controle automático de processos.pdf

5/19/2018 Controle automtico de processos.pdf

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SENAI-RJ Automao

FIRJAN

CIRJ

SESI

SENAI

IEL

CONTROLEAUTOMTICO DE

PROCESSOTeoria

verso preliminar


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FIRJAN

CIRJ

SESI

SENAI

IEL


PROCESSOTeoria


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Federao das Indstrias do Estado do Rio de Janeiro FIRJANEduardo Eugenio Gouva VieiraPresidente

Diretoria Operacional CorporativaAugusto Csar Franco de AlencarDiretor

Diretor Regional do SENAI-RJFernando Sampaio Alves GuimaresDiretor

Diretoria de Educao

Andra Marinho de Souza FrancoDiretora


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SENAI-RJ

Rio de Janeiro

2006

FIRJAN

CIRJ

SESI

SENAI

IEL


PROCESSOTeoria


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6SENAI-RJ

FICHA TCNICA

Gerncia de Educao Profissional - SENAI-RJ Luis Roberto Arruda

Gerncia de Produto Carlos de Mello Rodrigues Coelho

Produo Editorial Vera Regina Costa AbreuElaborao de Contedo Alexandre Gonalves do Nascimento

Luciano Santos de Oliveira

Reviso Tcnica/Atualizao zio Zerbone

Reviso Pedaggica Neise Freitas da Silva

Reviso Gramatical Maria ngela Calvo

Reviso Editorial Rita Godoy

Colaborao Bruno Souza GomesAndr Luis Campos Vieira

Projeto Grfico Artae Design & Criao

Editorao Conexo Gravat

Edio revista das apostilas Introduo instrumentao: sistemas de transmisso. Rio de

Janeiro: SENAI-DR/RJ - STE, 1990; Controle automtico de processo. Rio de Janeiro: SENAI-

DR/RJ - STE, 1990.

SENAI-RJ

GEP - Gerncia de Educao Profissional

Rua Mariz e Barros, 678 - Tijuca

20270-903 - Rio de Janeiro - RJ

Tel.: (21) 2587-1121

Fax: (21) 2254-2884

[email protected]

http://www.rj.senai.br

Controle automtico de processo: teoria

2006

SENAI-RJ Rio de JaneiroDiretoria de Educao


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SENAI-RJ 7

Prezado aluno,Quando voc resolveu fazer um curso em nossa instituio, talvez no soubesse que, desse

momento em diante, estaria fazendo parte do maior sistema de educao profissional do pas:

o SENAI. H mais de sessenta anos, estamos construindo uma histria de educao voltada

para o desenvolvimento tecnolgico da indstria brasileira e da formao profissional de jovense adultos.

Devido s mudanas ocorridas no modelo produtivo, o trabalhador no pode continuar

com uma viso restrita dos postos de trabalho. Hoje, o mercado exigir de voc, alm do domnio

do contedo tcnico de sua profisso, competncias que lhe permitam decidir com autonomia,

proatividade, capacidade de anlise, soluo de problemas, avaliao de resultados e propostas

de mudanas no processo do trabalho. Voc dever estar preparado para o exerccio de papis

flexveis e polivalentes, assim como para a cooperao e a interao, o trabalho em equipe e o

comprometimento com os resultados. Soma-se, ainda, que a produo constante de novos

conhecimentos e tecnologias exigir de voc a atualizao contnua de seus conhecimentos

profissionais, evidenciando a necessidade de uma formao consistente que lhe proporcione

maior adaptabilidade e instrumentos essenciais auto-aprendizagem.

Essa nova dinmica do mercado de trabalho vem requerendo que os sistemas de educao

se organizem de forma flexvel e gil, motivos esses que levaram o SENAI a criar uma estrutura

educacional, com o propsito de atender s novas necessidades da indstria, estabelecendo

uma formao flexvel e modularizada.

Essa formao flexvel tornar possvel a voc, aluno do sistema, voltar e dar continuidade

sua educao, criando seu prprio percurso. Alm de toda a infra-estrutura necessria ao seu

desenvolvimento, voc poder contar com o apoio tcnico-pedaggico da equipe de educao

dessa escola do SENAI para orient-lo em seu trajeto.

Mais do que formar um profissional, estamos buscando formar cidados.

Seja bem-vindo!

Andra Marinho de Souza Franco

Diretora de Educao


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Sumrio

1

2

APRESENTAO ...............................................................11

UMA PALAVRA INICIAL....................................................13

SISTEMAS DE TRANSMISSO...........................................17

Histrico sobre sistemas de transmisso ........................ 19

Classificao dos transmissores ..................................... 21

Quanto aplicao ............................................................... 21

Quanto ao funcionamento ..................................................... 21

Sinais padronizados ..................................................... 27

Funcionamento dos transmissores ................................. 29

Praticando................................................................... 33

CONTROLE AUTOMTICO DE PROCESSO .........................35

Consideraes iniciais cobre o controle automtico .......... 37

Processo .................................................................... 39

Variveis de um processo ...................................................... 39

Tipos de controle ......................................................... 41

Controle manual ................................................................... 41

Controle automtico ............................................................. 42

Tipos de processo ........................................................ 43

Processo contnuo ................................................................ 43

Processo em batelada........................................................... 44

Principais problemas para o controle de processos ........... 44

Capacitncia ......................................................................... 45

Resistncia ........................................................................... 45

Tempo morto ........................................................................ 46


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10SENAI-RJ

Processo monocapacitivo ...................................................... 47

Processo bicapacitivo ............................................................ 48

Processo multicapacitivo ........................................................ 49Elementos bsicos de uma malha de controle ................. 50

Sistema de medio ..............................................................51

Controlador .......................................................................... 52

Modos de controle ....................................................... 54

Controle de duas posies .................................................... 55

Controle proporcional ........................................................... 57

Controle proporcional + integral (PI) ...................................... 64

Controle proporcional + derivativo (PD) .................................. 68Controle proporcional + integral + derivativo (PID) ................. 72

Sistemas de controle.................................................... 75

Controle feed forward (controle antecipativo) .......................... 75

Controle split range(faixa dividida) ........................................ 77

Controle em cascata ............................................................. 78

Controle de razo (ratio control) ............................................79

Controle override (controle seletivo) ....................................... 81

Controle de limites cruzados ................................................. 82

Resposta grfica de um sistema de controle ........................... 83

Ajustes dos controladores automticos (otimizao ou sintonia) .. 86

Tecnologias afins ao controle de processo ....................... 91

CLP ......................................................................................92

SDCD e redes de comunicao ...............................................96

Profibus ................................................................................101

Praticando................................................................... 103

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS .....................................105


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SENAI-RJ 11

Apresentao

SENAI-RJ 11

Controle Automtico de Processo Apresentao

A dinmica social dos tempos de globalizao exige dos profissionais atualizao constante.Mesmo as reas tecnolgicas de ponta ficam obsoletas em ciclos cada vez mais curtos, trazendo

desafios renovados a cada dia, e tendo como conseqncia para a educao a necessidade de

encontrar novas e rpidas respostas.

Nesse cenrio, impe-se a educao continuada, exigindo que os profissionais busquem

atualizao constante durante toda a sua vida e os docentes e alunos do SENAI/RJ incluem-se

nessas novas demandas sociais.

preciso, pois, promover, tanto para os docentes como para os alunos da educao

profissional, as condies que propiciem o desenvolvimento de novas formas de ensinar e

aprender, favorecendo o trabalho de equipe, a pesquisa, a iniciativa e a criatividade, entre outros

aspectos, ampliando suas possibilidades de atuar com autonomia, de forma competente .

Considerando estas questes, o objetivo deste material propiciar aos tcnicos, que j

atuam ou pretendem trabalhar na rea de instrumentao, conhecimentos e atualizao sobre

o controle automtico de processo, que ferramenta fundamental operao adequada dos

processos industriais tanto do ponto de vista da produo, envolvendo quantidade e qualidade,

quanto do ponto de vista da segurana.

Por isso, tratamos de dois temas tericos essenciais no estudo do controle automtico de

processo.Considerando que todo processo produtivo tem um sistema de monitorao, apresentamos

no primeiro captulo conhecimentos sobre telemetria, que a tcnica de transportarmos

medies obtidas no processo para um instrumento receptor, localizado a curta distncia.

J no segundo, abordamos o controle automtico de processo de forma conceitual,

abrangendo essencialmente os modos e os principais sistemas de controle.

Ressaltamos que, para obter xito neste estudo, necessrio ter domnio sobre vrios

conhecimentos, especialmente aqueles relativos medio de presso, de nvel, de vazo e

temperatura, assim como classificao dos principais tipos de instrumento.


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12SENAI-RJ

Temos a certeza de que, com a orientao do docente e o apoio deste material, que apresenta

os assuntos em linguagem simples e ilustrados com figuras e tabelas, voc vai ampliar ainda

mais sua formao profissional quanto instrumentao industrial e seus sistemas de controle.

Mas seu sucesso depende de dedicao e muito estudo.

Siga em frente e bom estudo!

Controle Automtico de Processo Apresentao


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SENAI-RJ 13

Uma palavra inicial

SENAI-RJ 13

Controle Automtico de Processo Uma Palavra Inicial

Meio ambiente...

Sade e segurana no trabalho...

O que que ns temos a ver com isso?

Antes de iniciarmos o estudo deste material, h dois pontos que merecem destaque: a

relao entre o processo produtivo e o meio ambiente; e a questo da sade e segurana no

trabalho.

As indstrias e os negcios so a base da economia moderna. Produzem os bens e serviosnecessrios, e do acesso a emprego e renda; mas, para atender a essas necessidades, precisam

usar recursos e matrias-primas. Os impactos no meio ambiente muito freqentemente

decorrem do tipo de indstria existente no local, do que ela produz e, principalmente, de como

produz.

preciso entender que todas as atividades humanas transformam o ambiente. Estamos

sempre retirando materiais da natureza, transformando-os e depois jogando o que sobra de

volta ao ambiente natural. Ao retirar do meio ambiente os materiais necessrios para produzir

bens, altera-se o equilbrio dos ecossistemas e arrisca-se ao esgotamento de diversos recursos

naturais que no so renovveis ou, quando o so, tm sua renovao prejudicada pela velocidadeda extrao, superior capacidade da natureza para se recompor. necessrio fazer planos de

curto e longo prazo, para diminuir os impactos que o processo produtivo causa na natureza.

Alm disso, as indstrias precisam se preocupar com a recomposio da paisagem e ter em

mente a sade dos seus trabalhadores e da populao que vive ao seu redor.

Com o crescimento da industrializao e a sua concentrao em determinadas reas, o

problema da poluio aumentou e se intensificou. A questo da poluio do ar e da gua

bastante complexa, pois as emisses poluentes se espalham de um ponto fixo para uma grande

regio, dependendo dos ventos, do curso da gua e das demais condies ambientais, tornando

difcil localizar, com preciso, a origem do problema. No entanto, importante repetir que,


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14SENAI-RJ


14SENAI-RJ

quando as indstrias depositam no solo os resduos, quando lanam efluentes sem tratamento

em rios, lagoas e demais corpos hdricos, causam danos ao meio ambiente.

O uso indiscriminado dos recursos naturais e a contnua acumulao de lixo mostram a

falha bsica de nosso sistema produtivo: ele opera em linha reta. Extraem-se as matrias-primas

atravs de processos de produo desperdiadores e que produzem subprodutos txicos.

Fabricam-se produtos de utilidade limitada que, finalmente, viram lixo, o qual se acumula nos

aterros. Produzir, consumir e dispensar bens desta forma, obviamente, no sustentvel.

Enquanto os resduos naturais (que no podem, propriamente, ser chamados de lixo)

so absorvidos e reaproveitados pela natureza, a maioria dos resduos deixados pelas indstrias

no tem aproveitamento para qualquer espcie de organismo vivo e, para alguns, pode at ser

fatal. O meio ambiente pode absorver resduos, redistribu-los e transform-los. Mas, da mesma

forma que a Terra possui uma capacidade limitada de produzir recursos renovveis, suacapacidade de receber resduos tambm restrita, e a de receber resduos txicos praticamente

no existe.

Ganha fora, atualmente, a idia de que as empresas devem ter procedimentos ticos que

considerem a preservao do ambiente como uma parte de sua misso. Isto quer dizer que se

devem adotar prticas voltadas para tal preocupao, introduzindo processos que reduzam o

uso de matrias-primas e energia, diminuam os resduos e impeam a poluio.

Cada indstria tem suas prprias caractersticas. Mas j sabemos que a conservao de

recursos importante. Deve haver crescente preocupao com a qualidade, durabilidade,

possibilidade de conserto e vida til dos produtos.As empresas precisam no s continuar reduzindo a poluio, como tambm buscar novas

formas de economizar energia, melhorar os efluentes, reduzir a poluio, o lixo, o uso de matrias-

primas. Reciclar e conservar energia so atitudes essenciais no mundo contemporneo.

difcil ter uma viso nica que seja til para todas as empresas. Cada uma enfrenta desafios

diferentes e pode se beneficiar de sua prpria viso de futuro. Ao olhar para o futuro, ns (o

pblico, as empresas, as cidades e as naes) podemos decidir quais alternativas so mais

desejveis e trabalhar com elas.

Infelizmente, tanto os indivduos quanto as instituies s mudaro as suas prticas quando

acreditarem que seu novo comportamento lhes trar benefcios sejam estes financeiros, para

sua reputao ou para sua segurana.

A mudana nos hbitos no uma coisa que possa ser imposta. Deve ser uma escolha de

pessoas bem-informadas a favor de bens e servios sustentveis. A tarefa criar condies que

melhorem a capacidade de as pessoas escolherem, usarem e disporem de bens e servios de

forma sustentvel.

Alm dos impactos causados na natureza, diversos so os malefcios sade humana

provocados pela poluio do ar, dos rios e mares, assim como so inerentes aos processos

produtivos alguns riscos sade e segurana do trabalhador. Atualmente, acidente do trabalho


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SENAI-RJ 15


SENAI-RJ 15

uma questo que preocupa os empregadores, empregados e governantes, e as conseqncias

acabam afetando a todos.

De um lado, necessrio que os trabalhadores adotem um comportamento seguro no

trabalho, usando os equipamentos de proteo individual e coletiva; de outro, cabe aos

empregadores prover a empresa com esses equipamentos, orientar quanto ao seu uso, fiscalizar

as condies da cadeia produtiva e a adequao dos equipamentos de proteo.

A reduo do nmero de acidentes s ser possvel medida que cada um trabalhador,

patro e governo assuma, em todas as situaes, atitudes preventivas, capazes de resguardar

a segurana de todos.

Deve-se considerar, tambm, que cada indstria possui um sistema produtivo prprio, e,

portanto, necessrio analis-lo em sua especificidade, para determinar seu impacto sobre o

meio ambiente, sobre a sade e os riscos que o sistema oferece segurana dos trabalhadores,propondo alternativas que possam levar melhoria de condies de vida para todos.

Da conscientizao, partimos para a ao: cresce, cada vez mais, o nmero de pases,

empresas e indivduos que, j estando conscientizados acerca dessas questes, vm

desenvolvendo aes que contribuem para proteger o meio ambiente e cuidar da nossa sade.

Mas, isso ainda no suficiente... faz-se preciso ampliar tais aes, e a educao um valioso

recurso que pode e deve ser usado em tal direo. Assim, iniciamos este material conversando

com voc sobre o meio ambiente, a sade e a segurana no trabalho, lembrando que, no exerccio

profissional dirio, voc deve agir de forma harmoniosa com o ambiente, zelando tambm pela

segurana e sade de todos no trabalho.Tente responder pergunta que inicia este texto: Meio ambiente, sade e segurana no

trabalho o que que eu tenho a ver com isso? Depois, partir para a ao. Cada um de ns

responsvel. Vamos fazer a nossa parte?


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1

Nesta seo...

Histrico sobre sistemas de transmisso

Classificao dos transmissores

Sinais padronizados

Funcionamento dos transmissores

Praticando

Sistemas de transmisso


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SENAI-RJ 19

Controle Automtico de Processo Sistemas de Transmisso

Histrico sobre sistemasde transmisso

Para que melhor possamos compreender as modernas tcnicas de transmisso, interes-

sante que nos reportemos a algumas dcadas, quando ainda no haviam surgido os primeiros

transmissores, o que somente ocorreu na dcada de 1940. Antes, a leitura dos valores de cada

varivel do processo era feita apenas no prprio local, mediante instrumentos como

manmetros, termmetros, visores de nvel etc.

Essa situao pode ser demonstrada por meio do seguinte exemplo: suponhamos uma

fabrica que disponha de quatro tanques (TQ1, TQ2, TQ3 e TQ4) para armazenamento de um

determinado lquido. Na Figura 1, observamos as localizaes dos tanques.

Fig. 1

TQ1

TQ3

TQ2

TQ4

REA TOTALDA FBRICA


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20SENAI-RJ


Considerando-se a importncia da monitorao do nvel de cada tanque e sabendo-se da

inexistncia de transmissores, surge a necessidade da instalao de visores de nveis em cada

reservatrio. Quando o operador da unidade desejasse saber a quantidade estocada em cada

tanque, deveria locomover-se at prximo a eles.

Com o uso dos transmissores, todo esse trabalho de locomoo pde ser evitado, elimi-

nando grande deslocamento por parte do operador.

Os transmissores so instrumentos capazes de medir a varivel do processo e transmitir

um sinal proporcional a essa varivel a distncia.

Utilizando o exemplo j citado, imaginemos a mesma fbrica com transmissores instalados

em cada tanque. Essa inovao permitir a centralizao das informaes, no caso, do nvel de

cada tanque.

O local para o qual ir convergir a informao referente ao nvel de cada reservatriodenomina-se Sala de Controle.

Veja, na Figura 2, a planta da fbrica j com a incluso de modificao.

Com a incluso de uma Sala de Controle, ou simplesmente um Painel de Controle, o

trabalho de monitorao de estoque de lquido da fbrica torna-se, sem dvida, mais eficiente.

Essa centralizao de informaes foi a grande contribuio dos transmissores para a

automao dos processos.

Embora sua funo principal no tenha sido alterada, os transmissores vm sofrendo um

acelerado processo de modernizao nas ltimas dcadas, originando diferentes tipos, com

funes cada vez mais aprimoradas.

TQ1

TQ3

TQ2

TQ4

SALA DECONTROLE

Fig. 2


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SENAI-RJ 21


Classificao dos

transmissores

Podem-se classificar os transmissores com base em dois critrios: quanto aplicao e

quanto ao funcionamento.

Quanto aplicao

Considerando-se a sua aplicao, os transmissores classificam-se de acordo com o tipo da

varivel medida. Assim, tm-se transmissores de presso, de nvel, de temperatura e outros.

Em razo do grande nmero de variveis a serem medidas, existe no mercado uma infinidade

de tipos e modelos diferentes de transmissores, o que inviabiliza qualquer anlise mais profunda

neste momento.

Quanto ao funcionamentoA classificao dos transmissores de acordo com o seu funcionamento bem mais

delimitada do que a anterior. Dentro desse critrio poderemos ter, basicamente, trs tipos de

transmissores: pneumticos, eletrnicos e microprocessados.

Transmissores pneumticos

Estes foram os primeiros tipos de transmissores usados industrialmente. Do incio da

dcada de 1940 at hoje, os transmissores pneumticos so utilizados.O funcionamento bsico deste instrumento consiste em converter o sinal de varivel

medida como presso, nvel, temperatura etc. em um sinal de sada pneumtico, proporcional

ao valor de varivel medida.

A seguir, apresentamos, esquematicamente, alguns exemplos de transmissores

pneumticos.


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22SENAI-RJ


20psi

3 a 15psi

P1

P2

H+

L-

Fluxo

Transmissor tipo d/p Cell

Fig. 3

Transmissor de presso diferencial

Transmissor de temperatura

Para indicador oumecansmo detransmisso

Fig. 4

Vlvula de

retenoMercrio

Amortecedor

P1

P2

p

20psi

3 a 15psi

B

M

A R

D

E

C

Fig. 5


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SENAI-RJ 23


Transmissor de nvel

Transmissor de densidade

Transmissor de presso

Fig. 6

20psi

3 a 15psiBocal

PalhetaFole

Detalhe dofolePresso

R

Tubo deBourdon

b

a

Fig. 7

Fig. 8

Reguladorde vazo

Indicador nolocal

20psi

Escala dedensidade

MercrioIndicador a distncia

Nvelconstante

Rel piloto

Rel piloto

P

Sinal de sada

20psi

Barra detorso

A

B

C

DE

F

G

H

S

M

Z


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24SENAI-RJ


O boosterrecebe um sinal de entrada fraco, mas transforma-o num sinal de sada ampliado,com uma fonte de alimentao.

Esse dispositivo funciona da seguinte maneira:

Correspondendo a um aumento de presso do sinal de entrada, a membrana fecha o

escape para a atmosfera, pela vlvula esfrica do ar de alimentao, o que faz aumentar o

sinal de sada.

Correspondendo a uma diminuio do sinal de entrada, a vlvula esfrica abre-se,

deixando escapar maior quantidade do ar de alimentao, o que faz o sinal de sada

diminuir.

Quando a distncia entre o transmissor e o receptor muito grande ou se quer uma resposta

rpida no receptor, emprega-se um dispositivo chamado boosterou amplificador de sinal,mostrado na Figura 9.

Observao

Importante

Apesar de possurem um custo mais elevado, estes transmissores apresentam a grande

vantagem de no provocar risco de exploso, quando instalados em reas perigosas, sujeitas a

exploses.

Fig. 9

Membranasde borracha

Sinal de sada(P

2)

Sinal de entrada (P1)

Alimentao

Atmosfera


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SENAI-RJ 25


Transmissores eletrnicos

Com o advento da microeletrnica e a crescente confiabilidade dos componentes

eletrnicos, os primeiros transmissores eletrnicos puderam ser construdos.Esse tipo de transmissor emite um sinal eltrico proporcional varivel medida.

Na Figura 10, pode-se observar um transmissor eletrnico de presso.

No exemplo observado na Figura 10, o transmissor de presso (PT) envia um sinal eltrico,proporcional presso da linha.

Os transmissores eletrnicos permitem o envio de sinais a distncias muito superiores s

conseguidas com transmissores pneumticos.

Na Figura 11, vemos um transmissor eletrnico de presso.

Transmissor de presso HART LD 301

Fig. 11

Sinal de sada eltrico

P T

Fig. 10


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26SENAI-RJ


Transmissores microprocessados

Com a crescente informatizao dos sistemas de instrumentao, surgem, no incio dos

anos 1980, os primeiros transmissores microprocessados, ou, como normalmente soconhecidos, transmissores inteligentes.

Na verdade, esse instrumento diferencia-se do transmissor eletrnico convencional pelo

maior nmero de funes que pode executar.

O fato de possuir um microprocessador d ao transmissor inteligente a condio de executar

tarefas tais como linearizao e armazenamento de dados.

importante salientar que o sinal eltrico de sada idntico ao do transmissor eletrnico

convencional.

Para exemplificarmos uma aplicao desse tipo de transmissor, Figuras 12 e 13, suponhamos

um vaso de formato cilndrico, colocado na horizontal, no qual se deseja medir o nvel com umtransmissor de presso hidrosttica.

Como se pode observar na Figura 13, o nvel medido no vaso indicado por um indicador

de nvel (LI), instalado no painel. Mas, apesar de conhecermos o nvel do reservatrio, se

desejssemos, tambm, uma informao sobre o volume, esta no seria obtida de forma imediata,

pois a relao NVEL x VOLUME, nesse caso, no linear.

Vaso no qual se deseja medir o nvel

Fig. 13

Fig. 12

Transmissor instalado

LT LI


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SENAI-RJ 27


Na anlise da Figura 14, observa-se que, exceo dos pontos 50% e 100%, nos demais

valores no h coincidncia entre o percentual de nvel e o percentual de volume.

Em outras palavras, quando o nvel indicado LI fosse de 50%, o operador saberia de imediato

que o volume do lquido contido no vaso era de 50%. Mas, se o valor do nvel fosse outro, 70%,

por exemplo, seria necessrio efetuar alguns clculos para conhecer o volume.Essa dificuldade para a obteno do percentual do volume, no exemplo citado,

solucionada com a utilizao de um transmissor microprocessado. Esse instrumento teria

condies de gerar um sinal linear, em funo do volume.

Esse foi apenas um exemplo de aplicao. Na verdade, os transmissores microprocessados

podem executar muitas outras funes. importante ressaltar que existem transmissores micro-

processados para outras variveis, tais como temperatura, vazo etc.

Sinais padronizados

Independentemente do tipo de transmissor em questo, este sempre atuar enviando um

sinal proporcional varivel medida. Esse sinal poder variar, dependendo da grandeza e do

tipo de transmissor.

No caso dos transmissores pneumticos, o sinal considerado padro no mercado brasileiro

o de 3 a 15psi; em instrumentos mais antigos, ou importados, podem-se encontrar outras

faixas, tais como: 3 a 27psi, 6 a 30psi etc.

Observe, na Figura 14, o grfico que define a funo NVEL x VOLUME do exemplo citado.

Fig. 14

LT LI

% VOLUME

% NVEL

100

50

0 50 100


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28SENAI-RJ


No sistema mtrico, a faixa de 3 a 15psi expressa com 0,2 a 1 bar, e so praticamente

equivalentes.

Nos transmissores eletrnicos, independentemente de serem microprocessados ou no,

o sinal considerado padro o de 4 a 20mAcc ou 1 a 5Vcc.

Em escala bem mais reduzida, aparecem outras faixas, tais como: 0 a 20mA, 10 a 50mA etc.

Como se pode perceber, na maioria das faixas utilizadas e, notadamente, nas faixas

padronizadas (3-15psi e 4-20mA), o nvel mnimo de sinal no zero. Dizemos que existe um

zero vivo.

O zero vivo adotado no nvel mnimo oferece a vantagem de podermos detectar avarias

(descalibrao ou rompimento do cabo), quando o sinal de entrada for 0%.

Seja o sinal eletrnico ou pneumtico, a relao com a varivel medida sempre linear.

Assim sendo, torna-se muito fcil correlacionar o sinal enviado pelo transmissor com o valor davarivel. Observe o exemplo a seguir.

Exemplo: determinar o valor da temperatura no interior de um vaso cujo transmissor de

temperatura pneumtico e est enviando um sinal de 10,2psi.

Dados: Range: -10 a 50C

Sinal padro: 3 a 15psi

1. Comparando-se as duas faixas, tem-se:

2. Interpolando-se os valores, tem-se:

15 - 3 50 - (-10)

10,2 - 3 t - (-10)

12 60

7,2 t + 10

12 (t + 10) = 60 x 7,2

5t = 60 x 7,2 - 10

12 1

t= 5 x 7,2 - 10

t= 36 - 10

t= 260C

10,2

psi C15

3

50

t

-10


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SENAI-RJ 29


Funcionamento dos

transmissores

Apesar de existirem vrios fabricantes, o funcionamento bsico da maioria dos trans-

missores encontrados no mercado semelhante.

Assim sendo, descreveremos, a seguir, o funcionamento de um transmissor pneumtico e

de um transmissor eletrnico.

O funcionamento do transmissor microprocessado no transparente nossa percepo,uma vez que as principais funes desse instrumento so executadas pelo microprocessador

(circuito integrado).

Observe o esquema de um transmissor pneumtico:

Fig. 15

Transmissor pneumtico de presso

Ajuste de faixaRestrio

Suprimento

Amplificador pneumtico

Fole de realimentao

Sada de sinal

Bico-palheta

Barra de realimentao

Ajuste de zero

Clula de presso

Entrada de sinal

Diafragma

Barra de fora

Ponto A

100%

0%


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Verifique o seu funcionamento:

O sinal aplicado na clula de presso transmite o movimento barra de fora, por meio do

diafragma.

Esta, por sua vez, encontra-se pivotada no ponto A e tender a aproximar mais o conjunto

bico-palheta, de acordo com a intensidade do sinal aplicado (quanto maior for o sinal de

entrada, maior ser a proximidade do conjunto bico-palheta).

A maior proximidade do conjunto bico-palheta resultar numa contrapresso maior.

Esse aumento da contrapresso ser amplificado no amplificador pneumtico, que enviar

um sinal diretamente proporcional ao aumento, ao mesmo tempo para a sada de sinal e

para o fole de realimentao.

A fora produzida no fole de realimentao provocar um deslocamento da barra de rea-limentao e, conseqentemente, do ponto A.

O deslocamento do ponto A impedir que a palheta feche totalmente o bico (realimentao

negativa).

A maioria dos transmissores eletrnicos de presso fabricados atualmente no Brasil tem

como sensor a clula capacitiva. Assim sendo, apresentamos, a seguir, uma descrio desse

tipo de sensor.

A presso do processo transmitida para um diafragma sensor no centro da clula, por

meio de um diafragma isolador cheio de leo de silicone. O diafragma sensor funciona como

uma mola que se move em resposta presso diferencial sobre ele. O deslocamento do diafragma

sensor (um movimento mximo de 0,01mm) proporcional ao diferencial de presso. A posio

Fig. 16

Clula capacitativa (diferencial e absoluta)

Fios

Isolao rgida

Placas docapacitador

Diafragmasensor

leo desilicone

Diafragmaisolador

Selagens

Isolamento rgido

Placas do capacitador

Diafragma sensor

Fios

leo de silicone

SelagensDiafragma isolador

Cmara de referncia (evacuada)


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SENAI-RJ 31


do diafragma sensor detectada pelas placas do capacitor de ambos os lados dele. A capacitncia

diferencial entre o diafragma sensor e as placas do capacitor eletricamente convertida em um

sinal de 4 a 20mA ou 10 a 50mA.

A montagem da clula capacitiva (sensor) com a unidade eletrnica d origem ao

transmissor eletrnico de presso.

O funcionamento do sensor capacitivo de presso baseado nos seguintes conceitos:

P = K C1 C2

C1+ C2

P = presso do processo

K = constante

C1= capacitncia entre o lado de alta presso e o elemento sensor

C2 = capacitncia entre o lado de baixa presso e o elemento sensor

I DIF = F . Vpp(C1- C2)

I DIF = a diferena na corrente de C1- C

2

Vpp

= tenso de oscilao (pico a pico)

F = freqncia de oscilao

F . Vpp=I REF

C1+ C2

I REF = fonte de corrente constante

Assim:

I DIF = C1- C2 I REF P = constante x I DIF

C1+ C2

Observao

A clula capacitiva tambm utilizada no transmissor microprocessado de presso.


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32SENAI-RJ


O diagrama de blocos da Figura 17 ilustra a operao do sistema.

O sensor ativado por um oscilador de 32pHz - 30Vpp, no modelo de 4 a 20mA. O sinal do

sensor passa, a seguir, por um demodulador, que consiste numa ponte de diodos, cujo sinal DC

pulsante de sada aplicado aos enrolamentos do transformador, servindo como referncia

para o amplificador que controla o oscilador.A corrente Dc, atravs dos enrolamentos do transformador, proporcional presso, de

acordo com a equao 2.

A ponte de diodos e um termistor de compensao de temperatura esto localizados no

interior do mdulo sensor.

O ajuste de linearidade um SHUNT de corrente ajustado por meio de um trimpot(sada

de 4 a 20mA) ou de um capacitor varivel trimmer(sada de 10 a 50mA). Permite uma correo

programada que eleva a tenso pico a pico do oscilador, para compensar a no-lineariedade de

1 ordem da capacitncia, em funo da presso.

O oscilador tem a sua freqncia determinada pela capacitncia do elemento sensor e

pela indutncia dos enrolamentos do transformador.

Por conseqncia, a freqncia varia em torno de um valor nominal de 32pHz (50pHz para

o modelo de 10 a 50mA).

O amplificador de controle do oscilador controla, mediante uma realimentao, a voltagem

que alimenta o oscilador, de acordo com a equao 3.

Um regulador de tenso garante uma alimentao perfeitamente estabilizada para os

amplificadores de controle do oscilador e de controle da corrente.

Os componentes de ajuste de zero (um potencimetro e uma malha resistiva) desenvolvemuma corrente que adicionada corrente do sensor.

Fig. 17

Teste

SENSOR

CONTROLEDA CORRENTE

DEMODULADOR DETECTOR DECORRENTE

LIMITADORDE

CORRENTE

REGULADORDE TENSOAmplificador

de controle dooscilador

OSCILADORAmplificador de controle da corrente

+sinal


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SENAI-RJ 33


Por meio de uma chave, podemos selecionar resistores que acrescentam um valor fixo de

corrente de zero, para permitir maiores valores de supresso ou elevao (chave disponvel

apenas na opo 4 a 20mA).

O ajuste do span feito por intermdio de um potencimetro que determina a quantidade

de corrente realimentada para a entrada do amplificador de controle. Esse amplificador aciona

os transistores de controle da corrente de sada.

O detector de corrente realimentada para a entrada de um sinal corresponde soma da

corrente de zero e da corrente varivel do sensor.

Praticando

1. Com o surgimento dos transmissores, qual foi a grande contribuio dada para a rea

de controle de processos?

2. Cite uma vantagem do transmissor eletrnico em relao ao pneumtico.

3. Descreva a diferena entre um transmissor microprocessado e o transmissor eletrnico.

4. Como tambm conhecido o transmissor microprocessado?

5. Faa um resumo do transmissor eletrnico de presso (tipo clula capacitiva), incluindo

um diagrama de blocos do seu circuito.


31/101

2

Nesta seo...

Consideraes iniciais sobre o controle automtico

Processo

Tipos de controle

Tipos de processo

Principais problemas para o controle de processo

Elementos bsicos de uma malha de controle

Modos de controle

Sistemas de controle

Tecnologias afins ao controle de processo

Praticando

Referncias bibliogrficas

Controle automtico de

processo


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SENAI-RJ 37

Controle Automtico de Processo - Controle Automtico de Processo

Consideraes iniciais sobreo controle automtico

Para bem compreender o funcionamento de um controle automtico, basta observar como

agiria uma pessoa se tivesse que controlar manualmente uma varivel.

Temos um exemplo bastante familiar em nossa vida diria. Quando tomamos banho de

chuveiro e temos a nossa disposio gua quente e gua fria, fazemos uma verdadeira regulagem.

Operando com as duas torneiras, procuramos dar gua a temperatura que desejamos. O que

acontece que nosso corpo age com um medidor de temperatura. O nosso crebro confronta a

temperatura que desejamos com a medida e comanda, por intermdio de nossas mos, a maior

ou menor abertura das torneiras.

O controle automtico tem representado um papel vital no avano da engenharia e da

cincia. Alm de sua extrema importncia em sistemas de veculos espaciais, msseis guiados,

pilotagem de avies, robtica e outros mais, o controle automtico tornou-se uma parte

importante e integral dos modernos processos industriais e de fabricao.

Uma v que os avanos na teoria e na prtica de controle automtico propiciam os meios

para se atingir desempenho timo de sistemas dinmicos, melhoria na produtividade, alvio no

trabalho enfadonho de muitas operaes manuais e repetitivas de rotina; fundamental quetcnicos, engenheiros e cientistas tenham um bom entendimento neste campo.

O primeiro trabalho significativo em controle automtico foi o de James Watt, no sculo X VIII,

que construiu um controlador centrfugo para controle de velocidade de uma mquina a vapor.

Atualmente, como os computadores tm-se tornado mais baratos e mais compactos, eles

so usados como parte integrante destes sistemas de controle.

Antes de iniciar o estudo do contedo desta unidade, importante conhecer abreviaturas

que so comumente usadas na rea de controle de processos, como vemos na tabela a seguir.

Podem-se obter combinaes possveis, de acordo com o funcionamento dos dispositivos

automticos.


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38SENAI-RJ


Tabela 1*

*Tabela tirada da ISA (Sociedade de Instrumentao da Amrica).

LETRA 1 LETRA

varivel medida do

processo

2 LETRA

funo do aparelho

3 LETRA

funo adicional do

aparelho

A

C

D

E

FG

I

L

Alarme Alarme

MP

P

R

S

T

V

W

Condutibilidade

Densidade

Vazo (fow)

Nvel (level)

Umidade (moisture)

Presso

Velocidade (speed)

Temperatura

Viscosidade

Peso (weight)

Controlador

Elemento (Primrio)

Visor (glass)

Indicador

Registrador

Segurana

Bainha (well)

Controlador

Segurana

Vlvura

Controlador

RegistradorTemperatura1

2

3

T R C

Visor

Nvel1

2

L G

IndicadorVazo1

2

F I

Segurana

Presso1

2

P S V

Vlvula3

Exemplos


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SENAI-RJ 39


Processo

O Merrian Webster Dicionary define um processo como sendo uma operao ou

desenvolvimento natural que evolui progressivamente, caracterizado por uma srie de

mudanas de modo relativamente fixo e conduzindo a um resultado ou finalidade particulares.

Podemos, tambm, definir processo de uma maneira bem simples, como sendo uma com-

binao de recursos humanos e/ou materiais utilizados para fabricar ou modificar um produto.

Exemplo: processo de troca trmica (trocador de calor) (Figura 1).

Variveis de um processo

Variveis so grandes medidas, manuseadas e controladas, com o objetivo de manter o

processo em perfeito funcionamento.

As variveis clssicas envolvidas nos processos industriais so: presso, temperatura, vazo

e nvel. Essas so as variveis mais comuns que aparecem dentro do conceito da instrumentao,

embora, por similar idade de tratamento, outras variveis, tais como densidade, PH, viscosidade,

umidade etc., tambm faam parte das variveis medidas e controladas pela instrumentao.Estas variveis podem ser controladas ou manipuladas.

Varivel controlada

a varivel que est submetida ao controle, ou seja, aquela que se deseja controlar.

tambm chamada de varivel do processo.

Varivel manipulada

a varivel manuseada com o objetivo de se manter a varivel controlada dentro de valoresdesejados.

Produto frio

Vapor

Produto quente

T

T I

Fig. 1


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40SENAI-RJ


Faixa de medida (range)

o conjunto de valores da varivel medida/controlada, que est compreendido

dentro dos limites superior e inferior de capacidade de medio, transmisso ou controle

do instrumento.

Alcance (span)

a diferena algbrica entre os valores superior e inferior da faixa de medida (range)

do instrumento.

Preciso (accuracy) a tolerncia de medio ou transmisso do instrumento.

Histerese (hysteresis)

Diferena mxima que se observa nos valores indicados pelo instrumento, para um

valor qualquer da faixa de medida, quando a varivel percorre toda a escala, tanto no

sentido crescente quanto no decrescente.

Ganho

Representa o valor resultante do quociente entre a troca de mudana na sada e a

taxa de mudana na entrada que causou.

Controlar um processo

o ato de manter as variveis do processo dentro de certas condies preestabelecidas.

Ponto de ajuste (set point) ou valor desejado

o valor ajustado no controlador, no qual se deseja manter a varivel controlada.

Desvio (erro)

a diferena entre o valor do ponto de ajuste e o valor medido da varivel controlada. De

forma genrica, erro a diferena entre o valor lido ou transmitido e o valor real da varivel

medida.

Distrbios de processo

qualquer alterao no processo que venha a modificar o valor da varivel controlada.

Estes distrbios so tambm conhecidos como mudana de carga.

TerminologiaPara facilitar o entendimento do contedo desta unidade, apresentamos

alguns termos mais usados dentro da rea de controle de processos.


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Tipos de controle

Na rea de processos, temos dois tipos de controle: o manual e o automtico.

Para que haja controle, as seguintes funes so obedecidas: medio, comparao e

correo. Por isso, essas trs funes so denominadas funes bsicas do controle.

Controle manual

o controle realizado por meio da interveno humana.

Na Figura 2, temos um exemplo de controle manual, em que as funes bsicas do controle

so desenvolvidas.

Medio

O operador verifica a temperatura do produto quente.

Comparao

O operador compara o valor obtido na medio com o valor em que essa temperatura deve

ser mantida.

Entrada dagua fria

Fig. 2

Correo

Entrada devapor

Ciclo fechadode regulao

Tomada deimpulso

Sada de guaquente

Computao ecomparao

Processo

Regulador

Feedback

condensado

Vlvula de vapor


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42SENAI-RJ


Correo

Se for detectado um desvio, o operador procede correo necessria, abrindo ou fechando

mais a vlvula de vapor.

Controle automtico

o controle realizado mediante instrumentos. Nesse caso, o controle independe da

interveno humana. Observe as Figuras 3 e 4.

Vejamos o desenvolvimento das funes bsicas do controle automtico.

Produto frio

Produto quente

TIC

Fig. 3

Fig. 4

Processo

Entrada degua fria

Presso de ar3 a 15psi

Motorpneumtico

Elemento final

Vlvula de vapor

Fora auxiliar

Tubo deBourdon

Tubo capilar

Rel piloto

20psi alimentao de ar

Sada degua quente

Restrio

Sinal do

regulador

Amplificadorde fora

Bulbo do termmetro

Elemento primrio

Sinal

deerro

Elementoreceptor

Feedback

Bocal e palheta

Detetor de erro

Boto deajuste do

Valor desejado

Entrada devapor


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SENAI-RJ 43


Medio

O elemento primrio mede a temperatura do produto quente e, por meio do transmissor,

que transforma o valor medido em sinal padronizado, envia-o para o controlador.

Comparao

O controlador de temperatura, ao receber o sinal, realiza uma comparao desse sinal com

o ponto de ajuste.

Correo

Caso exista desvio, o controlador emite um sinal de correo para a vlvula.

Tipos de processo

Processo contnuo

Um processo dito contnuo quando a matria-prima percorre os equipamentos e, nesse

percurso, efetuado sobre ela o processo.

A Figura 3, mostrada anteriormente, um exemplo de processo contnuo, visto que o produto

frio entra no processo, troca calor com o vapor e sai como produto quente, de maneira contnua.

A Figura 5 mostra a produo de vapor de uma caldeira.

Fig. 5 Esquema bsico de uma caldeira aquatubular

Vapor saturado

Refratrios

Tubulo

superior

Chamin

gua

Combustvel

Queimador

Tubuloinferior

Valorsaturado

gua gua

Vapor superaquecidocom temperatura epresso constante

Dessuperaquecedor

Ventilador detiragem forada

Gases dacombusto

Ar decombusto

gua

LV


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Processo em batelada

Diferente do processo contnuo, em quesempre h um fluxo de massa, no processo em

batelada uma poro discreta da matria sofre

todo o ciclo de processamento, desde o seu esta-

do inicial at ser considerada produto acabado,

quando, ento, substituda por outra, e todo o

ciclo recomea.

A Figura 6 representa a produo de massa

de chocolate.

Etapas:

introduzir o produto A, B e C;

aquecer a mistura por duas horas, mis-

turando continuamente; e

escoar o produto final para dar incio

nova batelada.

Observao

O processo em batelada recebe tambm o nome de processo descontnuo.

Principais problemas para o

controle de processos

Se tomarmos como exemplo um tanque que armazena um volume de lquido, quando

submetido a uma variao brusca na vazo de entrada (normalmente chamada de variao em

degrau), temos como resposta uma variao diferente de um degrau (exponencial), devido

resistncia e capacitncia do sistema.

Fig. 6 Tanque de mistura

M

valor


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SENAI-RJ 45


Os processos tm caractersticas que atrasam as mudanas nos valores das variveis e,

conseqentemente, dificultam a ao de controle. Essas caractersticas esto sempre presentes,

ou seja, so inerentes aos processos. So elas:

capacitncia;

resistncia; e

tempo morto.

Capacitncia

So as partes do processo que tm a capacidade de armazenar energia ou material.

Em um trocador de calor, as paredes das serpentinas e o produto no tanque podem

armazenar energia calorfica. Essa propriedade de armazenamento de energia d a essas

capacitncias a habilidade de atrasar uma mudana. Por exemplo, se a temperatura de entrada

do vapor aumentar, ser preciso um certo tempo para que mais energia seja adicionada ao

produto no tanque, a fim de elev-lo a uma nova temperatura.

Resistncia

So as partes do processo que resistem a uma transferncia de energia ou material entre

capacitncia.

Usando novamente o exemplo do trocador de calor, as paredes da serpentina, que obstruem

a vazo do vapor e o efeito isolante das pelculas de vapor e produto de cada lado dela, resistem

Veja a figura a seguir.

Fig. 7 Resposta do nvel de um tanque a uma variao de degrauna vazo de entrada

Vazo de entrada

Nvel

TempoVazo de sada

h2

h1

h2

h1


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46SENAI-RJ


a uma transferncia de energia calorfica entre o

vapor na serpentina e o produto do lado externo

desta.

O efeito combinado de alimentar uma

capacitncia por meio de uma resistncia

produz atrasos de tempo na transferncia de

energia entre capacitncias. Tais atrasos de

tempo provocados por resistncia e capacitn-

cia (R-C) so freqentemente chamados atrasos

de capacitncia ou atrasos de transferncia.

A Figura 8 mostra a comparao das res-

postas de um termopar colocado diretamente nacorrente de processo e com o mesmo termopar

inserido em um poo termomtrico de ao inox.

Nota-se que o poo de proteo funciona como

uma resistncia transferncia de calor, retardando a resposta do conjunto de deteco.

Tempo morto

Tempo morto, tambm chamado de tempo de transporte, aquele verificado entre a

ocorrncia de uma alterao no processo e a sua percepo pelo elemento sensor.

So tpicos nos sistemas de medio e controle de temperatura. A Figura 9 apresenta um

sistema de controle que s comea a responder aps decorrido um certo intervalo de tempo

denominado tempo morto.

Fig. 8 Resposta de um termoparcom e sem poo de proteo

Termopar nu

Tempo

Termopar em poode ao inox

Temperatura

Fig. 9 Sistema de controle de temperatura com tempo morto

Fluido quente

Sensor de temperatura

Tempo mortoVapor

Fluido frio

TIC

d

T T


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Um resumo dos trs tipos de atrasos (capacitncia, resistncia e tempo morto) aqui

abordados pode ser ilustrado no sistema de controle da Figura 10.

Os processos tambm podem ser classificados em:

monocapacitivo;

bicapacitivo; e

multicacacitivo.

Os processos so geralmente analisados em funo da sua curva de reao, ou seja, a reao

da variveis do processo provocadas por mudanas de cargas, em condio de no- controle.

Na discusso que se segue, o processo representado na Figura 11 pode se encontrar em condio

estvel. mostrado o efeito de mudanas bruscas em degrau na alimentao e o respectivo

comportamento de sada.

Processo monocapacitivo

O trocador de calor da Figura 1, apresentada no incio desta seo, pode ser considerado,

aproximadamente, como um processo monocapacitivo, j que a capacitncia calorfica da

serpentina quase insignificante, quando comparada com a capacitncia do produto no tanque.

Assim, nessa suposio, o processo se comporta como monocapacitivo.

Fig. 10 Trocador de calor Atrasos na deteco, na transmisso e tempo morto

Atraso nadeteco

gua

Atraso

Transm./Controlador

Atrasos devidosao processo

Tempo morto

Sala de controle

TIC

Fluido processo

Sada

Fluido processo

Entrada

Atraso na resposta doatuador

Atraso na transmisso

Controlador/Vlvula

TT


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Curva de reao de processo monocapacitivo

A Figura 11 mostra as curvas de reao em condio de no-controle, que se seguem a uma

mudana brusca na carga de alimentao causada pelo aumento de abertura da vlvula devapor no tempo zero.

Processo bicapacitivo

Suponhamos, agora, que a parede da serpentina de aquecimento da Figura 1

suficientemente grande para ter uma capacitncia calorfica que significativa quando com-

parada com a capacitncia do produto no tanque. Nesse caso, o processo pode ser considerado

de duas capacitncias. Assim, a resistncia entre elas a resistncia transferncia de calor

oferecida pelas paredes da serpentina e pelas pelculas isolantes nas suas faces interna e externa.

Curva de reao de processo bicapacitivo

Note que cada curva indica como a

temperatura comea a aumentar exatamente ao

mesmo tempo em que a carga mudada; esse

aumento da temperatura cada vez mais lento,

at chegar ao novo valor de estado estvel.

A resposta completa da temperatura mais

atrasada no tempo quando a capacitncia de ar-

mazenamento de cada processo maior. Esteexemplo mostra como a capacitncia calorfica

do produto no tanque e a resistncia ao fluxo de

calor atrasam o aumento da temperatura. Esse

retardo o atraso de capacitncia.

A Figura 12 mostra as curvas de reao emcondies de no-controle que se seguem a uma

mudana brusca de carga de alimentao,

causada pelo aumento de abertura da vlvula de

vapor no tempo t0.

A comparao das Figuras 11 e 12 ilustra

uma diferena significativa entre os processos

de capacitncia simples e de duas capacitncias.

Aqui, a temperatura, em vez de mudar ime-

diatamente, comea a subir de forma vagarosa;

t0

t1

t2

t3

Fig. 12

Temp.produto

sada

Atraso menor

Atraso maior

TempoT0

Capacitnciamenor

Capacitnciamaior

Temperatura

T

T0

t0

t1

t2

t3

Tempo

Fig. 11

T


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SENAI-RJ 49


depois, mais rapidamente; a seguir, mais devagar; finalmente, reequilibra-se gradativamente

em um novo valor de estado estvel.

Essa curva de reao em forma de S caracterstica dos processos de duas capacitncias. A

resistncia transferncia de energia entre a capacitncia calorfica da serpentina e do produto

causa esse retardo, ou seja, atraso de capacitncia, na temperatura.

A Figura 12 mostra que a temperatura atingir seu valor final num tempo tanto maior,

quanto maior for o atraso de capacitncia do processo.

Processo multicapacitivo

Embora muitos processos tenham mais de duas capacitncias, o comportamento deste

processo similar ao do bicapacitivo, mostrado na Figura 12. Assim sendo, essas curvas de

reao podem ser consideradas tpicas para todos os processos (que no tenham tempo morto)

com duas ou mais capacitncias.

Efeito do tempo morto nas curvas dereao do processo

t0

t1

t2

t3

Temperatura

Com tempo morto

T0

Tempo

Tempo morto

Sem tempo morto

Fig. 13

Observao

O trocador de calor da Figura 1 terum tempo morto considervel, se o

elemento sensor de temperatura for

deslocado para um ponto afastado do

tanque, isto , ser necessrio mais tem-

po para levar a mudana de temperatura

at esse novo ponto.

A Figura 13 mostra o efeito do tempo

morto em um processo bicapacitivo (ou

multicapacitivo).

Note que a curva de reao simplesmente deslocada no eixo dos tempos do valor do tempo

morto. A adio do tempo morto no muda a forma ou o tamanho das curvas de reao.

T


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50SENAI-RJ


Elementos bsicos de uma

malha de controle

Entende-se como malha de controle um conjunto de instrumentos e equipamentos que,

interligados, tem a finalidade de supervisionar e/ou controlar uma ou mais variveis do processo.

Se a informao sobre a varivel controlada no utilizada para ajustar quaisquer das

variveis de entrada, visando compensar as alteraes que ocorrem nas variveis do processo,

estaremos diante de um sistema de malha aberta.

Nas Figuras 14 e 15 so apresentados dois sistemas: sistema de malha aberta e sistema de

malha fechada.

Fig. 14

Processo tpico de troca de calor em malha aberta

Fluido aquecido

Fluido a seraquecido

Condensado

Vapor

Fig. 15

Processo tpico de troca de calor em malha fechada utilizando controle manual

Fluido aquecido

Fluido a seraquecido

Condensado

Vapor


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Ponto de

ajuste

Condensado

Fluido aquecido

VaporFluido a ser

aquecido

TRC

TT

TY

O diagrama em blocos, a seguir, mostra as passagens de sinais entre os principais elementos

de uma malha de controle.

Sistema de medio

O sistema de medio em uma malha de controle constitudo basicamente de: elemento

primrio, transdutor e sistema de transmisso.

Ele de suma importncia, pois da medida correta depende um controle satisfatrio.

Processo tpico de troca de calor utilizando controle automtico

Fig. 17

Distrbios

Elemento final

de controleModos decontrole

Erro Correo

Controlador

Setpoint

+ _Processo

Sistema demedioVarivel medida

Varivelcontrolada

Varivelmanipulada

Fig. 16


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52SENAI-RJ


Controlador

o instrumento destinado a manter a varivel controlada dentro de valorespredeterminados. Ele reage ao desvio entre a varivel controlada (varivel medida) e o ponto de

ajuste (set point), produzindo uma sada (correo).

Na Figura 17, o bloco controlador tem um sinal positivo no lado do ponto de ajuste e um

sinal negativo no lado da varivel. Temos, entretanto, a possibilidade de fazer o controlador

funcionar com o conjunto de sinais opostos, mediante um simples chaveamento. Esse

chaveamento nos possibilita transform-lo em controlador de ao direta ou controlador de

ao reversa (inversa) para atender as necessidades do processo.

A Figura 18 apresenta um controlador na sua forma convencional.

Controlador de ao direta

Recebe este nome porque, supondo-se o ponto de ajuste constante, se a varivel controlada

tender a subir, o sinal de entrada do bloco modo de controle tender a subir, e a sada (correo)

idem.Portanto, diz-se que um controlador

de ao direta, quando um aumento de

sinal da varivel controlada provoca um

aumento no seu sinal de sada. Observe a

Figura 19.

SPVP

VM A/ML/R

Fig. 18

SP:VP:VM:SP:P:I:D:A/M:L/R:

VALOR DESEJADOVARIVEL DE PROCESSOVARIVEL MANIPULADAVALOR DESEJADOAO PROPORCIONALAO INTEGRALAO DERIVATIVAAUTOMTICO/MANUALLOCAL/REMOTO

P

I

D

Fig. 19 Controlador de ao direta

Controlador

SadaS.p.

Vc

Modo decontrole+

_


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Controlador de ao reversa

Supondo-se o ponto de ajuste constante, se a varivel controlada tende a subir, o sinal de

entrada da caixa modo de controle tender a descer, e a sada idem.Portanto, diz-se que um controlador de ao reversa, quando um aumento no sinal da

varivel controlada provoca uma diminuio no seu sinal de sada, como mostra a Figura 20.

Elemento final de controle

um dispositivo acionado pela sada do controlador e que atua numa varivel manipulada.

Em geral, uma vlvula de controle; eventualmente, pode ser um motor, um contato eltrico,

uma vlvula solenide, uma bomba etc.

Uma vlvula de controle pode ser construda de modo que se abra quando h um aumento

do sinal pneumtico, sendo, ento, chamada vlvula ar abre, ou de modo que se feche quando

h um aumento do sinal pneumtico, sendo chamada ar fecha.

O sistema de controle de um reator, por meio de uma camisa pela qual circula gua, permite

atender este tipo de dispositivo. Veja a Figura 21.

Fig. 20 Controlador de ao reversa

S.p.

Vc

Modo decontrole+_

Fig. 21 Controle de temperatura - Resfriamento de um reator qumico

Vlvula: falha abertaControlador: ao inversa

Alimentao

gua (fria)

gua (quente)

Produto

TIC

TT

Reator exotrmico


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54SENAI-RJ


Conjunto controlador x vlvula de controle

Apresentadas as aes do controlador e da vlvula de controle, devemos pesquisar o

conjunto de associao, para que consigamos alcanar o controle pretendido.Deve ser considerada a situao de segurana para a qual o sistema tem de evoluir, no caso

de falta de energia. Por exemplo, se a vlvula ar abre, na ausncia de ar comprimido ela se

fechar; por isso, ela tambm chamada falha fecha. Sendo a vlvula ar fecha, na ausncia de

ar comprimido ela se abrir; por isso, tambm chamada falha abre.

Modos de controle

Modo de controle, tambm chamado ao de controle, a maneira pela qual um

controlador responde a um desvio da varivel controlada.Os instrumentos de controle industrial so geralmente fabricados para produzir os seguintes

modos de controle:

duas posies;

proporcional;

proporcional + integral (PI);

proporcional + derivativo (PD); e

proporcional + integral + derivativo (PID).

Cada modo de controle tem suas vantagens e limitaes caractersticas.

Fig. 22

ar para fechar ar para abrir

a b


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SENAI-RJ 55


Independentemente do seu modo de controle, o controlador poder ser

de ao direta ou ao reversa.

Controle de duas posies

De todas as aes de controle, a ao em duas posies a mais simples e tambm a de

menor custo; por isso, extremamente utilizada tanto em sistemas de controle industrial como

domstico.

Neste modo de controle, o elemento final de controle movido a uma velocidade

relativamente alta, entre duas posies prefixadas. Visto que essas duas posies do elemento

final de controle so, em geral, totalmente aberto ou totalmente fechado, este modo chamado

controle ON-OFF(liga-desliga).

A Figura 23 ilustra um processo cujo controle de temperatura feito por controle liga-

desliga.

Fig. 23 Controle de temperatura com vapor atuado por vlvula solenide

Vapor

TIC

S

Quando a temperatura est no ponto de ajuste (set point) ou acima deste, o contato est

fechado e a vlvula tambm. Quando a temperatura est abaixo do ponto de ajuste, o contato

est aberto e a vlvula idem.

A Figura 24 mostra as correes de posio da vlvula quando a temperatura varia acima e

abaixo do ponto de ajuste.


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Controle de duas posies com zona diferencial

uma variante comum do controle de duas posies. Aqui, o elemento final de controle

movido rapidamente de sua primeira posio para a segunda, quando a varivel controlada

atinge um valor prefixado, e s poder retornar sua primeira posio depois que a varivel

Observao

Nota-se que esse controle de duas posies no pode promover uma correo exata. Sua

correo maior ou menor que a exata. No existe, ento, nenhuma condio de equilbrio

entre as energias de entrada e de sada; conseqentemente, a varivel controlada ir oscilar

para cima e para baixo do ponto de ajuste.

Fig. 24

t

t

AberturaVlv.

Ponto deajuste

100%

0%

Temp.

Fig. 25

ProcessoVapor Sada

Bourdon

Rel

controlada tiver passado por meio de uma

faixa de valores (zona diferencial) e atingido

um segundo valor tambm prefixado.

Pode-se ajustar a zona diferencial de

acordo com a necessidade do processo.

A Figura 25 mostra o exemplo tpico de

um controle de duas posies com zona

diferencial.


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Fig. 26

t

t

AberturaVlv.

Ponto deajuste

100%

0%

Temp. Contato de alta

Zonadiferencial

Contato de baixa

A Figura 26 mostra as correes da posio da vlvula quando a temperatura passa pela

zona diferencial. Nota-se que nenhuma ao da vlvula ocorre quando a varivel est dentro da

zona diferencial. Observe a Figura 26.

Observao

1. Como vemos, no controle de duas posies, a sada muda de uma condio fixa para outra,o que geralmente provoca correes maiores que o necessrio, resultando numa oscilao

contnua da varivel controlada. Por isso, o seu uso fica restrito a processos que apresentam

grande capacitncia ou a processos em que a oscilao no seja prejudicial.

2. Em razo de suas caractersticas, o controle de duas posies muito utilizado em sistemas

de segurana.

Controle proporcional

Em processos que no permitam a aplicao do controle de duas posies, costuma-se

recorrer ao controle proporcional, cuja amplitude de correo proporcional amplitude do

desvio. Nesse caso, o elemento final de controle se move para uma determinada posio, para

cada valor do desvio.


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Fig. 27

LIC

Qe

Qs

LT

A equao que representa esta ao de controle pode ser descrita como:

m (t) = Kc. e (t) + b

onde:

m (t) = sinal de sada do controlador;

Kc= ganho proporcional;

e (t) = erro (SP - varivel medida); e

b = constante (sada do controlador quando o erro zero), ou sada em modo manual do

controlador.

Para exemplo, suponhamos o controle de nvel mostrado na Figura 27, a seguir.

Vamos estudar qualitativamente o desempenho do sistema de controle, ao utilizarmos o

controlador proporcional no exemplo da Figura 27. As Figuras 28 e 29, mostradas a seguir,

auxiliaro o nosso estudo.

Inicialmente, vamos supor que o nvel est estabilizado em 1,5 metro (ponto de ajuste) e a

vlvula est com 50% de abertura. O sistema est equilibrado, ou seja, a vazo de entrada (Qe)

igual vazo de sada (Qs).Suponhamos agora que, num tempo to, h um distrbio tipo degrau na sada do sistema,

ou seja, a vazo de sada Qs passou para Qs +Q.

O nvel comea a descer, mas a informao chega ao controlador, que comea, ento, a dar

correo proporcional ao erro, abrindo a vlvula. Observando a Figura 28, comeamos a andar

sobre a reta, de A para B.

No tempo t1, conseguimos vencer o efeito do acrscimoQ. Neste momento, temos o

menor valor do nvel e a correo mximaQ (passamos para o ponto B da Figura 28), no

necessariamente chegando posio extrema toda aberta. Portanto, temos o sistema

estabilizado num novo valor de nvel, e Qe +Q = Qs +Q.


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Fig. 29

Qs

t

QeQ

h

Qe,Qs

Qe=Qs

to

t1

to

t1

OffsetSet point

t

Fig. 28

Ponto de ajuste

Toda Aberta

TodaFechada

100

50

0

0,5 VC (Nvel h, em metros)1 1,5 2 2,5

B

A

offset

Sc %

Erro de regime (offset)

Fig. 30

Observando as Figuras 28 e 29, notamos

que, aps atingida a nova situao de equilbrio,

o nvel se estabilizou num ponto fora do ponto

de ajuste, ou seja, notamos a presena de um

desvio. Esse desvio chamado erro de regime

(offset)e uma caracterstica inevitvel do

controlador proporcional. Veja a Figura 30.

Variao decarga

(distrbio)

Varivelcontrolada

Tempo

Offset

Valor desejado


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Reduo de erro de regime

Observando a Figura 28, podemos notar que, quanto maior a inclinao da reta, menor

ser o erro de regime. Veja a Figura 31.

Isso possvel, desde que se altere o ajuste do controlador proporcional (faixa proporcional

ou ganho, que ser visto adiante). Cabe ressaltar, entretanto, que vamos obter uma reduo do

erro de regime, e no a eliminao dele.

Eliminao do erro de regime

Como artifcio da eliminao do erro de regime em controladores de modo apenas pro-

porcional, lana-se mo do reajuste manual (resetmanual).

O procedimento abrir a malha de controle, ou seja, passar o controlador de automtico

para manual (o instrumento apresenta tal recurso) e, manualmente, alterar a sada do

controlador. No caso em estudo, aumentar a sada do controlador; conseqentemente, abrindomais a vlvula, at que o nvel retorne ao ponto de ajuste, quando, ento, ainda de forma manual,

fazemos a vlvula voltar abertura que proporciona a vazo Qe +Q, para, finalmente, passar

o controlador posio automtico.

Com esse procedimento, trazemos a varivel controlada de volta ao ponto de ajuste,

eliminando, assim, o erro de regime.

Uma outra maneira de se eliminar o erro de regime mediante mudanas do set point

(ponto de ajuste) ajustado no controlador, at que a varivel controlada retorne ao valor desejado.

Fig. 31

Ponto de ajuste

0,5 1 1,5 2 2,5

0

50

100

V C

Sc%

A

BC

Erro deregime 2

Erro deregime 1


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Faixa proporcional (banda proporcional)

Faixa proporcional pode ser definida como sendo a variao percentual da varivel

controlada, necessria para provocar o curso completo (desde totalmente aberta at totalmentefechada) do elemento final de controle.

A faixa proporcional , normalmente, expressa em percentagem.

A Figura 32 mostra que, para causar o curso completo da vlvula (desde totalmente aberta

at totalmente fechada), necessria uma mudana na varivel controlada, no caso nvel, de

1 metro.

Portanto, a faixa proporcional ser de 1 metro em 2 metros, ou seja, 50%, pois:

FP = 2m 1m = 1m

=0,5 = 50%

2,5m 0,5m 2m

Pode-se obter, tambm, a faixa proporcional a partir da percentagem dos valores. No caso:

FP = 75% 25% = 50%

Para solidificarmos o conceito de faixa proporcional, veremos um outro exemplo.

Se a faixa completa de um instrumento de 200C e preciso uma mudana de temperatura

de 50C para causar o curso completo da vlvula, a faixa proporcional ser de 50C em 200C, ou

seja, 25%.

A faixa proporcional pode variar de um valor menor que 1% at um valor maior que 200%.

A Figura 33 mostra a relao entre a posio da vlvula e a varivel controlada, para vrios

valores de faixa proporcional.

Fig. 32

Ponto de ajuste

Toda Aberta

TodaFechada

100%

0%

0,5 V C1 1,5 2 2,5

Sc

0% 25% 50% 75% 100%


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Observao

Note que, quando a faixa proporcional for superior a 100%, o curso completo da vlvula

no ser promovido.

Ganho (sensibilidade)

Um outro conceito para expressar a proporcionalidade o ganho, tambm conhecidocomo sensibilidade.

Ganho ou sensibilidade do instrumento a relao entre a variao de sada e a variao de

entrada (variao da varivel controlada), como mostra a expresso abaixo:

K = s

e

Quanto maior for o ganho, maior a variao de sada do instrumento para a mesma variaoda varivel. Em outras palavras, o instrumento reagir tanto mais fortemente quanto maior for

o seu ganho.

Matematicamente, o ganho recproco da faixa proporcional, ou seja:

K = 100%

FP (%)

Os instrumentos de controle possuem o ajuste de proporcionalidade expresso em ganho

ou expresso em faixa proporcional.

Note que, quanto menor for a faixa proporcional ajustada, maior ser o ganho, e vice-versa.

Fig. 33 Varivel controlada Percentagem da escala

10 20 30 40 50

0%20%50%

200%

100%

60 70 80 90 100

10

20

30

50

60

70

80

100

40

90

0

500%

Abertura

da

vlvula

em

percentagem

onde:

K = ganho;

s = variao de sada; e

e = variao de entrada.


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Anlise grfica da resposta deum controlador proporcional

A atuao do modo de controle proporcional depende da amplitude do desvio, e no do

tempo de durao dele. Portanto, a sada do controlador proporcional no varia enquanto o

desvio permanece fixo; ela s variar quando o desvio variar.

Observao

A Figura 34 mostra a resposta grfica deum controlador proporcional de ao direta

a um desvio tipo degrau, em malha aberta.

Inicialmente, a varivel est coinci-

dente com o ponto de ajuste, e a sada do

controlador So.No instante tofoi introduzido um desvio

de amplitude E. Note que o controlador sofre

uma variao na sada igual a KE. A partir da,

a sada do controlador permanece constante,visto que o desvio se mantm fixo em E e o

sistema est em malha aberta.Fig. 34

Influncia do ajuste da faixa proporcional

(ou do ganho)

O ajuste indevido da faixa proporcional pode provocar oscilaes violentas ou, ento,

respostas lentas demais.

A Figura 35 mostra a resposta grfica da varivel controlada em funo do ajuste da faixa

proporcional, aps introduzido um erro no sistema, em malha fechada.

Fig. 35

Vlvulacontrolada

Ponto de ajuste

Tempo

FP mdia FP pequena FP grande

Varivel

Ponto de ajuste

Tempo

Sada

E

tO

to

So

KE

Tempo

{


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Controle proporcional + integral(PI)

Enquanto a sada do modo proporcional proporcional ao desvio, a sada do modo integral

funo da integral do desvio, ou seja, a velocidade de correo proporcional ao desvio.

Temos a o melhor dos dois modos de controle: o modo proporcional, que corrige os errosinstantaneamente, e o integral, que se encarrega de eliminar, ao longo do tempo, o erro de

regime caracterstico do modo proporcional.

Neste controlador, o modo integral executa automaticamente o reajuste manual que o

operador faria para eliminar o erro de regime. Por isso, ele tambm chamado controlador

proporcional com reajuste automtico ou controlador proporcional com resetautomtico.

No controle proporcional + integral, o movimento da vlvula funo da amplitude e da

durao do desvio da varivel, enquanto no proporcional funo apenas da amplitude desse

desvio. Em conseqncia, em vez de termos uma posio especfica da vlvula para cada valor

do desvio, o proporcional + integral pode determinar a estabilizao da vlvula em qualquer

Cabe ressaltar que, medida que a faixa proporcional diminuda, o erro de regime tambm

diminui, mas as oscilaes e o tempo para estabilizao aumentam. Caso se utilize uma faixa

proporcional excessivamente pequena, o processo poder tornar-se instvel.

1. O modo proporcional um meio poderoso de estabilizao, capaz de uma larga faixa de

aplicao, mas que tem a caracterstica indesejvel do erro de regime.

2. De uma maneira geral, o controlador proporcional pode ser empregado em quase todo

tipo de processo, bastando que esse processo seja tolerante ao erro de regime.

3. No dever ser usado quando a faixa proporcional tiver que ser grande (caso do controle

de vazo), ou quando houver distrbios freqentes.

Observao

Note que, quando diminui a faixa proporcional (aumento do ganho), o

erro de regime tambm diminui, e o sistema responde mais rapidamente s

variaes. Podemos, ento, concluir que a faixa proporcional deve ser ajustada

no menor valor (ou ganho no maior valor) que o processo permitir.


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Fig. 36 Exemplo tpico de um controlador com aes P e I pneumtico

Tempo integral

Valor setado

Valor medido

Volumeintegral

C

Alimentao

Sada

Ti=R C

Realimentao

Vlvula derestrio(integral)

R

Realimentaointegral

Ps

Pr

Pr

PR

Pn

P

Po

posio, desde totalmente aberta at totalmente fechada, para um determinado valor da

medio. A vlvula continuamente posicionada, conforme seja necessrio, para manter a

varivel no ponto de ajuste.

Apresentamos a seguir o esquema bsico de um controlador P + I.

O modo integral normalmente utilizado em conjunto com o modo proporcional(controlador PI), pois a velocidade de resposta do modo integral sozinho muito lenta, e seu

tempo de estabilizao muito longo.

Anlise grfica da resposta de um controladorproporcional + integral

A Figura 37 mostra a resposta grfica de um controlador PI, de ao direta, a um desvio tipo

degrau, em malha aberta.

Fig. 37

Tempo

Varivel

Ponto de ajusteE

to

Sada

Componente integral

Componente proporcional

Tempoto


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Fig. 38

Tempo

Sada

SA

KE

KE

to

t1

No instante to foi introduzido um desvio de amplitude E. O modo proporcional varia a

sada de KE no momento em que surge o desvio, ficando constante a partir da, uma vez que o

desvio se mantm fixo.

A sada do modo integral no varia instantaneamente com o surgimento do desvio, mas o

fato de o desvio ser diferente de zero faz com que a sada do modo integral varie medida que o

tempo vai passando, e essa variao s ir cessar quando o desvio voltar a zero. Como o desvio

constante, a sada da componente integral ser uma rampa.

V-se, ento, que o modo proporcional ser mais efetivo do que o integral na resposta a

rpidas variaes do processo.

Tempo integralEnquanto o modo proporcional descrito pelo ganho K, o modo integral descrito pelo

tempo integral (reset time) Tt1, e que pode ser ajustado por meio do boto existente no

controlador.

Conforme mostrado na Figura 37, simulando-se, num instante to,um desvio tipo degrau

de amplitude E, em malha aberta, a sada do controlador PI ter o aspecto da Figura 38.

No instante to, a sada sofre instantaneamente uma variao igual a KE, devida somente ao

modo proporcional. A partir desse instante, a sada passa a aumentar, graas ao modo integral.

Repare que, no instante t1, o modo integral ter variado a sua sada no mesmo valor da variao

do modo proporcional.

Pode-se definir, portanto, tempo integral como sendo o tempo necessrio para que o

modo integral produza uma variao na sada igual quela produzida pelo modo proporcional.

O tempo integral (Ti) usualmente expresso em minutos ou minutos por repetio (MPR).

O tempo integral tambm chamado tempo de reajuste, ou, ainda, tempo por repetio.


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Taxa de reajuste

Em alguns controladores, o ajuste do modo integral expresso em repeties por minuto

(RPM). Esse termo, chamado taxa de reajuste, representa o nmero de vezes que o modo integral

produz uma variao na sada igual quela produzida pelo modo proporcional, no tempo de 1

minuto.

A taxa de reajuste tambm chamada de taxa de reset ou, ainda, velocidade de reajuste.

Matematicamente definida como o inverso de Ti, ou seja, 1 .

Ti

Assim, na Figura 38, apresentada anteriormente, se Tifor, por exemplo, de 30 segundos, ou

seja, 1/2 minuto, teremos a taxa de reajuste de 2 repeties/minuto.

Cabe ressaltar que, quanto maior for o valor da taxa de reajuste, mais rpida ser a correo

devida ao modo integral.

Equao caracterstica do controlador proporcional+ integral

S = So + K E + 1 Edt

Ti

Quanto menor for o valor do tempo integral, mais rpida ser a

correo devida ao modo integral.

Onde:

S = sinal de sada do controlador

So= sinal de sada para desvio nulo

K = ganho

E = desvio ou erro

Ti= tempo integral

Note que, alm da correo devida ao modo proporcional, temos agora uma correo

adicional, que faz aumentar ou diminuir o sinal de sada, durante todo o tempo em que existir

algum erro.

A existncia da ao integral no garante que o processo se encontre estvel mas, sim,

que no haver erro de regime quando o processo atingir um estado estvel.

t

o


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Observao

1. O controlador PI tem dois parmetros de ajuste: ganho (ou faixa proporcional) e taxa de rea-

juste (ou tempo integral), ambos ajustveis por botes existentes no instrumento.

2. Da mesma maneira que no caso do modo proporcional, existe o perigo de oscilaes quando o

modo integral exagerado. Isso significa que, com a taxa de reajuste muito alta, a vlvula se

movimentar mais rapidamente que a medio e o processo oscilar, aumentando o tempo de

estabilizao. Por outro lado, com uma taxa de reajuste muito baixa, a varivel no retornar

ao ponto de ajuste com rapidez suficiente, ou seja, a varivel fica muito tempo fora do ponto de

ajuste.

3. O modo integral aumenta a tendncia a oscilar do sistema de controle. Por isso, ele deve ser

corretamente ajustado, para que se possa obter um controle preciso com o menor tempo de

estabilizao.

4. O efeito desestabilizador do modo integral normalmente neutralizado, usando-se um ganho

levemente menor do que o que seria possvel utilizar com um controlador puramente

proporcional. Dessa forma, o PI assegura a estabilidade da malha de controle sem erro de regime.

5. Geralmente o controlador PI pode ser utilizado par

controle automático de processos.pdf

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