Controle de processos

Capítulo I

Introdução ao Controle de Processos

1. Entendimento do problema2. Conceitos básicos3. Abrangência da automação4. Motivação para controle de processo5. Leis de Luyben6. Terminologia7. Simbologia de Instrumentação

1. Entendimento do problema

1.1 Dinâmica e controle

O principal objetivo deste curso é capacitar o (futuro) Engenheiro em Controle de Processos. A primeira etapa consiste em entender e saber responder a perguntas tais como:

• o que é controle de processos? • por que controlar um processo? • como controlar um processo? • o que o engenheiro é capaz de fazer para isto?

Um dos conceitos mais queridos dos estudantes de engenharia é o estado estacionário. Sempre que ele aparece em uma questão de prova, rapidamente percebemos que será possível utilizar uma equação simplificada (obtida igualando a zero todas as derivadas em relação ao tempo).

Esta simplificação é extremamente útil para o dimensionamento de equipamentos, já que reflete a condição de operação desejável. Mas o estado estacionário, na maior parte das vezes, é somente um objetivo buscado, mas nem sempre atingido ou mantido por muito tempo.

Dinâmica: as coisas mudam

Em qualquer processo industrial, as condições de operação estão sujeitas a mudanças ao longo do tempo. O nível de líquido em um equipamento, a pressão em um vaso, a vazão de um reagente ou sua composição; todas estas condições podem (e costumam) variar. Mesmo os dados que consideramos constantes no projeto (por exemplo, a temperatura ambiente) têm o hábito de variar apesar de nossas premissas em contrário

Controle: uma tentativa de influir no processo

Controlar um processo significa atuar sobre ele, ou sobre as condições a que o processo está sujeito, de modo a atingir algum objetivo.

Por exemplo, podemos achar necessário ou desejável manter o processo sempre próximo de um determinado estado estacionário, mesmo que efeitos externos tentem desviá-lo desta condição.

Este estado estacionário pode ter sido escolhido por atender melhor aos requisitos de qualidade e segurança do processo.

Objetivo de controle: precisa-se

Conta-se que um sujeito entrou correndo em um elevador, quase sem fôlego. O ascensorista pergunta: "Que andar?", e ouve em resposta: "Qualquer um, estou no prédio errado mesmo".

Infame como piada, a anedota serve para ilustrar uma questão fundamental em controle de processo. Devemos ter uma clara noção de nossos objetivos. É inútil influir em um processo sem saber o que desejamos obter.

1.2 Exemplos cotidianosManter um carro na estrada

monitora-se a trajetória/ velocidade/ tráfegoatua-se sobre volante/ acelerador/ freiocontrola-se a trajetóriasegurança: guard-rails/ muretas

Tomar uma ducha quente

x Figura imprópria para este horário

monitora-se temperatura/ vazão da águaatua-se sobre as torneirascontrola-se a temperatura (e vazão, se der)segurança: box maior que o jato da ducha

Controle de orçamento monitora-se o saldo bancárioatua-se sobre desembolsoscontrola-se o orçamento segurança: poupança?

Navegação interplanetária

monitora-se trajetória/ combustívelatua-se por meio de TCMscontrola-se a trajetória segurança: . . .

Altitude de vôo monitora-se tudo atua-se sobre manche, etc. controla-se a altitudesegurança: . . .

1.3 Uma representação esquemática simplificada

A atuação de um controlador pode ser representada graficamente como um fluxo de informações entre módulos com funções distintas. Na figura abaixo, um módulo de monitoração obtém uma informação proveniente do processo e envia ao controlador (este procedimento pode conter várias etapas, por exemplo de conversão de sinais). O controlador recebe esta informação, toma decisões e comunica a um elemento final a ação a ser tomada. O elemento final, por sua vez, interfere em alguma condição de processo para tentar alterar o comportamento do processo.

Observe que este esquema não representa um fluxo de informação fundamental: de onde o controlador obtém os objetivos de controle?

1.4 O papel do Engenheiro

Nos próximos capítulos, veremos como o Engenheiro pode ter participação ativa nas seguintes atividades: •contribuir na fase de projeto (projeto controlável) •determinar estratégias de controle •selecionar sensores (tipo, localização) •selecionar elementos finais de controle •dimensionar sistemas de controle •contribuir no desenvolvimento da interface com os operadores (displays)

2. Conceitos básicos

Utilizando como exemplo um aquecedor elétrico de líquido, vamos definir alguns conceitos básicos de controle de processo.

No desenho, T e F representam respectivamente temperatura e vazão. Os subscritos indicam entrada e saída. O objetivo do processo é aquecer o líquido (inicialmente na temperatura Te) até um valor desejado, TR.

2.1 O ponto de vista do projeto

Dimensiona-se o equipamento de modo a fornecer a quantidade de calor adequada aos objetivos do processo.

Balanço material: Fe = Fs = F Balanço térmico: Q = F.c.(TR - Te) para que Ts = TR

2.2 O ponto de vista da operação

O processo raramente opera de forma estável nas condições de projeto. Para operar com sucesso, é necessário compensar o efeito de perturbações externas.Supondo que Te esteja sujeita a perturbações, qualquer uma das abordagens a seguir poderia ser utilizada:

variável controlada variável medida variável manipulada

TR Ts Q

TR Te Q

TR Ts F

TR Te F

TR Te e Ts Q

TR Te e Ts F

Observação: em certos casos, o objetivo do processo pode ser garantido sem controle => aumentar capacitância do sistema (volume)

Controle por realimentação (feed-back): o controle é feito com base na comparação entre o resultado obtido e o desejado.

Controle feed-forward (chamado às vezes de preditivo): o controle é feito com base nos dados de entrada. Para sua aplicação, o controlador deve entender as relações de causa e efeito relativos ao comportamento do processo.

2.3 Controle automático simplificado

Q = Qproj + K. (TR - Ts)

Representação esquemática

3. Abrangência da automação

3.1 Controle de processo

•Controle de temperatura, vazão, pressão, nível

•Controle de pH

3.2 Segurança do processo

•Válvulas de segurança/ discos de ruptura •Intertravamento •Diagrama de causa e efeito •Diagrama lógico

3.4 Controle e supervisão

•Tempo de resposta •Algoritmos de controle •Otimização de processo

3.5. Controle tradicional e controle avançado

•Modelos empíricos •Controle baseado em modelos

4. Motivação para controle de processo

4.1 Principais objetivos de controle

•Segurança operacional e pessoal •Adaptação a perturbações externas •Estabilidade operacional •Especificação do produto •Redução do impacto ambiental •Adaptação às restrições inerentes (equipamento/ materiais/ etc.) •Otimização •Resultado econômico do processo

4.2 Justificativa econômica

Um sistema de controle confiável permite operar próximo aos limites impostos pela segurança, pelo meio-ambiente e pelo processo (temperatura máxima, pureza mínima), o que permite alterar as condições de operação normais (linha tracejada na figura) para uma condição mais favorável (linha contínua ).

Os ganhos associados a uma menor variabilidade se tornam ainda maiores em processos onde existem transições entre produtos com diferentes graus ou especificações, como ocorre freqüentemente no refino do petróleo e em unidades de polimerização.

Inevitavelmente, durante a transição, haverá um período em que será gerado um produto fora de especificação, que será reciclado (maior gasto de energia) ou vendido (a preços mais baixos).

A seleção de uma boa estratégia de controle permite reduzir o tempo de produção fora da especificação, e conseqüentemente melhora o resultado econômico do processo.

5. Leis de Luyben

O autor do livro-texto propõe duas leis básicas para quem pretende trabalhar com controle de processo.

Primeira Lei: O sistema de controle mais simples que atende aos requisitos é o melhor.

Segunda Lei: Entender o processo é requisito para poder controlá-lo.

6. Terminologia•Dinâmica do Processo •Variáveis de processo

*medida/ monitorada *controlada *manipulada *perturbação externa

•Estabilidade do processo •Malha Aberta •Malha Fechada •Erro •Feedback •Feedforward

7. Simbologia de Instrumentação *Instrumentos

*Sinais Pneumáticos (0,2 a 1,0 kgf/cm2) Eletrônicos (4-20 mA; ON-OFF) Digitais (software)

*Elemento final de controle Válvula de controle Variador de freqüência Cursor (stroke) de bomba alternativa

*Controlador

Nomenclatura dos instrumentos1ª letra: tipo de variável

2ª letra em diante: função do instrumento

A composição (analisador) A alarmeB detetores de chama C controladorD densidade E elemento sensorE tensão, DDP G visorF vazão, fluxo I indicadorH ação manual Q totalizador, acumuladorI corrente elétrica R registradorK tempo S chaveL nível T transmissorM umidade V válvulaP pressão Y outras funçõesS velocidadeT temperatura 2ª letra: modificadorW peso, vazão mássica D diferencialX outros instrumentos F razãoZ posição

Modificadores de variável de processo: a letra F na 2ª posição indica "razão": FFI é um indicador de razão entre vazões;

a letra D na 2ª posição indica "diferencial": PDI é um indicador de pressão diferencial (delta p).

Modificadores de função: colocados no final do "TAG" para chaves e alarmes: H, HH, L, LL

Normalmente são usadas combinações, como por exemplo: FRC PDIC FQIT FIT TSH PDALL