2.sistemas de controle

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UNIDADE 2 SISTEMAS DE CONTROLE INDUSTRIAL 2.1 – Introdução O controle automático tem efetivamente desempenhado um papel fundamental no avanço da engenharia voltada para Marinha Mercante. Além da extrema importância em sistemas de controle para aquecimento do óleo combustível, controle de temperatura da água doce pós-resfriamento, empregando inversores de freqüência, na qual está é utilizada para esfriar as camisas de um Motor de combustão principal (MCP) empregando de inversores de freqüência combinado com uma válvula de três vias, Controle de Nível através de diferencial para Caldeira, sistemas para pilotagem de embarcações e estabilidades, para Elevação de cargas para Guindastes e outros mais. O controle automático tem se tornando de grande importância e parte integrante dos modernos processos voltados tanto para Navios como para as Indústrias. Apesar da contínua modernização dos processos, a maioria das leis e princípios de medição e controle das grandezas físicas escalares se conservam intactas até os dias atuais, mas tem sido alvo de grandes polêmicas, quanto à definição ou classificação mais adequada, tendo em vista a sua evolução. 2.2 - Termos Técnicos (Terminologias) Nesta subunidade, você deve adquirir as seguintes competências: Entender as terminologias aplicadas ao controle automático. Entender os fundamentos técnicos do controle industrial. Os termos técnicos nomeiam os elementos do controle automático e visam padronizar a linguagem para evitar que se façam interpretações dúbias ou cometam-se erros e contradições. No Brasil o documento Legal é o Vocabulário Internacional de Termos Fundamentais Gerais de Metrologia, aprovado pela Portaria nº 29, de 10 de março de 1995, pelo Presidente do Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e qualidade Industrial _ Inmetro. A figura 2.1 mostra os principais elementos que compõem um sistema de controle automático, pelos quais são divididos em três grupos: elemento primário (sensor), elemento secundário (controladores) e elemento final de controle (válvula, motores, resistências, exaustores e outros mais). 25

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Page 1: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

UNIDADE 2

SISTEMAS DE CONTROLE INDUSTRIAL

2.1 – Introdução

O controle automático tem efetivamente desempenhado um papel fundamental no avanço da engenharia voltada para Marinha Mercante. Além da extrema importância em sistemas de controle para aquecimento do óleo combustível, controle de temperatura da água doce pós-resfriamento, empregando inversores de freqüência, na qual está é utilizada para esfriar as camisas de um Motor de combustão principal (MCP) empregando de inversores de freqüência combinado com uma válvula de três vias, Controle de Nível através de diferencial para Caldeira, sistemas para pilotagem de embarcações e estabilidades, para Elevação de cargas para Guindastes e outros mais.

O controle automático tem se tornando de grande importância e parte integrante dos modernos processos voltados tanto para Navios como para as Indústrias.

Apesar da contínua modernização dos processos, a maioria das leis e princípios de medição e controle das grandezas físicas escalares se conservam intactas até os dias atuais, mas tem sido alvo de grandes polêmicas, quanto à definição ou classificação mais adequada, tendo em vista a sua evolução.

2.2 - Termos Técnicos (Terminologias)

Nesta subunidade, você deve adquirir as seguintes competências:

Entender as terminologias aplicadas ao controle automático.

Entender os fundamentos técnicos do controle industrial.

Os termos técnicos nomeiam os elementos do controle automático e visam padronizar a linguagem para evitar que se façam interpretações dúbias ou cometam-se erros e contradições. No Brasil o documento Legal é o Vocabulário Internacional de Termos Fundamentais Gerais de Metrologia, aprovado pela Portaria nº 29, de 10 de março de 1995, pelo Presidente do Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e qualidade Industrial _ Inmetro.

A figura 2.1 mostra os principais elementos que compõem um sistema de controle automático, pelos quais são divididos em três grupos: elemento primário (sensor), elemento secundário (controladores) e elemento final de controle (válvula, motores, resistências, exaustores e outros mais).

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Page 2: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

1. Diagrama de bloco – É utilizado para dar uma melhor visualização da interdependência e interligação dos elementos que compõem o sistema, evidenciando as diferentes entradas e saídas das malhas de ação e de realimentação, tornando-as compreensivas.

Os blocos não têm apenas uma função ilustrativa, constituem um método eficaz para o estudo de sistemas complexos utilizados em software com o Matlab. Cada bloco tem uma tradução matemática das funções, podendo-se mesmo estabelecer operações entre eles e nas malhas globais que os integram. Como exemplo, temos as figuras: 1.01, 2.17 e 2.18.

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Page 3: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

A figura 2.17 mostra, em um diagrama de blocos, todos os elementos do controle automático e, logo a seguir, damos a definição de cada um deles.

2. Malha de controle é a combinação de instrumentos interligados para medir e/ou controlar uma variável.

3. Elementos primários são dispositivos, com os quais se consegue detectar (medir) alterações nas variáveis do processo. Exemplo: sensores de pressão, indicadores de temperatura, placa de orifício e etc.

4. Elementos secundários são dispositivos que recebem e tratam o sinal do elemento primário. Exemplo: transmissores, (temperatura, vazão, nível, pressão e etc.) controladores indicadores de temperatura, vazão, nível, pressão e etc.

Fig. 2.18 - Diagrama de blocos do regulador de velocidade de James Watt.

.

5. Elemento final de controle (final control element) – É o elemento da malha de controle que atua na variável manipulada (vazão) que será explicada logo abaixo, em função de um sinal gerado por um comando/controle. Normalmente é uma válvula.

6. Processo (controlled system) - Trata-se de um determinado sistema industrial (planta) que possui um comportamento dinâmico, sobre o qual atuamos a fim de obtermos o controle de uma determinada variável ou produto. Um processo denota uma operação ou uma série de operações sobre materiais sólidos ou fluidos, na (s) qual (is) se busca conseguir que estes materiais se mantenham em um estado de utilização adequado a uma qualidade preestabelecida. Exemplo: água de alimentação de uma caldeira, sistema de óleo lubrificante de um motor Diesel, etc.

7. Variáveis do processo (PV) – São as grandezas físicas medidas, manuseadas, monitoradas e controladas com objetivo de manter as condições do processo em perfeito funcionamento. Exemplo: As principais grandezas são: temperatura, pressão, vazão e nível.

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Page 4: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

8. Variável manipulada (MV) (manipulated variable )- É a variável (agente físico) que é manuseada com o objetivo de manter a variável controlada dentro de valores preestabelecido. Por exemplo, numa caldeira é a vazão da água de alimentação, para manter o nível do tubulão dentro de certas condições estabelecidas, no caso de controle de temperatura do óleo combustível pode ser a vazão da água de um

9. Variável controlada (controlled variable) - É o agente físico (variável) que está submetido a um controle, ou seja, é aquela que deseja ser controlada dentro de um valor desejado. Exemplo: no controle de uma caldeira pode ser o nível da água do tubulão, pressão de vapor, ou a combustão.

10. Variável secundária - é o agente físico (variável) mais próximo da variável controlada e que de forma instantânea interfere na mesma. No caso do controle de uma caldeira, é a vazão de vapor produzida.

11. Variável de entrada (command variable) - É o valor emitido pelo elemento de ajuste do set point para o comparador.

12. Valor de referência ou Set Point (SP) - É o valor com o qual se pretende manter a variável controlada. Também é chamado de valor desejado.

13. Meio controlado – É a energia ou material do processo, no qual a variável é controlada. Exemplo: no sistema de óleo lubrificante de um motor Diesel, é o óleo lubrificante.

14. Agente de controle – É o elemento que altera o meio controlado, é a energia ou material do processo, da qual a variável manipulada é uma condição ou característica. Exemplo: em um trocador de calor a vapor o agente de controle é o vapor, pois a variável manipulada é o vapor e no controle de uma caldeira é a água de alimentação.

15. Perturbação - É um sinal indesejável, que tende a desestabilizar o sistema e, conseqüentemente, alterando o valor da variável controlada.

16. Sensor - É o elemento de um instrumento de medição que entra em contato direto ou não com a variável que se deseja controlar, detectando qualquer alteração ocorrida com a mesma. A informação mensurada é condicionada e transmitida ao comparador do controlador. O sinal emitido, às vezes, precisa ser amplificado ou convertido (transduzido).

17. Detetor (detector) – Dispositivo ou substância que indica a presença de um fenômeno, se necessariamente fornecer um valor de uma substância.

18. Conversor (converter) - Tem a função de converter um sinal de controle padrão enviado pelo transmissor ou sensor em outro sinal padrão de controle. Pode converter sinal elétrico em pneumático; elétrico em hidráulico; analógico em digital; e vice-versa. Normalmente são instalados entre o sensor e o comparador, ou entre o controlador e o elemento final de controle. Exemplo: Tenho uma válvula pneumática que trabalha com sinal padrão pneumático de 3 à 15 psi e um controlador elétrico que gera um sinal de controle de 4 à 20 mA, para que a minha válvula possa operar, terei que transforma a natureza elétrica/eletrônica para pneumática através do conversor.

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Page 5: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

19. Transdutor de medição (measuring transducer) – Dispositivo que fornece uma grandeza de saída que tem uma correlação determinada com a grandeza de entrada. Esse termo é empregado, por um grande número de técnicos, no lugar de conversor.

20. Comparador - Sua função é comparar o valor medido ou lido pelo elemento primário com o valor de referência, gerando um sinal de erro, cuja amplitude é proporcional à diferença algébrica entre o sinal de referência (setpoint) e o sinal de realimentação (feedback).

21. Controlador (controller) - Sua função é gerar um sinal de controle, o qual irá posicionar o elemento final de controle, a fim de manter a variável controlada dentro do valor desejado. Esse sinal varia de amplitude em função do sinal de erro enviado pelo comparador. É desejado que esta ação do controlador seja feita no menor tempo possível.

22. Transmissor (transmitter) – Dispositivo que detecta uma variável de processo por meio de um elemento primário e que tem um sinal de saída cujo valor é proporcional ao valor da variável controlada.

23. Amplificador de sinal - Tem a função de amplificar o sinal do sensor ou do controlador, quando esse é muito baixo, garantido uma informação precisa. Podem ser pneumáticos (bico palheta), elétricos e eletrônicos.

24. Sinal de desvio ou de controle (deviation) – É a diferença da equação algébrica entre o valor desejado e o valor da variável controlada medido, ou seja, é o resultado gerado pelo comparador. Também denominado sinal de erro.

25. Atuador (actuator) - É a parte móvel do elemento final de controle, que recebe o sinal de acionamento do transdutor. Pode ser pneumático ou elétrico.

2.3 - Identificação e Símbolos de Instrumentos Gerais

As normas técnicas aplicadas ao controle automático industrial estabelecem símbolos gráficos e codificações para identificação alfanumérica ou funções programadas, que serão utilizadas nos diagramas P&I e nas malhas de controle.

Os símbolos gráficos e codificações estabelecidas pelas normas propiciam uma melhor facilidade para o entendimento dos diagramas e malhas de instrumentação e viabilizar a comunicação entre usuários, projetistas e fornecedores.

Também, não devemos esquecer que no Brasil quem dita às normas técnicas aplicadas ao controle automático industrial ou a automação é a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), que por sua vez procura acompanhar as normas internacionais mais aceitas por fabricantes e usuários.

Os navios brasileiros de longo curso e de cabotagem, em função do tipo de automação aplicada às máquinas, são classificados pela Diretoria de Portos e Costa, de acordo com a Normas da Autoridade Marítima para Embarcações Empregada na Navegação de Mar Aberto (NORMAM 01), Anexo 1-C (Diretrizes Específicas para

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Elaboração dos CTS ), Item 4, Notação para Grau de Automação (NGAPM) do sistema de máquinas para navios..

2.3.1 Padronização da Norma Técnica S5.1 da ISA (The Instrumentation, Systems and Automation Society)

A Norma mais utilizada na área de instrumentação e controle de processos é a estabelecida pela ISA, definida como Norma S5.1. Esta também é a adotada pela ABNT - NRB-8190 outubro/1983.

A padronização Isa considera que cada instrumento ou função programada será

identificado por um conjunto de letras e um conjunto de algarismos como pode ser visto abaixo pela tabela 1.

1 º G R U P O D E L E T R A S 2 º G R U P O D E L E T R A S

LETRA V A R I Á V E L M E D I D A F U N Ç Ã O

1ª Letra ModificadoraPassiva ou de

Informação Ativa ou de Saída Modificadora

A Análise Alarme

B Chama

C Condutividade elétrica Controlador

D Densidade Diferencial

E Tensão Sensor

F Vazão Razão

G Escolha do usuário Visão direta

H Manual Alto

I Corrente elétrica Indicador

J Potência Varredura, Seleç. manual

K Temporização Taxa variação com o tempo

Estação de controle

L Nível Lâmpada piloto Baixo

M Umidade Instantâneo Médio, Intermediário

N Escolha do usuário

O Escolha do usuário Orifício de restrição

P Pressão Conexão para teste

Q Quantidade Integração, Totalização

R Radiação Registrador

S Velocidade, Freqüência Segurança Chave

T Temperatura Transmissor

U Multivariável Multifunção Válvula, Damper

V Vibração, Análise mecânica

W Peso, Força Poço ponta de prova

X Não classificada Eixo dos X Não classificada Não classificada Não classificada

Y Estado, Presença, Seqüência de eventos

Eixo dos Y Relé, Conversor Solenóide

Z Posição, Dimensão Eixo dos Z Acionador, Atuador, Elemento final de controle.

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Page 7: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

TABELA 1 – Identificação das letras utilizadas em diagrama P&I de malha de controle (Norma ISA S5.1 e SAMA).

A primeira letra do conjunto de letras indica a variável medida/controlada (Grandezas Físicas) e as letras subseqüentes indicam o tipo de instrumento e também podendo informar a função que o instrumento desempenha na malha de controle. O primeiro algarismo indica a área/fábrica e o segundo indica à malha à qual o instrumento ou função programada pertence. Eventualmente, para completar a identificação, poderá ser acrescido um sufixo.

Outras observações sobre essa Norma:

a) Uma letra tipo “escolha do usuário” é utilizada para cobrir significados não listados e que serão utilizados de maneira repetitiva em um projeto particular. O significado da letra deve ser definido na legenda.

b) A letra “A” cobre todos os tipos de analisadores. Recomenda-se que o tipo de análise realizado pelo instrumento seja definido fora do círculo de identificação.

c) A função passiva “G” aplica-se a instrumentos ou dispositivos que fornecem uma indicação visual não calibrada, como os visores de vidro e monitores de TV.

d) No caso de diagramas P&I, se necessário, as funções associadas com o uso da letra subseqüente “Y” são definidas fora do circulo de identificação.

e) Os termos modificadores “altos”, “baixo”, “médio” ou “intermediário” correspondem a valores das variáveis medidas, e não aos valores dos sinais correspondentes, a não ser que seja indicado de outra forma.

f) Os termos modificadores “alto”, “baixo”, quando aplicados a posições de válvulas e outros dispositivos abre-fecha (on-off), são definidos como se segue:

I - “alto” denota que a válvula está na posição completamente aberta ou se aproxima desta, e

II - “baixo” mostra que ela está na posição totalmente fechada ou se aproxima desta.

g) O termo “registrador” aplica-se a qualquer forma de armazenamento permanente de informações que permite recuperação por quaisquer meios;

h) A primeira letra “V” (vibração ou análise mecânica) desempenha o mesmo papel em monitoração de máquinas que a letra “A” desempenha em análise de maneira geral.

i) Exceto para a variável vibração, espera-se que as demais variáveis de análise mecânica sejam definidas fora do círculo de identificação.

A seqüência de letras de identificação funcional de um instrumento ou função

programada começa com uma primeira letra selecionada, de acordo com a tabela 2.1. As

letras de funções passivas ou de informação devem seguir em qualquer ordem; as letras de

funções ativas ou de saída seguem-nas também em qualquer ordem, com exceção da letra

de função de saída “C” (controle), que deve preceder a letra “V” (válvula), quando ambas

coexistirem. Se forem utilizadas letras modificadoras, estas deverão ser interpostas de

forma que fiquem posicionadas seguindo imediatamente as letras que elas modificam.

A numeração da malha pode ser feita de forma paralela ou serial. Usualmente na

indústria, utiliza-se numeração paralela. O número total dentro de um grupo não deve

exceder de quatro. Todas as letras de identificação funcional deverão ser letras maiúsculas.

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Page 8: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

Exemplo: A tabela 2.3 mostra um exemplo de instrumento identificado de acordo com a Norma ISA S 5.1.

T RC - 2 10 0 2 A

VARIÁVEL (controlada ou

medida)

FUNÇÃO (registrador controlador)

ÁREA DE ATIVIDADE

(planta ou fábrica)

N.º SEQUENCIAL DA MALHA

S U F I

IDENTIFICAÇÃO FUNCIONAL IDENTIFICAÇÃO DA MALHA X O

Onde:

T = Variável medida: TEMPERATURA;

R = Função passiva ou de informação: REGISTRADOR;

C = Função ativa ou de saída: CONTROLADOR;

2 1 = Área de atividade ou fábrica, onde o instrumento ou função programada atua;

0 2 = Número seqüencial da malha;

A = Sufixo.

TABELA 2.3 – exemplo de identificação do instrumento TRC-2102A

A figura 2.20 mostra os símbolos utilizados para representar os tipos de sinais de controle de processo automatizado ou que circulam em uma malha de controle, de acordo com a norma ISA em referência.

Fig. 2.20 – Simbologia para representação de sinais de controle.

A figura 2.3 mostra os símbolos dos instrumentos gerais utilizados para representar instrumentos ou função programada e a figura 2.4 mostra os símbolos e funções de processamento de sinais padronizados pela Norma ISA.

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Page 9: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

A padronização ISA também considera que quando a uma elaboração de um diagrama de controle, a identificação do instrumento será escrita dentro do símbolo geral e que em casos específicos, sua função será detalhada pelo acréscimo de um símbolo de processamento de sinais (figura 2.4) ao seu símbolo geral.

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Page 10: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

Fig. 2.21 – Símbolos e funções de processamento de sinais (ISA E SAMA).

SÍMBOLO FUNÇÃO SÍMBOLO FUNÇÃO

SOMA

MULTIPLICAÇÃO

MÉDIA

DIVISÃO

SUBTRAÇÃO

EXTRAÇÃO DE RAIZ QUADRADA

PROPORCIONAL

EXTRAÇÃO DE RAIZ

INTEGRAL

EXPONENCIAÇÃO

DERIVATIVO

FUNÇÃO NÃO LINEAR

SELETOR DE SINAL ALTO

LIMITE SUPERIOR

SELETOR DE SINAL BAIXO

LIMITE INFERIOR

POLARIZAÇÃO

LIMITADOR DE SINAL

FUNÇÃO TEMPO

CONVERSÃO DE SINAL

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Page 11: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

2.4 SISTEMAS DE CONTROLES

A palavra sistema tem diversas aplicações. Emprega-se para designar pequenos sistemas como o sistema de injeção de combustível dos veículos, grandes e complexos sistemas como o nosso sistema nervoso ou como o sistema econômico mundial ou como o sistema de defesa americano, sistema de informação, sistema de controle de planta industrial, sistema de controle de navegação dos navios e dos aviões, etc.

CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS

Primeira - compõem-se de muitas partes diferentes.

- os componentes podem ser bastante distintos (elementos físicos, humanos, regras e regulamentos sobre as inter-relações dos elementos)

Segunda - interação de seus diversos componentes (cada um influencia sobre o outro).

Terceira - evoluem de um estado para outro (em pequenos intervalos de tempo os sistemas móveis parecem estáticos).

Quarta - em sua maioria, são homeostáticos (quando observados em ciclos de curtos períodos, seu funcionamento parece manter continuidade ou estabilidade. Por outro lado, quando observados em períodos bastante longos, tendem a evoluir e mudar seu estado).

Quinta - seqüência: alimentação processador saída realimentação processador.

TABELA 2.1 – Características dos sistemas.

À primeira vista, parece imprópria a utilização do termo para conjuntos tão diferentes, mas na prática esses conjuntos apresentam várias características comuns, como é demonstrado no quadro da tabela 2.1.

A literatura científica define sistema como sendo:

“é uma combinação de componentes físicos que agem em conjunto para atingir im determinado objetivo”.

O conceito sistema pode ser aplicado a fenômenos abstratos dinâmicos, como aqueles em encontrados na economia. Dessa maneira, a palavra ’ sistema’ pode ser empregada para se referir a sistemas físicos, biológicos, econômicos e outros. Em qualquer sistema há sempre uma unidade central processadora e todo sistema possui um tipo de controle.

Exemplos:

a) controle político exercido por funcionários sobre diversos sistemas sociais;

b) computadores de controle para sistemas de armas militares;

c) controle da navegação pelo piloto automático, etc.

Resumindo, um sistema é constitui-se por três funções básicas: medir, comparar e corrigir.

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Page 12: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

Exemplos de sistemas de controles automáticos serão apresentados abaixo:

Sistema de controle de Nível por Diferencial de Pressão.

No sistema de controle mostrado abaixo, tem objetivo de controlar o nível do reservatório através da manipulação da vazão de saída do líquido no reservatório.

A Fig. 1.7 mostra a ligação elétrica do sistema. Inicialmente, o nível do líquido no tanque deve ser medido. A medição pode ser feita, por exemplo, através de um transmissor de pressão diferencial (d/p cell), por ultra som, radar e etc. O transmissor de nível mede a pressão exercida pela altura de coluna líquida, que é o nível, amplifica e converte esta pressão diferencial em um sinal padrão de corrente de 4 a 20 mA cc. Quando calibrado corretamente, o transmissor gera uma saída de 4 mA cc quando o nível estiver em 0% e a saída será de 20 mA cc quando o nível estiver em 100% da faixa calibrada.

Esta corrente analógica é transmitida através de um cabo trançado, eventualmente blindado, para o controlador. O controlador geralmente está na sala de controle centralizada, distante do processo. O controlador compara a variável do processo medida (nível, no exemplo) com o valor do ponto de ajuste. Se houver um desvio que vai ser a diferença algébrica entre esses dois valores (Set Point – Variável Controlada), o controlador enviará um sinal de correção para o elemento final de controle, onde nesse caso é uma válvula de controle com atuador pneumático, podendo ser do tipo diafragma, que trabalhará de 0 a

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Page 13: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

100% de abertura com uma faixa de sinal pneumático de 3 a 15 psi. Como podemos notar, os dois são de naturezas diferentes, necessitando de uma interface entre o controlador eletrônico e o atuador pneumático da válvula, para converter o sinal eletrônico padrão de 4 a 20 ma cc no sinal pneumático de 3 a 15 psi. Esta interface é o transdutor i/p.

O atuador pneumático, por sua vez, varia a posição da válvula, procurando manter uma vazão adequada do líquido (Variável Manipulada) na saída do tanque até nível atingir o valor de referência (Set Point).

Se ocorrer um distúrbio ou uma perturbação, aumentando ou diminuído a vazão na entrada do tanque, o nível do produto no tanque poderá subir ou descer, com isso, o transmissor de nível enviará um sinal para o controlador, onde irá alterar sua saída, como resposta. A saída do controlador irá aumentar um pouco a saída da válvula, aumentando a vazão do líquido deixando o tanque. O nível do tanque irá voltar ao ponto de ajuste desejado.

Aplicação:

Está estratégia de controle de nível é utilizada para controlar a admissão de água do tubulão.

Sistema de controle de Temperatura.

Esse sistema de controle tem o objetivo de controlar a temperatura do líquido através de uma resistência elétrica.

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Page 14: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

Nesse processo podemos utilizar um medidor do tipo PT-100, termopar, pirômetro e outros, para medir a variação da temperatura do líquido contido ou armazenado no interior do tanque.

O princípio de funcionamento é o mesmo do relatado acima só que a grande diferença, é que está sendo utilizada uma resistência em vez de uma válvula de controle como elemento final de controle.

O sensor de temperatura envia um sinal elétrico/eletrônico de 4 a 20 mA para o controlador que irá comparar o valor medido com um valor de referência da temperatura. Se houver um desvio, enviará um sinal de correção inserindo ou não mais resistências para manter a temperatura do líquido dentro do valor desejado (Set Point).

Observação: O Sinal do controlador só será recebido diretamente pelo elemento final de controle, se o atuador da válvula for da mesma natureza do controlador, se não, o sinal terá que ser convertido por um transdutor.

Aplicação:

Este sistema de controle de temperatura pode ser utilizado para realizar o aquecimento do óleo pesado HFO de alimentação do Motor de Combustão Principal, também no aquecimento dos tanques de cargas utilizando serpentinas de latão-alumínio e etc.

2.5 CONTROLE DE PROCESSO.

Os principais controles de processos são: controle manual, controle automático e controle auto-operado, embora existam outros tipos de controles citados abaixo.

Objetivo do Controle.

O objetivo de um controle de processo, basicamente, visa manter os valores das variáveis do processo igual ou próximo ao valo de referência (Set Point) na presença ou não de perturbações das cargas.

Sintonizar um Controlador.

A sintonia do controlador ‚ é uma operação que deve ser feita com o processo em regime permanente, na condição mais provável de operação, depois que todas as condições do projeto tenham sido cumpridas como: equipamentos instalados e de todos os instrumentos calibrados.

Toda vez que a malha de controle sofre modificações, como por exemplo, alteração da faixa de medição da variável controlada, colocação ou retirada do extrator de raiz

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Page 15: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

quadrada, mudança da característica da válvula de linear para igual percentagem, colocação ou retirada do posicionador da válvula, mesmo que o processo continue estável para aquela determinada condição, as suas margens de ganho e de fase foram alteradas e a malha deve ser re-sintonizada.

Sintonizar um controlador significa nada mais que, ajustar os parâmetros (Proporcional, Integral e Derivativo) para que se alcance um bom controle.

Bom controle é um crítico desempenho que depende da aplicação.

Você sabia o que é um bom controle?

Um bom controle é um controle rápido, sem erro, sem overshoot e sem oscilação, onde pode ser visto pelo gráfico abaixo.

1) td – tempo de atraso.

2) tp – tempo de pico.

3) Mp – Over Shoot (Sobre Sinal).

4) ts – tempo de acomodação.

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Page 16: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

Bom controle é muito critico quando se depende do desempenho de uma da aplicação.

Como por exemplo, na figura abaixo de um braço robótico movendo um recipiente com nitroglicerina ou um manipulador robótico responsável em abrir arco voltaico ou utilizado durante o processo de construção da estrutura de um navio, onde o objetivo é dar pontos de solda em carcaças de automóveis em uma linha de produção na indústria automobilística, o controlador deverá ser sintonizado sem overshoot e sem oscilação, ou seja, a resposta será lenta e amortecida.

No sistema de controle de uma válvula pneumática de três vias é diferente do exemplo citado acima, já que nesse sistema o que visa é um controle rápido com pequena oscilação, desde que não prejudique o sistema mecânico da válvula de controle automático.

2.5.1 Controle Manual

Qualquer que seja o processo industrial, a ação do controle ocorre sobre uma ou mais grandezas físicas (variáveis), com o objetivo de manipular a relação de entrada / saída de material ou de energia, de maneira que as variáveis do processo sejam mantidas

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Page 17: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

dentro de valores estabelecidos. Como sabemos, qualquer grandeza física pode ter seu valor intencionalmente alterado, salvo aquelas em que há limitações práticas, como alguns dos fenômenos naturais.

O controle manual (figuras 2.1 e 2.2) exige a presença de um operador no local, ,sendo que, o controle é realizado manualmente através de instrumentos com indicação no local, podendo ser analógico que com conhecimentos de procedimentos operacionais de algum processo, pode opera algum equipamento de controle como por exemplo: válvula de controle direcional de 5 vias e duas posições, onde será estuda no capítulo 5, controle manual de liga e desliga da bomba que alimenta o tanque de sedimentação, válvula que realiza a cambagem do óleo combustível do Motor de Combustão Principal (transferência) para o tanque de armazenamento, chave elétrica, etc., o qual por sua vez produz alterações na variável física que esta sendo controlada.

Fig. 2.1 – Sistema de controle manual de uma caldeira.

Exemplo:

Partindo da idéia de controlar o nível de água de um tanque (figura 2.2), em função da demanda (consumo), ocorreria a seguinte situação:

Se a demanda fosse pequena, todas as vezes que o nível atingisse um ponto mínimo, teríamos que abrir a válvula de entrada e regular a vazão de entrada até que o tanque atingisse o nível máximo e então fechá-la;

Porém, se a demanda fosse grande, teríamos que manter a válvula de entrada aberta, regulando para não deixar o tanque transbordar.

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CONCLUSÃO – Nesta condição seria necessário uma pessoa com total atenção ao controle do tanque e dependeríamos de sua experiência e habilidade para não ocorrer um problema (avaria). Assim, teríamos um controle de produção empírico ou manual.

Fig. 2.2 – Controle manual do nível de um tanque de água (cisterna).

No caso do trocador de calor, o termo processo signif ica a operação de adição de energia calorí f ica ao f luido fr io (f luido a ser aquecido), ocorrerá uma transferência de energia térmica entre o vapor e o f luido a ser aquecido.

No exemplo i lustrado abaixo, bem como nos outros casos de controle de processos, a função fundamental do sistema de controle é manipular a relação entra/saída de energia ou material , de maneira que as variáveis do processo sejam mantidas dentro dos l imites estabelecidos.

Nesse processo o operador terá como função medir a temperatura do fluido aquecido (variável controlada) e manipular a vazão de entrada do vapor adicionado ao trocador (variável manipulada), de forma a manter a temperatura da variável controlada no

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Page 19: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

valor desejado (ponto de ajuste ou set point). Ou seja, o operador irá medir a temperatura do fluído aquecido através do tato; que será comparado mentalmente com a temperatura desejada (ponto de ajuste ou set point), que está armazenado em seu cérebro, com base na diferença entre esses dois valores (erro), fará a computação (definirá como e quanto irá atuar) e, em seguida, atuará na válvula de admissão de vapor fazendo a correção.

2.5.2 Controle Automático (Desenvolvimento da Automatização).

Quando uma parte, ou a totalidade das operações executadas pelo trabalhador, é realizada por um equipamento que funciona com um determinado tipo de energia (mecânica, pneumática, hidráulica ou elétrica), temos um controle automático.

Até poucas décadas atrás, o comando e o controle de funcionamento de todas as máquinas e/ou de todos os equipamentos eram feitos por operadores humanos. Nessa forma, há uma associação da força e sincronismo da máquina com o pensamento do homem. A máquina ou o equipamento, não dispondo de quaisquer meios de informação, tem um comportamento que se repete uniformemente, indiferente às alterações do meio. A isso denominamos mecanização ou automatização.

Você sabia?

Na automatização, é o operador que, dispondo de informações sensoriais dos dados dos instrumentos de medida e de informações de várias ordens, introduz correções na atuação do sistema (máquinas ou equipamentos) de modo que sejam atingidas as condições desejadas

Exemplo:

torneiro comanda os movimentos do seu torno mecânico clássico de acordo com a forma desejada da peça que está fabricando, e em função das medidas que faz de vez em quando. Se deixar por conta do torno mecânico, este só poderá ir até a sua autodestruição. Neste caso, o operário é, de certo modo, senhor da máquina. Pode comandá-la e parar quando desejar.

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Page 20: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

Na automatização, todos os movimentos das máquinas são rigorosamente sincronizados e cronometricamente repetidos, exigindo dos operários movimentos repetitivos e monótonos que servem a máquina dentro de rigorosos limites de tempo. O operador fica reduzido à condição de escravo da máquina, sem qualquer possibilidade de alterar o seu comportamento. É um trabalho penoso e subumano, responsável por inúmeros casos de acidentes de trabalhos, com graves conseqüências para o trabalhador.

OBSERVAÇÃO IMPORTANTE!

Segundo Horta Santos (1987), o conceito de automatização está indissoluvelmente ligado à sugestão de movimento automático, repetitivo, mecânico e é, portanto, sinônimo de mecanização. E mecanismo implica ação cega, sem correção.

Exemplo:

Se utilizarmos um controle automático simples ou mecanizado, empregando uma vál-vula comandada por uma bóia que pode ser visto pela figura 2.03, todas as vezes que o nível de água baixar devido à demanda (consumo) ou por alguma perturbação ocorrida no processo como um vazamento por alguma conexão, a bóia de nível, vai atuar mecanicamente na válvula de entrada do tanque, manipulando o valor da vazão de entrada da água (Variável Manipulada) através da abertura da mesma que, com isso, o nível do tanque (Variável Controlada) será estabilizado no valor de referência (Set Point). Quando o distúrbio for sanado e o consumo normalizar, o processo voltará as suas condições normais de operação.

Fig. 2.3 - Controle automático (mecânico) do nível de água de uma cisterna por bóia.

A figura 2.4 mostra um controle automático, onde foi mostrado anteriormente por um operador manualmente. A medição é feita pelo Transmissor de Temperatura (TT) que é enviada ao controlador, onde vai comparar o valor medido pelo transmissor (TT) com o ponto de ajusto dado pelo operador (set point) para obtenção do valor do erro (Erro = Set Point – Variável Controlada) e a computação (que irá considerar os ajustes e tipos de ações de controle utilizadas) são executadas pelo controlador de temperatura (TRC),

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Page 21: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

enquanto a correção será efetivada pela válvula de controle (TV) com base no sinal recebido do TRC.

Figura 2.4 Controle Automático de Temperatura.

Virtualmente, todos os sistemas de controle automático possuem os mesmo elementos e funções básicas que são: medição, comparação, computação correção (atuação).

2.5.3 Controle Auto-operado.

O controle auto-operado é um controle em que a energia necessária para movimentar a parte operacional pode ser obtida diretamente, através da região de detecção, do sistema controlador.

Deste modo, este controle auto-operado obtém toda a energia necessária para o seu funcionamento do próprio meio controlado.

.

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Page 22: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

Esses sistemas são larga-mente empregados no controle de pressão de compressores e nível de água de caldeira. Apresentam como principais vantagens a sua simplicidade de projeto, construção e operação. Como desvantagem, temos os seguintes problemas de estabilidade: opera, utilizando somente parte da capacidade total da válvula, e não obtém linearidade de controle.

Fig. 2.34 – Sistema de controle auto-operado.

Exemplo:

A figura 2.34 ilustra um sistema de controle da pressão de vapor no lado de descarga (jusante) da válvula. Verificamos que, por meio de um tubo de pequeno diâmetro, que conecta a tubulação do lado de saída da válvula ao atuador da mesma, a pressão do fluido atua diretamente no diafragma do atuador da válvula. O ponto de ajuste (set point) é mudado, atuando-se no parafuso externo de ajuste de pressão. Assim, enquanto a pressão do fluido empurra o diafragma da válvula para cima, a mola empurra-o no sentido contrário; conseqüentemente o posicionamento do obturador (plugue) será função da resultante dessas pressões que atuam no diafragma e das pressões que atuam no próprio obturador.

Observamos que não há uma linearidade de controle, pois, à medida que a compressão da mola aumenta, sobe o valor da pressão necessária para posicionar o obturador da válvula.

2 .5 .4 Cont ro le D is t r ibu ído com Energ ia Pneumát ica

A energia pneumática foi à primeira forma de processamento de sinal a ser empregada na automatização de processo industrial e junto com ela surgiu à estratégia e/ou a filosofia de Controle Distribuído.

Você sabia?

Nos primórdios do Controle Distribuído, os instrumentos de controle (reguladores mecânicos, controladores pneumáticos, medidores, etc.) eram instalados próximo aos equipamentos do processo a serem controlados. A ação do controle era executada pelo operador, e a comunicação entre operadores e o gerenciamento da operação da planta eram feitos por troca de informações verbais.

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Page 23: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

Os primeiros controladores pneumáticos de conexão direta ao processo só foram empregados por volta de 1930, porém foi mantida a filosofia de controle distribuído, ou seja, o controlador e a interface homem-máquina (IHM) permaneceram junto do processo (no campo).

2 .5 .5 Cont ro le Cen t ra l i zado Pneumát ico

O aumento do tamanho das plantas industriais e da complexidade do processo exigiu pesquisas que resultaram num grande desenvolvimento das técnicas de controle automático. Destas pesquisas destacaram-se algumas citadas a seguir :

a ) a teoria da reação desenvolvida por H. Niquist, da Bell Company, em 1932. Essa teoria definiu o primeiro método de análise de sistema à realimentação e estabeleceu um critério para o estudo de estabilidade em tais sistemas. O conceito de estabilidade é extremamente importante na operação de sistemas de controle;

Um sistema estável é aquele que permanecerá em repouso, a menos que sofra uma distúrbio (perturbação) de fonte externa, e que retornará ao estado de repouso quando todas as excitações desaparecerem.

b ) a definição do conceito de realimentação (feedback) –

Neste tipo, o equipamento (controlador) age sobre o elemento de controle (válvula de controle), baseando-se em informações da variável física controlada, detectadas na saída do processo, por instrumentos de medidas (sensor);

c ) a fabricação do primeiro controlador com ação proporcional mais integral (PI).

d ) a padronização da faixa de alimentação (20 a 22 PSI) e de transmissão de sinal pneumático (3 a 15 PSI), durante a década de 40;

e ) o emprego dos instrumentos do tipo transmissor pneumático (bico-palheta), relés pneumáticos, foles, amplificadores e controladores a corda;

f ) o aperfeiçoamento de funções tais como: extração de raiz quadrada, multiplicação, etc.; e

g ) com estes as salas de controle.

As figuras a seguir ilustram alguns desses componentes.

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Page 24: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

Fig. 2.4 – Exemplo de transmissor pneumático – SIEMENS.

Nos transmissores de pressão, as variáveis de processos são convertidas em sinais pneumáticos padronizados de (3 a 15 PSI.) e transmitidos para as salas de controle, onde são manipulados, e o resultado amplificado e enviado até os atuadores dos elementos finais de controle dos processos.

A – Estrator de raiz quadrada

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Page 25: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

B – IHM

C - Somador

Fig. 2.5 –Elementos da automatização pneumática.

Com o estabelecimento, por Normas Técnicas, de padrões para a automatização pneumática houve uma grande aceitação e possibilitou a expansão dos sistemas de controle centralizados, os quais são encontrados até os dias atuais controlando plantas industriais, principalmente as que exigem seguranças intrínsecas, como é o caso das caldeiras em refinarias e navios.

Exemplo 1:

Se empregarmos um controlador pneumático de nível (figura 2.6), controlando a vazão a montante (entrada) correspondente a demanda à jusante (saída). Quando aparecer uma alteração de nível, o controlador aumentará ou diminuirá o valor do sinal para o atuador da válvula, fazendo com que ela abra ou feche para compensar a variação do nível.

Fig. 2.6 - Automatização do controle do nível de uma cisterna por controlador pneumático com estratégia de realimentação

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Page 26: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

Exemplo 2:

sistema de controle de vazão, ilustrado na figura 2.7, funciona da seguinte forma:

Fig. 2.7 - Controle automático por realimentação da vazão de água -

com controlador pneumático CP4150 do fabricante FISHER.

Possui uma alimentação de ar de controle de 30 PSI, que passa pelo controlador e distribui-se para válvula de controle e para o conjunto bico palheta conforme determina a atuação de controle. A vazão do fluido que circula pela tubulação é regulado pela válvula de controle, conforme o sinal do n (L). O valor desejado (set-point) é estabelecido por meio de ajuste das pressões que agem nos foles (E) e (B), que por sua vez mantém a palheta (C) numa determinada posição em relação ao bico (D).

Qualquer variação da vazão produz uma mudança no valor da pressão que é detectada pelo sensor de pressão (T) do tipo Bourdon formato C. Essa variação atua na palheta (C), aproximando-a ou afastando-a do bico (D), proporcionalmente. A resultante desse equilíbrio de força é a pressão que atua na válvula de controle. Como o controle é do tipo de ação proporcional, acumula-se um erro de regime que necessita de tempo em tempo ser eliminado pela atuação do botão de “reset manual”.

Os instrumentos de um sistema de automatização pneumática são de grande durabilidade; porém realizam apenas uma função, tem um tempo de resposta lento, não são precisos, ocupam grandes espaços, dificilmente podem ser substituído por um de outro fabricante e tem um custo alto tanto para aquisição como de manutenção. Por essas desvantagens se comparadas com as novas tecnologias, fazem com que a automatização pneumática, para novos projetos, sejam preteridas.

2.6 TIPOS DE MALHA DE CONTROLE

Os objetivos desse conteúdo são os seguintes:

1. Conceituar malha de controle.

2. Mostrar as diferenças básicas entre malha aberta e malha fechada.

3. Apresentar as características da malha fechada com realimentação negativa.

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Page 27: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

Por mais complexo que seja o processo, seu controle automático é realizado pela malha de controle. O sistema de controle com muitas variáveis independentes pode ser dividido sucessivamente até se chegar ao módulo unitário mais simples, que é a malha de controle de uma única variável.

Definição de Malha.

É uma série de instrumentos que, se comunicam e estão interligados entre si, na qual produz um resultado útil e desejado, com pequena ou nenhuma supervisão, ou seja, sem a intervenção humana.

A principal característica de uma planta de processo bem projetada, sob o ponto de vista de controle, é a grande produção com poucos operadores de processo.

Ha muitos modos diferentes de se instrumentar um processo, sob o ponto de vista de equipamentos. Pode-se usar a instrumentação pneumática ou a eletrônica, pode-se usar a técnica analógica ou a digital, pode-se escolher entre a arquitetura modular ou a integral, pode-se ter o controlador montado no campo ou na sala de controle remota. Porém, a despeito de todas as alternativas, a teoria básica permanece sempre a mesma. O processo vê caixas pretas, que desempenham funções especificas, qualquer que seja a natureza dos circuitos interiores e o local de montagem.

2.6.1 Sistema em Malha Aberta (open-loop)

Algumas pessoas denominam essa forma de controle como um sistema de comando, visto que haverá um sinal que comandará uma ação, não havendo nenhum controle por parte dos equipamentos e sim pela observação do operador.

Definição de Malha aberta.

No sistema de malha aberta, o sinal de saída não exerce ação de controle no sistema. Isto quer dizer que o sinal de saída não é medido, nem utilizado como realimentação para ser comparado com a entrada como pode ser visto pelo diagrama em bloco realizado abaixo.

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Page 28: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

Exemplo1:

Pretende-se manter o navio num rumo constante, no sentido oeste → este (figura 2.27). O timoneiro comanda o leme ate que o navio alcance a posição desejada (set point), então basta fixar o leme que o rumo se mantém. Ora, todos sabem que, devido aos ventos e correntes, (perturbações), isso não vai acontecer. Portanto, haverá um grande erro, que será corrigido mediante mudança na posição do leme para o valor desejado. Neste tipo de controle, o homem desempenha as funções de sensor, comparador e controlador. A malha de controle só é fechada mediante a intervenção do operador.

Fig. 2.27 – Diagrama de blocos do controle do rumo do navio em malha aberta.

Você sabia?

Um processo que é controlado por meio de um sistema de comando (malha aberta) não deve trabalhar sozinho porque apresenta erro muito grande.

Exemplo2:

Pretende-se controlar a temperatura de óleo combustível que passa por um trocador de calor (figura 2.28). Verifica-se a temperatura com que o óleo entra no aquecedor e determina-se a temperatura que se deseja na saída (set-point). Então, abre-se a válvula de controle de vapor, procurando manter uma vazão que leve a alcançar o valor desejado da variável controlada (temperatura do óleo). Após um certo tempo, ao verificar o medidor de temperatura de saída do óleo, nota-se que ela apresenta um erro. É necessário modificar a vazão do vapor, atuando na posição da válvula.

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Page 29: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

Fig. 2.28 - Controle da temperatura de óleo combustível em um aquecedor em malha aberta – Controle Antecipativo

2 .6 .2 Conce i to de Antec ipação ( f eed forw ard )

Esse conceito estabelece que se deva fazer uma avaliação prévia da demanda de um produto, para que com o resultado da avaliação possamos agir nos ajustes do processo. Ou seja, caracteriza-se por oferecer uma correção no processo, antecipadamente, a fim de evitar um futuro desvio.

No controle Feedforward, o distúrbio é medido e, baseado num valor de set point para a variável controlada, é calculado o valor necessário para a variável manipulada de maneira a evitar que a variável controlada seja alterada.

É o conhecimento especial sobre o processo que limita a aplicação prática do controle por antecipação. Precisam ser bem conhecidos tanto os ganhos em regime estacionário quanto as constantes de tempo e os tempos mortos que apresentam o processo.

Fig. 2.8 – Exemplo de controle automático por antecipação – Aquecimento de um ambiente.

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Page 30: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

2.6.3 ontrole em Malha Fechada (close-loop) C

Neste sistema, por meio de sensores, mede-se o valor da variável controlada, o qual é transmitido ao controlador, que compara o valor medido com o valor desejado (set-point). Se houver erro de desvio, é enviado um sinal de correção ao elemento final de controle, que, atuando na variável manipulada, busca corrigir esse erro.

Fig. 2.29 – Esquema de controle elétrico do leme em malha fechada

Exemplo

plo, podemos citar o controle do rumo de um navio pelo piloto automático. tabilizar o navio no rumo desejado, é necessário de tempos em tempos

e controle do leme da figura 2.29, quando os cursores dos dois se encontram na posição central, a tensão entre as duas tomadas

Como exemDepois de escorrigir o desvio (distúrbios), provocado pelo vento, correntes, ondas, etc. A correção é feita comparando o rumo real, com o rumo desejado. Essa hipótese é representada pela figura 2.29, com o diagrama de blocos correspondente mostrado da figura 2.30.

Funcionamento:

No sistema dpotenciômetrosmédias é nula: não há nenhum sinal de saída. Quando o timão é girado, o cursor S1 desloca-se da sua posição central, dando origem ao aparecimento de uma diferença de potencial entre S1 e S2. A amplitude desta diferença depende do afastamento de S1 em relação a S2. A fase da diferença de potencial depende, por sua vez, do sentido do deslocamento de S1. Quando S1 se desloca para a esquerda de S2, aproxima-se do terminal A da fonte de alimentação (CA) que serve de referência. Em conseqüência, a diferença de potencial entre S1 e S2 está em fase com a tensão entre o ponto A e B. Quando ocorre ao contrário, o deslocamento de S1 é para a direita de S2 e o cursor S1 aproxima-se do terminal B

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Page 31: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

Fig. 2.30 – Diagrama de blocos do controle do rumo do navio em malha fechada.

Dependendo da forma como atua o controlador, um sistema de controle em malha fechad

a) controle automático descontínuo (on/off ou step controllers); e

b) controle automático contínuo (continuous controllers).

Observação ambos serão estudados mais adiante.

a poderá ser classificado como:

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Exemplo 1: A figura a seguir ilustra a representação da malha de controle do sistema de resfriamento do motor principal (MCP) de um navio construído nos anos 70.

Fig. 2.22 – Representação da malha de controle do sistema de resfriamento do MCP de um navio construído nos anos 70.

Exemplo 2: Automatização pneumática da combustão de uma caldeira com Malha de controle do tipo limite cruzado com dois combustível moduláveis.

Fig. 2.23 – Diagrama P&I da malha de controle da combustão de uma caldeira - Tipo limite cruzado

com dois combustíveis moduláveis

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Page 33: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

2.7 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DO PROCESSO

Na implantação e operação de um sistema de controle automático deve-se levar em consideração que cada processo apresenta, pelo menos, dois efeitos que devem ser analisados cuidadosamente:

a) mudança na carga do processo, e

b) inércia do processo.

2.7.1 Mudança na Carga do Processo

Carga de um processo - É a quantidade total de agente de controle exigida em um dado instante, para manter as condições de equilíbrio do processo.

Para compreendermos essa característica, observemos o seguinte exemplo:

Fig. 2.24 – Controle eletrônico CLP da temperatura da água de um reservatório aquecido por vapor.

Exemplo:

Um produto (água fria) passando por um trocador de calor (figura 2.24) é continuamente aquecido com vapor (agente de controle) e requer uma certa quantidade de vapor, para manter a sua temperatura ao nível desejado, enquanto o produto estiver escoando a uma determinada velocidade. Um aumento no escoamento do produto (aumento de demanda) exige mais vapor. Já um aumento na temperatura do produto na entrada do trocador de calor requer menos vapor. Estas situações representam mudanças de carga.

Qualquer modificação na carga do processo exige uma correspondente modificação na ajustagem do elemento de controle final, a fim de manter o equilíbrio (a variável controlada permanecer no ponto prefixado, set-point).

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As modificações na carga do processo ocorrem devido os distúrbios do processo e estes podem ser de três tipos: distúrbios de alimentação, distúrbios de demanda e distúrbios de ponto de ajuste (set point).

a) Distúrbios de alimentação - É uma mudança de energia ou de produto que ocorre na entrada do processo. No nosso exemplo a mudança pode ocorrer: na vazão e/ou na temperatura da água e na temperatura, na pressão e/ou na vazão de vapor.

b) Distúrbios de demanda – É uma mudança de energia ou de produto que ocorre na saída do processo. No nosso exemplo é uma mudança na vazão da água aquecida (maior ou menor consumo).

c) Distúrbios de ponto de ajuste – É uma alteração no valor/ponto estabelecido para que o processo fique estabilizado. No nosso exemplo, poderíamos desejar que água estabilizasse em 75º C. e por uma razão qualquer sofreu uma mudança para 65º C.. São alterações difíceis para o sistema de controle pois, têm que atravessar o processo inteiro para serem medidas e controladas.

A grandeza e a velocidade na mudança da carga do processo são fatores importantes para a instrumentação e os sistemas de controle.

2.7.2 Inércia do Processo

Em processos que envolvem modificações rápidas, a resposta dinâmica da variável controlada é uma característica importante.

Inércia do processo - é o tempo que a variável controlada requer para alcançar um novo valor, ao ocorrer uma modificação na carga.

Os processos têm a característica de atrasar as mudanças nos valores das variáveis do processo. Essas ações são denominadas de atrasos de tempo do processo e são causados por três propriedades: resistência, capacitância e tempo morto.

a) Resistência – São as partes do processo que resistem a transferência de energia ou de material.

Exemplos:

A inclusão de um poço aumenta em muito o atraso de tempo do elemento primário (sensor). Sempre que possível, recomenda-se evitar a utilização de qualquer dispositivo que diminua a velocidade de resposta do elemento primário.

No medidor de temperatura tipo Bourdon, a resistência ao fluxo de fluído no tubo capilar provoca um atraso de tempo. Por essa razão se deve evitar grandes comprimentos de tubo capilar.

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Nos sistemas de comando/controle hidráulico ou pneumático também temos um atraso de tempo, provocado pela resistência ao fluxo de fluído na tubulação entre o elemento primário e o transmissor. Por essa razão, entre esses elementos a tubulação deve ser a mais curta possível.

Nas válvulas de controle a inércia física e os atritos da haste, obturador e sede provocam atraso de tempo. Para diminuir esse problema é necessário manter o elemento final de controle em ótimas condições por meio de uma manutenção cuidadosa e utilizar posicionador.

b) Capacitância - Apesar da capacidade ser um termo familiar para medir a habilidade de um processo reter energia (unidade de quantidade), um fator mais importante é dado por sua capacitância.

Capacitância é a medida de habilidade de um processo reter uma quantidade de energia ou material, por unidade de quantidade de alguma variável de referência.

Em função de sua capacitância, os processos podem ser monocapacitivos ou multicapacitivos. Para distingui-los, analisam-se as curvas de reação do processo.

Normalmente, um processo monocapacitivo tem um gráfico cuja curva de reação é uma reta inclinada em um determinado ângulo e o multicapacitivo possui um gráfico cuja curva de reação é um “S”.

Para uma melhor compreensão de capacitância vejamos o exemplo seguinte:

Fig. 2.25 - Comparação entre capacitância e capacidade.

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Page 36: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

Exemplos:

A figura 2.25 mostra dois tanques de formatos diferentes, mas com a mesma capacidade volumétrica (160 m3). Cada tanque possui uma capacitância diferente, baseada na altura do líquido. O tanque com oito metros (8 m) de altura possui uma capacitância volumétrica de líquido de 20 m3 por metro de altura (160/8); ao passo que o tanque com quatro metros (4 m) de altura apresenta uma capacitância de 40 m3 por metro de altura (160/4). Deve-se, portanto, identificar sempre a capacitância com o tipo de energia ou com o tipo dos materiais envolvidos.

A capacitância térmica de um líquido é definida em termos de energia calorífica (Joule, calorias) exigida para elevar a temperatura do líquido por graus centígrados.

A capacitância volumétrica do tubo capilar provoca uma atraso de tempo considerável, que unido à resistência ao fluxo do fluido forma o par RC. Assim, sempre que possível se deve evitar a aplicação de tubos capilares de grande comprimento. O mesmo acontece com os meios de transmissão hidráulicos ou pneumáticos.

Lembre-se: capacitância é uma característica dinâmica do processo e capacidade é uma característica volumétrica do processo.

c) Tempo morto – também chamado tempo de transporte – é o atraso verificado entre a ocorrência de uma alteração no processo e a sua percepção pelo elemento de medição. O tempo morto ocorre no transporte de massa ou energia através de um dado percurso. O comprimento do percurso e a velocidade de propagação da massa ou da energia definem o tempo morto.

2.8 TIPOS DE COMANDOS

2.8.1 Comando Por Servomecanismo

Os servomecanismos são projetados para fazer com que a saída do sistema acompanhe fielmente as mudanças do ponto de ajuste (valor do referência, set point, etc) .

Fig. 2.31 – Esquema do controle do leme do navio por servomecanismo elétrico (motores síncrono).

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Page 37: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

Qualquer servomecanismo deve ser capaz de receber uma ordem e executá-lo fielmente. Na saída do sistema, a variável controlada é normalmente uma posição mecânica ou, então, suas derivadas no tempo, tais como velocidade e aceleração.

Exemplos típicos são o controle do leme do navio e a transmissão de sinal entre o telegrafo da ponte de comando e da máquina, que são comandados por motores síncrono, pois as variações do rumo impostas pelo timão são amplificadas de tal maneira a permitir o posicionamento correto do leme com um mínimo de esforço do piloto. A figura 2.31 ilustra o comando do posicionamento do leme a partir da ponte de comando por motores síncronos.

2.8.2 Comando Automático Industrial

Consiste num conjunto de elementos interligados em malha aberta que já foi estudado anteriormente, isto é, as informações processadas nesses elementos apresentam-se num único sentido, da entrada para a saída. Classificam-se:

a) quanto ao modo de atuação do comando: a1 - comando simples; e a2 - comando com neutralização.

b) quanto à variável de entrada: b1 - entrada fixa;

b2 - entrada variável.

2 .8 .2 .1 Comando S imp les

Neste sistema, o comando simples atua diretamente sobre o elemento final de comando. As perturbações não podem ser eliminadas, por isso seu valor é acrescido ou suprimido da variável comandada. A figura 2.32 ilustra esse tipo de controle em um diagrama de blocos.

Fig. 2. 32 – Diagrama de blocos com os elementos do sistema de comando simples.

2 .8 .2 .2 Comando com Neut ra l i zação

O sistema de comando com neutralização permite que apenas uma determinada perturbação seja neutralizada a fim de que esta não atue sobre a saída. Não será eliminada qualquer outra perturbação não prevista.

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O neutralizador deve realizar função inversa do elemento final de comando, invertendo também o sinal de perturbação à sua entrada. A figura 2.33 ilustra esse tipo de controle.

Fig. 2. 33 - Diagrama de blocos com os elementos do sistema de comando com neutralizador.

2 .8 .2 .3 Comando de En t rada F ixa

Um sistema de comando com entrada fixa é aquele em que a variável de entrada permanece inalterada ao longo do tempo. Como exemplo, temos, um sistema de comando para partida simples de motores elétricos.

2 .8 .2 .4 Comando de En t rada Var iáve l

Um sistema de comando com entrada variável é aquele em que a variável de entrada pode assumir valores diferentes em função do tempo ou de uma seqüência de operação. Estes, por sua vez, podem ser de dois tipos: comando temporizado e comando seqüenciado

2 .8 .2 .5 Comando Tempor i zado

São aqueles em que a variação de entrada de comando ocorre em função somente do tempo.

Estes sistemas apresentam o inconveniente de possibilitar que o tempo de uma operação não tenha sido suficiente (devido a perturbações, por exemplo) e o temporizador inicie nova operação com a anterior ainda não completada. Como exemplos deste sistema, temos: luzes cadenciadas, operações de carga e descarga de produtos, etc.

2 .8 .2 .6 Comando Seqüenc iado

São aqueles em que a entrada de comando varia em seqüência e em função do encadeamento de operações sucessivas.

São mais confiáveis do que os temporizados, pois uma operação nova só é iniciada após a anterior ter sido executada. São exemplos deste sistema máquinas operatrizes, linhas de montagem, etc.

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2.9 ESTRATÉGIAS DO CONTROLE AUTOMÁTICO

A nossa indústria e os navios com plantas automatizadas na base de sistemas rígidos, com conexão ponto-a-ponto, encontravam, e ainda encontram, grandes dificuldades para atualizar os equipamentos destes sistemas de controle. Pois os fabricantes desenvolveram esses sistemas baseados em modelos de comunicação proprietário, em que buscavam reserva de mercado para seus produtos, de tal forma que muitos deles não se comunicam nem com os equipamentos produzidos pelo próprio fabricante. Não houve, portanto, uma preocupação com a informação, a mobilidade e a estrutura dessa informação, fatores esses que são tão importantes quanto à construção do prédio ou do navio, os equipamentos e os empregados, para que a empresa se torne competitiva.

As estratégias de controle podem ser:

a) por realimentação (feedback), também chamado regulatório;

b) por antecipação (feedforward), também chamado antecipatório;

c) caracterizado;

d) modelagem matemática; e

e) otimização ou otimizado.

Em uma Indústria ou em uma companhia de navegação atual, as pessoas envolvidas com o controle da planta/navio possuem objetivos distintos, mas estão perfeitamente sincronizados com o objetivo maior. Uma falha em qualquer uma das áreas compromete as metas estabelecidas. Seja qual for a estratégia de controle adotada, deve-se levar em consideração que as decisões devem ser rápidas para que os resultados financeiros sejam compensadores, pois há cada vez mais uma acirrada concorrência entre fabricantes e prestadores de serviço.

Nestas condições, a comunicação torna-se um dos principais elementos do sistema, pois a disponibilidade, no momento certo, das informações adequadas da área de produção (chão-de-fábrica, praça de máquinas) permite desde o gerente (chefe de máquinas) até o operador (oficial de quarto) tomar as decisões apropriadas. Portanto, é preciso uma grande atenção com ela, pois quanto menor for o tempo de produção, maior será a possibilidade de levar vantagens sobre o concorrente.

Assim, a produção industrial de nossos dias, aponta para a necessidade de um gerenciamento centralizado que interligue todos os subsistemas e assuma de modo integral o controle.

A necessidade da centralização da informação obriga que os processos e suas instalações sejam totalmente automatizados e monitorados, assim como haja uma troca de informações entre as unidades funcionais, de maneira compreensiva. Para tanto, é necessário que o controle da planta seja distribuído e hierarquizado; seja instalado próximo do processo e que se comunique com o centro de supervisão e todos os setores envolvidos com a produção. Nos navios deve se comunicar com o passadiço.

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Na sala de operação (CCM ou passadiço), o controle, a monitorização e a supervisão são feitos por meio de terminais computadorizados, conforme é ilustrado na figura 2.26. Atualmente, são empregados vídeos coloridos, com tamanho razoável, que mostram imagens dinâmicas do processo. O monitoramento constante permite não só visualizar as grandezas em operação normal e alterá-las, mas também detectar prematuramente falhas.

Fig. 2.26 - Console do centro de controle da máquina (CCM) de um navio.

Desta forma, nos dias atuais predomina sistemas flexíveis, nos quais com pequenos ajustes é possível substituir alguns dos equipamentos da malha de controle pelo de outro fabricante.

Você sabia?

A flexibilização nos sistemas de comunicação é um dos principais requisitos para que haja uma ótima interação na automação de processos.

Dependendo da forma como atua o controlador, um sistema de controle em malha fechada poderá ser classificado como:

c) controle automático descontínuo (on/off ou step controllers); e

d) controle automático contínuo (continuous controllers).

Ambos serão estudados abaixo.

2.9.1 Sistema de controle automático descontínuo

No controle automático, não é necessária a presença do operador para que haja controle de uma determinada variável. A malha de controle é fechada mediante o sinal enviado pelo sensor para o comparador do controlador, ou seja, através de uma mensagem de realimentação (feedback).

De todos os modos de controle, o controle “On-Off” é o mais simples e também o mais barato, por isso, é largamente utilizado.

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Você sabia?

Considera-se sistema de controle descontínuo aquele sistema pneumático, hidráulico, mecânico, eletromecânico, elétrico ou eletrônico, cujo sinal de saída do controlador apresenta apenas dois níveis: máximo e mínimo (alto e baixo). Também é conhecido como controle tudo ou nada, duas posição, liga–desliga, on-off.

No dia-a-dia e na maioria das literaturas disponíveis emprega-se o termo on-off para esse sistema de controle ou simplesmente para controlador. Por essa razão, daqui em diante adotaremos a mesma postura. O sinal de saída de um controlador on-off é representado pela equação abaixo:

Observa-se, pela equação, que o sinal de saída do controlador é mudado de ligada para desligada ou vice-versa, quando o sinal de erro passa pelo zero, ou seja, quando o sinal da variável controlada passa pelo set point. Assim, o elemento final de controle, que em geral é uma válvula comandada por solenóide, move-se rapidamente da posição totalmente aberta para a posição totalmente fechada, ou vice-versa, sem posições intermediária de abertura

O controle on-off é utilizado na indústria em sistema de segurança e para controlar malhas de menor importância, sendo que os principais sistemas que é empregado são: sistema de armazenamento de ar, sistema de ar-condicionado, sistema de câmaras frigoríficas e sistemas de segurança. Os controladores on-off mais utilizados são: pressostato, termostato, fluxostato, chave de nível, chaves-limite e detetores de chama.

Fig. 2.35 – Trocador de calor a vapor com controle on-off sem zona morta.

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Características peculiares permitem classificar o sistema de controle on-off nos seguintes tipos: sem zona morta (sem histerese), com zona morta (com histerese) e com largura de pulso. A figura 2.35 exemplifica um sistema de controle on-off de duas posição sem zona morta (histerese) com o gráfico da ação do controle.

2.9.1.1 Sistema Descontínuo com Zona Morta (diferencial)

Este modelo caracteriza-se por criar uma zona morta ou zona diferencial no controle on-off, utilizando-se de duas chaves-miniatura.

Com a introdução da zona diferencial, a freqüência de oscilação diminui, diminuindo o desgaste do elemento final de controle; porém a amplitude de oscilação aumenta, piorando a qualidade do controle.

Fig. 2.36 – Trocador de calor com sistema de controle on-off com zona morta.

Neste tipo de controle, o elemento final de controle apresenta um tempo de comutação muito curto, exigindo uma alta velocidade de atuação. Por esta razão são empregados em processos que apresentam uma velocidade de reação lenta, uma vez que a quantidade de energia, entrando e saindo do processo, é ligeiramente superior e inferior respectivamente às necessidades operacionais. Também caracteriza-se pela variável controlada oscilar continuamente dentro de uma faixa que tem como valor principal o set point. Essas oscilações variam em amplitude e freqüência de acordo com as alterações de carga ocorridas no processo.

Exemplo

Um sistema típico de controle on-off é o controle da pressão de um reservatório de ar comprimido. Esse controle é feito por um pressostato que aciona uma válvula solenóide. As perturbações aparecem em função da variação da descarga e da temperatura.

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A figura 2.37 ilustra o processo, o quadro a seguir identifica os elementos com suas principais características e adiante é explicado o funcionamento.

Fig. 2.37 - Reservatório de ar com sistema de controle on-off da pressão

A - Reservatório metálico, alimentado com ar comprimido cuja pressão é constante e igual a 1,2 kg/cm². A descarga é contínua.

B - Pressostato diferencial de 0,1 a 0,4 kg/cm² (faixa real de medição 0 a 4 kg/cm²), utilizado para comandar a válvula solenóide.

C - Válvula solenóide, montada em série na rede de ar comprimido que alimenta o reservatório.

D - Registrador de pressão (escala 0 a 1 kg/cm², velocidade do gráfico 1 mm/s). Permite registrar as variações da pressão (variável controlada) em função do tempo.

E - Válvula de descarga (acionamento manual), pode ser usada para simular perturbações no processo.

F - manômetro de Bourdon (escala de 0 a 1,6 kg/cm²);

G - redutor de pressão; e

H - interruptor bipolar.

Tabela 2.4 – Elementos principais do sistema de ar comprimido localizados no reservatório de ar.

Funcionamento do pressostato (Fig. 2.37):

A pressão a ser controlada P exerce uma força sobre o elemento elástico (fole S) (também pode ser uma membrana/diafragma). Os movimentos do fole S são transmitidos para a alavanca L1 cujo apoio está em F1. A alavanca L1 está solidamente ligada a uma haste B, que comanda o comutador C.

Quando a haste está na posição A’, os contatos 3 e 4 estão fechados; quando está na posição A, são os contatos 1 e 2 que estão fechados. As molas de aferição M1 e M2 estão em oposição com os movimentos do fole, de modo que a mudança dos contatos

aconteça de acordo com os valores máximo (Pa) e mínimos (Pf) prefixados para a

pressão. A tensão necessária das molas de calibração é obtida por meio dos respectivos parafusos V1 e V2, e os valores escolhidos são legíveis nas respectivas escalas S1 e S2, por meio dos ponteiros I1 e I2..

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Page 44: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

Atuando-se no parafuso V1, escolhe-se o valor da pressão que provocará o fechamento dos contatos 3 e 4. Atuando-se no parafuso V2, escolhe-se o valor da pressão que provocará a abertura dos contatos 3 e 4 e o fechamento dos contatos 1 e 2, ou seja, o

valor do diferencial de pressão (p).

valor da pressão de fechamento Pf é obtido, somando-se o valor definido com o

parafuso V1 com o valor definido com o parafuso V2 . O limite R3 evita a ruptura do dispositivo de controle no caso da pressão atingir valores superiores aos máximos previstos. O limite superior da alavanca L1 é R1

Fig. 2.37 - Pressostato em corte.

Fig. 2.38 - Esquema do pressostato.

Atuação do pressostato quando varia a pressão (Fig. 2.38):

Quando a pressão é nula, os contatos 3 e 4 estão fechados. Quando houver um aumento de pressão P, o fole S se distende, elevando a extremidade direita da alavanca

L1, ao mesmo tempo que a extremidade esquerda coloca a mola M1 sob tração. Antes

que a alavanca L1 tenha descrito um ângulo capaz de provocar a mudança dos

contatos, encosta na alavanca L2 vencendo também o momento da mola M2. Os

contatos 3 e 4 abrem-se.

Quando a pressão diminui, depois de ter atingido o ponto de fechamento, os contatos 3

e 4 permanecem abertos até a alavanca L2 atingir o seu encosto limite R2, ou seja, os

contatos 3 e 4 permanecem abertos durante todo o intervalo compreendido entre 0,8 e 0,5 Kg/cm², fechando exatamente quando a pressão atinge o valor de 0,5 Kg/cm.

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Fig. 2.39 - Elemento final de controle

(válvula solenóide).

A válvula solenóide. A figura 2.39 ilustra a descrição. A solenóide é alimentada com uma tensão elétrica de C.A. de 220 V., fornecida pelos contatos 3 e 4 do pressostato que estão em série com o circuito de alimentação. Quando a solenóide é percorrida pela corrente, suas bobinas criam um campo magnético de excitação que atraem o núcleo (3), preso ao obturador da válvula, provocando a abertura da mesma e, conseqüentemente, permitindo a passagem de ar. No caso contrário, solenóide desalimentada, uma mola, não representada no desenho, mantém o obturador de encontro à sede, ou seja, a válvula permanece fechada.

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DO CONTROLE ON-OFF

Basicamente todo controlador do tipo ON-OFF apresenta as seguintes características:

a) A correção independe da intensidade do desvio

b) O ganho é infinito

c) Provoca oscilações no processo

d) Deixa sempre erro de off-set

2.9.1.2 Sistema de Controle Descontínuo por Válvula Termostática

Também é um sistema de controle on-off. O ajuste da faixa de operação, ou melhor, dizendo, dos limites máximos e mínimos são ajustados no termostato. A figura 2.40 e 2.41 ilustra esse tipo de controle para um sistema de aquecimento de ar por meio de água quente.

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Fig. 2.40 – Válvula termostática de 3 vias em corte.

Fig. 2.41 – Controle on-off, por meio de válvula termostática, de um sistema de aquecimento de ar.

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2.9.2 Sistema De Controle Automático Contínuo

São os sistemas de controle automático em malha fechada, que apresentam um controlador capaz de manter a variável controlada dentro do valor desejado por meio de modulação contínua, ou seja, podendo assumir qualquer valor compreendido entre os limites máximo e mínimo.

Dependendo da forma como a informação de erro é processada, ou seja, da ação de controle, podemos dispor de um sistema de controle estático, dinâmico ou combinado, nos seguinte modos:

a) controle proporciona [P] (estático);

b) controle integral [I] (dinâmico);

c) controle derivativo [D] (dinâmico) e;

d) controle combinado [PID] (estático e dinâmico).

2.9.2.1 Controle Proporcional (P)

O modo de controle proporcional pode ser considerado como uma evolução do modo de controle on-off. O sinal de saída (sinal de ação de controle) de um controlador proporcional pode assumir qualquer valor, desde que compreendido entre os limites máximo e mínimo, que depende das condições do processo. Esse valor é o resultado de uma relação matemática proporcional entre o sinal de saída (sinal de ação de controle ) do controlador e o erro verificado (desvio).

Você sabia?

A amplitude de correção é proporcional a amplitude do erro (desvio), e estabiliza a variável controlada próximo do ponto de ajuste (valor de referência, set point), dentro de uma faixa predeterminada entre 0 % a 100 %. (banda proporcional).

Em outras palavras, a ação de controle proporcional é o ajuste de proporcionalidade entre a mudança da posição do elemento final de controle para determinada mudança da variável controlada. Isto se consegue mediante o controle do ganho do controlador.

O erro é a diferença entre o valor desejado (variável de entrada, set-point) e o valor da variável controlada (sinal de realimentação).

E = SP – Vc E = erro

SP = valor da variável de entrada (set-point, ).

Vc = valor da variável controlada.

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Page 48: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

Ganho do controlador é a diferença entre o sinal que entra e o sinal que sai do controlador.

O termo ganho é oriundo do crescimento das análises técnicas para controle de

processos. O ganho proporcional indica o quanto a posição da válvula é alterada para um

dado erro. Portanto, mostra o quanto a válvula é sensível ao erro. Matematicamente Kp pode ser expresso como:

S Kp = ---------

R

Kp = ganho proporcional;

S = variação de saída da variável controlada;

R = variação de entrada (referência).

O primeiro ajuste do controlador é o ganho e varia entre 0,2% a 20%.

A figura 2.42 mostra a curva de resposta de um controlador proporcional com diversos valores de ganho proporcional. Nota-se que, à medida que o ganho proporcional do controlador aumenta, o erro diminui e o sistema responde mais rapidamente às variações

Fig. 2.42 – Curvas de respostas de um controlador proporcional em função do ganho.

Banda proporcional é um parâmetro ajustável que se estabelece dentro da faixa real; é a mudança requerida na entrada para produzir uma mudança de amplitude na saída, devido à ação do controle proporcional. Ou melhor, dizendo:

Banda proporcional é a faixa de variação necessário na variável controlada (variável do processo) para que o elemento final de controle (válvula de controle) realizar o seu percurso completo. Isto é, varie de 0 a 100% da sua abertura.

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100 % BP % = ---------

Kp

Kp = ganho proporcional

BP = banda proporcional em percentagem

Faixa real são os valores compreendidos entre os limites máximos e mínimos que a variável controlada pode alcançar dentro do processo.

Quanto maior for o percentual da banda proporcional, menor é a mudança da posição da válvula quando ocorrer mudança na variável controlada; e

Quanto maior o percentual da banda proporcional menor é o ganho do controlador e vice-versa.

Fig. 2.43 - Gráfico da resposta de um controlador com ação proporcional mostrando o erro de regime (off-set).

Posição da válvula (V) é igual ao ganho do controlador multiplicado pelo valor do erro mais a posição M da válvula.

V (t) = Kp . E (t) + M

V = posição da válvula (saída do controlador). Kp = ganho proporcional (% / %). E = erro. M = abertura da válvula quando a variável

controlada está no set point. Ou saída do controlador quando o erro E(t)] for zero.

Aposição M é indicada na equação anterior é freqüentemente chamada de RESET MANUAL.

Quando um controlador é projetado com as características da ação proporcional, ele deve, pelo menos, conter estes dois ajustes, um para Kp e o outro para M. Por esta razão o controle torna-se mais complicado pela necessidade de saber qual o ajuste de Kp e M que melhor se adapta ao sistema.

Não levaria muito tempo para que um o operador do processo descobrisse uma série de deficiências no controle proporcional.

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Características do Controle Proporcional.

Fig. 2.44 - Gráfico do controle proporcional em função da variável manipulada.

a) Modo de controle proporcional não contém nenhum elemento dinâmico, sua ação depende do valor do erro e independe de sua velocidade ou tempo de duração.

b) Mudanças de cargas sucessivas provocarão o surgimento do erro de regime (off-set). A ação de controle proporcional apresenta um inconveniente que é de não corrigir o erro quando ele for constante. É necessário, de tempo em tempo (predeterminado), fazer um Reset manual. Para se analisar o surgimento do erro de regime, deve-se conhecer primeiro as diferentes fontes de distúrbios dos processos (a figura 2.44 ilustra o erro de regime).

c) Caso o valor do erro ultrapasse a faixa da banda proporcional, o sinal de saída saturará em 0 % ou 100 %, dependendo do sinal do erro. Quando o erro está fixo, o sinal de saída do controlador proporcional não varia, porém se o erro estiver variando o sinal de saída também estará variando.

d) Ponto de ajuste (set point, valor desejado, variável de entrada ou valor de referência) sempre corresponde a 50 % da variação total da banda proporcional, pois desta maneira o controlador terá condições de corrigir erros tanto acima como abaixo do valor desejado. gráfico de um controle proporcional em função do erro.

Em função do sinal de saída do controlador proporcional, o controle pode ser classificado de: ação direta e ação inversa.

Controlador proporcional de ação direta é aquele no qual o sinal de saída aumenta à medida que o sinal de entrada da variável controlada aumenta.

Controlador proporcional de ação inversa é aquele no qual o sinal de saída diminui à medida que o sinal de entrada da variável controlada aumenta.

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Page 51: 2.SISTEMAS DE CONTROLE

Exemplo:

Fig. 2.45 - Aquecedor de água com controle automático proporcional.

A figura 2.45 nos mostra um processo, no qual se pretende elevar a temperatura da água, usando vapor. Ou seja, é um aquecedor de água a vapor. Um sensor de temperatura detecta o valor da temperatura da água aquecida, na saída do aquecedor e produz um sinal analógico de 4-20 mA (1-5 VCD), correspondente ao sinal da variável

controlada situado entre 0 a 100 C, o qual é enviado ao controlador. O controlador compara o sinal da variável controlada com o do set point e envia um sinal de saída, entre 3 a 15 psi (0,206 - 1,034 bar) ao elemento de controle final (válvula de controle pneumática) de três posições.

2.9.2.2 Controle Integral ( I)

É a ação de controle cujo sinal de saída varia em direção a um de seus extremos enquanto houver um desvio.

Quando se emprega o modo integral de controle, temos uma relação linear entre o desvio verificado e a velocidade de aplicação da correção. Portanto, a direção do sinal de saída depende da direção do desvio, e a velocidade depende da amplitude do desvio e dos ajustes do controlador.

A principal característica da ação de um controle integral é eliminar o erro em regime gerado pelo controlador proporcional, por isso, a ausência do erro de regime, pois a válvula de controle só cessará seu deslocamento quando a variável controlada retornar ao ponto desejado (set-point).

O emprego do controle integral isolado não é usual, pois sua ação corretiva não é instantânea, sendo aplicada gradativamente. Costuma-se combinar as vantagens do controle proporcional (correção instantânea) com as do controle integral (ausência de erro de regime) em instrumentos conhecidos como “proporcional com reajuste” .

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2.9.2.3 Controle Derivativo (D)

A ação de controle “derivativo” também é chamado pré-ativo, antecipatório ou rate.

O modo derivativo de controle aplica no sistema uma correção proporcional à velocidade de aumento do desvio verificado.

Se a posição do elemento final de controle estiver estabilizada em qualquer ponto, mesmo sendo uma posição diferente do set point, o instrumento não reagirá. Tal característica impede que este modo de controle seja usado isoladamente. Por isso, esse modo de controle é especialmente usado em combinação com o “proporcional” (P+D) em processos que apresentem grandes retardos.

Um sistema que tenha grandes retardos atinge muito mais rapidamente o equilíbrio após a ocorrência de um desvio quando seu controle incluir o modo de ação derivativo.

2.9.2.4 Controles Proporcional Mais Integral (PI)

Para eliminar o erro de off-set do controle proporcional sem o inconveniente do operador ter que compensar ou eliminar o erro através do reajuste manual, ou através da mudança da polarização, os fabricantes adicionam aos controladores proporcionais o modo de controle integral, que elimina o erro de off-set, automaticamente.

A saída do modo integral é função da integral do erro, ou seja, a velocidade de correção do elemento final de controle é proporcional ao erro (E t). A saída de um controlador integral (I) é representada pela equação:

Onde:

Ti = Tempo integral (minutos para repetir)

F = Constante de integração (corresponde ao valor percentual da saída do controlador antes da ocorrência do erro (E)

A saída de um controlador proporcional mais integral (P + I) é representada por:

A saída do modo integral não varia instantaneamente com o surgimento do erro, mas o fato de o erro ser diferente de zero faz com que a saída do modo integral varie à medida que o tempo vai passando; esta variação só irá cessar quando o erro voltar a zero.

Vê-se, então, que o modo proporcional será mais efetivo que o modo integral na resposta a rápidas variações de processo.

O tempo necessário para que a ação integral ajuste a saída do mesmo valor da variação da ação proporcional é chamado tempo integral, (Ti). A ação integral irá repetir a

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correção da ação proporcional, a cada tempo integral; a unidade de Ti normalmente é dada em minutos para repetir (MPR).

Em alguns controladores, o ajuste do modo integral é expresso em repetições por minuto (r.p.m.). Este termo é chamado de taxa de reajuste (1/Ti) e representa o número de vezes por minuto que o componente integral irá repetir a correção do componente proporcional. Matematicamente, a taxa de reajuste e o tempo integral são inversamente relacionados, ou seja:

MPR = 1/ rpm

Tanto o conceito de taxa de reajuste como o de tempo integral são normalmente empregados.

Fig. 2.46 - Resposta de um controlador proporcional mais integral.

Na figura 2.46, o sistema de controle está em malha fechada; nela se mostra a curva de resposta de um controlador proporcional mais integral (P+I), com ganho proporcional (K) constante e com diversos valores de tempo integral (Ti). Nota-se que:

para tempo integral grande, a resposta tem uma “cauda”, e a variável se aproxima do ponto de ajuste muito lentamente;

para tempo integral curto, o excesso de correção faz com que a variável ultrapasse o ponto de ajuste e demore para estabilizar ( oscila).

Como para todos os valores de tempo integral (exceto Ti = ) o erro será eliminado,

o ajuste do valor de tempo integral será função, basicamente, do ajuste do componente proporcional. O valor do tempo integral a ser utilizado deverá ser tal que elimine o erro no menor tempo possível, sem afetar, significativamente, a taxa de amortecimento.

2.9.2.5 Controle Proporcional mais Derivativo (PD)

Nesta ação existe uma relação contínua e linear entre a velocidade de deslocamento da variável controlada e a posição do elemento final de controle. Em outras palavras, a quantidade de movimento da válvula é proporcional à velocidade de mudança da variável controlada. Quanto maior é a velocidade do desvio, maior é a amplitude da correção. Na

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prática, a ação derivativa, está invariavelmente acoplado a ação proporcional, resultando em um controlador proporcional mais derivativo (P + D).

A saída da ação derivativa é função da derivada do erro E (t). Ou seja:

a saída de um controlador com ação derivativa é proporcional à velocidade de variação da variável controlada.

A saída de um controlador proporcional mais derivativo (P + D) é representada pela seguinte equação:

O ajuste do modo derivativo é o tempo derivativo (Td), normalmente expresso em minutos. Por definição, tempo derivativo (Td) é o tempo que a saída do modo proporcional leva para repetir a saída do modo derivativo.

Fig. 2.47 Resposta de um controlador proporcional mais derivativo.

Na figura 2.47, o sistema de controle está em malha fechada; nela se mostra a curva de resposta de um controlador proporcional mais derivativo (P + D), com ganho proporcional (K) constante e com diversos valores de tempo derivativo (Td). Nota-se que o aumento do tempo derivativo melhora a estabilidade do processo, embora se diminua a velocidade de resposta. Nota-se, também, que a ação derivativa não influencia no valor final do erro E (t).

Como a ação derivativa melhora a estabilidade do processo, devido à sua característica de se opor às variações, ao adicioná-la a um controlador proporcional, pode-se aumentar o ganho (K) sem afetar a estabilidade do sistema.

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2.9.2.6 Controle Proporcional Mais Integral Mais Derivativo(PID)

O controlador proporcional mais integral mais derivativo combina as características de grandes estabilidade do controlador proporcional mais derivativo e as eliminações do erro do controlador proporcional mais integral, em um único controlador.

Os termos do controlador PID são os mesmos que os termos correspondentes nos controladores P+I e P+D. Assim, a saída do controlador proporcional mais integral mais derivativo ( PID ) é representada pela seguinte equação:

Como o modo derivativo dificulta o procedimento de sintonização, o controlador PID deverá ser aplicado onde sua utilização melhora o desempenho do processo.

Na figura 2.48, estão colocadas as curvas de resposta típicas dos controladores P, P+I e PID. Nota-se que, com a adição da ação integral, o erro E (t) foi eliminado, enquanto que com a adição da ação derivativa a estabilidade do processo melhorou sensivelmente.

Fig. 2.48 Resposta comparativa dos controladores P, P+I e PID.

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