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CAMPUS NORTESHOPPING DISCIPLINA AUTOMAÇÃO DE PROCESSOS E ROBÓTICA

TÍTULO PESQUISA SOBRE TÉCNICAS DE SINTONIA

CURSO ENGENHARIA ELÉTRICA PERÍODO 7º PROFESSOR JORGE BITENCOURT PÁGINA 1 DE 18

PESQUISA SOBRE TÉCNICAS DE SINTONIA PID

SMAR YOKOGAWA GE FANUC EMERSON

ALUNOS MATRÍCULA

01 Jacques Stelzer Cardoso 2009.0208674-2

02 Roberto Sampaio Monteiro 2011.0127338-1




Índice de Figuras

FIGURA 1: CONTROLADORES PI, PD E PID ___________________________________________________________________________ 5

FIGURA 2: CONTROLADOR DIGITAL CD600___________________________________________________________________________ 6

FIGURA 3: CD600 - PAINEL FRONTAL ______________________________________________________________________________ 7

FIGURA 4: BLOCOS FUNCIONAIS DE CONTROLE DO CD600 ________________________________________________________________ 8

FIGURA 5: EXEMPLO DO BLOCO DE CONTROLE DE ENTRADA/SAÍDA DO CENTUM CS 3000 __________________________________________ 9

FIGURA 6: PID – BLOCO DE CONTROLE DO CENTUM CS 3000 ___________________________________________________________ 10

FIGURA 7: BLOCO DE CONTROLE LÓGICO DO PID - GE FANUC ____________________________________________________________ 12

FIGURA 8: SISTEMA DE CONTROLE ADAPTATIVO GE FANUC ______________________________________________________________ 14

FIGURA 9: DIAGRAMAS DE BLOCO PID SÉRIE E PADRÃO __________________________________________________________________ 15

FIGURA 10: LOOP DE CONTROLE DO PROCESSO _______________________________________________________________________ 17




Sumário

1. O CONTROLADOR PID _____________________________________________________________________________ 4

2. IMPLEMENTAÇÕES INDUSTRIAIS DO ALGORITIMO PID E SUAS TÉCNICAS DE SINTONIA ___________________ 6

2.1 SMAR ............................................................................................................................................................................... 6

2.2 YOKOGAWA .................................................................................................................................................................... 9

2.3 GE FANUC ...................................................................................................................................................................... 12

2.4 EMERSON PROCESS ..................................................................................................................................................... 15

3. CONCLUSÃO ____________________________________________________________________________________ 18




1. O CONTROLADOR PID

O controlador PID (Proporcional, Integral e Derivativo) é de longe a função de controle mais usual em

aplicações industriais de malhas de controle. Aproximadamente 90 a 95% dos problemas de controle

são solucionados por este tipo de controlador, que apresenta diferentes formas de implementação. O

controlador PID pode ser considerado o processo básico da engenharia de controle e tem passado por

diversas modificações tecnológicas. Os controladores iniciais se basearam em sistemas a relé,

pneumáticos ou hidráulicos. Estes sistemas passaram então a ser implementados com componentes

eletrônicos e, atualmente, via microprocessadores, SDCD ou em CLP. O controlador PID é indicado na

indústria pelo baixo custo, fácil entendimento por parte dos operadores de processos, baixo custo do

ponto de vista da engenharia de controle e, na maioria dos casos, proporciona um desempenho

adequado ao processo controlado.

Para o projeto do PID é necessário determinar os ganhos do controlador, Kc (ganho proporcional), Ti

(tempo integral) e Td (tempo derivativo), a partir das informações obtidas da planta. Se o modelo do

processo é conhecido inicialmente, é possível aplicar diferentes técnicas de sintonização de modo que

a saída satisfaça as especificações de desempenho impostas no projeto (sobre-elevação, tempo de

estabilização, tempo de subida, etc).

Quanto a sintonia de controladores PID, ela começa pela identificação do processo, escolhe-se

métodos e procedimentos adequados, se malha aberta/malha fechada/relé. A partir disso, analisa-se

critérios de sintonia e aplica-se métodos de cálculo de parâmetros, dos quais os mais utilizados são

Ziegler-Nichols, CC, CHR, ITAE, IMC, Lambda, BCS, entre outros. Por fim adequa-se a sistemas

integradores, ajustando os controladores de níveis com objetivo de atenuação de distúrbio.




O diagrama de blocos de um PID básico pode ser visto no esquema abaixo:

Figura 1: Controladores Pi, PD e PID

Nos itens seguintes serão apresentados técnicas de sintonia de PID das empresas Smar, Yokogawa, Ge

Fanuc e Emerson Process.




2. IMPLEMENTAÇÕES INDUSTRIAIS DO ALGORITIMO PID E SUAS TÉCNICAS DE

SINTONIA

Neste item serão apresentadas quatro implementações industriais do algoritmo PID, relativas as

empresas Smar, Yokogawa, Ge Fanuc e Emerson Process.

2.1 SMAR

O PID da SMAR apresentado neste trabalho é o que opera no CD600, que é um controlador digital

de processos, capaz de controlar simultaneamente até 4 malhas de controle, com até 8 blocos PID e

mais de 120 blocos de controle avançado. A sua programação é feita ou pela livre combinação de

mais de 120 blocos de controle avançado, ou pela seleção de uma configuração, pré-programada

dentre as várias disponívels. Possui características técnicas que o tornam um dos mais avançados e

poderosos controladores multi-loop disponíveis, atualmente, no mercado mundial. Por exemplo,

com uma única unidade é capaz de controlar sozinha toda uma caldeira incluindo controles de nível

a três elementos, combustão com limites cruzados e tiragem.

Figura 2: Controlador Digital CD600




O PID do CD600 da SMAR, catálogo do ano de 2005, é demosntrado da seguinte forma:

��

Analisando a equação acima, pode-se dizer que é um PID de posicionamento e do tipo paralelo

altenativo, onde os termos variáveis para que seja feita a sintonia do PID são:

� Proporcional (P) – Ganho (Kp) entre 0 e 100;

� Integral (I) – Tempo integral ou reset time (T1 em minutos) entre 0,01 e 1000;

� Derivativo (D) – Tempo derivativo (TD em minutos) entre 0 e 100.

Abaixo, para ilustrar melhor o controlador CD600, colocamos algumas figuras que o caracterizam:

Figura 3: CD600 - Painel Frontal




Figura 4: Blocos Funcionais de Controle do CD600




2.2 YOKOGAWA

CENTUM CS 3000 é um sistema de controle integrado de produção utilizado para gerenciar e

controlar o funcionamento das plantas em uma ampla variedade de indústrias, tais como refinarias

de petróleo, petroquímica, química, farmacêutica, de alimentos e bebidas, papel e celulose, aço e

metais não ferrosos, cimento, energia, gás, água e esgoto.

As funções de controle incluem a vasta gama de funções . O CENTUM CS 3000 suporta PID básico e

controle de seqüência, bem como o controle de lotes e as funções de gestão de processos baseado

na especificação S88 ISA, portanto, pode lidar com qualquer tipo de multiprodutos, tendo uma

produção de volume variável e/ou de grande volume de produção.

A estação de controle está disponível em várias versões com bancos de dados pré-configurados para

diferentes combinações de controle contínuo e seqüência, para efetivamente usar os recursos de

controle de estação e satisfazer as necessidades de uma ampla gama de aplicações.

Figura 5: Exemplo do bloco de controle de entrada/saída do CENTUM CS 3000




Figura 6: PID – Bloco de Controle do CENTUM CS 3000

O PID do SDCD da YoKOGAWA, catálogo do ano de 2005, é demosntrado da seguinte forma, para o

instante “n”:

∆�� ∆�� ∆��

��∆�∆�∆��

Onde:

� MV – Variável manipulada (saída do controlador);

� ∆T – Periodo de execução ou de amostragem do algoritimo (scan).

Este tipo é do tipo velociade, paralelo clássico, isto, reajustar o termo proporcional (P) afeta também

os termos integral (I) e derivativo (D). Cada termo P, I ou D pode ser ativado ou desativado




independentemente, com isso pode se ter os seguintes controladores: P, PI, PD ou PID. As ações de

P e D podem atuar tanto no “erro”, quanto na variável controlada do processo (PV).

Para exemplificar a versatilidade deste PID, com nomeclatura dada pela YOKOGAWA, temos:

� I–PD: Algoritimo PID com os termos proporcional e derivativo atuando na variável de processo

(PV) e não no “erro”:

∆�� ∆�� ∆��

��∆�∆�∆��

� PI–D: Algoritimo PID com derivativo atuando na variável de processo (PV):

∆�� ∆�� ∆��

��∆�∆�∆��

Os termos variáveis para ajuste ou sintonia do PID são:

� Proporcional (P) – Banda proporcional (BP) em %, que pode ser obtida a partir do

ganho proporcional Kp como Bp = �� ;

� Integral (I) – Tempo integral ou “reset time” (T1 em minutos);

� Derivativo (D) – Tempo derivativo (TD em minutos).




2.3 GE FANUC

O bloco de função PID da GE FANUC utiliza uma estrutura de dados que consiste de 40 registradores.

Estes registos não só contêm parâmetros de configuração, mas também condições intermediárias e

finais utilizadas nos cálculos internos. Alguns dos cálculos internos são baseados os valores de relógio

de sistema do PLC. Tendo em vista que os relógios internos das duas CPUs não estão sincronizados

com precisão um com o outro, é necessário incluir uma pequena função lógica para compensar a

diferença.

Figura 7: Bloco de Controle Lógico do PID - GE FANUC

O PID da GE FANUC, catálogo de 2005, é similar ao PID da SMAR apresentado no item 2.1, paralelo,

porém o termo integral é ajustado como repetições por segundos. Com isso, almejando um tempo

integral de 2 minutos, correspondente a 120 segundos, ajusta-se o ganho integral do controlador para

0,0083 repetições por segundo. Abaixo, a equação similar a da SMAR paralelo:




��

Os termos variáveis para que seja feita a sintonia do PID são:

� Proporcional (P) – Ganho (Kp) entre 0 e 100;

� Integral (I) – Tempo integral ou reset time (T1 em segundos);

� Derivativo (D) – Tempo derivativo (TD em minutos) entre 0 e 100.

Como exemplo, temos um sistema de controle adaptativo que pode fornecer capacidade de

monitoramento de carga, que acompanhará ativamente um sinal de entrada de uma carga em

unidade de fuso e determinar se ela excede os níveis de alerta e alarme. Se a carga de entrada a ser

monitorada excede o nível de aviso do conjunto, uma saída de advertência é garantida e mantida

até que a carga de entrada cai abaixo do nível de aviso definido. Se a carga de entrada exceder o

nível de alarme conjunto, a saída de alarme e alimentação são afirmados e mantido até que um reset

do controlador adaptativo é solicitada. Operações de corte normais não podem continuar até que

as condições que geraram o nível de alarme sejam normalizados. O Controle adaptativo de

operações de máquinas é fornecida pelo monitoramento da carga de entrada e solicitando

mudanças de avanço com base em um derivado proporcional integral (PID), em um algoritmo de

controlador. O controlador adaptativo monitora a carga de entrada, até que um limite definido é

excedido, momento em que o controlador adaptável executa o algoritmo de controle PID para

calcular uma taxa de alimentação de novo, que fará com que a carga de entrada possua o valor

requerido pelo utilizador. Um aplicativo de interface permite ao usuário definir e visualizar os

registos e do estado de entrada/saída do controlador adaptativo. O sistema de controle adaptativo

pode ser totalmente integrado ao sistema de gestão da máquina, ou pode ser integrado com

interfaces de ferramentas personalizadas. O sistema de controle adaptativo pode também ser




operado através de uma interface manual fornecido ao operador sem qualquer ligação com os dados

de ferramentas.

Abaixo, um exemplo de aplicação do PID em um sistema desenvolvido pela GE FANUC, controle

adaptativo e método para controlar a taxa de alimentação para atingir uma carga de eixo de destino

durante as operações de máquinas.

Figura 8: Sistema de Controle Adaptativo GE FANUC




2.4 EMERSON PROCESS

O SDCD da EMERSON pode utilizar três formas de equações PID. A tipo série (clássico) foi

amplamente usado em pneumática e controladores eletrônicos, mas muitos sistemas modernos de

controle digital o utilizam como uma opção.

A equação PID padrão, por vezes chamada de ideal ou ISA (standard) é muitas vezes referida como

non-interacting, já que os termos integral e derivativo não se influenciam mutuamente. A forma

padrão é um pouco mais complexa para entender que as outras formas, mas é, também, mais flexível

na medida em que pode cancelar as dinâmicas oscilatórias em um circuito aberto.

Figura 9: Diagramas de bloco PID série e padrão




A equação PID série (interacting), forma clássica, os termos integral e derivativa se interagem.

Ajustar um sistema de segunda ordem é simples, porque a maior constante de tempo define o tempo

integral e da constante de tempo menor determina o tempo derivativo. Se o termo derivado não é

utilizado, as formas da equação padrão e de série são idênticas.

A equação PID paralelo possui uma estrutura mais fácil de entender matematicamente, haja vista

todos os três parâmetros de ajuste são independentes. Muitas vezes é a forma apresentada em

cursos de controle acadêmico. Os parâmetros de ajuste, no entanto, tem uma interpretação mais

matemáticamente teórica, o que faz com que os termos um tanto mais difícil de visualizar (ou

interpretar).

O PID do SDCD da EMERSON, catálogo de 2005, é demosntrado abaixo:

��

��

Onde:

� M – Variável manipulada.

O PID em questão, como descrito acima, é de posição e do tipo série. O parâmetro “α” é igual a 0,1.

Os termos variáveis para sintonia ou ajuste do PID encontram-se abaixo:

� Proporcional (P) – Ganho (Kp);

� Integral (I) – Tempo integral ou reset time (τ1 em segundos);

� Derivativo (D) – Tempo derivativo (τD em minutos).




O comportamento do PID da EMERSON é visto no loop de controle abaixo, onde o controlador

mantém as condições do setpoint (SP) baseada nas mudanças de informações relacionadas com as

variáveis do processo (PV).

Figura 10: Loop de controle do processo




3. CONCLUSÃO

O trabalho de pesquisa elaborado ajudou-nos a compreender um pouco mais o tão vasto universo

do controlador Proporcional-Integral-Derivativo, sua empregabilidade, seus ajustes e sintonia,

princialmente, dos quatro fabricantes que foram alvo deste compêndio, engrandecendo assim, o

nosso aprendizado do conteúdo desta importante cadeira constante de nossa formção como

Engenheiro Elétrico.

.’.

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