Controle de processos
Professor: Raimundo Joecy Pereira
Introdução ao controle de processos No início, o homem não conhecia os meios para se obter a energia a partir da matéria. Desse modo, a energia era fornecida pelo próprio trabalho humano ou pelos trabalhos de animais domésticos. Somente no século XVIII, com o advento das máquinas a vapor , conseguiu usar a energia gerada para realizar um trabalho. James Watt, 1769: Primeiro controlador centrífugo centrífugo para regular a velocidade v elocidade de máquina a
vapor (figura abaixo).
J. C. Maxwell, 1868: primeiro estudo sistemático de estabilidade de sistemas de
controle. Routh, 1877: critério de estabilidade baseado baseado nos coeficientes do polinômio característico de um sistema. Minorski, 1922: estudo da estabilidade de piloto automático de navios. Minorsky cria o servocontrole, também baseado na realimentação, para a manutenção automática da rota dos navios e escreve um artigo intitulado “Directional Stabil Stability ity of Autom Automati atical cally ly Steere Steered d Bodies Bodies”. Black , 1927: uso de realimentação no projeto de amplificador para telefonia. Nyquist, 1932: estudo da estabilidade com base na resposta em frequência (resposta (resposta estacionária a entradas senoidais). Bode, 1938: desenvolvimento de metodologia de projeto de amplificadores a realimentação. Evans, 1948: desenvolvimento desenvolvimento do Método Método do Lugar das Raízes Raízes - método gráfico gráfico que permite determinar as raízes da equação característica de um sistema em função de um parâmetro variante. Wiener (1948) O trabalho trabalho pioneiro de Norbert Norbert Wiener Wiener sobre fenômenos fenômenos neurológicos e os sistemas de controle no corpo humano abreviou o caminho para o desenvolvimento desenvolvimento de sistemas complexos de automação.
O que é controle? Dicionário Aurélio:
Controle é um substantivo utilizado para definir o domínio ou poder de fiscalizar e administrar determi nada coisa; ter o controle da situação é dominar ou ter o poder sobre o que está acontecendo. Ato de dirigir um serviço orientando-o do modo mais conveniente. Controlar: Exercer ação restritiva sobre, conter, regular, dominar, comandar. Controlar é fazer com que uma variável do sistema assuma um valor desejado (referência, comando) por meio de uma ação no sistema.
Sistema: conjunto de elementos que
atuam entre si com a finalidade de atingir um objetivo (planta ou processo). Ex.: automóvel, robô, processo químico.
Variável: indica o comportamento do sistema ao longo do tempo • Ex.:
Temperatura, vazão, velocidade, posição/força, composição.
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Oque é controle?
Controle manual: homem + máquina, sendo
indispensável o operário para atuar, decidir ou interferir no processo. • Ex.: fogão de cozinha, máquinas do filme
tempos modernos.
Controle automático: O controle
Automático tem como finalidade a manutenção de uma certa variável ou condição num certo valor ( fixo ou variante). Este valor que pretendemos é o valor desejado. • Ex.: piloto automático, geladeira
Exemplos de controle moderno
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O que é processo industrial?
O processo industrial pode envolver uma operação mecânica, um circuito elétrico, uma reação química ou uma combinação desses que transforma matéria prima em um determinado produto final. Exemplo: refinaria de petróleo, montadoras de automóveis e indústria de cosméticos. Sob o ponto de vista do tempo e do tipo de operação envolvido, um processo industrial pode ser classificado em:
•
Processo contínuo;
•
Processo em batelada;
•
Processo discreto
O processo contínuo ➢
Um processo industrial é contínuo quando a matéria prima entra num lado do sistema e o produto final sai do outro, continuamente.
➢
Neste processo o termo contínuo significa um período de tempo relativamente longo, medido em horas, em dias e até em meses dependendo do processo.
➢
As indústrias petroquímicas, cimenteiras, siderúrgicas, papel e celulose são exemplos de processos contínuos.
➢
As paradas totais dos processos contínuos se realizam em intervalos de um ano ou mais.
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Processo de celulose e papel
Processo contínuo ➢ As
seguintes empresas possuem processos contínuos:
CVRD;
•
USIMINAS;
•
Suzano;
•
Votorantim;
•
Citrosuco;
•
Petrobras;
•
CSN;
•
etc.
•
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Processo em batelada ➢
No processo em batelada, uma dada quantidade de material é processada através de passos unitários, cada passo sendo completado antes de passar para o seguinte.
➢
A entrada do processo em batelada é feita por quantidades discretas de modo descontínuo.
➢ O
processo é alimentado, a operação é executada, o produto é descarregado e reinicia-se outro ciclo.
➢
Cada operação do processo em batelada pode ser considerada como um processo contínuo, porém o tempo envolvido é relativamente pequeno, medido em minutos ou horas. Prof. Raimundo Joecy Pereira
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Processo em batelada ➢ Uma
batelada tem características específicas, tais como seu tamanho, peso, cor, matérias primas, aditivos, catalisadores, etc.
➢
A informação, tal como a condição sob a qual a batelada foi produzida, ou o equipamento da planta industrial usado para produzi-la, pode ser necessária para determinar as propriedades do produto ou satisfazer as exigências legais.
➢ As
indústrias de bebidas, alimentícias, farmacêuticas e cosméticos, são alguns exemplos de processos em bateladas.
➢
Como a maioria dos problemas de controle ocorre durante os transientes da partida, o processo tipo batelada é mais difícil de ser controlado, pois ele realiza muitas partidas e fica parado durante intervalos de tempo. Prof. Raimundo Joecy Pereira
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Processo em batelada
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Processo em batelada As seguintes empresas possuem processos em bateladas:
➢
Coca cola FEMSA;
•
Nestlé;
•
Avon;
•
Natura;
•
Garoto;
•
etc.
•
O processo discreto
➢
No processo discreto, cada item a ser fabricado é processado em uma etapa, como um item separado e individual.
➢
As montadoras de automóveis, fábricas de auto peças e eletroeletrônicas são exemplos de processos discretos.
➢
Neste tipo de processo, atualmente, usam-se células de manufatura com robôs, máquinas de comando numérico computadorizado (CNC) para executar certas operações repetitivas .
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industrias
Processo discreto As seguintes empresas possuem processos discretos:
➢
Volkswagen;
•
Fiat;
•
GM;
•
Ford;
•
Renault;
•
Citroen;
•
Bosch;
•
Metaltex;
•
WEG;
•
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Sistemas de controle em malha aberta e em malha fechada ➢
Nos sistemas de controle em malha aberta, a saída não é utilizada para alterar a ação de controle. Um exemplo é o forno de fogão a gás doméstico. Neste caso, com base normalmente numa escala existente no painel do fogão, o usuário escolhe uma temperatura desejada e espera que o processo de assar ocorra a contento. Entrada
Atuador
Processo
Saída
➢
nos sistemas de controle em malha fechada, a saída é utilizada para alterar a ação de controle. Por essa razão, este tipo de sistema também é conhecido por sistema a realimentação ou sistema a retroalimentação.
➢
Os sistemas de controle em malha fechada podem ser manuais ou automáticos. Prof. Raimundo Joecy Pereira
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Sistemas de controle em malha fechada
Um exemplo de controle manual em malha fechada é o ato de dirigir um carro. Neste caso o controlador é o motorista, que age de maneira a percorrer um certo trajeto desejado e atua de acordo com as condições de trânsito que encontra ao longo dele. Outro exemplo é o controle da temperatura de um banho de chuveiro elétrico, em que a pessoa ajusta a posição da válvula de entrada da água (registro na parede) para, por meio da vazão, regular a temperatura do banho no valor desejado. Um exemplo de controle automático em malha fechada é o controle de temperatura de uma geladeira doméstica. Neste, o usuário escolhe um nível de frio por meio de um botão com escala e a temperatura se mantém aproximadamente constante, a despeito de perturbações externas, tais como variações da temperatura ambiente, entrada de massas de ar quente provocada pela abertura de portas, armazenamento de alimentos à temperatura ambiente, etc. Prof. Raimundo Joecy Pereira
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Um esquema usual de um sistema de controle em malha fechada é mostrado na figura a seguir.
Perturbações
Entrada
erro +
Controlador
Atuador
Sensor Prof. Raimundo Joecy Pereira
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Planta
Saída
A combinação do processo e do atuador é chamada de planta e a componente que realmente calcula o sinal de controle desejado é o controlador. O atuador é o dispositivo que pode influenciar a variável controlada do processo. Exemplo: Motor, solenoide, Cilindros hidráulicos e pneumáticos. O sensor é o dispositivo que converte uma grandezas física em um valor mensurável. Exemplo: Sensor de temperatura, nível etc.. Os controladores em malha fechada podem também ser classificados em: reguladores - são aqueles em que se deseja manter a variável controlada em um
valor constante; servos - são aqueles em que se deseja que a variável controlada acompanhe um
sinal de referência que varia com tempo. Prof. Raimundo Joecy Pereira
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Classificação dos Instrumentos Localização
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De um modo geral os elementos de controle se classificam em:
Elemento Primário - componente que está
Transmissor - instrumento que mede uma
Transdutor - termo aplicado ao instrumento
que não trabalha com sinal na entrada e saída padrão. Como é possível observar o elemento primário, transmissor entre outros, podem ser considerados um transdutor, porém estes elementos possuem funções específicas com nomes específicos.
Indicador - instrumento que nos fornece o
valor de uma variável de processo, na forma de um ponteiro e uma escala, ou números, ou bargraph, etc...
Controlador - instrumento que tem por
função, manter o valor da variável de processo, igual ao valor estabelecido em seu mecanismo, enviando um sinal de saída ao elemento final de controle.
determinada variável, e envia um sinal proporcional a distância, a um indicador, registrador, controlador, etc.
Registrador - instrumento que registra, o
valor da variável de processo em uma carta gráfica, por meio de um traço contínuo ou pontos.
em contato com a variável de processo e tem por função, transformá-la em uma grandeza mensurável por um mecanismo.
Conversor - instrumento que recebe e
Elemento Final De Controle - dispositivo
envia um sinal padrão em instrumentação, de grandezas diferentes.
que está em contato direto com a variável manipulada, modificando-a em resposta a um sinal de comando.
CLASSIFICAÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO Transdutores: são os dispositivos ou
elementos que detectam alterações nas variáveis físicas de processo e fornecem uma grandeza de saída em geral elétrica. O elemento do transdutor, ou elemento primário, que entra em contato direto com a variável física a ser medida (mensurando) é denominado sensor. Quando o elemento é responsável pela “detecção” de determinada
condição no processo pode ser também denominado detector.
é um tipo de transdutor que trabalha apenas com sinal de entrada e saída padronizado. Conversor
Indicador Instrumento que dispõe de um ponteiro e de uma escala graduada na qual podemos ler o valor da variável. Existem também indicadores digitais que mostram a variável em forma numérica com dígitos ou barras gráficas, como podemos observar na Figura.
CLASSIFICAÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO Registrador: Instrumento de
medição que fornece um registro da indicação. O registro pode ser analógico (contínua ou descontínua) ou digital. Os valores de mais de uma grandeza podem ser registrados simultaneamente. Um instrumento registrador pode, também, apresentar uma indicação.
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CLASSIFICAÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO Transmissor: Instrumento que
determina o valor de uma variável no processo através de um elemento primário, tendo o mesmo sinal de saída (pneumático ou eletrônico) cujo valor em estado estacionário varia apenas em função da variável do processo. O elemento primário pode ou não estar acoplado ao transmissor.
CLASSIFICAÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO Controlador: Instrumento que
compara um valor medido (variável primária ou primary value ou “PV”) com um valor desejado (referência ou set point ou “SP”) e, baseado na
diferença entre eles (erro), emite um sinal de correção (variável manipulada ou manipulated variable ou “MV”) a fim de que a atuação no processo causada pela MV leve o erro calculado a zero.
CLASSIFICAÇÃO DE INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO Elemento Final de Controle:
Instrumento que modifica diretamente o valor da variável manipulada de uma malha de controle.
Os instrumentos descritos em sistemas de automação estão em geral interligados entre si da seguinte
forma:
Integrador: Instrumento que
indica e/ou registra um valor obtido pela integração de sinais medidos em determinado período de tempo.
