Processos industriais INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE. Pirâmide da automação 29/1/2012. Controle automático de processo

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1 Processos industriais INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE Controle automático de processo Processos Contínuos: são aqueles que possuem saídas contínuas como, por exemplo, processos de geração de energia. Processos Discretos ou Manufaturas: são aqueles que possuem produtos enumeráveis, como na produção de autopeças. Processos por batelada: são os que possuem característica de ambos os modelos, Professor Miguel Neto Esteira separadora de caixas Pirâmide da automação Sistema de controle de nível Nível de campo Nível de controle Controlador PID CLP Micro-controladores 1

2 Nível de supervisão Níveis da automação Nível de Campo -constituído pelos elementos a controlar e pelos elementos de detecção; Nível de Controle -É o nível onde se encontram os elementos que vão controlar o processo; Nível de Supervisão -É composto pelos programas de interface homem-máquina e aquisição de dados (este nível não deve interferir diretamente no funcionamento do processo). Sistema de controle Definição: É uma série de unidades combinadas para produzirem um determinado resultado com pouca ou nenhuma supervisão humana. Classificação: Abertos:a saída do processo não exerce nenhum efeito sobre a entrada do processo Fechado:a energia de entrada no sistema é de alguma forma uma função da própria saída. 2

3 Termos importantes Variável controlada; Variável manipulada; Set-point (SP); Variável de processo (PV); Desvio (erro): e = PV-SP; Elemento primário de medição; Elemento controlador; Elemento final de controle. Partes de um sistema de controle 1. Processo; 2. Elemento primário (sensor); 3. Transmissor; 4. Controlador; 5. Elemento final de controle. Principais problemas para o controle de processos O maior problema no controle de processos são os atrasos. Podem ser: Atrasos no processo (capacitivo) São atrasos proporcionados pela incapacidade do processo em absorver ou devolver energia de modo instantâneo. a) Atrasos no processo (capacitivo) a) Atrasos na medição (resistivo) - tempo morto a) Atrasos na transmissão Ex: Uma variação brusca da vazão de entrada (gera variação em degrau), proporciona uma saída exponencial. Atraso na medição (resistivo) Tempo morto Fatores determinantes A velocidade de detecção do sinal depende: Do tipo de sensor; Do tipo de variável; Tempo morto tempo decorrido desde a variação da energia do sistema até a detecção dessa energia pelo sensor. Da localização do sensor. 3

4 Tempo morto Análise das variáveis Vazão: Dinâmica muito rápida, sendo pequeno o tempo morto. Pressão e nível: Como a vazão são também variáveis de rápida detecção. Temperatura: Se o sensor for introduzido diretamente no processo, o sinal é relativamente rápido, porém com o uso do poço de proteção essa detecção se torna lenta. Atraso na transmissão São os atrasos proporcionados na transmissão dos valores das variáveis medidas, próprios dos sistemas de transmissão pneumáticos. Resumo dos três tipos de atrasos O sistema de controle abaixo ilustra os três tipos de atrasos que podem ocorrer no processo automático Exercício 1 ) Com base no que foi visto em sala de aula responda: a) Quais os tipos de processos industriais? Defina cada tipo. b) Cite os três níveis hierárquicos da automação e explique a sua função no processo automático. c) Cite 3 equipamentos (dispositivos) que podem ser utilizados no nível de controle. d) Cite pelo menos 5 tipos de sensores e 3 tipos de atuadores. e) Represente um sistema de controle em malha fechada por diagrama de blocos. f) Qual os tipos de atrasos de processos? Explique cada tipo. Ação do controlador Formas de controle do processo 1 Manual: Com intervenção humana. Direta Dizemos que um controlador está funcionando na ação direta quando um aumento na variável do processo em relação ao valor desejado, provoca um aumento no sinal de saída do mesmo. (e=pv SP) Inversa (reversa) Dizemos que um controlador está funcionando na ação reversa quando um aumento na variável do processo em relação ao valor desejado, provoca um decréscimo no sinal de saída domesmo.(e=sp PV) 2 Automático: Com um mínimo de intervenção humana ou nenhuma. a) por realimentação(feedback) b) por antecipação(feedforward) 4

5 Controle por realimentação ou feedback O controlador responde aos efeitos de um distúrbio, ou seja, o controlador atua tomando ação corretiva, quando o erro for detectado. Controle por antecipação ou feedforward O controlador responde diretamente aos distúrbios, proporcionando um controle antecipado. Exercício 1 ) Com base no que foi visto em sala de aula responda: a) Quais os tipos de ações do controlador? Defina cada tipo. b) Defina o controle automático por realimentação (feedback). c) Defina o controle automático por antecipação (feedforward). d) Com base no trecho do diagrama de blocos, indique a ação do controlador. Modelos de malhas de controle Controle em cascata; Controle de razão; Controle seletivo; Controle em faixa divida (split-range) Controle em cascata É aplicada quando os efeitos dos distúrbios sobre a variável manipulada afetam a variável controlada. Controle em cascata 5

6 Controle de razão É aplicado quando se deseja fazer ajuste de vazões mantendo uma certa razão entre substâncias diferentes. (R=A/B) Controle seletivo Utilizado para dar prioridade no controle de uma determinada variável manipulada por meio de seletores de sinal. (aumentando a segurança do processo). Controle em faixa dividida (split-range) Envolve normalmente duas válvulas de controle operadas pelo mesmo controlador. Geralmente: Válvula 1 Fecha com sinal de 0 a 50%; Válvula 2 Abre com sinal de 50 a 100%. Ação de controle em processos contínuos a) Liga-desliga (on-off) b) Auto-operado c) Proporcional (P) d) Proporcional-integral (PI) e) Proporcional-derivativo (PD) f) Proporcional-integral-derivatico (PID) Auto-operado O controlador utiliza o próprio fluido do processo para operar o processo. Liga-desliga (on-off) Quando a variável passa pelo ponto de ajuste o controlador muda sua saída de ligado para desligado. Prevalência de oscilações e erro por off-set no sistema. 6

7 Controle proporcional Fornece uma saída proporcional ao erro. Controle proporcional Faixa ou Banda proporcional (FP ou BP): É o erro requerido, da variável do processo para movimentar a válvula de controle desde totalmente aberta até totalmente fechada. Ganho proporcional (K C ou K P ): É a sensibilidade do controlador. Relação entre FP e Kp Quanto menor a faixa proporcional, maior será o movimento da válvula em relação ao mesmo desvio e, portanto, mais eficiente será a ação proporcional. Ação proporcional Controle proporcional (off-set) Aumentando o ganho proporcional (K C ) o erro diminui e o sistema responde de forma mais rápida, porém aumentam as oscilações e o tempo para estabilização da variável. Controle proporcional-integral (PI) A ação integral elimina o off-set que existiria se o controle fosse só proporcional; A saída do controlador integral aumenta enquanto existir erro, até atingir o valor máximo de saída; Quanto mais tempo o erro perdurar, maior será a saída do controlador; Se o erro for maior, aresposta do controlador será mais rápida,ouseja,aretadesaídado controladorserámais inclinada; Ti = tempo necessário para que uma repetição do efeito proporcional seja obtido, sendo expresso em minuto por repetição. 7

8 Controle proporcional-integral (PI) A velocidade de correção é proporcional ao erro. Essa ação elimina o erro (off-set) da ação proporcional. Controle proporcional-integral (PI) Quando o valor de ti é grande, a aproximação da variável em relação ao ponto de ajuste é lenta. Quando o valor de ti é pequeno, a variável oscila e demora para estabilizar. MV=sinal de saída do controlador; DV=Desvio Ti=tempo integral (min) Kp=ganho proporcional Ki=1/Ti=Ganho integral (Ki é dado em repetições por minuto). So=saída do controlador quando o erro é zero (Bias) T=tempo para o qual se deseja saber a saída MV Controle proporcional-derivativo (PD) O controle derivativo antecipa o erro atuante e inicia uma ação corretiva mais cedo, tendendo a aumentar a estabilidade do sistema; Uma vantagem em usar ação de controle derivativa é que ela responde à taxa de variação do erro atuante e pode produzir uma correção significativa antes de o valor do erro atuante tornar-se demasiadamente grande; Devido ao fato do controle derivativo operar sobre a taxa de variação do erro atuante e não sobre o próprio erro atuante, este modo nunca é usado sozinho. É sempre utilizado em combinação com ação proporcional ou ação proporcionalmais-integral. Controle proporcional-derivativo (PD) Tdéotempoderivativo,queéotempoemminutos,peloqual a ação derivativa adianta o efeito da ação proporcional sobre o elemento final de controle. É indicado a sua utilizado para sistemas com atrasos grandes. Kd=Td=Ganho derivativo(minutos) Td=tempo devirativo DE/dt=taxa de variação do erro Controle proporcional-derivativo (PD) Controle proporcional-integralderivativo (PID) Corresponde às três ações de controle atuando juntas. 8

9 EXEMPLO de Configuração dos parâmetros do controlador PID Sintonia dos controladores MÉTODO DE APROXIMAÇÕES SUCESSIVAS OU TENTATIVA E ERRO; MÉTODOS QUE NECESSITAM DE IDENTIFICAÇÃO DO PROCESSO; MÉTODO DE ZIEGLER E NICHOLS EM MALHA FECHADA MÉTODOS DE AUTO-SINTONIA 9