p.11/43

12 Equipamentos e Tecnologia - I Para executar as operações básicas de sistemas de controle (medição, comparação e correção) existem diversos equipamentos e estratégias. Os modernos equipamentos de controle de processos podem executar mais de uma função básica. A seguir, apresentam-se alguns dos equipamentos utilizados em controle de processos: 1. Elemento primário (sensor): células de carga (strain gauges), RTD, termopares, placas de orifício, tubos de Pitot, tubos de Venturi, emissores e receptores ultra-sônicos, células capacitivas, etc. DAS Aula 4 p.12/43

13 Equipamentos e Tecnologia - II 2. Transdutores: transforma um sinal mecânico em um sinal elétrico. 3. Conversores: transforma um tipo de sinal (corrente) em outro tipo (tensão). 4. Transmissores: são dispositivos que convertem a leitura de um sensor ou transdutor em um sinal padrão (tensão: 0-5V, 1-5V ou corrente: 4-20mA) e o transmite para um indicador (monitor) ou um controlador. Exemplos: transmissor de pressão, transmissor de vazão, transmissor de nível, etc. DAS Aula 4 p.13/43

14 Equipamentos e Tecnologia - III A informação transmitida pelos diversos equipamentos industriais de controle de processos pode ser através de sinais: penumáticos, sinais analógicos (tensão ou corrente) e digitais. Sinais Pneumáticos: são sinais produzidos pela modificação de pressão de ar em tubo de transmissão devido a modificação na variável medida. A variação de pressão padrão na indústria de processos é 3-15 psi (3psi = Low Range Value e 15 psi = Upper Range Value). DAS Aula 4 p.14/43

15 Equipamentos e Tecnologia - IV Sinais Analógicos: o padrão de transmissão na indústria é um sinal de corrente de 4-20 ma. O sinal de 4 ma corresponde ao menor valor possível, enquanto 20 ma corresponde ao maior valor. Outros padrões também encontrados em equipamentos industriais são 1-5V e 0-5V. Sinais Digitais: os equipamentos mais modernos tem capacidade de transmitir sinais digitais utilizando protocolos de comunicação industriais. Os protocolos mais usados são o HART (highway addressable remote transducer), FiledBus, Profibus, DeviceNet e Modbus. DAS Aula 4 p.15/43

16 Equipamentos e Tecnologia - V Indicadores: são dispositivos utilizados para visualização das variáveis medidas. Registradores: são dispositivos que registram (armazenam) a informação proveniente de um dispositivo de medição ou atuação (transmissor, controlador, atuador). Controladores: são os dispositivos que implementa a ação de controle através da comparação da variável medida com o seu valor desejado (SP). DAS Aula 4 p.16/43

17 Equipamentos e Tecnologia - VI CLP (ou PLC programmable logic controller): são basicamente computadores dedicados ao controle de processos, contendo várias portas de entrada e saída (analógicas e digitais on/off isoladas). Estes dispositivos podem realizar um conjunto de operações de maneira a implementar digitalmente uma lei de controle para regular a variável medida no valor SP. SCD (DCS distributed control systems): são controladores que em adição as funções executadas pelos CLPs permitem a leitura das mais diversas variáveis de processo, armazenamento de dados, sistemas de supervisão e segurança e interface avançada homem-máquina. DAS Aula 4 p.17/43

18 Equipamentos e Tecnologia - VII Elementos finais de controle (atuadores): é o dispositivo no sistema de controle que atua no sistema de maneira a modificar a variável manipulada. No exemplo do controle de nível, o elemento final de controle é a válvula de saída que é utilizada para modificar a vazão de líquido na saída (e, portanto, para modificar o nível de líquido no tanque). Em um sistema de controle, a velocidade com a qual o elemento final atua é muito importante. Grande parte da pesquisa sobre elementos finais busca melhorar a resposta dinâmica dos elementos finais de controle. DAS Aula 4 p.18/43

19 Simbologia - I Simbologia ISA (Instrumentation, Systems, and Automation Society) S5.1 DAS Aula 4 p.19/43

20 Simbologia - II Um círculo representa um elemento individual de instrumentação (transmissores, sensores, e detectores). Um quadrado com um círculo interno representa um instrumento que possui um display de leitura e também realiza alguma função de controle. Os transmissores modernos são equipados com microprocessadores que podem realizar a operação de controle e enviar o sinal de atuação para o elemento final. Um hexágono representa uma operação em um computador (como as realizadas pelos controladores). DAS Aula 4 p.20/43

21 Simbologia - III DAS Aula 4 p.21/43

22 Simbologia - IV Um quadrado com um losango interno representa um CLP. Note que a simbologia também indica a posição aonde se encontra o equipamento: 1. Sala de comando 2. Em uma posição auxiliar (hack de instrumentação) 3. Diretamente no processo (em campo) 4. Inacessível (localizado atrás de algum painel) DAS Aula 4 p.22/43

23 Simbologia - V Elementos finais de controle: DAS Aula 4 p.23/43

24 Simbologia - VI DAS Aula 4 p.24/43

25 Simbologia - VII Letras de identificação: 1. A variável sendo medida (T temperatura, F flow, P pressão) 2. A função do dispositivo (T transmissor, C controle) 3. Modificadores adicionais (H alto, L baixo) Números de identificação: se referem a uma malha de controle em particular. DAS Aula 4 p.25/43

26 Simbologia - VIII As letras de identificação tem uma designação baseada na posição: A primeira letra indica a variável medida. A segunda letra indica uma modificação (modifier), um visualizador (readout) ou função do dispositivo. A terceira letra indica ou a função de um dispositivo ou um modificador. Exemplos: FIC (flow indicating controller), TT (temperature transmitter) e PT (pressure transmitter). DAS Aula 4 p.26/43

27 Simbologia - IX DAS Aula 4 p.27/43

28 Ações de Controle O controlador é o dispositivo que realiza determinadas operações matemáticas sobre o sinal de erro e(t) a fim de produzir um sinal de controle (atuação)u(t) de maneira a levar a variável controlada ao seu valor desejado (SP). As operações matemáticas são chamadas de ações (elementares) de controle. As ações de controle podem ser divididas em grupos de acordo com as funções executadas pelo controlador: 1. Ação bang-bang 2. Ação Proporcional 3. Ação Integral 4. Ação Derivativa DAS Aula 4 p.28/43

29 Controle Bang-Bang - I O sinal de controle pode assumir dois valores: u se e(t) > 0 u(t) = u se e(t) < 0 DAS Aula 4 p.29/43

30 Controle Bang-Bang - II Quando u = 0 (ou u = 0), a ação de controle bang-bang é chamada de ação liga-desliga. A ação bang-bang apresenta uma indefinição parae(t) = 0. Isto pode levar a comutações espúrias (devido ao ruído) ou a frequencias de comutação muito elevadas. Para evitar esses problemas, inclui-se uma histerese: Seu(t) = u, é necessário que e(t) < e para que u(t) u. Seu(t) = u, é necessário que e(t) > e + para que u(t) u. DAS Aula 4 p.30/43

31 Controle Bang-Bang - III Controle bang-bang com histerese: DAS Aula 4 p.31/43

32 Ação Proporcional - I A ação de controle é proporcional à amplitude do valor do sinal de erro: u(t) = K p e(t) Quanto maior o ganho proporcional K p, menor será o erro (entre a variável medida e o SP). Em termos de resposta transitória, quanto maior o ganho, maior é a velocidade da resposta do sistema em malha fechada. No entanto, a resposta do sistema tende a ficar oscilatória (podendo chegar a instabilidade). DAS Aula 4 p.32/43

33 Ação Proporcional - II G(s) = 20(s+5) (s+2)(s+10)(s+15) Step Response SP 1 K p = 20 Amplitude K p = 5 K p = K p = Time (sec) DAS Aula 4 p.33/43

34 Ação Proporcional - III Na área de controle de processos, encontram-se duas formas de especificação da ação proporcional: 1. Ganho proporcional percentual: K P = Saída% Entrada% 2. Banda proporcional: é o percentual de mudança na entrada que causará uma modificação na saída do controlador PB = Relação entre K P e PB: Entrada (% Span) 100% Saída PB = 100 K P, K P = 1 PB 100% DAS Aula 4 p.34/43

35 Ação Proporcional - IV Relação entre K P e PB: DAS Aula 4 p.35/43

36 Ação Integral - I A ação de controle integral consiste em aplicar um sinal de controle proporcional à integral do erro: u(t) = 1 T i t 0 e(τ)dτ onde T i é chamado de tempo integral (reset-time). A ação integral armazena a energia do erro, e quando o erro é nulo, o sinal de controle é proporcional a energia armazenada. Uma outra forma de analisar a ação integral é através da duração do erro. A saída da ação integral, nesse caso, é proporcional a duração do erro. DAS Aula 4 p.36/43

37 Ação Integral + Proporcional Reset lento (Ki ou T i ) Reset rápido (Ki ou T i ) DAS Aula 4 p.37/43

38 Windup - I Os processos em geral tem atuação de controle limitada (saturação). Por exemplo, em um sistema com controle de nível, a abertura da válvula de controle tem atuação limitada entre a válvula toda aberta e a válvula toda fechada. Quando o controlador possui uma ação integral, uma grande diferença transitória entre o valor SP e o valor de PV for grande existirá um acúmulo de erro ao longo do tempo que tende a gerar um grande sobre-sinal na resposta (de maneira a anular reset o acumulo de ação integral). Este efeito é conhecido na literatura como Reset Windup. DAS Aula 4 p.38/43

39 Windup - II Para evitar esse fenômeno, utiliza-se um mecanismo de correção na ação integral chamado de Anti Reset Wind-up (ARW). DAS Aula 4 p.39/43

40 Ação Derivativa - I A ação derivativa corresponde à aplicação de um sinal de controle proporcional à derivada do erro: u(t) = T d de(t) dt A ação derivativa é uma medida da tendência do sinal de erro (predição) e visa acelerar a resposta dinâmica do sistema de controle. Para variações rápida dee(t),u(t). Então: U(s) E(s) = T ds U(s) E(s) = T d s s+p DAS Aula 4 p.40/43

41 Ação Derivativa - II O pólo empserve para limitar o ganho em alta-frequência visando evitar que o sinal de controle tenha um valor elevado quando existe uma modificação abrupta do sinal de referência (o que poderia levar a saturação do atuador). Uma outra forma de implementar a ação derivativa é aplica-la diretamente no sinal de saída e nesse caso o próprio processo funcionaria como um filtro de alta frequência. SP PI + + MV Processo PV D DAS Aula 4 p.41/43

42 Ação Derivativa + Proporcional Somente ação proporcional Inclusão da ação derivativa pura DAS Aula 4 p.42/43

43 Aula de Simulação Aula de simulação utilizando o software Control Station. Manual disponível na página. Processo com dois tanques (acoplamento vertical). Avaliação malha aberta vs malha fechada (perturbação de carga). Ação proporcional (erro em regime permanente). Ação integral (erro nulo em regime permanente). DAS Aula 4 p.43/43