apostila - modelagem de sistemas fisicos - parte 02 (1)

Prof. Leandro Michels

31Modelagem de Sistemas Físicos

3. Sistemas em Engenharia de Controle e Automação

3.1. Automação

É o uso de sistemas de controle e tecnologias da informação para reduzir a necessidade de trabalho humano para a produção de coisas e serviços. Diferente da mecanização, que substitui a força humana por máquinas, a automação reduz a necessidade do uso contínuo dos sentidos humanos para inspeção e da capacidade mental humana para controle.

Automatizar um processo é integrar e coordenar as funções de comando, monitoração, controle, inteligência computacional, alarme, intertravamento, registro e comunicação. Controle automático não é automação, e sim uma das várias camadas da automação.

3.1.1. Funções de um sistema automatizado

Os sistemas de automação são normalmente compostos pelos seguintes elementos:

Controle

• Controle é o sistema empregado para regular o comportamento de outros dispositivos ou sistemas.

• Controle é denominado automático é quando não há intervenção do operador (ou há a mínima intervenção do operador), ou manual, quando o operador atua manualmente no processo. Normalmente os sistemas de automação possuem a opção de mudança entre os modos.

• Ex.: Controle de temperatura de uma sala

Inteligência computacional

• Busca o desenvolvimento de sistemas inteligentes que imitem aspectos do comportamento humano, tais como: aprendizado, percepção, raciocínio, evolução e adaptação.

• Normalmente emprega técnicas inspiradas na natureza.

• Emprega técnicas denominadas de inteligência artificial (redes neurais, algoritmos genéticos, lógica fuzzy, entre outras)

• Ex.: Reconhecimento de escrita em palmtops.

Comando

• Gerar os sinais de referência para o sistema de controle atuar automaticamente no sistema.

• Pode ser pré‐programado na fabricação do sistema ou programado para cada situação de uso.

• Ex.: Gerenciador de semáforos que determina que o semáforo que atua em modo “amarelo piscante” das 24h às 05h30min.



Monitoração

• Monitorar um processo é medir e acompanhar os valores de variáveis do processo, sem necessariamente se realizar o controle das mesmas.

• Empregam sensores que podem ou não ser também empregados para controle.

• Ex.: Sistema de telemetria dos carros de Formula 1

Alarme

• Consiste em utilizar dispositivos para chamar a atenção do operador quando uma condição especificada do processo for atingida.

• Normalmente é empregada quando uma ou mais variáveis do sistema igualar ou ultrapassar determinados valores pré‐determinados.

• Ex.: Indicação visual empregada para avisar que um sensor está sem sinal.

Intertravamento

• Intertravamento consiste em uma atuação automática do sistema quando uma condição especificada do processo for atingida.

• É muito empregado como proteção, ligando ou desligando algum equipamento para manter o processo sempre seguro.

• Normalmente atua em conjunto com o sistema de alarme, informando ao operador sobre sua atuação.

• Ex.: Indicação visual empregada para avisar que um sensor está sem sinal.

Registro

• Consiste em armazenar as informações das variáveis e de eventos ocorridos durante a operação do sistema. Estas informações podem ser base para relatórios de análise do sistema.

• Ex.: Sistema de armazenamento das entradas e saídas em um sistema de acesso eletrônico de ambientes.

Comunicação

• Receber informações de outros dispositivos para a geração de sinais de comando.

• Enviar informações do processo para outros dispositivos que as necessitam.

• Ex.: Sistema que envia informações sobre problemas no sistema de automação para o telefone celular do técnico de manutenção em sobreaviso.

3.2. Sistemas de controle automático

É um dispositivo ou conjunto de dispositivos usados para gerenciar, comandar, dirigir ou regular o comportamento de outros dispositivos ou sistemas.

3.2.1. Elementos de um sistema de controle automático

Os sistemas de controle são normalmente compostos pelos seguintes elementos:



Planta

• É o objeto/sistema a ser controlado;

• São compostos por uma estrutura interna associada ao mundo exterior por suas entradas e saídas;

• São normalmente sistemas dinâmicos cujo comportamento depende do tempo;

• Normalmente envolve níveis relativamente altos de potência;

• Ex.: Forno a gás.

Sensores

• Dispositivos sensíveis a um fenômeno físico;

• São empregados para observar a evolução temporal das saídas do sistema (podem ser usados em outras variáveis);

• Os sinais de saída envolvem níveis relativamente baixos de potência;

• Ex.: Sensor de temperatura.

Atuadores

• Dispositivos a serem acionados para modificar uma grandeza física de entrada que influencia no comportamento da planta;

• São empregados para modificar as variáveis de entrada do sistema;

• Os sinais de atuação envolvem níveis relativamente baixos de potência;

• Ex.: Válvula de regulagem de entrada de gás.

Controlador

• Elemento que determina os sinais para os atuadores com base nos objetivos de controle para as variáveis de saída do sistema e na evolução temporal das variáveis medidas;

• Os sinais de atuação envolvem níveis relativamente baixos de potência;

• Ex.: Controlador eletrônico do gás.

Comando

• É a interface que geram os sinais de comando do usuário para o sistema de controle;

• Geram os sinais de referência para o controle;

• Ex.: Botão de ajuste de temperatura do forno a gás.

Os principais elementos dos sistemas de controle e suas interconecções são mostrados na Figura 43.



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Figura 43 – Diagrama de bloco de um sistema de controle genérico

3.2.2. Principais classes de controladores automáticos

Controle de Sistemas Dinâmicos a Eventos Discretos (ou controle lógico)

Sistemas Dinâmicos a Eventos Discretos (SDEDs) cuja evolução dinâmica no tempo depende da ocorrência de eventos. Um evento pode ser identificado como uma ação proposital (ex.: ligar uma chave ou interruptor) ou o resultado da verificação de uma condição (ex.: a temperatura em um forno excedeu o limite máximo permitido). Nos SDEDs, o modo como o sistema se comporta pode ser alterado com a ocorrência de algum evento.

A palavra "discreta" não quer dizer que "o tempo é discreto", nem implica necessariamente que "o estado é discreto" (na verdade, como se pode ver, as variáveis do sistema podem assumir valores contínuos), mas esta palavra refere‐se ao fato de que o dinâmicas são feitas de eventos; estes eventos podem, eventualmente, ter uma evolução contínua. Contudo, o foco principal está no fato de que um evento pode desencadear novos eventos.

Sobre a abordagem empregada para estes sistemas, pode‐se afirmar:

• considera a ocorrência de eventos ou a impossibilidade de sua ocorrência (denomindada deadlock);

• considera a série de eventos, ou seja, a sequência de eventos que ocorreram no passado (estado);

• não considera o tempo preciso em que os eventos ocorrem.

O controle de sistemas a eventos discretos é também denominado de comando seqüencial ou controle discreto, e tem como características:

• São os sistemas que envolvem manipulação de variáveis quantizadas, sendo principalmente variáveis lógicas (verdadeiro/falso) ou binárias (1/0).

• Tanto as medidas dos sensores quanto a ação para os atuadores são vistos como uma condição lógica para o sistema de controle.



• São modelados matematicamente por autômatos finitos, redes de Petri e cadeias de Markov, cujos fundamentos matemáticos envolvem lógica booleana e matemática discreta.

• A aplicação prática destes controladores é estudada em disciplinas de algoritmos e programação, eletrônica digital, informática industrial, sistemas supervisórios, redes industriais, eletrotécnica, acionamentos pneumáticos e hidráulicos.

Os sistemas de controle a eventos discretos são necessários para comandar a sucessão de tarefas pelos seguintes motivos:

• Necessidade de sincronização de tarefas, tendo como base a ocorrência de eventos.

• Existência de exclusão mútua ou competição pelo uso de mesmos recursos, o que requer uma política para arbitrar conflitos e definir prioridades, sendo todos os tipos de problemas geralmente referidos pelo nome genérico de programação.

Ex.: Geladeira com controle de temperatura por termostato.

Regras de funcionamento da geladeira:

• Quando a temperatura for maior que 5o C, liga o compressor.

• Quanto a temperatura for menor que 0o C, desliga o compressor

Atuador(relé) Planta

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Figura 44 – Diagrama de bloco do sistema de controle

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Figura 46 – Representação temporal das variáveis do sistema de controle a eventos discretos



Controle de Sistemas Dinâmicos de Variáveis Contínuas (ou controle contínuo)

Sistemas Dinâmicos de Variáveis Contínuas (SDVCs) são os sistemas cuja evolução dinâmica no tempo envolve variáveis com um comportamento contínuo no tempo. Os SDVCs são normalmente descritos por variáveis analógicas, que são aquelas cujo conteúdo é expresso ao longo de uma escala contínua de valores.

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Figura 47 – Comparação entre variável quantizada e analógica

Os SDVCs podem apresentar alguns eventos discretos tal como a variação abrupta de um sinal. Contudo, diferentemente dos sistemas a eventos discretos, nos SDVCs o modo como o sistema se comporta nunca é alterado com a ocorrência de algum evento.

O controle de sistemas de variáveis contínuas, que também denominado de controle contínuo ou controle automático, tem como características:

• São os sistemas que envolvem manipulação de variáveis analógicas.

• São modelados matematicamente por equações diferenciais.

• Os fundamentos matemáticos para análise destes sistemas envolvem os conceitos de funções, cálculo diferencial e integral, álgebra linear e teoria de sinais e sistemas.

• São normalmente estudados em disciplinas de eletrônica analógica, eletrônica de potência, controle de sistemas e processamento de sinais.

Ex.: Sistema de controle de temperatura de um forno elétrico empregando uma fonte ajustável.

Atuador(fonte) Planta

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Controlador

Sensor

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Figura 48 – Diagrama de bloco do sistema de controle

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Figura 49 – Representação comportamental do sistema de controle de variáveis contínuas



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Figura 50 – Representação temporal das variáveis do sistema

Controle de sistemas híbridos

• São aqueles que possuem característica dos dois sistemas (manipulação de variáveis lógicas e contínuas).

• A análise matemática destes sistemas é mais complexa, e envolve os fundamentos matemáticos dos sistemas contínuos e discretos.

• Ex.: controle de nível empregando válvulas liga‐desliga e moto‐bomba de velocidade ajustável

3.3. Processos em Engenharia

Processo é definido, do ponto de vista da engenharia, como a “concatenação ou sucessão de fenômenos”. O processo envolve a manipulação de energia e/ou materiais para obter um produto ou resultado desejado. Portanto, qualquer operação ou série de operações que produza o resultado final desejado é considerada um processo.

É importante destacar que no jargão industrial, define‐se por processo a modificação das matérias‐primas, colocadas na sua entrada, nos produtos finais, obtidos em sua saída, através do suprimento de energia, durante um determinado período de tempo. Contudo, o processo não se restringe a uma área de conhecimento, podendo envolver uma operação mecânica, um circuito elétrico, uma reação química, entre outros, ou até a combinação desses eventos. A sua denominação também não define



a sua complexidade: um processo pode ser algo extremamente simples como o aquecimento de água num fogão quanto um complexo sistema de uma coluna de destilação em uma refinaria de petróleo.

Do ponto de vista de controle, o processo é identificado como tendo uma ou mais variáveis associadas a ele e que são importantes o suficiente para que seus valores sejam conhecidos e controlados pelo processo. Por exemplo, em um processo de geração de vapor d’água em uma caldeira industrial onde se deseja controlar independentemente a temperatura e a pressão interna, dizemos que existe um sistema de controle de pressão e um sistema de controle de temperatura.

3.3.1. Tipos de sistemas produtivos

A classificação dos processos produtivos em diferentes tipos permite, naturalmente, estruturar e inferir muitos aspectos relativos às suas características funcionais e comportamentais. Basicamente, a organização dos sistemas de produção depende da natureza e do volume de produtos que o sistema deve produzir (tipo de produto, características, sazonalidade do produto, etc.), assim como da tecnologia associada ao processo de fabricação (manuseio do produto, grau de normalização possível, especificidades de materiais e processos, etc.).

A seleção de uma determinada configuração para o processo produtivo tem variadas implicações para a empresa, em termos das características e capacidades da produção, do grau de investimento a realizar, dos custos de produção e exploração envolvidos, e do tipo de planejamento, controle e gestão a adotar.

Se o sistema é concebido para produzir um reduzido número de produtos em volumes muito elevados, então é de esperar uma forte sistematização das operações envolvidas, devendo ser dada especial atenção à sincronização das diferentes atividades, assim como ao nivelamento das cargas resultantes. Este contexto (cada vez menos frequente) será normalmente caracterizado por elevada especialização do equipamento produtivo, baixa qualificação dos operadores, elevada produtividade, reduzida complexidade ao nível da gestão fabril e, possivelmente, reduzida flexibilidade.

Caso contrário, se o sistema é concebido para responder a uma grande diversidade de produtos em volumes reduzidos, então verificar‐se‐á, relativamente à situação anterior, a inversão das características apresentadas, devendo o processo produtivo ser flexível e orientado para satisfazer encomendas com um elevado grau de especificação por parte do cliente.

Em outra perspectiva, pode‐se considerar dois modelos extremos de produção: produção contínua ou em fluxo, e produção discreta ou intermitente. Associados às especificidades dos produtos e dos mercados, e até do tipo de investimentos e de custos, considera‐se habitualmente uma maior variedade de modelos intermédios, que graficamente estão esquematizados na Figura 51.

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• A “produção descontínua” caracteriza‐se por processar volumes relativamente baixos de variados produtos, em implantações organizadas funcionalmente. O número de operações a serem realizados por tarefa, seus impactos nos recursos produtivos e a sua sequência de processamento são variáveis, mas conhecidas antecipadamente;

• No ambiente de “produção mista” coexistem os dois modos de produção anteriormente descritos.

Implantação física do processo produtivo

Do ponto de vista de implantação física (layout), considera‐se em geral uma classificação que descreve no essencial a disposição e o agrupamento dos recursos produtivos. Podemos, nesta perspectiva, considerar basicamente três modelos organizacionais:

• Modelo “funcional” ou “orientado por processo”: Numa disposição funcional, os recursos que realizam o mesmo tipo de operações são agrupados fisicamente;

• Modelo “em linha” ou “orientado por produto”: A implantação em linha consiste em organizar consecutivamente todas as operações de produção relacionadas com um determinado produto;

• Modelo de “implantação celular”: A implantação celular associada à tecnologia de grupo reúne os recursos em pequenos grupos, por forma a obter um compromisso entre uma implantação funcional e uma implantação em linha ou por produto.

Tipologia da estrutura dos produtos

Diferentes estruturas dos produtos podem ser encontradas, que naturalmente condicionam a especificidade dos sistemas de produção. Identifica‐se geralmente duas estruturas principais:

• Estruturas convergentes, caracterizadas por incorporação de uma grande variedade de componentes numa reduzida gama de produtos finais;

• Estruturas divergentes, onde um reduzido número de matérias‐primas origina uma grande variedade de produtos finais.

Relação com os clientes

Os processos produtivos também levam em conta a relação com o cliente. De um modo geral, pode‐se classificar as seguintes tipologias:

• Engenharia por encomenda; • Produção por encomenda; • Montagem por encomenda; • Produção para estoque.

3.3.2. Classificação dos processos produtivos

Considerando as diversas naturezas dos processos com relação ao comportamento temporal e o tipo de operações envolvidas, estes podem ser classificados em três tipos principais:

1. Processos contínuos 2. Processos discreto 3. Processos em batelada

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Figura 53 – Exemplo de processo discreto: enchimento de leite.

3.3.2.3. Processos em batelada (ou lote)

Processo em batelada é aquele que baseado na fabricação de lotes de produto empregando um método seqüencial no tempo (receita). Produção de bateladas é uma ferramenta flexível, permitindo a produção de múltiplos produtos em uma mesma linha de produção.

Os processos em bateladas são usados para a fabricação de processos que demandam um determinado tempo de processamento, cuja fabricação não pode ser feita de forma contínua. Neste caso, o processo atua de forma repetitiva.

Além disso, estes processos também são empregados quando se deseja criar uma variedade de produtos com a mesma linha de produção. Neste caso, em cada lote de produto é selecionada uma quantidade de ingredientes a fim de criar a qualidade dos produtos, e manipulam este produto em etapas bem definidas. Após a fabricação de uma dada quantidade de produto, o sistema pode ser modificado para recomeçar o processo e fabricar um produto completamente diferente, utilizando diferentes ingredientes e passos do processamento.

Processos em batelada são muito comuns em indústrias de produtos farmacêuticos, agroindústrias, alimentos e bebidas e especialidades químicas.

Um exemplo de processo em batelada é a fabricação de vinhos, cuja descrição de etapas é dada a seguir:

Etapa 1: Prensagem e clarificação

Prensagem das uvas e clarificação (eliminação dos sólidos) do líquido nos reservatórios. Duração: poucas horas.

Etapa 2: Fermentação

Etapa 2A – Fermentação tumultuosa: O mosto limpo chega aos tanques de fermentação, nos quais se agregam leveduras selecionadas. Estas leveduras começarão imediatamente a fermentação de forma lenta e gradual, controlada através da temperatura (15 a 18 °C). Observa‐se durante a fermentação tumultuosa o aumento de temperatura. Duração: alguns dias.



Etapa 2B – Fermentação lenta: A fermentação lenta inicia‐se quando o líquido já esta separado do bagaço, nesta etapa os últimos traços de glicose são transformados em álcool e demais componentes da fermentação. Duração: alguns dias.

Etapa 2C – Fermentação malotática: As bactérias lácticas (cocos e lactobacilos), que transformam o ácido málico em ácido lático, com liberação de gás carbônico. Esta fermentação pode ocorrer tanto em aerobiose como anaerobiose, embora a anaerobiose absoluta seja desfavorável. Duração: alguns dias.

Etapa 3: Afinamento

Envolve processos como filtração, centrifugação, refrigeração, troca iônica e aquecimento. Duração: poucas horas.

Etapa 4: Envelhecimento

Muitos vinhos tem o sabor melhorado se armazenados por alguns anos. Durante este tempo, a acidez diminui, varias substâncias pouco solúveis acabam precipitando e varios componentes formam complexos afetando o sabor e odor. Duração: dois anos.

Etapa 5: Engarrafamento

Antes de ser engarrafado, o vinho ainda passa por algumas etapas, que visam corrigir o pH, a cor ou concentração de O2 dissolvido. Depois é acondicionado nas garrafas. Duração: poucas horas.

Figura 54 – Exemplo de processo em batelada: fabricação de vinho.

apostila - modelagem de sistemas fisicos - parte 02 (1)

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