Sistema de Automação e Controle, Notas de estudo de Informática

Baixe Sistema de Automação e Controle e outras Notas de estudo em PDF para Informática, somente na Docsity! Sistemas de Automação e Controle Sistemas de Automação e Controle F 0 D 3SENAI – ES, 2005. Direitos de Reprodução para a CST Apostila elaborada pelo Professor de Instrumentação/Automação Industrial: Fábio da Costa Pinto. PAGE 7 SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Regional do Espírito Santo CETEC – Centro de Educação e Tecnologia Arivaldo Fontes Avenida Marechal Mascarenhas de Moraes, 2235 - Bento Ferreira – Vitória – ES. CEP 29052-121 Telefone: (27) 3334-5200 Telefax: (27) 3334-5212 ÍNDICE 1 Automação Programável................................................................................... 8 1 Sistemas Supervisórios Modernos.................................................................... 108 1.1 Etapa 2 – Escolha do método de condicionamento do sinal............................. 192 1.2 Etapa 4-Escolha dos cabos.............................................................................. 193 1.3 Etapa 5-Seleção do software............................................................................ 193 1.4 Visualização...................................................................................................... 195 1.5 Alarmes............................................................................................................. 195 1.6 .......................................................................................................................... 1.7 Gráficos............................................................................................................. 195 PAGE 7 Fig.1.2. Representação simplificada do mecanismo de J. Watt. A partir de 1870, também a energia elétrica passou a ser utilizada e a estimular indústrias como a do aço, a química e a de máquinas-ferramenta e o setor de transportes progrediu bastante graças à expansão das estradas de ferro e à indústria naval. No século XX, a tecnologia da automação passou a contar com computadores, servomecanismos e controladores programáveis. Os computadores são o alicerce de toda a tecnologia da automação contemporânea. Encontramos exemplos de sua aplicação praticamente em todas as áreas do conhecimento e da atividade humana, por exemplo, ao entrarmos num banco para retirar um simples extrato somos obrigados a interagir com um computador. Passamos o cartão magnético, informamos nossa senha e em poucos segundos obtemos a movimentação bancária impressa. Fig.1.3. Aplicação do computador A origem do computador está relacionada à necessidade de automatizar cálculos, evidenciada inicialmente no uso de ábacos pelos babilônios, entre 2000 e 3000 a.C. O marco seguinte foi à invenção da régua de cálculo e, posteriormente, da máquina- aritmética, que efetuava soma e subtração por transmissões de engrenagens. George Boole desenvolveu a álgebra booleana, que contém os princípios binários, posteriormente aplicados às operações internas de computadores. Em 1880, Herman Hollerith criou um novo método, baseado na utilização de cartões perfurados, para automatizar algumas tarefas de tabulação do censo norte-americano. Os resultados do censo, que antes demoravam mais de dez anos para serem tabulados, foram obtidos em apenas seis semanas. O êxito intensificou o uso desta máquina que, por sua vez, norteou a criação da máquina IBM, bastante parecida com o computador. PAGE 7 Em 1946, foi desenvolvido o primeiro computador de grande porte, completamente eletrônico o Eniac, como foi chamado, ocupava mais de 180 m2 e pesava 30 toneladas. Funcionava com válvulas e relês que consumiam 150.000 watts de potência para realizar cerca de 5.000 cálculos aritméticos por segundo: Esta invenção caracterizou o que seria a primeira geração de computadores que utilizava tecnologia de válvulas eletrônicas. A segunda geração de computadores é marcada pelo uso de transistores (1952). Estes componentes não precisam aquecer-se para funcionar, consomem menos energia e são mais confiáveis. Seu tamanho era cem vezes menor que o de uma válvula, permitindo que os computadores ocupassem muito menos espaço. Com o desenvolvimento tecnológico, foi possível colocar milhares de transistores numa pastilha de silício de 1 cm2 , o que resultou no circuito integrado (CI): Os CIs deram origem à terceira geração de computadores, com redução significativa de tamanho e aumento da capacidade de processamento. Em 1975, surgiram os circuitos integrados em escala muito grande (VLSI): Os chamados chips constituíram a quarta geração de computadores. Foram então criados os computadores pessoais, de tamanho reduzido e baixo custo de fabricação.Para se ter idéia do nível de desenvolvimento desses computadores nos últimos quarenta anos, enquanto o Eniac fazia apenas 5 mil cálculos por segundo, um chip atual faz 50 milhões de cálculos no mesmo tempo. Voltando a 1948, o americano John T Parsons desenvolveu um método de emprego de cartões perfurados com informações para controlar os movimentos de uma máquina- ferramenta. Demonstrado o invento, a Força Aérea patrocinou uma série de projetos de pesquisa, coordenados pelo laboratório de servomecanismos do Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Poucos anos depois, o MIT desenvolveu um protótipo de uma fresadora com três eixos dotados de servomecanismos de posição. A partir desta época, fabricantes de máquinas-ferramenta começaram a desenvolver projetos particulares. Essa atividade deu origem ao comando numérico, que implementou uma forma programável de automação com processo controlado por números, letras ou símbolos. Com esse equipamento, o MIT desenvolveu uma linguagem de programação que auxilia a entrada de comandos de trajetórias de ferramentas na máquina. Trata-se da linguagem APT (do inglês, Automatically Programmed Tools, ou “Ferramentas Programadas Automaticamente”). Os robôs (do tcheco robota, que significa "escravo, trabalho forçado") substituíram a mão- de-obra no transporte de materiais e em atividades perigosas. O robô programável foi projetado em 1954 pelo americano George Devol, que mais tarde fundou a fábrica de robôs Unimation. Poucos anos depois, a GM instalou robôs em sua linha de produção para soldagem de carrocerias. Ainda nos anos 50, surge a idéia da computação gráfica interativa: forma de entrada de dados por meio de símbolos gráficos com respostas em tempo real. O MIT produziu figuras simples por meio da interface de tubo de raios catódicos (idêntico ao tubo de imagem de um televisor) com um computador. Em 1959, a GM começou a explorar a computação gráfica. A década de 1960 foi o período mais crítico das pesquisas na área de computação gráfica PAGE 7 interativa. Na época, o grande passo da pesquisa foi o desenvolvimento do sistema sketchpad, que tornou possível criar desenhos e alterações de objetos de maneira interativa, num tubo de raios catódicos. No inicio dos anos 60, o termo CAD (do inglês Computer Aided Design ou "Projeto Auxiliado por Computador") começou a ser utilizado para indicar os sistemas gráficos orientados para projetos. Nos anos 70, as pesquisas desenvolvidas na década anterior começaram a dar frutos. Os setores governamentais e industriais passaram a reconhecer a importância da computação gráfica como forma de aumentar a produtividade. Na década de 1980, as pesquisas visaram à integração e/ou automatização dos diversos elementos de projeto e manufatura. Com o objetivo de criar a fábrica do futuro, o foco das pesquisas foi expandir os sistemas CAD/CAM (Projeto e Manufatura Auxiliado por Computador). Desenvolveu-se também o modelamento geométrico tridimensional com mais aplicações de engenharia (CAE - Engenharia Auxiliada por Computador). Alguns exemplos dessas aplicações são a análise e simulação de mecanismos, o projeto análise de injeção de moldes e a aplicação do método dos elementos finitos. Hoje, os conceitos de integração total do ambiente produtivo com o uso dos sistemas de comunicação de dados e novas técnicas de gerenciamento estão se disseminando rapidamente, já sendo uma realidade o CIM (Manufatura Integrada por Computador). 1.41 Tipos de Automação Embora a automação industrial tenha sido desencadeada, fundamentalmente, pela necessidade de melhorar os níveis de produtividade, as alterações do tipo de mercado têm feito evoluir o conceito de automação. Quando o mercado era caracterizado pela abundância de produtos iguais e duradouros, em que a economia de escala dominava a cena industrial, a automação era fixa, isto é, a seqüência de operações no sistema era fixada pela configuração do equipamento projetado para um determinado produto. Embora com taxas altas de produtividade, essas alterações exigiam operações complexas, demoradas e dispendiosas. Com o aparecimento de um mercado caracterizado pela diversidade de produtos com vida útil reduzida, o sistema produtivo, para dar resposta, teve de se flexibilizar, sem, contudo pôr em causa os níveis médios de produtividade. Assim, a seqüência de operações passa a ser controlada por um programa (listagem de instruções), permitindo a flexibilização do processo automático de produção. Esta mudança provocou alterações ao nível da tecnologia utilizada nos dispositivos de controle. A evolução tecnológica tem vindo a permitir a implementação de novos sistemas de automação que acompanham as novas concepções das linhas de produção. Podemos distinguir genericamente os seguintes tipos de automação: • Automação fixa; • Automação programada; • Automação flexível. Vamos seguidamente caracterizar de uma forma resumida cada um destes tipos de automação. 1.4.11 Automação Fixa Este tipo de automação é caracterizado pela rigidez da configuração do equipamento. Uma vez projetada uma determinada configuração de controle, não é possível alterá-la PAGE 7 uma importância fundamental nos sistemas de pilotagem de navios, aviões, mísseis, veículos espaciais, etc. passou a tornar-se uma parte integrante do funcionamento de processos industriais típicos (manufatura, produção de energia, produtos químicos, transportes, instalações de frio e ar condicionado, etc.). O controle automático é essencial, por exemplo, em operações industriais que envolvam o controle de posição, velocidade, pressão, vazão, temperatura, umidade, viscosidade, etc. Neste capítulo, vamos apresentar os conceitos básicos relativos à teoria do controle automático, bem como as principais estruturas utilizadas no controle de processos industriais. Por fim, faremos uma breve descrição do tipo de controladores ou reguladores mais utilizados na indústria, bem como as suas principais características e formas de ajuste dos respectivos parâmetros. 2.1.11 Perspectiva Histórica Embora desde sempre o homem tenha tentado controlar os fenômenos naturais em seu próprio proveito, a primeira tentativa séria e que historicamente é considerada como um dos primeiros trabalhos significativos na área de controle automático, foi efetuado pelo investigador James Watt, que construiu um regulador centrífugo para efetuar o controle de velocidade de uma máquina a vapor (Inglaterra, séc. XVIII). Dado o seu interesse histórico, apresenta-se na Fig.2.1, o esquema de um regulador de velocidade de um motor Diesel, baseado no princípio inventado por James Watt. Fig.2.1. Esquema básico do regulador de Watt aplicado à regulação de velocidade de motor Diesel. No esquema da Fig.2.1, podemos verificar que o veio do motor tem acoplado um sistema com duas massas (m) que rodam com o veio à velocidade de rotação ω. Assim, quando o motor aumenta de rotação, devido à ação centrífuga as massas tendem a afastar-se diminuindo o curso (y), elevando assim a haste (h) ligada à válvula de combustível. Deste modo, o caudal de combustível diminui o que faz baixar a velocidade de rotação do motor. Por conseguinte, as massas tendem a aproximar-se do veio, aumentando y, baixando h aumentando a velocidade do motor ω. Este procedimento repete-se até se atingir uma situação de equilíbrio. No século XX, foram iniciados de fato os estudos e as aplicações do controle automático à indústria. Assim, com o avanço da ciência e da tecnologia, foram dados os primeiros passos nas décadas de vinte e trinta, períodos nos quais foram efetuados importantes desenvolvimentos. Durante a década de quarenta, foram dados novos e importantes passos nesta área. Deste modo, após a introdução do primeiro regulador pneumático PID1 na indústria, os investigadores J. Ziegler e N. Nichols desenvolveram um método de ajuste ótimo destes reguladores, que ficou conhecido por "Método de Ziegler-Nichols". Este método permitiu resolver muito dos problemas de ajuste dos parâmetros de reguladores, através de uma metodologia relativamente simples e eficaz. PAGE 7 1 Estes reguladores utilizam as 3 ações básicas de regulação: Proporcional (P), Integral (I) e Derivativa (D), relativamente ao erro. São também designados na indústria, por reguladores de três ações (“three-term-regulator”). a) b) Fig.2.2. a)Aspecto de um regulador pneumático PID atual utilizado na indústria. b)Controlador eletrônico e sensores analógicos de diversos tipos. Nos anos setenta e seguintes, devido ás crescentes potencialidades dos computadores digitais para efetuar a manipulação de grandes volumes de dados e de efetuar cálculos complexos, estes passaram a ser progressivamente cada vez mais utilizados na construção de reguladores industriais, sensores transdutores, etc. Esta técnica, que recorre à utilização em larga escala de micro-computadores para efetuar a monitorização e o controle digital é conhecida por controle digital direto (DDC - "Direct Digital Control"). Neste tipo de controle, é utilizado um computador digital para efetuar o controle do processo em tempo real, de um ou mais processos, consoante o tipo e complexidade da aplicação industrial. Fig.2.3. Aspecto de uma gama de reguladores industriais atuais baseados em microprocessador. Por fim, os métodos de estudo e análise de sistemas de controle contínuo e digital passaram a ficar extraordinariamente facilitados com o surgimento nos últimos anos de diversas ferramentas informatizadas cada vez mais poderosas, versáteis e com capacidades gráficas muito interessantes. Deste modo, o estudo de sistemas complexos, que através dos métodos tradicionais se revelava bastante complexo, passou a ser bastante acessível através do recurso às potencialidades destes programas2, de utilização cada vez mais generalizada no ensino das matérias de Controle Automático. Fig.2.4. Exemplo de um diagrama de simulação gráfico em MATLAB/SIMULINK NOTA: A figura representa o diagrama de blocos do sistema de controle em malha fechada de um motor de combustão interna. 12.. Estruturas básicas do Controle Automático PAGE 7 2 Podemos destacar entre outros o MATLAB/SIMULINK (Mathworks, Inc.), MAPLE e MATHCAD. 2.2.11 Controle em Malha Fechada No sistema clássico de controle em malha fechada, que na sua forma mais usual é constituído por componentes contínuos ou analógicos, o sinal de saída possui um efeito direto na ação de controle, pelo que poderemos designá-los por sistemas de controle com realimentação ou retroação ("feedback”). Neste tipo de sistemas, o sinal de erro que corresponde à diferença entre os valores de referência e de realimentação (que pode ser o sinal de saída ou uma função do sinal de saída), é introduzido no controlador de modo a reduzir o erro e a manter a saída do sistema num determinado valor, pretendido pelo operador. Por outras palavras, o termo "MALHA FECHADA" implica necessariamente a existência de uma realimentação com o objetivo de reduzir o erro, e manter deste modo a saída do sistema num determinado valor desejado. A Fig.2.5 representa a relação entrada-saída de um sistema de controle típico em malha fechado. Esta representação gráfica é designada na literatura de Controle por "DIAGRAMA DE BLOCOS". Ação de controle Fig.2.5. Diagrama de blocos de um sistema de controle em malha fechada. Para ilustrar o sistema de controle em malha fechada, vamos considerar o sistema térmico da Fig.2.6, na qual está representado um operador que desempenha a função de controlador. Este operador pretende manter constante a temperatura da água à saída de um permutador de calor. No coletor de saída, está montado um termômetro (elemento de medida) que mede a temperatura real da água quente (variável de saída do sistema). Deste modo, em função das indicações fornecidas pelo elemento de medida, o operador irá manipular a válvula de controle de vazão de vapor de aquecimento, de modo a manter a temperatura da água o mais próxima possível do valor desejado. Fig.2.6. Esquema de Controle Manual de um Sistema Térmico. PAGE 7 permutador, independentemente da vazão de passagem e da temperatura da água à entrada. Controlador: dispositivo de controle utilizado preferencialmente quando se pretende que a saída c(t) acompanhe uma referência variável no tempo r(t) para além de efetuar também o controle das perturbações na saída. Um exemplo típico deste dispositivo de controle designa-se por servomecanismo, sendo muito utilizado em sistemas de controle de posição e velocidade. Exemplo: 1) Controle do ângulo de leme de um navio. Neste caso pretende-se que o leme rode de um ângulo igual ao da referência de ângulo de leme. 2) Controle de velocidade de um motor Diesel de navio. 12.3. Controle Digital Conforme já foi referido anteriormente, com o avanço cada vez maior da tecnologia dos microprocessadores, o regulador clássico (contínuos ou analógicos) apresentado no ponto anterior, têm vindo progressivamente a ser substituído por controladores ou reguladores digitais, baseados em microprocessador. Assim, no sistema de controle contínuo representado na Fig.2.5, pode-se substituir o controlador analógico por um controlador digital. As diferenças básicas entre estes dois controladores residem no fato de o sistema digital funcionar com sinais discretos (ou amostras do sinal contínuo medido pelo transdutor de medida), em vez dos sinais contínuos utilizados no controlador analógico. (Os diversos tipos de sinais no esquema da Fig. 2.10, estão representados na Fig.2.11). Fig.2.10. Diagrama de blocos do esquema de controle digital em malha fechada. Fig.2.11. Evolução temporal dos sinais num malha de controle digital. No diagrama do sistema de controle digital da Fig. (2.10), podemos ver que este contém elementos analógicos e digitais. Deste modo, o relógio (clock) ligado aos conversores A/ D e D/A (D/A e A/D converters) fornece um pulso para cada T segundos. Os conversores D/A e A/D enviam apenas os respectivos sinais quando chega o sinal pulsado de relógio. O objetivo desta ação, é o de fazer com que o processo (“Plant”) receba apenas amostras do sinal de entrada u(k) e envie apenas sinais de saída y(k) sincronizados com o sinal de relógio. Deste modo, é necessário manter constante o sinal de entrada u(k) durante o intervalo de amostragem. Assim, vamos supor que o sinal u(k) representa a amostra do sinal de PAGE 7 entrada. Existem técnicas que permitem obter a amostra u(k) e manter ou reter (hold) o sinal de modo a produzir um sinal contínuo û(t).O gráfico da Fig.2.12 mostra que o sinal û(t) é mantido constante para u(k) no intervalo [kT ; (k+1)T]. Esta operação de retenção de û(t) constante durante o intervalo de amostragem é designada por "retenção de ordem zero" ou "zero-order hold". Fig.2.12. Resposta de um sinal com retentor de ordem zero ("zoh -> zero order hold"). O sinal û(t) tratado pelo retentor de ordem zero é introduzido em H2(s) de modo a produzir a saída do processo y(t). Este sinal é depois amostrado pelo conversor A/D de modo a poder-se obter o sinal y(k) que irá ser igual à amostra do sinal contínuo y(t). Esta operação é equivalente a introduzir o sinal u(t) em H(s) de modo a obter o sinal contínuo de saída do processo y(t). Fig.2.13. Evolução dos sinais num sistema digital (em cima) e contínuo analógico (em baixo). Exemplo de sistema de controle digital (posição angular do veio de um motor). Na Fig.2.14 nós podemos observar um sistema de regulação digital da posição do veio de um motor elétrico, através de micro-computador contendo um processador digital de sinal (“DSP - Digital Signal Processor”), de modo a poder realizar um elevado volume de cálculos sem necessitar de utilizar o microprocessador do computador. O elemento de medida de posição fornece um sinal analógico que é seguidamente convertido num sinal digital através de um conversor A/D, de modo a poder ser efetuada a lei de controle. Note que o sinal do encoder é também enviado para o PC via porta serial a fim de poder ser recolhida a posição angular do veio do motor. Na placa de DSP, são efetuados os cálculos do algoritmo de controle (PID ou outro…), obtendo-se um sinal de controle digital, que terá de ser convertido para um sinal analógico através de um conversor D/A. Neste caso, o atuador é constituído por um amplificador de potência de modo a poder atuar o motor. Assim, o computador e placa dedicada de DSP funcionam como um regulador digital de posição (servomecanismo), realizando a ação de controle através de um programa escrito numa linguagem de alto nível (Basic, Fortran, C, C++, Visual Basic, etc...). Fig.2.14. PAGE 7 Sistema de regulação digital de posição de um motor elétrico. PAGE 7 Na Fig.2.17 podemos observar um diagrama de blocos de um controlador industrial, bem como o elemento de medida (sensor). O controlador é formado por um detector de erro (ponto de soma) e um algoritmo de controle + amplificador. O elemento de medida converte a variável de saída em uma outra variável, como seja um deslocamento, pressão ou sinal elétrico que é utilizado para comparar a saída em relação ao sinal de entrada de referência. Este elemento constitui o ramo de realimentação do sistema em anel fechado. O ponto de ajuste do controlador deve ser convertido numa entrada de referência com as mesmas unidades do sinal de realimentação do elemento de medida. O amplificador tem como função amplificar a potência do sinal de saída do controlador, de modo a poder operar o atuador. O atuador tem como função alterar a entrada do processo de acordo com o sinal de controle, de modo a que a saída do processo seja igual ou o mais próxima possível do valor de referência (set-point). Fig.2.17. Diagrama de blocos de um sistema de controle automático. 2.5.2.11 Ação de Controle de duas posições (ON-OFF) Este sistema de controle apresenta a vantagem de ser simples e barato, o que se traduz na sua grande aplicação, tanto em sistemas industriais como domésticos. Neste sistema, o elemento possui apenas duas posições fixas, que são a de ligado ou desligado. Considerando o sinal de saída do controlador u(t) e o sinal de erro e(t), num controle deste tipo, o sinal u(t) permanece ou num valor máximo ou num valor mínimo, dependendo do sinal de erro ser positivo ou negativo. Assim: u(t)=M1 para e(t)>0 M1, M2 = constantes u(t)=M2 para e(t)<0 O valor mínimo M2 é normalmente nulo ou –M1. Os controladores deste tipo são geralmente dispositivos elétricos, onde é bastante utilizada uma válvula operada por um solenóide elétrico. Podemos ter controladores proporcionais pneumáticos /eletrônicos funciona como controladores de duas posições denominadas controladores de duas posições. Isto pode suceder, se tivermos um controlador proporcional funciona com um ganho muito elevado. Na Fig.2.18, podemos observar os diagramas de blocos destes dois controladores. (a) (b) Fig.2.18. a) Diagrama de blocos de um controlador ON-OFF (liga-desliga); b) Diagrama de blocos de um Controlador “ON-OFF” com histerese diferencial. PAGE 1 PAGE 137 Designa-se por "intervalo diferencial" ao intervalo através do qual o sinal de erro deve variar antes de ocorrer à comutação. Este intervalo diferencial faz com que a saída do controlador u(t), mantenha o seu valor atual até que o sinal de erro se tenha alterado ligeiramente, para além do valor zero. Normalmente, este intervalo, é colocado intencionalmente de modo a evitar um funcionamento demasiado freqüente do sistema. Considere-se o sistema de controle de nível de líquido indicado na Fig.2.19. Com o controle de duas posições, a válvula ou está aberta ou fechada o que implica que a vazão de entrada de água ou é positivo ou nulo. Conforme se pode ver na Fig.2.19, o sinal de saída varia continuamente entre os dois limites exigidos de modo a fazer com que o elemento se mova de uma posição fixa para outra. Nota-se que a curva do nível (saída) segue uma das duas curvas exponenciais, uma que corresponde à curva de enchimento e a outra à curva de esvaziamento. Esta oscilação da saída entre os dois limites é uma característica da resposta típica deste tipo de sistemas. Pode-se concluir através da análise da Fig.2.19, que a amplitude da oscilação de saída pode ser reduzida, se diminuirmos o intervalo diferencial. Esta ação tem como desvantagem o aumento do número de operações da válvula, reduzindo-se assim, a vida útil do atuador. O intervalo diferencial deve ser ajustado, tendo em consideração a precisão exigida e a vida útil do atuador. Fig.2.19. a) Sistema de controle de nível de liquido. b) Curva do nível h(t) em função do tempo. 2.5.2.31 Ação de Controle Proporcional (P) Neste caso a relação entre a saída u(t) e o sinal de erro e(t), é dada pela expressão: Em que Kp é designado por sensibilidade ou ganho proporcional. Um controlador deste tipo consiste basicamente de um amplificador de ganho ajustável. O diagrama de blocos deste controlador está indicado na Fig.2.20. Fig.2.20. Diagrama de blocos de um controlador proporcional. PAGE 1 PAGE 137 Em regulação industrial, é muitas vezes utilizada a Banda Proporcional (B.P.), que é definida como o inverso de Kp em percentagem (%). Deste modo, a B.P (%), pode ser definida da seguinte forma: O inverso da B.P. é obviamente o ganho proporcional (valor adimensional). Para tornarmos Kp dimensional, teremos que multiplicar Kp pelas escalas das variáveis de erro e de saída do controlador. Assim, tem-se: O ganho proporcional Kp pode igualmente vir expresso em diversas unidades de que são exemplo as seguintes: psi /ºC, V /mA, mA /V, etc. 2.5.2.32 Ação de Controle Integral (I) Na ação integral, o valor de saída u(t) varia com uma taxa proporcional ao sinal de erro e(t). Assim, teremos: Em que Ki é uma constante de ganho ajustável (Ganho integral). Se o valor de e(t) duplicar então u(t) irá variar duas vezes mais rapidamente. Para e(t)=0, o valor de u(t) irá manter-se num valor constante ou estacionário. O diagrama de blocos deste tipo de controlador está representado na Fig.2.21. Fig.2.21. Diagrama de blocos de um controlador integral. 2.5.2.41 Ação de Controle Proporcional +Integral (PI) Esta ação de controle é definida pela seguinte equação: Em que Kp é a sensibilidade ou ganho proporcional e Ti é o tempo integral. Tanto Kp como Ti são ganhos ajustáveis. Ti tem como função ajustar a ação de controle integral, enquanto que Kp tem ação sobre a parte proporcional e também sobre a integral. O tempo integral, aparece em muitos controladores com a escala de minutos por repetição (m.p.r). O inverso do tempo integral ou ganho integral Ki, designa-se por taxa de restabelecimento ("reset time"), ou seja, é o número de vezes por minuto que a ação proporcional duplica, sendo definida em termos de repetições por minuto (r.p.m.). A Fig.2.22a representa o diagrama de blocos de um Controlador PI. Se o sinal de erro e(t) for uma função degrau unitário, conforme representado na Fig. 2.22b, então a saída u(t) será a indicada na Fig.2.22b. PAGE 1 PAGE 137 Fig.2.25. Evolução da saída do processo controlado através das variáveis de regulação P, PI e PID. De notar o erro em regime estacionário (“off-set”), evidenciado pela ação proporcional. Da análise da Fig.2.25, pode-se verificar que estando o sistema estabilizado no valor de 40%, sofre uma perturbação para t = 5segundos, o que faz aumentar a saída até cerca de 46 % no caso do sistema que utiliza um controlador proporcional. Como é óbvio, todo os controladores estabilizam o sistema, verificando-se que para t =40segundos, se entrou definitivamente em regime estacionário. Deste modo, é possível concluir que: 1) Controlador P: obtém-se uma variação máxima da variável controlada (46%) e estabiliza-se o sistema com um erro em regime estacionário de 4% (off-set) ao fim de 30 segundos. A precisão é baixa, embora a estabilização da saída seja relativamente rápida. 2) Controlador PI: obtém-se uma variação máxima da variável controlada (46%) e estabiliza-se o sistema sem erro em regime estacionário (off-set) ao fim de 40segundos, com oscilações. A precisão é boa, embora a estabilização da saída seja obtida ao fim de bastante tempo. 3) Controlador PID: obtém-se uma variação máxima da variável controlada (45%) inferior ao dos controladores P e PI. A saída do sistema estabiliza-se sem erro em regime estacionário (off-set) ao fim de aproximadamente 27 segundos e com oscilações de menor amplitude que as obtidas com ação PI. Portanto, este controlador permite obter uma estabilização mais rápida e com erro em regime estacionário nulo. NOTA: Deve-se notar que, embora em geral o controlador PID permita obter os melhores resultados, na prática existem processos que devido às suas características dinâmicas, desaconselham a utilização da ação derivativa (D). É o caso, por exemplo, do controle de vazão. 2.61 Controladores Analógicos 2.6.11 Introdução Ao longo deste século, foram surgindo diversos tipos de controladores analógicos cada vez mais sofisticados, com especial destaque para os pneumáticos numa primeira fase e que de certa forma, inauguraram a era moderna do controle automático industrial. Para além dos controladores pneumáticos, que eram geralmente utilizados no controle de processos industriais (nível, temperatura, vazão, etc.), os controladores hidráulicos foram também ganhando destaque especialmente no controle de posição e velocidade (Ex. controle do passo das hélices e do ângulo do leme dos navios, velocidade de rotação dos motores, etc.). No entanto, com o avanço da tecnologia eletrônica, numa primeira fase analógica e mais recentemente digital, esta tecnologia ganhou uma tal dimensão que hoje em dia a grande maioria das aplicações recorre unicamente a controladores eletrônicos do tipo analógico e/ou digital. 2.6.21 Controladores Eletrônicos Os controladores eletrônicos analógicos atuais utilizam em larga escala um componente ativo designado por "Amplificador Operacional". As possibilidades de efetuar montagens com estes componentes são bastante elevadas devido às sua versatilidade de aplicação. No campo específico do controle industrial, são muito utilizadas (entre outras), as seguintes montagens típicas: - Amplificador diferencial (ponto de soma) PAGE 1 PAGE 137 - Amplificador inversor (ação proporcional) - Amplificador integrador (ação integral) - Amplificador diferenciador (ação derivativa) - Amplificador somador (soma de várias ações de controle) Controlador proporcional - A montagem típica do controlador proporcional está representada na Fig.2.26a. De acordo com o esquema, teremos: Em que Vs(0), corresponde à tensão à saída do controlador para t=0. O ajuste de Kp é efetuado através do potenciômetro R1. O circuito inversor, é utilizado para inverter o sinal de saída do amplificador inversor, de modo a que Vout seja positivo quando a tensão de erro VE for positiva (VE>0). Controlador Eletrônico PI - A montagem típica deste controlador, baseia-se essencialmente num amplificador de ganho, amplificador integrador e amplificador somador para efetuar a soma das ações P e I. O esquema típico deste controlador, está representado na Fig.2.26b. Deste modo, a função de transferência relativa ao controlador PI eletrônico, será dada por: NOTA: Para obter Vout positivo, teríamos que introduzir um inversor na saída do controlador. Fig.2.26a Esquema simplificado de um controlador eletrônico proporcional. Fig.2.26b Esquema simplificado de um controlador eletrônico analógico PI. Controlador eletrônico PID - A montagem típica deste controlador, baseia-se essencialmente em: amplificador de ganho, amplificador integrador, amplificador diferenciador e amplificador somador para efetuar a soma das ações P, I e D. O esquema típico deste controlador, está representado na Fig.2.27. Deste modo, a função de transferência do controlador PID eletrônico, será dada por: PAGE 1 PAGE 137 NOTA: Para obter um Vout positivo, teríamos que introduzir um inversor na saída do controlador. Fig.2.27 Esquema simplificado de um controlador eletrônico analógico PID. 2.71 Reguladores Digitais As ações de controle num regulador digital são inteiramente realizadas por programas (“software”), executados em microprocessadores dedicados. Estas ações são calculadas numericamente de modo a reproduzir as ações de controle contínuas ou analógicas anteriormente apresentadas. Assim, vamos descrever de uma forma resumida a forma de implementação das três ações mais importantes (proporcional, integral e derivativa) num regulador ou controlador digital. Ação proporcional – No programa de regulação, o erro é geralmente calculado em percentagem do valor total da gama (escala de medida), ou seja: É conveniente que o erro seja expresso em percentagem do valor total da gama de medida. Deste modo, todos os ganhos são determinados em função do erro que é uma percentagem da gama. Assim, o erro determina uma alteração da saída expressa também em percentagem do valor total da escala. No programa de computador, o erro poderia ser calculado da seguinte forma: Em que: A ação de controle proporcional será dada por: Em que P0 é o valor da saída do regulador para um erro nulo. Em termos de programação, teríamos: Em que: ROUT= valor Maximo da escala de saída do regulador PAGE 1 PAGE 137 oscilação irá aumentar. Por outro lado, se o ganho baixar, a oscilação irá amortecer-se progressivamente. 3) Anote os valores de ganho proporcional crítico (Kcr) e período correspondente à oscilação crítica (Pcr). 4) Introduza os valores lidos no ponto 3 na TABELA 2.1, de modo a obter os parâmetros ótimos do controlador para o processo estudado. TABELA 2.1 TABELA 2.2 NOTA: Os valores desta tabela 2.2 são iniciais e consideram que o controlador PID se baseia na expressão ideal ou série. Não se aplicam a todos os tipos de controladores PID existentes na indústria. (Fonte: Expertune). Hoje em dia, já existem programas comerciais para computador que permitem efetuar o ajuste automático dos parâmetros dos controladores, aplicáveis a uma vasta gama de marcas e de modelos. 2.91 Exemplo de Aplicação Industrial Num sistema de regulação, pretende-se controlar a temperatura da água à saída de um trocador de calor, com escala do transdutor de medida [0 ; 200] ºC (Fig.2.30). Admita que o valor desejado para regulação é 70ºC, e que o sistema de medida fornece um valor de 30ºC quando a válvula de regulação do tipo pneumático está toda aberta (Pressão = 3 psi na saída do controlador) e que para 110ºC está toda fechada (Pressão = 15 psi na saída do controlador). Deste modo, determine a B.P. (banda proporcional), do controlador. Resolução: Diz-se neste caso que a válvula é do tipo ar para fechar, ou seja vai fechando à medida que aumenta a pressão de regulação. Assim, a Banda Proporcional, seria dada por: Se por exemplo quiséssemos ter uma B.P. =100%, então teríamos a seguinte variação total da temperatura controlada de ± 100 ºC em torno do set-point (70 ºC), ou seja: Fig.2.30. PAGE 1 PAGE 137 Sistema de regulação pneumática de temperatura. Na Fig.2.31, estão representadas as retas correspondentes às B.P. de 0%, 40% e 100%. Da análise destas retas, podemos verificar que para um valor de B.P de 0%, a variação de erro é nula em torno da variável controlada (70 ºC), pelo que teremos uma reta vertical. Para esse caso, o ganho proporcional Kp, dado que é o inverso da B.P. teria que ser infinito, o que não é possível de obter na prática. Deste modo, irá existir sempre um erro em regime estacionário para um sistema controlado através de um controlador com ação proporcional. Este erro é designado por erro estático ou “off-set”. Por outro lado, para uma B.P.=100%, podemos verificar que a válvula não abre totalmente pois o valor mínimo da gama do sensor de temperatura é 0 ºC e não –30ºC conforme indicado na expressão anterior. Para a B.P. de 40% temos uma banda de erro de 40ºC em torno do set-point de 70 ºC, ou seja, uma variação total de 80 ºC para a variação total da saída do controlador (3-15 psi). Esta gama de valores corresponde a uma gama de variação de (0 –100%) de abertura da válvula de regulação. O ganho proporcional Kp é o inverso da B.P. sendo dado por: Podíamos também obter este valor a partir da B.P. Assim, teríamos: Da análise da equação que rege o funcionamento do controlador proporcional, verifica-se que a ação de regulação só se altere caso o erro também varie. Assim, quando o erro estabilizar num determinado valor a ação de regulação irá igualmente estabilizar e manter-se constante. Isto quer dizer que a ação de regulação mantém a sua ação corretiva constante, caso o erro se mantenha constante, mesmo que a saída do processo se afaste do valor de ajuste ou set-point. Neste caso, diz-se que o sistema exibe um determinado erro em regime estacionário ou off-set. Deste modo, é necessário ter um certo cuidado no ajuste da B.P. do controlador de modo a evitar oscilações muito bruscas ou ações de resposta bastante lentas. Vamos exemplificar através de um exemplo muito simples a forma de ajuste da B.P. e o problema do off-set característico do controlador proporcional. Fig.2.31. Gráficos de evolução das B.P. de 0%, 40% e 100%, para o sistema de regulação de temperatura. Considere um reservatório que recebe água quente e fria. A temperatura da água na saída do tanque é regulada por um controlador de temperatura que atua sobre a válvula de alimentação de água fria. No equilíbrio resultante da mistura de vazão de água quente (100 litros/h; 80 ºC) e de água fria (100 litros/h; 20 ºC), irá resultar: PAGE 1 PAGE 137 Considere-se que a B.P. foi ajustada de tal maneira que para cada 1ºC de erro de temperatura relativamente à temperatura desejada (50ºC), a válvula de água fria recebe um sinal do controlador que faz variar a vazão de 10 l/h. Considere-se agora que devido a uma perturbação na água na saída baixou para 48ºC. Como o controlador está ajustado para 50ºC, vai dar origem a um sinal para a válvula de modo que esta diminua a vazão de água fria de 20 l/h, pelo que este irá passar para 80 l/h. Neste caso, a nova temperatura de equilíbrio resultante da mistura será dada por: A temperatura de equilíbrio passa agora para 53ºC. Deste modo, o controlador vai aumentar a vazão de água fria em 30 l/h, pelo que este irá passar para 130 l/h. Neste caso, a nova temperatura de equilíbrio resultante da mistura será dada por: Como se podem ver os erros de temperatura estão a aumentar, o que significa que o ganho do controlador é excessivo, pelo que deverá ser reduzido de modo a ir reduzindo aos poucos as diferenças de temperatura e, por conseguinte as oscilações na temperatura regulada. Suponhamos agora que a temperatura de água quente passou de 80ºC para 90ºC. Deste modo aplicando o raciocínio anteriormente apresentado, iríamos obter as variações da vazão de água fria e de temperatura de mistura para o ganho de 5 l/h por cada erro de 1ºC na temperatura da água de mistura, representadas na Fig.2.32. Da análise dos gráficos da Fig.2.32, verifica-se que por mais tentativas que o controlador faça, a temperatura irá estabilizar num valor diferente de 50ºC. Verifica-se que o sistema converge para uma temperatura em regime estacionário de 52.5ºC, que corresponde a um erro estático de 2.5ºC, (off-set). Como é evidente este off-set será tanto menor quanto maior for o ganho proporcional Kp. No entanto, somente com ação proporcional não é possível removê-lo completamente, para além de que ao aumentar-se Kp, irão aumentar as oscilações anteriormente referidas. Estas oscilações são altamente indesejáveis em termos de regulação. Deste modo, a solução mais usual consiste em adicionar ação integral ao controlador de modo a remover o erro em regime estacionário. Fig.2.32. Evolução do caudal e da temperatura de água fria quando o caudal de água quente sofre uma variação de +10ºC. Adição de ação integral ao controlador proporcional Conforme visto anteriormente, define-se tempo integral Ti como sendo o tempo que a ação integral demora a atingir igual valor da ação proporcional. Devido a esta característica, em diversos controladores aparece a designação de minutos por repetição – M.P.R. (NOTA: Ti é normalmente expresso em segundos ou em minutos). Existe uma outra unidade de ajuste da ação integral que é o inverso do tempo integral, designada por Repetições Por Minuto – R.P.M. Esta unidade é definida da seguinte forma: PAGE 1 PAGE 137 Traço [60 – 80 s] Neste caso, para simplificar os cálculos vamos considerar que o eixo dos tempos é deslocado para t =60seg. Deste modo, obtém-se: Na Fig.2.35 está representado o gráfico de evolução das ações de regulação P, I bem como a soma da ação de regulação P+ I. Adição de ação derivativa No caso de se pretender adicionar ação derivativa, com Td =6 seg., teríamos: 3) Ação derivativa (D) Traço [0 – 30 s] Traço [30 – 60 s] Traço [60 – 80 s] Neste caso o gráfico das ações de regulação P, I e D bem como da ação PID está representado na Fig.2.36. Fig.2.35. Evolução das ações de regulação P, I e PI para o exemplo anterior. Fig.2.36. Evolução das ações de regulação P, I, D e PID para o exemplo anterior. PAGE 1 PAGE 137 2.101 Malhas de Controle 2.101.2.10.11 Introdução A malha de controle a realimentação negativa (feedback) convencional com entrada única e saída única (single input-single output) é o núcleo da maioria das estruturas de controle de processo. Porém, ultimamente, foram desenvolvidas estruturas mais complexas que podem, em alguns casos, melhorar significativamente o desempenho do sistema de controle. A maioria das malhas de controle possui uma única variável controlada. A minoria dos sistemas mais complexos requer o controle mais avançado, envolvendo mais de uma variável, ora para manipular mais de um elemento final de controle, ora para monitorar mais de uma variável controlada. Estes sistemas, que são repetidos freqüentemente com pequenas modificações, são conhecidos como sistemas unitários de controle, sistemas estruturados de controle ou sistemas de controle multivariável. Eles são clássicos e podem ser disponíveis em instrumentos especiais, com as múltiplas funções para atender as aplicações mais complexas, facilitar a instalação, manutenção e operação. Cada sistema unitário de controle encontra sua aplicação especifica. A característica comum dos sistemas é que são manipuladas e medidas muitas variáveis simultaneamente, para se estabelecer o controle, no menor tempo possível e com o melhor rendimento do processo. Serão tratados aqui e agora os conceitos e símbolos dos controles estruturados, que podem servir como blocos constituintes de um projeto completo de instrumentação. O controle pode ser implementado através das seguintes estratégias: a) Controle Contínuo Linear • Realimentação negativa • Cascata • Preditivo antecipatório • Relação b) Controle com saídas múltiplas • Balanço de cargas • Faixa dividida c) Malhas redundantes • Reserva (backup) redundante PAGE 1 PAGE 137 • Tomada de malha integral • Controle de posição da válvula 2.10.21 Realimentação negativa O objetivo do controle com realimentação negativa é controlar uma variável medida em um ponto de ajuste. O ponto de ajuste nem sempre é aparente ou facilmente ajustável. Os estados operacionais são automáticos e manuais. Os parâmetros operacionais são o ponto de ajuste (em automático) e a saída (em manual). Os valores monitorados são o ponto de ajuste, a medição e a saída. (monitorar não significa necessariamente indicar.) A realimentação negativa é mais um conceito do que um método ou um meio. No sistema com realimentação negativa sempre há medição (na saída), ajuste do ponto de referência, comparação e atuação (na entrada). A saída pode alterar as variáveis controladas, que pode alterar a variável medida. O estado da variável medida é realimentado para o controlador para a devida comparação e atuação. Fig.2.37. Esquema da realimentação negativa. Em resumo, esta é a essência do controle à realimentação negativa. É irrelevante se há seis elementos na fig.2.38 e apenas um na válvula auto-regulada de pressão fig.2.39. Na válvula auto- operada, os mecanismos estão embutidos na própria válvula, não há display e os ajustes são feitos de modo precário na válvula ou nem são disponíveis. Na malha de controle convencional, os instrumentos podem ter até circuitos eletrônicos microprocessados. É irrelevante também se as variáveis medida e manipulada são as mesmas na malha de vazão ou diferentes na malha de pressão. O conceito de controle é a realimentação negativa, independente do meio ou método de sua realização. Fig.2.38. Malha de controle de vazão. Fig.2.39. Reguladora de pressão. Na malha de controle de vazão da Fig.2.38, a vazão é sentida pela placa (FE), o sinal é transmitido (FT), extraída a raiz quadrada (FYA) e finalmente chega ao controlador (FIC). Este sinal de medição é comparado com o ponto de ajuste (não mostrado na figura) e o controlador gera um sinal (função matemática da diferença entre medição e ponto) que vai para a válvula de controle (FCV), passando antes por um transdutor corrente para pneumático (FY-B), que compatibiliza a operação do controlador eletrônico com a válvula com atuador pneumático. A atuação do controlador tem o objetivo de tornar a medição igual (ou próxima) do ponto de ajuste. Na válvula auto-regulada acontece a mesma coisa, porém, envolvendo menor quantidade de equipamentos. O valor da pressão a ser controlado é levado para um mecanismo de comparação que está no atuador da válvula. No mecanismo há um ajuste do valor da pressão a ser controlado. Automaticamente a válvula vai para a posição correspondente à pressão ajustada. Nos dois sistemas sempre há: PAGE 1 PAGE 137 controle será maior, de modo que a vazão de vapor irá aumentar. Com o controlador de temperatura convencional, nenhuma correção será feita até que a maior vazão de vapor aumente a temperatura na bandeja 5. Assim, o sistema inteiro é perturbado por uma variação da pressão do suprimento de vapor. Com o sistema de controle cascata, com a temperatura da coluna cascateando a vazão de vapor, o controlador de vazão do vapor irá imediatamente ver o aumento na vazão de vapor e irá fechar a válvula de vapor para fazer a vazão de vapor voltar para o seu ponto de ajuste. Assim o refervedor e a coluna são pouco afetados pelo distúrbio na pressão de suprimento do vapor. Outro sistema de controle cascata envolve um processo com resfriamento de um reator, através da injeção de água na jaqueta. A controlador da temperatura do reator é o primário; o controlador da temperatura da jaqueta é o secundário. O controle de temperatura do reator é isolado pelo sistema de cascata dos distúrbios da temperatura e pressão d'água de resfriamento da entrada. Este sistema mostra como o controle cascata melhora o desempenho dinâmico do sistema. A constante de tempo da malha fechada da temperatura do reator será menor quando se usa o sistema cascata. 2.10.3.41 Vantagens As vantagens do sistema de cascata são: 1. os distúrbios que afetam a variável secundaria são corrigidos pelo controlador secundário, que é mais rápido, antes que possam influenciar a medição primaria. 2. o atraso de fase existente na parte secundaria é reduzido pela malha secundaria, melhorando a velocidade de resposta da malha primaria. 3. a malha secundaria permite uma manipulação exata da vazão de produto ou energia pelo controlador primário. 2.10.3.51 Saturação do modo integral O controle em cascata é utilizado para eliminar os efeitos de pequenos distúrbios no processo. Em aplicações do controle em cascata sempre há a possibilidade de haver a saturação dos dois controladores. O problema da saturação do modo integral é criado pela excursão da carga do processo além da capacidade da válvula de controle. A válvula irá ficar saturada em seu limite externo, 0 ou 100%, totalmente fechada ou aberta, fazendo com que haja um desvio permanente entre a medição e o ponto de ajuste do controlador primário. Se não for tomada nenhuma providência, o controlador primário irá saturar. Como conseqüência, o controlador secundário também irá saturar. Uma solução simples e prática é utilizar a medição da variável secundaria como realimentação externa para o modo integral do controlador primário. Convencionalmente, o controlador primário é realimentado pela sua própria saída que é o ponto de ajuste do controlador secundário. Quando o controlador secundário estiver em operação normal, o seu ponto de ajuste coincide com a medição e o funcionamento da malha é igual ao modo convencional. Se houver uma diferença entre a medição e o ponto de ajuste do secundário, a ação integral do controlador primário fica estacionária e só é restabelecida quando a malha secundaria voltar a normalidade. O que se fez, realmente, nessa nova configuração foi incluir a resposta dinâmica da malha secundaria dentro do circuito integral do controlador primário. A ação integral do controlador primário pode ser maior que a usual pois qualquer atraso ou variação na resposta da malha secundaria é corrigido pela ação do controlador primário. Há ainda uma vantagem adicional: o controlador primário raramente precisa ser transferido para manual. Quando o controlador secundário estiver em manual, o controlador primário não poderá saturar, pois é quebrada a realimentação positiva para o seu modo integral. Dois requisitos são essenciais ao novo sistema: 1. o controlador primário deve ter disponível a opção de realimentação externa ao modo integral. 2. o controlador secundário é comum, porém, não pode haver desvio permanente entre sua medição e seu ponto de ajuste. Ou, em outras palavras, o controlador secundário deve ter, PAGE 1 PAGE 137 obrigatoriamente, a ação integral, para eliminar sempre o desvio permanente. 2.10.3.61 Aplicações Reator com temperatura e pressão Seja a malha de controle de temperatura do produto de um reator, feito através da manipulação da vazão de entrada de vapor. Quando a pressão do vapor cai, o seu poder de aquecimento diminui. Para uma mesma vazão, tem-se uma diminuição da temperatura do produto. Essa diminuição do efeito de aquecimento do vapor só é sentida pela malha de temperatura. O elemento primário sentirá a diminuição da temperatura e irá aumentar a abertura da válvula. Essa correção é demorada. Nesse intervalo de tempo, se houver a recuperação da pressão original, certamente haverá um super aquecimento. Essa oscilação pode se repetir indefinidamente, com o processo nunca se estabilizando, pois a sua inércia é muito grande. O controle do processo é sensivelmente melhorado com o controle em cascata. O controle de temperatura do reator anterior é melhorado colocando-se um outro controlador de pressão na entrada da alimentação de vapor. Agora, tem-se o controlador de pressão cascateado pelo controlador de temperatura. A saída do controlador de temperatura, chamado de primário, estabelece o ponto de ajuste do controlador de pressão, chamado de secundário. Nessa nova configuração, quando houver a diminuição da pressão de vapor, mesmo com a vazão constante, o controlador de pressão irá abrir mais a válvula, para compensar a menor eficiência do vapor. As variações de pressão da alimentação do vapor são corrigidas rapidamente pela malha de pressão e em vez de serem corrigidas lentamente pela malha de temperatura. Reator com temperatura cascateando temperatura É possível se ter uma variável cascateando outra variável da mesma natureza, por exemplo, temperatura cascateando a temperatura. Uma aplicação típica é a do controle de temperatura de reator, com aquecimento de vapor em jaqueta externa. As variações da temperatura do produto são mais lentas e demoradas que as variações da temperatura da jaqueta de aquecimento. Nessas condições, pode-se usar a temperatura do produto como a variável primaria e a temperatura do aquecimento externo como a PAGE 1 PAGE 137 secundaria. Quando houver variações na temperatura da jaqueta, a correção é feita diretamente pelo controlador secundário. Fig.2.44. Controle de temperatura convencional Fig.2.45. Controle cascata temperatura – pressão 2.111 Controle de Faixa Dividida 2.11.11Conceito O objetivo de estender ou dividir a faixa é alterar a faixa normal de um elemento final da que ele dispõe, aumentando ou diminuindo-a. Este controle é chamado de split range. Por exemplo, em vez de a válvula operar entre 20 e 100 kPa (normal), ela opera entre 20 e 60 kPa (metade inferior) ou entre 60 e 100 kPa (metade superior). O controle de faixa dividida ou de split range consiste de um único controlador manipulando dois ou mais elementos finais de controle. Neste controle, é mandatório o uso do posicionador da válvula. Os posicionadores são calibrados e ajustados e as ações das válvulas são escolhidas para que os elementos finais de controle sejam manipulados convenientemente. Por exemplo, uma válvula pode operar de 0 a 50% do sinal e a outra de 50 a 100% do sinal de saída do controlador. 2.11.21Aplicações Aquecimento e resfriamento A Fig.2.47 mostra um esquema de controle de temperatura para um processo batelada (batch), usando um tanque de reação química que requer a temperatura de reação constante. Para começar a reação o tanque deve ser aquecido e isto requer uma vazão de vapor através da serpentina. Depois, a reação exotérmica produz calor e o tanque deve ser resfriado e isto requer uma vazão de fluido refrigerante, através de outra (ou da mesma) serpentina. O controle suave da temperatura é conseguido pelo seguinte sistema básico: 1. a saída do controlador de temperatura varia gradualmente quando a temperatura do tanque aumenta 2. quando o controlador solicita que a válvula de aquecimento esteja totalmente aberta, a válvula de resfriamento deve estar totalmente fechada; 3. quando o controlador solicita que a válvula de resfriamento esteja totalmente aberta, a válvula de aquecimento deve estar totalmente fechada; 4. no meio do caminho, ambas as válvulas devem estar simultaneamente fechadas, de modo que não haja nem aquecimento nem resfriamento. 5. cada válvula se move de modo contrário e seqüencial à outra. PAGE 1 PAGE 137 2.151 Controle Auto-Seletor 2.15.11Conceito O controle auto-seletor é também chamado de controle seletivo, limite, override ou cut-back. Há situações onde a malha de controle deve conhecer outras variáveis controladas, por questão de segurança e controle. Isto é principalmente verdade em plantas altamente automatizadas, onde o operador não pode tomar todas as decisões nas situações de emergência, de partida e de parada do processo. Fig.2.55. Controle auto-seletor entre nível e vazão do tanque O controle auto-seletor é uma forma de controle multivariável, em que a variável manipulada pode ser ajustada em qualquer momento, por uma variável, selecionada automaticamente entre diversas variáveis controladas diferentes. A filosofia do controle auto-seletor é a de se usar um único elemento final de controle manipulado por um controlador, selecionado automaticamente entre dois ou mais controladores. Tendo-se duas ou mais variáveis medidas, aquela que estiver em seu valor crítico assumem o controle do processo. Outro enfoque de se ver o controle auto-seletor é considerar os dois controladores ligados a uma única válvula de controle. Em condições normais, uma malha comanda a válvula; em condições anormais, a outra malha assume automaticamente o controle, mantendo o sistema dentro da faixa de segurança. O controle normal é cortado apenas durante o período necessário para se restabelecer a segurança do sistema. Quando a condição anormal desaparece, a malha normal assume novamente o controle. 2.15.21 Exemplos O conceito de controle seletivo ou auto-seletor é explicado pelo exemplo na Fig.2.56, que mostra um tanque cujo nível é controlado pela modulação da válvula de controle na linha de dreno de saída. A vazão do dreno do tanque é controlada usando-se a mesma válvula. Há duas exigências do processo: 1. em operação normal, o tanque é esvaziado com uma vazão constante, estabelecida no controlador de vazão. Vazão muito elevada é considerada critica. 2. o nível muito baixo é considerado uma situação critica que deve ser evitada. Quando o nível ficar muito baixo, o controlador de nível entra automaticamente em ação e substitui o controlador da vazão. Quando a vazão tender a aumentar, o controlador de vazão está em ação e também corta o excesso de vazão. Sempre, a válvula toma a posição menos aberta dos comandos dos dois controladores. A escolha de qual controlador deve assumir o controle é feita automaticamente por um relé seletor, PAGE 1 PAGE 137 que faz uma transição suave de um sinal de entrada para outro. A função seletora deste relé pode ser incorporada ao circuito do controlador. Note que esta configuração é totalmente diferente do controle de cascata. No controle de cascata, nível cascateando a vazão, o ponto de ajuste do controlador de vazão é estabelecido automaticamente pelo controlador de nível. Assim, quando o nível diminui, a saída do controlador também diminui e o ponto de ajuste do controlador de vazão também diminui. No controle de cascata, a vazão é diminuída continuamente pelo abaixamento do nível. No controle auto-seletor, a vazão é constante e o valor é estabelecido externamente pelo operador de processo. Em operação normal, a vazão é a variável controlada e manipulada, ao mesmo tempo. Quando o nível atinge um valor crítico, automaticamente o controlador de nível assume o controle. A partir deste ponto, a vazão de saída do tanque tende a diminuir com a diminuição do nível do tanque. Quando o nível é baixo, a variável controlada passa a ser o nível e a manipulada contínua sendo a vazão. Outro exemplo de sistema de controle seletivo envolve sistemas com mais de um elemento sensor. Os sinais de três transmissores de temperatura localizados em vários pontos ao longo de um reator tubular entram em um seletor de alta (HS). A temperatura mais elevada é enviada ao controlador de temperatura cuja saída manipula a água fria. Assim, este sistema controla o pico de temperatura no reator, qualquer que seja o ponto onde ela esteja. Outro exemplo comum é o controle de duas vazões de um reator, onde o excesso de um dos reagentes poderia levar a composição no reator para uma região onde poderia haver explosão. Assim, é vital que a vazão deste reagente seja menor do que alguns valores críticos, relativos a outra vazão. São usadas medições múltiplas e redundantes da vazão e o maior sinal das vazões é usado para o controle. Em adição, se as diferenças entre as medições de vazão excedem em algum valor razoável, o sistema inteiro será intertravado, até que a causa da discrepância seja encontrada. Assim, os controles override e seletivo são muito usados para manipular problemas de restrições e segurança. Os limites de alta e baixo nas saídas do controlador são também muito usadas para limitar o valor da variação permitido. 2.15.31 Características O sistema de controle auto-seletor, qualquer que seja o seu enfoque, sempre possui os seguintes componentes: 1. duas ou mais malhas de controle, com os transmissores de medição e os controladores. 2. um seletor de sinais, de mínimo ou de máximo. O seletor eletrônico de sinais pode receber até quatro sinais simultâneos. O seletor pneumático só pode receber dois sinais de entrada e são usados (n-1) seletores quando se utilizam n controladores pneumáticos. 3. um único elemento final de controle. 4. opcionalmente, o sistema pode ter uma estação manual de controle (HIC), para a partida suave. Há sistemas que provêm todos os controladores com a opção de seleção e atuação automático-manual e outros que possuem uma única e independente atuação manual. 2.15.41 Cuidado para a não Saturação No controle auto-seletor apenas um controlador atua, enquanto todos os outros estão fora do circuito. O sinal de um controlador vai até a válvula, os sinais de todos os outros acabam no seletor de sinais. Esta é a condição mais favorável para o aparecimento da saturação: a saída inoperante de um controlador automático, contendo o modo integral e em funcionamento. PAGE 1 PAGE 137 Para se evitar a saturação das saídas de todos os controladores que estejam na malha e cujos sinais são inoperantes, pois apenas um sinal é selecionado nos controladores do sistema, sem exceção. Essa realimentação é feita para o circuito integral de cada controlador do sistema e, portanto, todos devem ter essa possibilidade extra de realimentação externa. Fig.2.56. Realimentação externa para evitar saturação do modo integral dos controladores. A realimentação da saída do seletor de sinais para todos os controladores está redundante para aquele controlador momentaneamente selecionado e atuante no processo, porém a realimentação é essencial a todos os controladores restantes, pois ela os impede de saturarem. Quando se tem o controlador eletrônico, basta prove-lo com a opção de realimentação externa. Quando se usam controladores pneumáticos e vários seletores de sinais são possíveis, através de ajustes convenientes nos seletores, se consegue um controle satisfatório do sistema. Porém, em sistemas mais difíceis é necessário se prover cada controlador pneumático com uma chave batelada, para otimizar a resposta dinâmica do processo. Mas, a aplicação das chaves só é necessária e justificável quando o processo sofre variações bruscas, se aproximando de um processo descontínuo, tipo batelada. 2.15.51 Aplicações O sistema de controle unitário de seleção automática é empregado nos seguintes casos: 1. para proteção de equipamentos, quando a saída do controlador da variável que atinge valores perigosos é cortada e outro controlador assume o controle. 2. para aumentar a confiabilidade da malha de controle, quando são colocados instrumentos redundantes. É o que ocorre em instrumentação de plantas nucleares, onde se utilizam geralmente três transmissores para cada variável crítica; um seletor de sinais escolhe o valor mais seguro, conforme uma programação pré-determinada. Para otimizar o controle do sistema, de modo que a variável com valor mais próximo do valor crítico seja a responsável pelo controle. Têm-se vários controladores, porém, apenas o controlador da variável com o valor crítico assume o controle do sistema. O operador final do controle estará sempre numa posição segura. Controle de Compressor O funcionamento correto do compressor depende basicamente de três variáveis: 1. a pressão de sucção, que não pode ser muito baixa. Se a pressão de sucção for muito baixa, há problema de cavitação na bomba e o compressor pode inverter o sentido do fluxo. 2. a carga do motor, que não pode ser muito alta, sob pena de se queimar o motor. 3. a pressão de descarga, que não pode ser muito elevada. Se a pressão da descarga subir muito, a vazão após a válvula pode aumentar demais e ficar pulsante e descontínua. O sistema de controle auto-seletor para o compressor é constituído de: 1. o transmissor e o controlador de pressão de sucção, de ação direta. 2. o transmissor de temperatura (ou corrente elétrica), proporcional a carga do motor elétrico, com controlador de ação inversa. 3. o transmissor e o controlador da pressão de descarga, com ação inversa. 4. o gerador de rampa, para a partida suave do sistema. O sinal gerador manualmente deve ser PAGE 1 PAGE 137 3. o controlador faz medições nas variáveis de entrada e atua na variável manipulada, também na entrada do processo. Não há medição da variável controlada, pois não há realimentação. Por esse motivo, há quem diga que o controle preditivo antecipatório é de malha aberta, o que é incorreto. Mesmo não havendo realimentação, a malha de controle é fechada pelo processo. 4. o balanço entre o suprimento e a demanda é conseguido pela medição da carga da demanda real, pelo calculo da demanda potencial e pela atuação no suprimento do processo. As medições, os pontos de ajuste e os cálculos matemáticos são usados para estabelecer a ação de controle a ser aplicada antes do aparecimento do erro entre medição e ponto de ajuste. 5. o distúrbio está na entrada do processo e na entrada do controlador. O conceito envolve o fluxo de informações adiante da malha. 6. teoricamente, quando bem projetado e calculado, um controlador preditivo antecipatório pode executar um controle perfeito. Seu erro é devido aos erros das medições e dos cálculos feitos por equipamentos reais. Quanto mais difícil e complexa for a computação, maior será o erro antecipado. 7. O controlador preditivo antecipatório não exibe nenhuma tendência a oscilação. Fig.2.60. Diagrama de blocos do sistema de controle preditivo antecipatório (feed-forward) 2.16.51 Limitações A primeira aplicação prática do controle preditivo antecipatório foi em 1925, no controle de nível de caldeira. Embora o seu resultado possa ser teoricamente perfeito, o seu desenvolvimento foi lento, principalmente pelas limitações na sua aplicação prática e pelos seguintes motivos: 1. os distúrbios que não são medidos, ou porque são desconhecidos ou suas medições são impraticáveis, tornam o resultado do controle imperfeito. As alterações da variável controlada não são compensadas pelo controlador, porque não foram consideradas. Todo distúrbio que afete a variável controlada deve ser detectado e medida; quando não se pode medi-lo, não se pode usar o conceito de controle preditivo antecipatório. 2. deve se saber como os distúrbios e as variáveis manipuladas afetam a variável controlada. Deve se conhecer o modelo matemático do processo e a sua função de transferência, no mínimo, de modo aproximado. Uma das características mais atraente e fascinante do controle preditivo antecipatório é que, mesmo sendo rudimentar, aproximado, inexato e incompleto, o controlador pode ser muito eficiente na redução do desvio causado pelo distúrbio. 3. As imperfeições e erros das medições, dos desempenhos dos instrumentos e das numerosas computações provocam desvios no valor da variável controlada. Tais desvios não podem ser eliminados porque não são medidos ou conhecidos. 4. a pouca disponibilidade ou o alto custo de equipamentos comerciais que pudessem resolver as equações matemáticas desenvolvidas e simulassem os sinais analógicos necessários para o controle. Porém, com o advento da eletrônica de circuitos integrados aplicada a computadores, a microprocessadores e a instrumentos analógicos, foram conseguidos instrumentos de altíssima qualidade, baixo custo, fácil operação, extrema confiabilidade e, principalmente, adequados para implementar a técnica avançada de controle preditivo antecipatório. 2.16.61 Comparação com o Feedback Semelhanças Mesmo sendo conceitualmente diferente a malha de controle com realimentação negativa possui algumas características comuns a malha de controle preditivo antecipatório. Assim, PAGE 1 PAGE 137 1. ambas as malhas são fechadas. 2. em ambas as malhas há os componentes básicos: dispositivo de medição, controlador e válvula atuadora. 3. o controlador é essencialmente o mesmo, para ambas as malhas. 4. ambos controladores possuem o ponto de ajuste, essencial a qualquer tipo de controle. Diferenças As diferenças entre os sistemas com realimentação negativa e preditivo antecipatório são mais acentuadas. No controle com realimentação negativa a variável controlada é medida, na saída do processo. O controlador atua nas variáveis manipuladas de entrada para manter a variável controlada igual ou próxima os valores desejados. Como a variável controlada depende de todas as variáveis de entrada, indiretamente através do processo e geralmente com atraso, o controle com realimentação negativa leva em consideração todas as variáveis de entrada. Porém, os atrasos na ação corretiva podem ser praticamente inaceitáveis, em alguns processos de grande capacidade e longo termo morto. No controle preditivo antecipatório as variáveis de saída controladas não são medidas para a comparação com o valor desejado. O controlador apenas mede as variáveis de entrada detectáveis e conhecidas, recebe o valor do ponto de ajuste, recebe outras informações do processo e computando todos esses dados, prevê o valor e a ocasião adequados para a ação de controle ser aplicada na variável manipulada de entrada. Ele é mais convencido que o controlador com realimentação negativa: não verifica se a ação de controle levou a variável controlada para o valor de referência ajustado. Há casos onde a previsão foi incorreta e conseqüentemente, há erro na variável controlada. Também, os efeitos das variáveis de entrada não medidas não são compensados pelo controle preditivo antecipatório. Associação As vantagens e desvantagens de ambos sistemas são complementares, de modo que a associação dos dois sistemas é natural. Desse modo, em sistemas de controle difícil que requerem malhas de controle complexas, é prática universal a associação dos dois conceitos de controle. As responsabilidades de controle ficam assim distribuídas: 1. o controlador preditivo antecipatório cuida dos distúrbios e variações de carga grandes e freqüentes que afetam as variáveis controladas. 2. o controlador a realimentação negativa cuida de quaisquer outros erros que aparecem através do processo, cuida dos efeitos dos distúrbios não medidos, cuida dos erros residuais provocados pelas imprecisões dos instrumentos reais de medição, controle e computação da malha antecipatória. Como o principal objetivo do controlador a realimentação negativa é eliminar o desvio permanente, ele deve ser, necessariamente, proporcional mais integral (PI). Como a quantidade de trabalho a ser executado por ele é diminuído pela presença do controlador preditivo, normalmente basta ser PI. A presença do controlador preditivo antecipatório na malha de controle à realimentação negativa não provoca tendência a oscilação. Em termos de função de transferência, a presença do controlador preditivo não altera o denominador da função de transferência original. A configuração mais utilizada na associação das duas malhas de controle é o sistema em cascata. Porém, é controvertida a opção de quem cascateia quem. Shinskey diz que é mandatório que o controlador à realimentação estabeleça o ponto de ajuste do controlador preditivo. Porém, em todas as aplicações práticas, raramente o sinal do controlador preditivo é aplicado diretamente na válvula de controle. Nessa configuração, é o controlador preditivo que estabelece o ponto de ajuste do controlador convencional a realimentação negativa. PAGE 1 PAGE 137 Fig.2.61. Controle feedback cascateando o feed-forward 2.16.71 Desenvolvimento do Controlador Qualquer processo pode ser descrito em termos das relações entre as suas saídas e suas entradas. As saídas do processo são as variáveis dependentes e geralmente são as variáveis a serem controladas. As variáveis de entrada são as independentes. Embora todas as variáveis de entrada afetem as de saída, elas podem, sob o ponto de vista de controle, ser divididas em três grupos: 1. variáveis de entrada que podem ser detectada e medidas; 2. variáveis de entrada desconhecidas e não possíveis de ser medidas praticamente. 3. variáveis de entrada manipuladas, para a obtenção do controle. As variáveis de entrada que chegam ao processo em pontos diferentes afetam de modo diferente as variáveis controladas. A aplicação do sistema de controle preditivo antecipatório requer o conhecimento prévio e completo do processo a ser controlado. Antes de se aplicar o controle preditivo antecipatório, deve ser possível desenvolver as equações termodinâmicas, geralmente de balanço de materiais e de balanço de energia, que modelam o processo. E, principalmente, deve se conhecer a integração entre ambos balanços. Aliás, o desenvolvimento do controle antecipatório foi atrasado por causa da falta de tais conhecimentos. Assim que as equações são escritas e resolvidas para a variável controlada, devem ser especificados os equipamentos de controle, comercialmente disponíveis, que as manipulem. A falta desses equipamentos e o seu alto custo, também dificultaram a implementação do controle preditivo antecipatório. Tais equipamentos podem ser pneumáticos ou eletrônicos. Atualmente, são mais usados os instrumentos eletrônicos, principalmente os microprocessadores de processo. Computações que requerem dois ou mais instrumentos pneumáticos interligados são feitas por um único instrumento eletrônico, com maior precisão, menor custo, maior confiabilidade e operação mais simples. O processo opera em duas situações distintas: em regime e em transitórios entre regimes. Mesmo depois de estabilizado, o processo sofre variações transitórias quando há variação em sua carga. O controlador preditivo é o modelo matemático do processo e, portanto, deve também possuir duas componentes: dinâmica e estática. Essa divisão é essencial principalmente durante a Calibração e ajuste de partida. O controlador de regime permanente é igual ao dinâmico, quando a variável manipulada de entrada e os distúrbios de entrada estão matematicamente localizados do mesmo lado, relativamente ao lado da variável de saída controlada. Desenvolvimento da equação do controlador As equações termodinâmicas de balanço de energia e de materiais são usadas para se chegar ao controlador preditivo antecipatório de regime estático. As equações diferenciais, relativas aos transitórios dos processos determinam o modelo do controlador transitório. Obviamente, o controlador de regime permanente é mais fácil de ser desenvolvido e modelado que o transitório. O procedimento a ser seguido é mais ou menos o seguinte: 1. definir todas as variáveis do processo, separando-as em distúrbios mensuráveis, variáveis controladas e variáveis manipuladas. Também devem ser conhecidas as constantes do processo, tais como capacidades de tanque, diâmetros de tubulações, densidades de produtos, pontos de ajuste das variáveis controladas. Sempre que uma variável de processo é pouco alterada, ela deve ser considerada como constante. Os fatos de medir ou não medir um distúrbio de entrada e de considerar ou não considerar constante uma variável do processo podem tornar linear o modelo do controlador PAGE 1 PAGE 137 gerado no refervedor e o liquido é gerado no condensador. Para se garantir que os produtos finais fiquem dentro da especificação de pureza desejada, são controladas as temperaturas e pressões da coluna, bem como o balanço de energia, as vazões de alimentação principal, de saída do destilado, do vapor do refervedor, do refluxo. Simplificando, são envolvidos essencialmente os balanços de energia e de materiais, propícios para a aplicação do controle preditivo antecipatório. Há vários problemas associados com o controle da coluna de destilação: resposta lenta, por causa da grande capacidade da coluna e dos tempos envolvidos, influência de muitas variáveis, dificuldades de uso de analisadores em linha, interação entre os balanços de energia e de materiais. As variáveis de entrada independentes e não controladas são: composição da alimentação, vazão da alimentação, entalpia da alimentação, entalpia do vapor do refervedor, temperatura do refluxo. As variáveis manipuladas de entrada são: vazão do refluxo, do destilado, do produto de fundo, calor de entrada no refervedor, calor de saída do condensador. As variáveis de saída, dependentes das variáveis de entrada e manipuladas, a serem controladas são as seguintes: composição do destilado, composição do produto pesado, temperatura das bandejas da coluna, nível do acumulador, nível do fundo da coluna. Nem todas as variáveis podem ser controladas e manipuladas arbitrariamente. Mesmo assim, há dezenas de configurações práticas para o controle convencional da coluna de destilação, pela combinação das diversas variáveis controladas e manipuladas. Quando se acrescenta o controle preditivo antecipatório, o número de configurações aumenta, pois há também um grande número de variáveis de entrada, que afetam as variáveis controladas e que podem ser medidas. O controle preditivo antecipatório mais simples, aplicado a coluna de destilação é mostrado. Consiste na colocação de um multiplicador e de um compensador dinâmico. O multiplicador permite que a vazão da alimentação da coluna modifique o ponto de ajuste do controlador de vazão do destilado. A vazão do destilado será ajustada de conformidade com a vazão da alimentação. A colocação do compensador dinâmico determina o timing correto da ação de controle. No caso, há um atraso no sinal de vazão da alimentação. Quando há uma variação na vazão da entrada da coluna, deverá se alterar o ponto de ajuste da vazão do destilado. Porém, a variação na entrada irá demorar para afetar a vazão do destilado e portanto, a alteração do ponto de ajuste do controlador de vazão do destilado também deverá ser retratada. O compensador dinâmico avanço /atraso cuidará desse atraso. Outra configuração simplificada é esquematizada, mostrando como as variáveis de entrada podem ser medidas e usadas para prover o controle preditivo antecipatório. O computador analógico recebe os sinais de medição da composição do produto de alimentação, vazão da alimentação, temperatura do topo da coluna, temperatura do refluxo, executa as operações matemáticas previamente calculadas. Os controladores devem atuar nas variáveis manipuladas: vazão do refluxo e vazão do produto de fundo. A saída do controlador que atua na vazão do produto de fundo, além da componente de computação, sofre um atraso dinâmico e uma correção na realimentação do controlador convencional. Neutralização de pH O controle de pH é um dos mais complexos e difíceis, pois envolve funções não lineares, grande tempo morto e grande tempo característico. A atividade do íon H+ de uma solução pode ser medida continuamente através de um eletrodo de pH. Esse eletrodo desenvolve uma milivoltagem proporcional a atividade do íon H+ na solução aquosa. A medição de pH não é linear, mas logarítmica: pH = - log10 H+. A não linearidade do pH significa que próximo da neutralidade (pH = 7), pequenas variações do reagente causam grandes variações no pH e longe do ponto de neutralização (próximo de 0 ou de 14) grandes quantidades do reagente são necessárias para provocar pequenas variações no pH. O modelo matemático do processo é fácil de ser desenvolvido, pois é muito conhecido e estudado. A equação do controlador preditivo antecipatório dá a vazão do reagente necessária para neutralizar a mistura final, o efluente, quando a vazão e o pH do efluente variam. As variáveis PAGE 1 PAGE 137 medidas são: pH do efluente na entrada, pH do efluente na saída, vazão da entrada do efluente. A variável manipulada é a vazão do reagente. Freqüentemente se utilizam várias válvulas, de tamanhos diferentes, para prover maior relação entre a medição máxima e medição mínima. Nesse caso deve ser acrescentado um sistema lógico seqüencial. São hipóteses simplificadoras: que a medição seja feita onde a reação está completa e que a mistura seja homogênea e perfeita. Como não é admissível desvio permanente no pH do efluente final e principalmente, por causa da grande sensibilidade da curva de pH justamente na região próxima da neutralização, deve-se usar um controlador a realimentação negativa convencional. O controlador convencional é não linear, com uma curva característica complementar a curva de pH: pequeno ganho próximo do ponto de ajuste e grande ganho quando o desvio aumenta. De outro modo: o controlador deve ter ganho proporcional ao erro entre medição e ponto de ajuste. Fig.2.63a. Esquema simplificado do controle convencional com realimentação negativa aplicada a uma coluna de destilação Fig.2.63b. Esquema simplificado do controle com realimentação negativa cascateado pelo controlador preditivo antecipatório aplicado a uma coluna de destilação Fig.2.63c. Esquema simplificado do controle preditivo antecipatório aplicado a uma coluna de destilação, associado ao controle com realimentação negativa. O sistema de controle pode ter o controlador com realimentação negativa associados ao controlador preditivo antecipatório. A medição da vazão de entrada do efluente deve ser modificada, de modo que se tenha a mesma natureza logarítmica do pH. O instrumento a ser usado, além do eventual extrator de raiz quadrada, é o caracterizador de sinais. Quando se utiliza a Calha Parshall essa modificação pode ser dispensada. Fig.2.64a. Controle de pH convencional, com realimentação negativa. Fig.2.64b. Controle de pH preditivo antecipatório. Os sistemas de controle avançado se aplicam a processos determinados e seu objetivo é o de obter o melhor controle do processo. As vantagens que apresentam a aplicação dos sistemas de PAGE 1 PAGE 137 controle avançado são a economia de energia conseguida na operação da planta, o aumento da capacidade de fabricação, a diminuição do custo de operação e a diminuição da percentagem de recuperação dos produtos que saem fora de especificação durante o processo de fabricação. Os rendimentos típicos que oferecem os sistemas de controle avançado são: 1. economia de energia com 5% de aumento na produção; 2. capacidade de fabricação da planta aumenta de 3% a 5%; 3. custo de operação da planta se vê reduzido de 3% a 5%; 4. recuperação dos produtos melhora de 3% a 5%; 5. retorno da inversão de produz em um tempo de 1 a 5 anos; 6. rendimento global é de 5% a 35%. As aplicações dos sistemas de controle avançado aumentam dia a dia e se aplicam a processos tais como fabricação de amônia, processos batelada, fornos, caldeiras de vapor, plantas petroquímicas, sistemas de economia de energia, reatores químicos, plantas de gás natural, compressores, serviços gerais, controle estatístico de processo. 2.16.91 Conclusão A adição de uma malha de controle preditivo típica envolve vários instrumentos, de medição, controle, computação analógica e de compensação dinâmica. O retorno econômico do acréscimo da malha de controle preditivo deve ser quantificado, mesmo que as variáveis econômicas de custo, retorno e economia não sejam diretamente medidas. Devem ser considerados os fatores relacionados com a economia dos tanques de armazenagem (controle de neutralização de pH e de mistura automática), produtos com a especificação de pureza desejada e com pouco refugo (coluna de destilação e fracionador), economia de energia (trocador de calor e torre de resfriamento). Sob o ponto de vista técnico, as principais áreas de aplicação do controle preditivo antecipatório, que produzem resultados difíceis de serem conseguidos através de outra técnica são: 1. os processos complexos, com grandes períodos de oscilação natural e submetidos a distúrbios e variações de carga grandes e freqüentes, incontroláveis pelo sistema convencional de realimentação negativa. 2. os processos onde as variáveis a serem controladas não são possíveis de medição precisa, confiável ou rápido. Mesmo que seja usada uma outra variável secundaria, inferida da principal, o controle convencional a realimentação negativa é insuficiente para prover um produto dentro das especificações desejadas. Como conclusão, o controle de malha aberta é raramente empregado em processos industriais contínuos. O controle preditivo antecipatório é uma técnica alternativa, e adicional para o controle de processos complexos e difíceis. Geralmente ele é associado ao controle com realimentação negativa, quando são combinadas as duas técnicas. O controle com realimentação negativa ainda é empregado na maioria das malhas de controle do processo industrial. PAGE 1 PAGE 137 (n-1) estações de relação de vazões. 2. relação fixa entre uma parte e o total. Mede se e controla se a parte e a soma das partes é medida e não controlada. Essa aplicação ocorre quando a medição da variável não controlada é impossível, inacessível, de alta viscosidade, corrosiva. 3. relação fixa de duas quantidades de vazão. Em vez de se ter a relação de duas vazões, tem-se relação de duas totalizações de vazões. A quantidade da variável secundaria é controlada numa direta com a quantidade de uma variável primaria não controlada. Geralmente se aplica quando se requer alta precisão e se utilizam turbinas, que são apropriadas para a totalização e são muito precisas. 4. relação entre duas ou mais variáveis, não necessariamente vazões. São usados computadores analógicos para executar as operações matemáticas envolvidas. 2.17.31 Aplicações Controle de relação com o divisor As duas vazões são medidas e sua relação é computada pelo divisor. Esta relação computada entra no controlador convencional PI como o sinal de medição do processo. O ponto de ajuste é a relação desejada. A saída do controlador faz a vazão controlada seguir uma relação fixa com a outra vazão não controlada. Este sistema é usado quando se quer saber continuamente a relação entre as vazões. O sinal da relação pode ser usado para alarme, override ou intertravamento. Fig.2.67. Controle de relação com divisor Controle de relação com o multiplicador A vazão não controlada é medida e passa por um multiplicador, cuja constante é a relação das vazões desejada. A saída do multiplicador é o ponto de ajuste remoto do controlador de vazão. A saída do controlador manipula a vazão controlada. Fig.2.68. Controle de relação com multiplicador Controle de relação e cascata Sejam as duas vazões dos componentes A e B, alimentando o tanque. O nível do liquido é afetado pela vazão total, por isso o controlador de nível cascata o controlador da vazão A, ou seja, o ponto de ajuste do controlador da vazão A é estabelecido pela saída do controlador de nível do tanque. A vazão A, por sua vez, está relacionada fixamente com a vazão B, através do controlador de relação de vazão. A composição do liquido do tanque depende exclusivamente da relação das vazões A e B. O controlador de analise de composição estabelece o fator de relação do multiplicador. O controlador de relação atua na vazão B. Para se evitar altos ganhos em baixas vazões por causa das placas de orifício, usam-se extratores de raiz quadrada. Para diminuir o efeito do controlador de composição no nível do líquido, a vazão B deve ser a menor das duas vazões. PAGE 1 PAGE 137 Fig.2.69. Controle de Relação e Cascata 2.181 Conceitos de Projeto do Controle Após ter aprendido um pouco acerca do equipamento e de várias estratégias usadas em controle, é possível agora falar acerca de alguns conceitos básicos de projeto do sistema de controle. Neste ponto, a discussão será totalmente qualitativa, fornecendo uma visão ampla de como encontrar uma estrutura de controle efetivo e projetar um processo facilmente controlado. Deve-se, feita a consideração da dinâmica no projeto de uma planta, nos primeiros estágios, preferivelmente durante a operação e projeto da planta piloto. Por exemplo, é importante ter pausa em vasos de surge, linhas de refluxo, bases de coluna, para fornecer um amortecimento efetivo dos distúrbios (p. ex., de 5 a 10 minutos). Um excesso suficiente de transferência de calor deve ser disponível em reboilers, condensadores, jaquetas de resfriamento, para ser capaz de manipular as variações dinâmicas e distúrbios durante operação. Os sensores e as medições devem ser localizados, de modo que possam ser usadas para controle efetivo. 2.18.11Critérios Gerais Alguns critérios recomendados são discutidos abaixo, juntos com alguns exemplos de suas aplicações. 1. Manter o sistema de controle tão simples quanto possível. Todo mundo envolvido no processo, do operador até o gerente da planta, deve ser capaz de entender o sistema. Use o menor número possível de instrumentos de controle. Cada equipamento adicional que é incluído no sistema é um item a mais que pode falhar ou se desviar. O vendedor nunca irá dizer isso a ninguém, é claro. 2. Usar o controle feed-forward para compensar distúrbios da medição grandes, freqüentes e mensuráveis. 3. Usar o controle override para operar em ou para evitar limites. 4. Evitar atrasos e tempos mortos em malhas de realimentação negativa. O controle é melhorado mantendo os atrasos e tempos mortos dentro da malha tão pequenos quanto possíveis. Isto significa que os sensores devem ser localizados próximos dos pontos onde a variável manipulada entra no processo. 5. Usar controlador de nível apenas com a ação proporcional em tanques de surge e bases de coluna para amortecer os distúrbios. 6. Eliminar os pequenos distúrbios, usando sistemas de controle cascata, onde possível. 7. Evitar interação de malha de controle, se possível, mas se não for possível, garanta que os controladores sejam sintonizados para fazer todo o sistema estável. 8. Verificar o sistema de controle com relação a problemas dinâmicos potenciais durante as condições anormais de operação ou nas condições de operação que não sejam iguais às de projeto. A habilidade do sistema de controle trabalhar bem sobre uma grande faixa de condições é chamada de flexibilidade. Partidas e paradas também devem ser estudas. A operação em pontos de baixa produção ou no início da faixa pode também ser um problema. Os ganhos do processo e constantes de tempo podem variar drasticamente em baixas vazões e a re-sintonia do controlador pode ser necessária. A instalação de válvulas iguais de controle (uma grande, outra pequena) pode ser necessária. 9. Evitar a saturação da variável manipulada. Um bom exemplo de saturação é o controle de nível PAGE 1 PAGE 137 de uma linha de refluxo em uma coluna de destilação que tem uma relação de refluxo muito alta. 10. Evitar associar malhas de controle. As malhas de controle devem ser agrupadas somente se a operação da malha externa depender da operação da malha interna. 2.18.21 Controle Global da Planta A discussão até agora só tratou de um único controlador a realimentação negativa e estabeleceu uma estratégia de controle para uma operação unitária: um reator, uma coluna, uma torre de resfriamento, um trocador de calor, uma caldeira, um compressor. O próximo nível de complexidade é olhar uma planta inteira operando, que é constituída de muitas operações unitárias ligadas em série e paralelo, com material e energia de reciclo entre as várias partes da planta. Isto é um dos trabalhos mais difíceis do controle de processo. Buckley foi um dos pioneiros neste aspecto de controle. Sua metodologia de projeto da planta global consiste dos seguintes passos: 1. Fazer o esquema lógico do controle para manipular todas as malhas de níveis e pressão de líquidos, em toda planta, de modo que as vazões de uma unidade para a próxima sejam tão suaves quanto possíveis. Buckley chamou estas malhas de balanço de material. Se a vazão de alimentação é estabelecida na frente do processo, as malhas de balanço de material devem ser colocadas na direção da vazão, i.e., a vazão de saída de cada unidade é estabelecida por um nível ou pressão de liquido na unidade. Se a vazão de saída do produto da planta é estabelecida, as malhas de balanço de material deve ser na direção oposta da vazão, i.e., a vazão em cada unidade é estabelecida por um nível ou pressão de liquido na unidade. 2. Depois projetar as malhas de controle de composição para cada operação unitária. Buckley chamou estas malhas de qualidade do produto. Determine as constantes de tempo de malha fechada destas malhas de qualidade do produto. 3. Dimensionar os volumes de pausa, de modo que as constantes de tempo de malha fechada das malhas de balanço de material sejam um fator de 10 maiores que as constantes de tempo das malhas de qualidade de produto. Isto quebra a interação entre os dois tipos de malhas. 2.18.31 Otimização de controle Genericamente, otimização é a estratégia que dá o melhor resultado sob um determinado conjunto de condições. Matematicamente, otimização é a tarefa de achar um grande pico em um espaço multidimensional. Para o engenheiro prático, otimização sugere um exercício altamente teórico, que não é muito relevante no mundo real, onde tubulações vazam, sensores se entopem e bombas cavitam. Otimização é a integração do know-how do controle de processo para maximizar a produtividade industrial. É desejável controlar o que uma planta produz. Plantas não produzem vazão, pressão, temperatura, nível e análise, portanto, estas variáveis são apenas limites ou restrições. As variáveis controladas podem se relacionar com a produtividade ou eficiência da planta. A otimização causa o fim da era das malha de controle isoladas e o início do controle de envelope multivariável. O envelope é um polígono, com os lados representando vazão, pressão, temperatura, nível, análise e outras variáveis de processo. Dentro deste envelope está o processo que é continuamente movido para a máxima eficiência. A otimização multivariável é o enfoque do senso comum ou a técnica de controle aplicada pela natureza e freqüentemente é também o método de controle mais simples e mais elegante. Só se aplica otimização a um processo que já opere. Otimizar um controle é aumentar o modelo do processo, adicionando o custo, com ponto de ajuste zero. Fig.2.70. PAGE 1 PAGE 137 3.2.31 Representação de Quantidades Binárias Em sistemas digitais, a informação geralmente apresenta a forma binária. Essas quantidades binárias podem ser representadas por qualquer dispositivo que apresente dois estados de operação. Uma chave, por exemplo, pode estar aberta ou fechada. Podemos dizer que a chave aberta corresponde ao dígito binário “0” e a chave fechada corresponde ao dígito binário “1”. Outros exemplos: uma lâmpada (acesa ou apagada), um diodo (conduzindo ou não), um transistor (conduzindo ou não) etc. Em sistemas digitais eletrônicos, a informação binária é representada por níveis de tensão (ou correntes). Por exemplo, zero volts poderia representar o valor binário “0” e +5 volts poderia representar o valor binário “1”. Mas, devido a variações nos circuitos, os valores binários são representados por intervalos de tensões: o “0” digital corresponde a uma tensão entre 0 e 0,8 volts enquanto o “1” digital corresponde a uma tensão entre 2 e 5 volts. Com isso percebemos uma diferença significativa entre um sistema analógico e um sistema digital. Nos sistemas digitais, o valor exato da tensão não é importante. Fig.3.1. Intervalos típicos de tensão para os binários 0 e 1. 3.2.41 Circuitos Digitais /Circuitos Lógicos Circuitos digitais são projetados para produzir tensões de saída e responder a tensões de entrada que estejam dentro do intervalo determinado para os binários 0 e 1. O exemplo abaixo mostra isso: Fig.3.2. Resposta de um circuito digital PAGE 1 PAGE 137 Praticamente todos os circuitos digitais existentes são circuitos integrados (CIs), o que tornou possível a construção de sistemas digitais complexos menores e mais confiáveis do que aqueles construídos com circuitos lógicos discretos. 3.2.51 Sistemas de Numeração e Códigos O sistema binário de numeração é o mais importante em sistemas digitais. O sistema decimal também é importante porque é usado por todos nós para representar quantidades. Já os sistemas octal e hexadecimal são usados para representar números binários grandes de maneira eficiente. Conversões Binário-Decimal – Cada dígito tem um peso correspondente à sua posição. 110112 = (1 x 24) + (1 x 23) + (0 x 22) + (1 x 21) + (1 x 20) = 2710 Conversões Decimal-Binário – O método usado é o das divisões sucessivas: Conversão Octal-Decimal – Cada dígito tem um peso correspondente à sua posição. 3728 = (3 x 82) + (7 x 81) + (2 x 80) = 25010 Conversão Decimal-Octal – O método usado é o das divisões sucessivas: Conversão Octal-Binário – Cada dígito octal é convertido para o seu correspondente em binário. Dígito Octal 0 1 2 3 4 5 6 7 Equivalente Binário 000 001 010 011 100 101 110 111 4728 = (100) (111) (010) = 1001110102 Conversão Binário-Octal – O número binário é dividido em grupos de 3 dígitos iniciando-se a partir do dígito de menor peso. Cada grupo é convertido no seu correspondente octal. 1001110102 = (100) (111) (010) = 4728 Conversão Hexadecimal-Decimal – Cada dígito tem um peso correspondente à sua posição. 2AF16 = (2 x 162) + (10 x 161) + (15 x 160) = 68710 PAGE 1 PAGE 137 Conversão Decimal-Hexadecimal – O método usado é o das divisões sucessivas: Conversão Hexadecimal-Binário – Cada dígito hexadecimal é convertido para o seu correspondente em binário. 9F216 = (1001) (1111) (0010) = 1001111100102 Conversão Binário-Hexadecimal – O número binário é dividido em grupos de 4 dígitos iniciando-se a partir do dígito de menor peso. Cada grupo é convertido no seu correspondente hexadecimal. 11101001102 = (0011) (1010) (0110) = 3A616 O Código BCD – O código BCD não constitui um sistema de numeração. Ele apenas relaciona cada dígito do sistema decimal com um grupo de 4 dígitos do sistema binário. 87410 = (1000) (0111) (0100) = 100001110100 (BCD) Relacionando as Representações Decimal Binário Octal Hexadecimal BCD 0 0 0 0 0000 1 1 1 1 0001 2 10 2 2 0010 3 11 3 3 0011 4 100 4 4 0100 5 101 5 5 0101 6 110 6 6 0110 7 111 7 7 0111 8 1000 10 8 1000 9 1001 11 9 1001 10 1010 12 A 0001 0000 11 1011 13 B 0001 0001 12 1100 14 C 0001 0010 13 1101 15 D 0001 0011 14 1110 16 E 0001 0100 15 1111 17 F 0001 0101 PAGE 1 PAGE 137 sinal 0 é colocado na frente do bit mais significativo (MSB). • Se o número é negativo, a magnitude é representada na sua forma de complemento a 2 e um bit de sinal 1 é colocado na frente do bit mais significativo (MSB). A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 1 0 1 1 0 1 = +4510 Bit de Sinal (+) Binário direto A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 1 0 1 0 0 1 1 = -4510 Bit de Sinal (-) Complemento a 2 3.3.71 Negação A negação é a operação que converte um número positivo no seu negativo equivalente ou um número negativo no seu positivo equivalente. Por exemplo: 0 1 0 0 1 = +9 (número binário original) 1 0 1 1 1 = -9 (complemento a 2, negar) 0 1 0 0 1 = +9 (negar novamente) PAGE 1 PAGE 137 3.3.81 Faixa de Representação do Complemento a 2 A faixa completa de valores que pode ser representada no sistema de complemento a 2 que tem N bits de magnitude é: -2N a +(2N-1) Por exemplo, com N = 3 bits, a faixa de números sinalizados é mostrada na tabela abaixo: Valor Decimal Complemento a 2 +7 = 23 - 1 0111 +6 0110 +5 0101 +4 0100 +3 0011 +2 0010 +1 0001 0 0000 -1 1111 -2 1110 -3 1101 -4 1100 -5 1011 -6 1010 -7 1001 -8 = -23 1000 Por exemplo, com N = 7 bits, mais um bit de sinal, a faixa de valores fica: 100000002 = -27 = -12810 011111112 = 28 = +12710 PAGE 1 PAGE 137 3.3.91 Adição no Sistema de Complemento a 2 Vamos analisar vários casos de adição: Dois números positivos: A adição de dois números positivos é direta. +9 F 0 A E 0 1001 +4 F 0 A E 0 0100 +13 0 1101 Um número positivo e um outro menor e negativo: O número negativo deve estar na forma de complemento a 2. +9 F 0 A E 0 1001 -4 F 0 A E 1 1100 +5 1 0 0101 A soma é feita sobre todos os bits, inclusive os bits de sinal. O carry (vai um) gerado na última posição (MSB) é sempre descartado. Um número positivo e um outro maior e negativo: -9 F 0 A E 1 0111 +4 F 0 A E 0 0100 -5 1 1011 Dois números negativos: -9 F 0 A E 1 0111 -4 F 0 A E 1 1100 -13 1 1 0011 Dois números iguais em magnitude mas de sinais contrários: +9 F 0 A E 0 1001 -9 F 0 A E 1 0111 0 1 0 0000 PAGE 1 PAGE 137 Soma maior do que 9 – Por exemplo, 6 + 7: 6 0110 +7 +0111 13 1101 O resultado da soma não é um código BCD, já que o resultado é um número maior do que 9. O resultado esperado seria 0001 0011 (13 BCD) e para corrigir isso devemos somar ao resultado o código 0110 (6 BCD), ou seja: 0110 6 (BCD) +0111 7 (BCD) 1101 soma > 9 0110 soma 6 0001 0011 13 (BCD) 3.3.151 Aritmética Hexadecimal Números hexadecimais são amplamente utilizados na programação de computadores em linguagem de máquina e na especificação de endereços de memória de computadores. 3.3.161 Adição em Hexadecimal O procedimento para a adição em hexadecimal é o seguinte: Some os dois dígitos hexadecimais em decimal, inserindo mentalmente o decimal equivalente para os dígitos maiores do que 9; Se a soma é menor ou igual a 15, ele pode ser expresso por um dígito hexadecimal; Se a soma é maior ou igual a 16, subtraia 16 e coloque um carry na próxima posição. Por exemplo: 58 +4B A3 3.3.171 Subtração em Hexadecimal Um modo eficiente de representar números binários é através dos números hexadecimais. A subtração hexadecimal utiliza o mesmo método dos números binários: o complemento a dois do subtraendo é somado ao minuendo e qualquer carry da posição MSD deverá ser descartado. O complemento a dois de um número hexadecimal é mostrado a seguir: 73A Número hexadecimal 0111 0011 1010 Converte para binário 1000 1100 0110 Complemento a 2 8C6 Converte para hexadecimal PAGE 1 PAGE 137 Um outro método é mostrado a seguir: F F F –7 –3 –A 8 C 5 +1 8 C 6 3.41 Portas Lógicas e Álgebra Booleana A álgebra booleana é a ferramenta fundamental para descrever a relação entre as saídas de um circuito lógico e suas entradas através de uma equação (expressão booleana). Existem três operações básicas: OR (OU), AND (E) e NOT (NÃO). • Operação Lógica OR (OU) Fig.3.3. Circuito Lógico “OU” • Operação Lógica AND (E) Fig.3.4. Circuito Lógico “E” • Operação Lógica NOT (NÃO) Fig.3.5. Circuito Lógico “Não” 3.4.11 Descrevendo Circuitos Lógicos Algebricamente Qualquer circuito lógico pode ser descrito usando as portas AND, OR e NOT. Essas três portas são os blocos básicos na construção de qualquer sistema digital. PAGE 1 PAGE 137 Fig.3.6. Circuito Lógico e sua Expressão Lógica Implementando Circuitos Lógicos a partir de Expressões Booleanas Podemos usar a expressão booleana para gerar o circuito lógico. Por exemplo: Fig.3.7. Expressão Lógica e seu Circuito Lógico 3.4.21 Portas NOR e NAND Outros tipos de portas lógicas existentes são as portas NOR e NAND, que na verdade são combinações das portas OR, AND e NOT. Fig.3.8. Portas NOR e NAND 3.4.31 Teoremas da Álgebra de Boole Esses teoremas, aplicados na prática, visam simplificar as expressões booleanas e conseqüentemente os circuitos gerados por estas expressões. Teoremas Booleanos Teoremas de De Morgan 3.4.41 Universalidade das Portas NAND e NOR Qualquer expressão lógica pode ser implementada usando apenas portas NAND ou portas NOR. Isso porque podemos representar portas OR, AND ou NOT usando apenas portas NAND ou NOR. PAGE 1 PAGE 137 serviços de manutenção, os sistemas eram operados sem o computador por muitas horas e até dias. Uma característica importante destes sistemas era a centralização da supervisão e comando, deixando-se, na maioria dos casos, para se efetuar o controle através de equipamentos pneumáticos ou de eletrônica analógica. O próximo passo na evolução dos sistemas de controle vem com os microprocessadores e Controladores Lógico Programáveis. A idéia de se utilizar uma grande tela para mostrar dados de supervisão e controle em uma sala existe há muito tempo. O quem tem mudado de tempos em tempos é a tecnologia por trás dessas grandes telas. Entre 1965 e 1985 se usavam painéis de cerâmica montados em estrutura metálicas (painéis mímicos). Sobre a cerâmica era feito o desenho (serigrafia) lógico do sistema a ser controlado. Os elementos dinâmicos eram representados por componentes luminosos, tais com lâmpadas ou LEDS. De 1985 a 1997 foi à vez dos painéis CRT ou LCD - painéis compostos por monitores CRT (Cathode Ray Tube) ou LCD (Liquid Crystal Display). No período de 1997 a 2001, surgiu a primeira geração dos painéis DLP e, finalmente, de 2001 a 2003, os painéis DLP SIP Inteligentes - painéis compostos por cubos DLP com inteligência integrada ao sistema, através do programa tecnológico SIP - System Intelligent Processing. 4.31 Controladores Lógicos Programáveis 4.3.11 Introdução Este capítulo pretende apresentar uma visão moderna dos controladores industriais, cobrindo não só as funções de lógica e seqüênciamento, mas também os módulos de controle realimentado presentes em grande parte dos controladores existentes no mercado. Devido a grande quantidade de fabricantes dedicados à produção destes controladores, procurou-se exemplificar de forma geral, para não se restringir à abrangência do trabalho. Inicialmente, será apresentado um breve histórico da evolução destes dispositivos. A história dos controladores lógicos programáveis coincide, em parte, com o desenvolvimento dos microprocessadores que vieram viabilizar a implementação de funções complexas de controle digital em equipamentos industriais. Antigamente, as funções de seqüênciamento de operações eram executadas em painéis de controle lógico com centenas e até milhares de relés que efetuavam o acionamento de contatores que, por sua vez, ligavam e desligavam os motores e chaves presentes nos sistemas automáticos industriais. Com a evolução dos minicomputadores, no final da década de 60 e início da década de 70, parte destas funções passaram a ser executadas por estes computadores ligados aos processos industriais e que, na época, eram conhecidos como computadores de processo. A criação do microprocessador e dos computadores pessoais viabilizou o desenvolvimento do que hoje se denomina Controlador Lógico Programável (CLP). Os primeiros CLPs totalmente programáveis [1] foram desenvolvidos em 1969 por uma firma de engenharia denominada Bedford Associates. Posteriormente, a Bedford Associates mudou de nome para Modicon. O seu primeiro CLP foi projetado como um sistema de controle por computador, especialmente idealizado para uma divisão da General Motors. O primeiro sistema recebeu o número 084 e foi denominado Hard Hat. O número 084 se refere às 84 tentativas de criação do sistema. Os modelos foram evoluindo, sendo que os modelos 184 e 384 se pareciam bastante com os CLPs que estão a venda hoje no mercado. Estes modelos eram totalmente programáveis, usando a lógica de escada. O hardware era composto de microprocessador e lógica de estado sólido. O modelo 284 da Modicon era um sistema pequeno com 80 entradas e 40 saídas. Já o modelo 1084 era capaz de controlar 5120 entradas e 5120 saídas. A sua memória era de 40 K bytes. Em 1977, a Modicon foi comprada pelo Gould Inc. No ano seguinte, foi projetada rede Modbus que permitia aos modelos 484 transmitirem dados entre si. A primeira rede entrou em operação em 1979. Em 1980 a Modicon apresentou um sistema pequeno, compacto, de baixo custo e bastante poderoso. Este sistema, denominado Micro 84, era capaz de controlar 64 entradas e saídas e possuía contadores, temporizadores, seqüenciadores, e funções matemáticas. Em 1984, foi apresentado o modelo 984 que incluía funções de PID. O primeiro sistema da Allen Bradley também foi apresentado em 1969 para o mesmo projeto da PAGE 1 PAGE 137 General Motors, embora não tenha sido empregado no projeto. Na realidade, o primeiro sistema da Allen-Bradley foi desenvolvido em 1959 e foi denominado PDQ. O primeiro controlador da Allen-Bradley com temporizadores, contadores e demais funções de CLP, foi apresentado em 1970 e foi denominado PMC. Em 1975, foi lançado o PLC-2 e, em 1979, o PLC 2/20. Diversos outros modelos foram lançados, posteriormente, pela mesma companhia. A Texas Instruments também lançou vários modelos a partir de 1973, se tornando, juntamente com a Modicon e Allen-Bradley, os maiores fabricantes destes equipamentos. Os CLPs hoje existentes consistem basicamente, de um microprocessador com entradas e saídas digitais e analógicas e que podem ser programados para ligar ou desligar as saídas dependendo dos valores das suas entradas, ou então, variar os valores das saídas analógicas, dependendo dos valores introduzidos em suas entradas analógicas. As saídas são comandadas por um programa, que calcula os valores das saídas com base nas entradas. Este programa fica constantemente em loop, fazendo a varredura das entradas, em intervalos de tempo bastante pequenos. Basicamente, entende-se por Controladores Lógicos Programáveis (CLP) os dispositivos empregados em controle de processos que executam funções que podem ser classificadas em dois tipos: • Seqüênciamento de operações • Controle realimentado Por razões didáticas, estas duas funções são apresentadas separadamente, neste texto, embora estejam integradas em grande parte dos CLPs encontrados no mercado. Assim sendo, há três tipos de CLPs, no que se refere às suas funções: • Tipo 1 - Somente com funções de seqüênciamento de operações • Tipo 2 - Somente com funções de controle realimentado • Tipo 3 - Com controle realimentado e funções de seqüênciamento de operações Como exemplo do tipo 3 pode-se citar a linha 5 da Allen Bradley. O controlador MicroLogix 1000 é um exemplo do tipo 1, enquanto que o CD600 da Smar é um caso típico de controlador do tipo 2. Inicialmente, serão tratados os CLPs do tipo 1. 4.3.21 Controladores Lógicos Programáveis usados no Seqüênciamento de operações. Este tipo de controlador tem sido amplamente utilizado nos processos industriais. O termo programável se refere ao fato de que os CLPs trabalham com programas armazenados na memória e que podem ser facilmente alterados para atender às diversas condições de operação das indústrias. Os CLPs substituem os antigos painéis de controle lógico, amplamente utilizados no passado. PAGE 1 PAGE 137 Fig.4.1. Representação esquemática de um CLP. A diferença básica entre um CLP e um painel de controle lógico é que no CLP, a lógica de controle é executada através de um programa digital armazenado em sua memória. No painel de controle lógico, a lógica de controle é executada através da abertura e fechamento das chaves e relés fisicamente instalados. A utilização de um CLP tem duas fases distintas: • Programação • Operação Na fase de programação, toma-se como base o diagrama de contatos do painel lógico de controle e se introduz o programa na memória do CLP. Na fase de operação, o CLP é conectado ao processo para comandar as ações de ligar e desligar seqüencialmente os motores e demais equipamentos. Nesta fase, o CLP executa o programa do usuário em um ciclo fechado, isto é, faz as varreduras nos módulos de entrada e saída e executa e programa, repetidamente. Conforme se pode observar pela fig.4.1, o CLP possui uma entrada física onde se conecta a fiação de entrada, da mesma forma que em um painel de controle lógico. A cada uma dessas entradas corresponde um bit na memória. Ao conjunto de bits correspondentes à entrada, denomina-se palavra de entrada. Na fase de operação, o CLP usa a palavra de entrada para alimentar o programa do usuário. O resultado deste programa é armazenado na palavra de saída que, então, servirá de base para energizar as saídas físicas correspondentes, com os níveis de tensão preestabelecidos. Em geral, os CLPs são compostos dos componentes básicos que estão descritos a seguir. 4.3.31 Componentes básicos de um CLP Uma configuração mínima de CLP deverá ser composta dos seguintes componentes: • Processador • Memória • Circuito de Entrada • Circuito de Saída • Painéis de Programação • Fonte de Alimentação 4.3.41 Processador Os CLPs mais simples empregam processadores de 8 bits, devido à pouca exigência de processamento numérico de suas funções. São empregados microprocessadores tais como o Z80 e o 8085 além de microcontroladores 8031, 8032, etc. Diversos fabricantes desenvolveram seus próprios processadores especialmente para os seus CLPs. Todos esses processadores possuem um conjunto de instruções básicas que permitem: • Processamento aritmético e lógico • Acesso à memória • Acesso às portas de entrada e saída PAGE 1 PAGE 137 4.3.111Exemplo de um Endereço Indexado Neste exemplo, uma instrução Masked Move - MVM (veja seção seguinte) faz uso de endereços indexados, tanto nos endereços da fonte como nos endereços de destino. Considere que o valor de off-set, armazenado em S:24 seja igual a 10. Então, o processador irá manipular o conteúdo das posições correspondentes ao endereço base, mais o valor 10. A Fig.4.2 mostra a instrução MVM dentro do diagrama Ladder e a tabela 4.2 mostra os endereços correspondentes. Fig.4.2. Um exemplo de instrução com endereçamento indexado. Tabela 4.2 – Endereços do exemplo VALOR ENDEREÇO BASE VALOR DE OFF-SET ARMAZENADO EM S:24 ENDEREÇO DE OFF-SET Fonte N7:10 10 N7:20 Destino N7:50 10 N7:60 4.3.121 Endereçamento de Instruções de Arquivo As instruções abaixo manipulam os arquivos das tabelas de dados. Os arquivos são endereçados com o sinal #. Através destas instruções, pode-se armazenar um valor de off-set na palavra S:24, da mesma forma que o endereçamento indexado apresentado anteriormente. Tabela 4.3 - Instruções de Arquivo INSTRUÇÃO SIGNIFICADO COP Copy File: Copia arquivo FLL Fill File: preenche o arquivo BSL Bit Shift Left: desloca o bit para a esquerda BSR Bit Shift Right: desloca o bit para a direita FFL FIFO Load: carrega a pilha do tipo “primeiro que entra, primeiro que sai”. FFU FIFO Unload: descarrega a pilha do tipo “primeiro que entra primeiro, que sai” LFL LIFO Load: carrega a pilha do tipo “último que entra primeiro que sai” LFU LIFO Unload: descarrega a pilha do tipo “último que entra primeiro que sai” SQO Sequencer Output: saída do sequenciador SQC Sequencer Compare: comparação do sequenciador SQL Sequencer Load: carrega o sequenciador 4.3.131 Constantes Numéricas Pode-se introduzir constantes numéricas diretamente em diversas instruções. A faixa de variação para a maioria destas instruções é de -32768 até +32767. Estes valores podem ser mostrados como: • Números inteiros • Números binários • ASCII • Hexadecimal Quando se introduz uma constante em uma instrução ou tabela, pode-se especificar o tipo da PAGE 1 PAGE 137 constante através do operador &, seguido de um caractere que define o tipo, isto é: Tabela 4.4 - Especificação de Constantes TIPO OPERADOR INTEIRO &N BINÁRIO &B ASCII &A HEXADECIMAL &H BCD &D OCTAL &O 4.3.141 Instruções Básicas para programação de CLP A programação dos CLPs exige sempre o conhecimento detalhado do equipamento a ser utilizado. Há necessidade de se conhecer as características e procedimentos específicos de cada fabricante. Entretanto, uma linguagem bastante utilizada é aquela que imita os diagramas de contatos, amplamente utilizados no passado, nas indústrias. Nestes diagramas, consideram-se uma barra negativa e outra positiva que ligam saídas através de contatos. Como estes desenhos tomam uma forma semelhante a uma escada (Fig.4.5), esta forma de programar os CLP passou a ser conhecida como programação através de diagramas LADDER (escada). Nesses diagramas, têm-se diversos elementos que, em princípio, simbolizam dispositivos físicos que eram utilizados nos painéis de contatos. Basicamente, estes dispositivos físicos eram: • Contatos • Saídas • Temporizadores • Contadores • Outras funções específicas Os CLPs utilizam estes mesmos conceitos, exceto que, em vez de utilizarem elementos físicos, realizam estas funções por software. Na verdade, cada um destes elementos e muitos outros, são representados por instruções de software. Esta é a grande vantagem da utilização dos CLPs, pois grandes partes das modificações, em geral, não implicam em mudanças físicas na planta, mas, somente, na modificação do programa armazenado no CLP. 4.3.151 Instrução do Tipo Relé As instruções do tipo relé têm a finalidade de substituir os relés eletromecânicos antigos. Podem ser no tipo NA ou NF conforme mostrados na fig.4.3. Fig.4.3. Instruções do tipo bit Relé NA: tais dispositivos fecham os seus contatos quando são energizados (Fig.4.3). A denominação NA, normalmente aberto, se refere à consideração do que os relés eletromecânicos, deste tipo, estariam abertos se estivessem fora do circuito, ou seja, na prateleira. Relé NF: tais dispositivos abrem os seus contatos quando são energizados (Fig.4.3). A denominação NF, normalmente fechado, se refere à consideração de que os relés eletromecânicos, deste tipo, estariam fechados se estivessem fora do circuito, ou seja, na prateleira. PAGE 1 PAGE 137 4.3.161 Instrução - Liga a Saída Esta instrução serve para habilitar uma saída, que tanto pode corresponder a uma saída física do CLP, como a um bit. A saída será habilitada quando a condição do degrau, onde está localizada a instrução se tornar verdadeira. Quando a condição do degrau se tornar falsa, a saída será desabilitada. Este tipo de instrução representa, basicamente, a energização das bobinas nos antigos relés eletromecânicos. 4.3.171 Exemplos de programas • Exemplo 1 Nesta aplicação, um CLP é utilizado para acionar uma pá capaz de retirar da esteira rolante os produtos que estiverem tombados. A fig.4.4 ilustra o problema. Fig.4.4. Exemplo de uma esteira rolante. SOLUÇÃO: Na fig.4.4, as duas setas horizontais estão simbolizando a existência de duas células fotoelétricas que irão energizar as entradas I:0/1 e I:0/2, caso o objeto esteja em pé. Se o objeto estiver tombado, a entrada I:0/1 estará desligada e I:0/2 estará ligada. Neste caso, deve-se acionar o dispositivo (saída O:0/2) que irá tirar o produto da esteira. Se ambas estiverem desligadas, isto significará que não há produto passando em frente às células, naquele momento. O diagrama ladder correspondente está apresentado na fig.4.5. Fig.4.5. Diagrama ladder correspondente ao Exemplo • EXEMPLO 2 PAGE 1 PAGE 137 O diagrama da fig.4.11 pode ser feito, sem as instruções OTL e OTU, utilizando-se contatos auxiliares, como na fig.4.11. Fig.4.11. Selando a saída Na fig.4.11, ao se habilitar a entrada I:0/4, estando a I:0/5 desabilitada, a saída O:0/1 fica ligada em definitivo. Para desligá-la basta um pulso na entrada I:0/5. Como se pode observar, para isso foi necessário o uso do bit B3/1. Observe que os diagramas das fig.4.10 e fig.4.11 executam, exatamente, a mesma tarefa, porém com instruções diferentes. 4.3.191 Instrução Liga em uma varredura (OSR) Esta instrução serve para ligar uma saída quando o estado de um degrau passar de falso para verdadeiro. Nestas condições, a instrução passará de desligada para ligada, somente em uma varredura. Terminada a varredura a instrução voltará a ser falsa, mesmo que as condições do degrau permaneçam verdadeiras. A instrução se tornará verdadeira novamente, somente quando a condição do degrau passar de falsa para verdadeira. O código mnemônico para esta instrução é OSR. Pode-se usar somente uma instrução OSR, por degrau, para cada saída. O endereço da instrução OSR deve ser de um bit, isto é, não poderá ser de uma saída ou entrada física. Este endereço não pode ser usado em outra parte do programa. O diagrama da fig.4.12 ilustra o uso desta instrução. Fig.4.12. Instrução OSR Neste exemplo, quando a entrada I:0/4 for ligada, a saída I:0/5 será também ligada e permanecerá ligada somente durante o tempo de uma varredura do CLP. A saída somente voltará a ser ligada quando a entrada I:0/4 for ligada novamente. Observe que mesmo que a entrada permaneça ligada, a saída somente ficará ligada durante o tempo de uma varredura do CLP. 4.3.201 Temporizadores Os temporizadores realizam, por software, as funções dos antigos relés de tempo eletromecânicos. Estes relés eram construídos com peças de relojoaria bastante precisas e PAGE 1 PAGE 137 realizavam com perfeição a função de fechar e abrir contatos após ter transcorrido o tempo prefixado. Os temporizadores são programados através de instruções que ocupam 3 palavras. A palavra 0(zero) contém os controles, a palavra 1(um) contém o valor prefixado e a palavra 2(dois) contém o valor acumulado. O esquema da fig.4.13, mostra a organização dessas três palavras. Fig.4.13. Estrutura do Temporizador. Na fig.4.13 os bits EN, TT e DN têm significados diferentes dependendo do tipo de instrução que estiver sendo utilizada. Os elementos do temporizador são: • Valor acumulado (ACC): trata-se do tempo transcorrido desde a última vez que o temporizador foi inicializado. • Valor prefixado (PRE): trata-se do valor que o temporizador precisa atingir para que o bit DN seja habilitado. Tanto ACC como PRE podem variar de 0 a +32.767. Se, por algum motivo, ACC ou PRE assumirem valores negativos, ocorrerá um erro de execução. • Base de tempo: trata-se do valor pelo qual deve-se multiplicar o valor de tempo real transcorrido. Há somente duas possibilidades para a base de tempo 0.01 (10ms) ou 1.0 segundo. O endereçamento dos temporizadores, para o mesmo fabricante, é feito como no exemplo seguinte, onde o temporizador utilizado tem o número zero (0). Observe que todos os temporizadores serão referidos por T4. A convenção usada segue a fórmula Tf:e.s/b onde cada um dos elementos tem o significado apresentado abaixo: Tabela 4.5 - Endereçamento de um Temporizador SÍMBOLO SIGNIFICADO T Indica que se trata de um temporizador f Trata-se do número do arquivo, que no caso de temporizadores, deve ser sempre igual a 4. : Delimitador de elemento e Número do elemento. Varia de 0 a 39, onde cada número representa um conjunto de 3 palavras. Indica que o símbolo ou número que vem em seguida se refere a uma palavra de memória e não um bit. S Trata-se do sub-elemento, que tanto pode ser a representação de uma palavra ou um bit. É um delimitador que indica que o símbolo que vem em seguida se refere a um bit e não a uma palavra de memória. b trata-se do símbolo ou do número do bit correspondente. PAGE 1 PAGE 137 Na tabela seguinte, apresentam-se os endereços correspondentes aos elementos do temporizador de número 0 (zero). Tabela 4.6 - Exemplos de Endereços ENDEREÇO SIGNIFICADO T4:0/15 ou T4:0/EM Bit EN do temporizador 0 T4:0/14 ou T4:0/TT Bit TT do temporizador 0 T4:0.1 ou T4:0.PRE Valor prefixado para o temporizador 0 T4:0.2 ou T4:0.ACC Valor acumulado do temporizador 0 T4:0.1/0 ou T4:0.PRE/0 Bit 0 do valor prefixado T4:0.2/0 ou T4:0.ACC/0 Bit 0 do valor acumulado Para o CLP apresentado há basicamente, 3 tipos de temporizadores: • Temporizador TON (Timer On Delay) • Temporizador TOF (Timer Of-Delay) • Temporizador RTO (Retentive Timer RTO) 4.3.211Temporizador TON Esta instrução deve ser usada para se atrasar o momento de se ligar ou desligar um contato. Quando as condições do degrau se tornarem verdadeiras o temporizador começará a contar o tempo e os bits DN, EN e TT se comportarão como na tabela abaixo. Tabela 4.7 – Temporizador TON BIT SERÁ HABILITADO QUANDO PERMANECERÁ HABILITADO ATÉ QUE Dn (Done Bit) O valor acumulado for igual ou maior que o valor prefixado as condições do degrau se tornem falsas EN (Enable Bit) As condições do degrau se tornarem verdadeiras as condições do degrau se tornem falsas TT (Timer Timing Bit) As condições do degrau se tornarem verdadeiras e o valor acumulado for menor que o valor prefixado as condições do degrau se tornarem falsas ou quando o bit DN for habilitado. PAGE 1 PAGE 137 Tabela 4.10 – Comportamento dos Bits BIT SERÁ HABILITADO QUANDO PERMANECERÁ HABILITADO ATÉ QUE DN (Done Bit) o valor prefixado for atingido Uma instrução RES, com o mesmo endereço da instrução CTU, for executada, ou quando o valor acumulado entrar nos limites de -32768 e +32767 OV (Overflow Bit) o valor acumulado ultrapassar os limites de -32768 e +32767 as condições do degrau se tornem falsas CU (Count Up) As condições do degrau se tornarem verdadeiras as condições do degrau se tornarem falsas ou quando uma instrução RES com o mesmo endereço da instruçãoCTU for executada A fig.416 mostra como o contador pode ser utilizado em um diagrama Ladder. Fig.4.16. Exemplo do uso de um contador. Neste exemplo, toda vez que a entrada I:0/4 for habilitada, o contador C5:0 adicionará mais um ao PAGE 1 PAGE 137 valor acumulado. Quando o valor 57 for atingido, o bit C5:0 DN será habilitado, ligando-se a saída O:0/1. Para se inicializar o contador novamente, deve-se utilizar uma instrução RES, que é apresentada na próxima seção. 4.3.241 Instrução RES Esta instrução serve para zerar um temporizador ou contador. A tabela seguinte mostra quais os bits e palavras que serão zerados quando esta instrução for executada. Tabela 4.11 - Uso da Instrução RES USANDO-SE A INSTRUÇÃO RES SERÃO ZERADOS Em um temporizador (não se deve usar a instrução RES em um temporizador do tipo TOF) ACC, DN, TT, EN Em um contador ACC, OV, UN, DN, CU, CD A fig.4.17 mostra como se usa a instrução RES, para se zerar um contador. Fig.4.17. Uso da instrução RES. PAGE 1 PAGE 137 4.41 IEC 61131-3: A Norma para Programação EC 61131-3 é a primeiro esforço real para a padronização das linguagens de programação para a automação industrial. Como este apelo mundial, esta é uma norma independente de qualquer empresa. IEC 61131-3 é a terceira parte da família IEC 61131. Esta consiste de: • Parte 1 General Overview • Parte 2 Hardware • Parte 3 Programming Languages • Parte 4 User Guidelines • Parte 5 Communication Existem muitas formas de entender a parte 3 da norma. Vamos identificar algumas: • O resultado da Força Tarefa 3, Linguagens de Programação, dentro do IEC TC65 SC65B • O resultado do trabalho árduo de 7 empresas internacionais somando dezenas de anos de experiência no campo da automação industrial • Aprox. 200 páginas de texto, com cerca de 60 tabelas, incluindo tabelas de características. • A especificação da sintaxe e semântica de uma suíte unificada de linguagens de programação, incluindo o modelo geral de software e uma linguagem de estruturação. Outra elegante forma é dividir a norma em duas partes (vide fig.4.18): • Elementos Comuns (Common Elements) • Linguagens e programação (Programming Languages) Fig.4.18. Divisão da Norma PAGE 1 PAGE 137