Controle e Automação

Controle & Automação

Marco Antônio Ribeiro


Marco Antônio Ribeiro

Quem pensa claramente e domina a fundo aquilo de que fala, exprime-se

claramente e de modo compreensível. Quem se exprime de modo obscuro e pretensioso mostra logo que não entende muito bem o assunto em questão ou então, que tem razão para evitar falar claramente (Rosa Luxemburg)

© 2010 © Marco Antonio Ribeiro Inverno 2010

Copyright © 2010 Marco Antonio Ribeiro Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil)

Ribeiro, Marco Antonio Controle & Automação, por Marco Antonio Ribeiro, Salvador, BA, Editora, 2010

Bibliografia

Conteúdo: Controle, Automação.

CDD 620.0028 CDU 620.0028

2010

Índices para catalogo sistemático: 1. Instrumentação: Engenharia 620 2. Instrumentos: Engenharia 620 Salvador, BA, Inverno 2010

Dedicatória

Dedicado a Naira Villar, uma grande mulher.

Prefácio Este trabalho Controle & Automação pretende ser uma introdução aos princípios básicos e as

práticas dos vários métodos e estratégias de controle e automação aplicados na produção e exploração de petróleo e gás natural. O desenvolvimento matemático é o mínimo possível e é usado apenas para enfatizar os aspectos físicos e a teoria de operação das ações de controle.

Na parte de Controle, o presente trabalho faz uma revisão dos conceitos de Processo Industrial, mostrando os parâmetros de dificuldade de controle como tempo morto e característico. São apresentadas as diferentes estratégias de controle através da Malha de Controle, enfatizando a realimentação negativa, que é a base da maioria absoluta das aplicações praticas. É apresentado o Controlador, com suas partes constituintes e para fixar idéias, são detalhados os funcionamentos do controlador analógico (pneumáticos de painel e campo, eletrônico com amplificadores operacionais) e o controlador digital, microprocessado como single loop e o bloco de controle de sistemas digitais. As ações de Controle são explicadas, quando são mostradas características e aplicações das ações Proporcional, Integral e Derivativa e apresentados os vários métodos de sintonia do controlador, operação fundamental para a operação estável e eficiente da malha de controle. De um modo simples, são apresentados os esquemas mais complexos, envolvendo o Controle Multivariável, onde são vistos os conceitos, configurações e aplicações dos sistemas de controle cascata, relação de vazões, faixa dividida e auto seletor.

Na parte de Automação, o presente trabalha mostra as principais tecnologias utilizadas, taiso como Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD), Controle Supervisório e Aquisição de Dados (SCADA) e Controlador Lógico Programável (CLP). Ela mostra a filosofia e gerenciamento de Alarme, apresenta as principais linguagens de programação gráfica (diagrama ladder e diagrama de bloco de função), o desenvolvimento e aplicacao de Interface Humano Maquina (IHM) e finalmente, de modo superficial, apresenta as principais redes e protocolos digitais utilizados.

Este trabalho constitui a base de uma disciplina: Controle e Automação do curso de Engenharia Submarina que o autor ministra para engenheiros eletricistas e eletrônicos da Petrobras.

As sugestões, as criticas destrutivas e as correções são benvindas, desde que tenham o objetivo de tornar mais claro e entendido o assunto.

Endereço físico do autor: Rua Carmen Miranda 52, A 903, CEP 41810-670 Fone (71) 3452 4286 e Celular (071) 9979.9955. E-mail: [email protected].

Marco Antônio Ribeiro Salvador, BA, Inverno 2010

Autor

Marco Antônio Ribeiro se formou no ITA, em 1969, em Engenharia de Eletrônica blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá.

Durante quase 14 anos foi Gerente Regional da Foxboro, em Salvador,

BA blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá.

Fez vários cursos no exterior, possui dezenas de artigos publicados e já

ministrou mais de 500 cursos blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá.

Atualmente é diretor da Tek Treinamento e Consultoria Ltda, blablablá,

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Na vida pessoal, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá,

blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá, blablablá gosta de corrida, música de Beethoven, xadrez, fotografia, leitura, cinema e viagens; enfim, da vida.

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Conteúdo

1. CONTROLE 1

OBJETIVOS DE ENSINO 1 1. CONCEITOS DE CONTROLE 1 2. VANTAGENS DO INSTRUMENTO 2 3. OBJETIVOS DO CONTROLE 2

3.1. Qualidade do Produto 2 3.2. Quantidade do Produto 2 3.3. Economia do Processo 3 3.4. Ecologia 3 3.5. Segurança da Planta 3 3.6. Proteção do Processo 3

4. TIPOS DE CONTROLE 4 4.1. Controle Manual 4 4.2. Controle regulatório 5 4.3. Controle com Servomecanismo 5

5. ENFOQUES DO CONTROLE DE PROCESSO 7 5.1. Sem controle 7 5.2. Operação manual 7 5.3. Controle liga-desliga 8 5.4. Controle automático contínuo 8 5.5. Controles de emergência 8 5.6. Conclusão 9

6. SISTEMA DE GERENCIAMENTO DA

SEGURANÇA 9 6.1. Sistema de Desligamento de

Segurança 10 6.2. Sistema Instrumentado de Segurança

10

2. PROCESSO 13

OBJETIVOS DE ENSINO 13 1. CONCEITO DE PROCESSO 13 2. TIPOS DE PROCESSO 13

2.1. Processo Contínuo 14 2.2. Processo Batelada (Batch) 15

3. VARIÁVEIS DO PROCESSO 17 3.1. Introdução 17 3.2. Realimentação negativa (Feedback) 17 3.3. Variável Controlada 18 4.4. Variável Medida 18 3.5. Variável Manipulada 18 3.6. Relação com processo 19 3.7. Variáveis Aleatórias e Distúrbios 19 3.8. Grau de Liberdade e Variáveis 20

3. CONTROLE DO PROCESSO 21 3.1. Controlabilidade do Processo 21 3.2. Parâmetros Dinâmicos 22 3.3. Inércia 22 3.4. Tempo Morto 22

3.5. Tempo Característico 23 4. TIPOS BÁSICOS DE PROCESSO 26

4.1. Processo Auto-regulante 26 4.2. Processo Integrante 27 4.3. Processo run away) 28 4.4. Outro enfoque 28

5. MODELO DO PROCESSO 29 5.1. Conceito de modelo 29 5.2. Princípios de modelagem matemática

30 5.3. Transformada de Laplace 30 5.4. Função de Transferência 30 5.5. Diagrama de blocos 31 5.6. Resposta de freqüência 32

6. CURSOS DE CONTROLE DE PROCESSO E

LAPLACE 32

3. MALHA 33

OBJETIVOS DE ENSINO 33 1. MALHA DE CONTROLE 33 2. INSTRUMENTOS DA MALHA 33

2.1. Elemento Sensor 34 2.2. Transmissor 34 2.3. Transdutor i/p 34 2.4. Controlador 35 2.5. Válvula de Controle 35

3. MALHA ABERTA 36 3.1. Indicação e Registro 36 3.2. Controle Manual 36 3.3. Controle Programado 36

4. MALHA FECHADA 37 4.1. Realimentação 37 4.2. Realimentação Positiva 37 4.3. Realimentação Negativa 37

5. ESTABILIDADE DA MALHA 38 5.1. Curva de reação ao degrau 38 5.2. Critérios de Estabilidade 39 5.4. Ganho 39 5.5. Banda Proporcional 41 5.6. Ângulo de fase 42 5.7. Oscilação 42 5.8. Saturação 43 5.9. Amortecimento 43 5.10. Condições de Estabilidade 44

4. CONTROLADOR 45

OBJETIVOS DE ENSINO 45 1. CONCEITO 45

1.1. Medição 45 1.2. Ponto de Ajuste 46 1.3. Estação Manual 46


ii

1.4. Unidade de Balanço Automático 46 1.5. Ação Direta ou Inversa 46

2. CIRCUITOS DO CONTROLADOR 48 2.1. Controlador Paralelo 48 2.2. Controlador Série 48 2.3. Controlador Analógico 49

3. CONTROLADORES PNEUMÁTICOS 49 3.1. Controlador Liga-Desliga 49 3.3. Controlador Proporcional 50 3.4. Controlador Proporcional Integral 51 3.5. Controlador Proporcional +

Derivativo 52 3.6. Proporcional, Integral e Derivativo 53

5. CONTROLADOR ELETRÔNICO 54 5.1. Esquemas de Controle Digital 55 5.2. Funções do controlador 56 5.3. Entrada de dados 58 5.4. Algoritmo de controle 59 5.5. Saída do comando 62 5.6. Modos de Operação 63 5.7. Situações anormais. 63

6. CONTROLE DIGITAL DISTRIBUÍDO 64 6.1. Introdução 64 6.2. Estrutura do sistema digital 64 6.3. Tendências atuais 66 6.4. Conclusão 67

7. CONTROLADOR VIRTUAL 70 7.1. Conceito 70 7.2.Controlador virtual comercial 70

5. ALGORITMO PID 75

OBJETIVOS DE ENSINO 75 1. AÇÃO OU MODO DE CONTROLE 76 2. AÇÃO LIGA-DESLIGA 77

2.1. Conceitos 77 2.2. Aplicações 77

3. AÇÃO PROPORCIONAL 78 3.1. Conceito 78 3.2. Relação Matemática 78 3.3. Desvio Permanente 80 3.4. Reset manual e automático 81 3.5. Aplicações da Ação Proporcional 81

4. AÇÃO INTEGRAL 82 4.1. Conceito 82 4.2. Relação Matemática 83 4.3. Características 83 4.4. Saturação do Modo Integral 84 4.5. Aparecimento da Saturação 85 4.6. Eliminação da Saturação do Integral

85 5. AÇÃO DERIVATIVA 86

5.1. Conceito 86 5.2. Relação Matemática 86 5.3. Características 87 5.4. Aplicações 88

7. CONTROLE DAS VARIÁVEIS 89 7.1. Pressão 89 7.2. Vazão 89 7.3. Nível 90 7.4. Temperatura 90

8. SINTONIA DO CONTROLADOR 91 8.1. Critérios de Desempenho 92 8.2. Modos do Controlador 94 8.3. Componentes da Malha 95 8.4. Filosofia da sintonia 96 8.5. Critérios de Sintonia 98 8.6. Ajustes Típicos 100 8.7. Recomendações para sintonia 100

9. CONCLUSÃO 101

6. MULTIVARIÁVEL 103

OBJETIVOS DE ENSINO 103 1. INTRODUÇÃO 103 2. REALIMENTAÇÃO NEGATIVA 103 3. CONTROLE CASCATA 105

3.1. Introdução 105 3.2. Conceito 105 3.3. Objetivos 106 3.4. Vantagens 106 3.5. Saturação do modo integral 106

APLICAÇÕES 106 3.2. Nível com vazão 107 3.3. Temperatura com pressão 107 3.3. Temperatura com temperatura 108 3.4. Posicionador da válvula para controle

de nível 108 5. CONTROLES CHAVEADOS 109 6. CONTROLE AUTO-SELETOR 109

6.1. Conceito 109 6.2. Aplicação: nível e vazão 110 6.3. Características 110 6.4. Cuidado para a não Saturação 110 6.5. Aplicações 111

7. CONTROLE DE RELAÇÃO (RATIO) 112 7. 1. Conceitos 112 7.2. Características 112 7.3. Aplicações 113

4. CONTROLE DE FAIXA DIVIDIDA 114 4.1. Conceito 114 4.2. Aplicações 114

8. CONTROLE FEEDFORWARD 116 8.1. Introdução 116 8.2. Funções Básicas 116 8.3. Partes Fundamentais 116 8.4. Características 117 8.5. Limitações 118 8.6. Comparação com o Feedback 118 8.9. Conclusão 119

7. SISTEMAS DIGITAIS 121

1. INTRODUÇÃO 121 2. SISTEMA DIGITAL DE CONTROLE

DISTRIBUÍDO (SDCD) 121 2.1. Introdução 121 2.2. Emerson 122 2.3. Foxboro 123 2.4. Yokogawa 124

3. CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL

(CLP) 124 3.1. Conceito 124


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3.2. Construção 125 3.3. Operação do CLP 125 3.4. Varredura do CLP 126 3.5. Capacidade do CLP 126 3.6. Configuração de CLP 126 3.7. Equipamentos associados 128 3.8. Dimensionamento do CLP 128 3.9. Comunicação de dados 128 3.10. Terminal de programação 128 3.11. Sistema de Comunicação 129 5.12. CLP de segurança 129

4. SCADA 131 4.1. Introdução 131 4.2. Coleta de dados 131 4.3.Estação de Operação 132 4.3. Programa Aplicativo (Software) 133

8. PROGRAMAÇÃO 135

OBJETIVOS DE ENSINO 135 1. INTRODUÇÃO 135 2. NORMA IEC 61 131 136 3. FERRAMENTAS AUXILIARES 137

3.1 Fluxograma (Flowchart) 137 3.2. Diagrama de Função Seqüencial (SFC

– Sequential Function Chart) 137 4. LINGUAGENS TEXTUAIS 138

4.1. Elementos comuns 138 4.2. Lista de Instruções 138 4.3. Texto Estruturado 141

5. LINGUAGENS GRÁFICAS 145 5.1. Elementos comuns 145

5.2. DIAGRAMA LADDER 146 Introdução 146 Componentes 146 Regras de composição 147 Exemplos 147

APLICAÇÕES DE DIAGRAMA LADDER 149 Alarme de Alta Pressão 149 Controle de Bomba e duas lâmpadas piloto

com chave de nível 150 Controle seqüencial de 3 motores 151 Controle temporizado de motores 152 Controle seqüencial temporizado de

motores 153 Controle de Velocidade de motores 154

5.3. BLOCOS DE FUNÇÃO 156 Conceito 156 Parâmetros dos blocos 156 Tipos de blocos de função 156 Blocos Personalizados 156 Blocos Funcionais Padrão 157 ADD - Aritmética de Adição 157 AIN – Bloco de entrada analógica 158 AND - Lógica booleana E 158 AOUT – Bloco de saída analogica 159 CTD - Contador Decrescente 159 CTU - Contador Crescente (CTU) 160 CTDU - Contador Crescente e Decrescente

160 DIV - Aritmética de Divisão 161

EQ - Comparador Igual a 161 EXPT – Aritmética de exponenciação 162 F_TRIG – Gatilho na descida 162 GE - Comparador Maior ou Igual a 163 GT - Comparador Maior que 163 LE - Comparador Menor ou Igual a 164 LT - Comparador Menor que 164 LEADLAG – Bloco compensador dinâmico

165 LIMIT – Limitador de sinal 166 MOVE - MOVE 166 MAX – Seletor de máximo 167 MIN – Seletor de mínimo 167 MUL – Aritmética de Multiplicação 168 MUX - Multiplexador 168 NE - Comparador Não Igual a 169 NOT – Lógica Não 169 OR - Lógica booleana OU 170 PACK16 170 PACK32 - 171 Descrição 171 R_TRIG – Gatilho na subida 171 PID 172 Flip Flop RS (R dominante) 173 Flip Flop SR (S dominante) 173 SEL - Seletor de Sinais 174 SUB - Aritmética de Subtração 174 TMR – Temporizador 175 Temporizador TP 175 Temporizador TOF 176 Temporizador TON 177

9. ALARME 179

OBJETIVOS 179 1. ALARME DO PROCESSO 179

1.1. Introdução 179 1.2. Componentes 179 1.3. Realização do Alarme 180 1.4. Intertravamento do Processo 182

2. SEGURANÇA DA PLANTA 183 2.1. Projeto da planta 183 2.2. Medição e Controle do processo 183 2.3. Alarme do processo 183 2.4. Desligamento de emergência 183 2.4. Monitoração do fogo e gás 183

3. TRABALHANDO COM ALARMES 184 3.1. Arquitetura do alarme 184 3.2. Estado versus condição 184 3.3. Velocidade de resposta 185 3.4. Gerenciamento de alarmes 186

4. ESCOLHA DO ALARME 186 4.1. Prioridade do alarme 187 4.2. Qualificador do alarme 187 4.3. Cortes de alarme 188 4.4. Ações do alarme 188

5. ESTRUTURAS E HIERARQUIAS DE ALARME

188 5.1. Acesso ao alarme 188 5.2. Hierarquia de diagnóstico 189 5.3. Gerenciamento do alarme 189


iv

5.4. Telas de alarme 189 5.5. Ações do Operador 191 5.6. Estruturas de alarme 191 5.7. Filosofia do alarme 192 5.8. Escolha do Sistema 193 5.9. Circuitos de Intertravamentos 194 5.10. Sistema de Votação 196 5.11. Sistema de Falha Segura 199

10. IHM 201

OBJETIVOS DE ENSINO 201 1. HUMANOS NO CONTROLE 201

1.1. Sentindo a planta 201 1.2. Painéis da sala de controle 202

2. VÍDEO PARA INTERFACE 202 2.1. Estações de operação com vídeo 203 2.2. Desenvolvimento futuro 203 2,3. Ver e sentir 204 2.4. Papel da estação de trabalho 205

3. EXPLORANDO DISPLAYS 206 3.1. Janelas 206 3.2. Fazendo zoom (zooming) 206 3.3. Fazendo uma seleção (panning) 207 3.4. Funções da tela geral 207 3.5. Tela de grupo 208 3.6. Tela de detalhes do ponto 208 3.7. Telas adicionais 209

4. COMUNICAÇÃO DA INFORMAÇÃO 209 4.1. Interação com o processo 209 4.2. Analógico ou digital 210 4.3. Elementos do display 211 4.4. Criação de gráficos 212

5. ANIMAÇÃO DE TELAS 212 5.1. Displays dinâmicos 212 5.2. Displays mímicos 213 5.3. Cor como uma dinâmica 213 5.4. Capacidades combinadas 214 5.5. Uso das cores 214 5.6. Código de cores 215

6. INFORMAÇÃO HUMANA 215 6.1. Pensar e fazer 215 6.2. Interface 216 6.3. Filosofia da operação 216 6.4. Intuição e rotina 217 6.5. Faixa e usos das interfaces 217 6.6. Assuntos filosóficos 217 6.7. Fatores humanos 218 6.8. Conflitos de projeto 218 6.9. Estrutura do menu 218 6.10. Organização e conteúdo 219 6.11. Hierarquias de telas 220 6.12. Imitando vídeo game 221 6.13. Percepção do operador 222 6.14. Sala de controle 222 6.15. Interfaces externas 223 6.16. Telas de negócios 223

11. REDES INDUSTRIAIS 225

3.1. Conceito 225 4. GEOGRAFIA 226

4.1. Rede Local 226 4.2. Rede de Longa Distância 226 4.3. lntranet 226 4.5. Internet 226

TOPOLOGIA 226 6.1. Conceito 226 6.2. Bus ou barramento (multidrop) 227 6.3. Anel (ring) 228 6.4. Estrela (star) 229

1. REDES DE SENSOR 229 1.1. Características 229 1.3.Aplicações de rede de sensor 231 1.4. Aplicação em controle de processo 232 1.5. Redes de sensor típicas 233 1.6. CAN 233

2. REDES FIELDBUS 234 2.1. Características 234 2.2. Aplicações de fieldbus 235 2.3. Aplicação de fieldbus em controle de

processo 236 24. Redes fieldbus típicas 237

3. REDES DE CONTROLE 237 3.1. Aplicações de rede de controle 238 3.2. Aplicações para controle 239

HART 240 1. CONCEITO 240

2.2. Protocolo Hart 240 2.5. Características 241 3.4. Modo Burst 241

5. TERMINAL PORTÁTIL 241 7 PRINCIPAIS APLICAÇÕES 242 8. VANTAGENS E LIMITAÇÕES 243

FOUNDATION FIELDBUS 244

1. CONCEITO 244 3. INTERFACES COM DISPOSITIVOS 244 5. INTEROPERABILIDADE 244 8. BLOCOS DE FUNÇÃO 245 10. VANTAGENS DO FIELDBUS 247

PROFIBUS 248

1. Conceito 248 2. TIPOS DO PROFIBUS 248 3. PROFIBUS FMS 248 4. PROFIBUS DP 249

Características 249 5. PROFIBUS PA 250

6.21 Desenvolvimento de dispositivos 251 6.22. Arquivos “GSD” 251

ETHERNET 252 1. Princípios básicos 252 2. Melhoramentos da rede Ethernet 253 4. Vantagens da Ethernet 254

12. BIBLIOGRAFIA 257

1

1. Controle Objetivos de Ensino

1. Apresentar objetivo, vantagens e aplicações do controle automático. 2. Mostrar o controle manual e automático. 3. Explicar a diferença entre controle de processo e servomecanismo, dando um exemplo detalhado

de cada um. 4. Mostrar como um sistema de controle de processo pode se tornar cada mais complexo, pela

adição das variáveis do processo temperatura, vazão, nível, analise. 5. Mostrar de modo simplificado como aparece o controle digital direto, supervisório e distribuído a

computador, mostrando características de cada um.

1. Conceitos de controle

Controlar um processo industrial é manter a variável controlada em uma das três seguintes condições, dependendo das ações envolvidas:

1. sempre igual ao ponto de ajuste, que é o valor desejado

2. constante e próximo ao ponto de ajuste 3. oscilando constantemente em torno do

ponto de ajuste. O controle pode ser manual ou automático.

É manual quando o operador atua diretamente no processo. Controle automático é quando não há intervenção ou há a mínima intervenção do operador. Todo controle automático envolve uma medição e o controle é tão preciso quanto sua medição.

Monitorar um processo é acompanhar os valores das variáveis, porém sem condição de atuar em linha, para fazer as devidas correções.

Alarmar um processo é colocar dispositivos para chamar a atenção do operador, quando a variável controlada igualar ou ultrapassar determinados valores pré-determinados. O alarme pode incluir o intertravamento, quando, além de chamar a atenção do operador, atua no processo, desligando ou ligando algum equipamento para manter o processo sempre seguro.

Automatizar um processo é integrar e coordenar todas as funções de medição, controle, alarme, intertravamento e monitoração. Controle automático não é automação. O controle automático é uma das varias camadas da automação. As várias diferenças entre controle e automação estão mostradas na Tab. 1.

Tab. 1. Diferenças entre controle e automação O controle pode assumir vários tipos ou

enfoques, em função do tempo (contínuo ou discreto), algoritmos matemáticos (linear ou não linear), lógica booleana e seqüências.

Fig. 1.1. Diferentes enfoques do controle No presente trabalho será visto

principalmente o controle contínuo linear com algoritmo PID, que é o mais amplamente aplicado em indústria petroquímica, química, petróleo e gás natural.

Controle do Processo

2

2. Vantagens do instrumento

As principais estão vantagens do controle automático se referem à qualidade e quantidade dos produtos fabricados com segurança e sem subprodutos nocivos. Há muitas outras vantagens. O controle automático possibilita a existência de processos extremamente complexos, impossíveis de existirem apenas com o controle manual. Um processo industrial típico envolve centenas e até milhares de sensores e de elementos finais de controle que devem ser operados e coordenados continuamente.

Como vantagens, o instrumento de medição e controle

1. não fica aborrecido ou nervoso, 2. não fica distraído ou atraído por pessoas

bonitas, 3. não assiste a um jogo de futebol na

televisão nem o escuta pelo rádio, 4. não pára para almoçar ou para ir ao

banheiro, 5. não fica cansado de trabalhar, 6. não tem problemas emocionais, 7. não abusa seu corpos ou sua mente, 8. não tem sono, 9. não folga do fim de semana ou feriado, 10. não sai de férias, 11. não reivindica aumento de salário.

Porém, o instrumento 1. sempre apresenta erro de medição 2. opera adequadamente somente quando

estiver nas condições previstas pelo fabricante,

3. requer calibrações periódicas, para se manter exato e as incertezas dos padrões de calibração podem afetar suas medições,

4. requer manutenção preventiva ou corretiva, para que sua precisão se mantenha dentro dos limites estabelecidos pelo fabricante e se essa manutenção não for correta, ele se degrada ao longo do tempo,

5. é provável que algum dia ele falhe e pela lei de Murphy, esta falha geralmente acontecerá na pior hora possível e poderá acarretar grandes complicações.

3. Objetivos do controle

Os principais bjetivos do controle são: 1. Segurança 2. Proteção do meio ambiente 3. Proteção do equipamento 4. Operação suave 5. Qualidade do produto

6. Lucro 7. Monitoração e diagnóstico

Todos os sete objetivos devem ser conseguidos simultaneamente. A falha em fazer isso leva a uma operação não lucrativa ou, pior, a uma operação perigosa.

Os objetivos são determinados pela análise do estado de regime e dinâmica. A região de operação possível em regime é definida pelo desempenho da operação. A operação deve permanecer dentro de uma janela, por que as violações das restrições envolvem severas penalidades. Dentro da janela de operação a condição que resulta na mais alta eficiência é teoricamente a melhor operação. Porém, como a planta não pode ser mantida em um valor exato de cada variável devido aos distúrbios, a variação deve ser considerada na seleção de um ponto de operação que não resulte em violações de restrição ainda com eficiência.

3.1. Qualidade do Produto

A maioria dos produtos industriais é fabricada para satisfazer determinadas propriedades físicas e químicas. Quanto melhor a qualidade do produto, menores devem ser as tolerâncias de suas propriedades. Quanto menor a tolerância, maior a necessidade dos instrumentos para a medição e o controle automático. O controle automático garante a pequena variabilidade do processo.

Os fabricantes executam testes físicos e químicos em todos os produtos feitos ou, pelo menos, em amostras representativas tomadas aleatoriamente das linhas de produção, para verificar se as especificações estabelecidas foram atingidas pela produção. Para isso, são usados instrumentos tais como densitômetros, viscosímetros, espectrômetros de massa, analisadores de infravermelho, cromatógrafos e outros.

Os instrumentos possibilitam a verificação, a garantia e a repetitividade da qualidade dos produtos.

Atualmente, o conjunto de normas ISO 9000 exige que os instrumentos que impactam a qualidade do produto tenham um sistema de monitoração, onde estão incluídas a manutenção e calibração documentada deles.

As variáveis típicas de qualidade são a pressão e a temperatura. Análise é a variável de processo associada às propriedades do produto e inclui: composição, densidade, viscosidade, pureza, pH, turbidez e muitas outras complexas.

3.2. Quantidade do Produto

As quantidades das matérias primas, dos produtos finais e das utilidades devem ser


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medidas e controladas para fins de balanço do custo e do rendimento do processo. Também é freqüente a medição de produtos para venda e compra entre plantas diferentes.

Os instrumentos de indicação, registro e totalização da vazão e do nível fazem a aquisição confiável dos dados através das medições de modo continuo e preciso.

Os instrumentos asseguram a quantidade desejada das substancias.

Os instrumentos utilizados para mostar as quantidades transferidas em compra e venda são chamados de instrumentos para transferência de custódia. As variáveis típicas de quantidade são a vazão e o nível.

Fig. 1.2. Nível e vazão de processo

3.3. Economia do Processo

O controle automático economiza a energia, pois elimina o superaquecimento de fornos, de fornalhas e de secadores. O controle de calor está baseado geralmente na medição de temperatura e não existe nenhum operador humano que consiga sentir a temperatura com a precisão e a sensitividade do termopar ou da resistência.

Os instrumentos garantem a conservação da energia e a economia da sua utilização.

Fig. 1.3. Transferência de produtos por vazão ou nível

3.4. Ecologia

Na maioria dos processos, os produtos que não são aproveitáveis e devem ser jogados fora, são prejudiciais às vidas animal e vegetal. A fim de evitar este resultado nocivo, devem ser adicionados agentes corretivos para neutralizar estes efeitos. Pela medição do pH dos efluentes, pode se economizar a quantidade do agente corretivo a ser usado e pode se assegurar que o efluente esteja não agressivo. Os instrumentos garantem efluentes limpos e inofensivos.

3.5. Segurança da Planta

Muitas plantas possuem uma ou várias áreas onde podem estar vários perigos, tais como o fogo, a explosão, a liberação de produtos tóxicos. Haverá problema, a não ser que sejam tomados cuidados especiais na observação e no controle destes fenômenos. Hoje são disponíveis instrumentos que podem detectar a presença de concentrações perigosas de gases e vapores e o aparecimento de chama em unidades de combustão. Os instrumentos protegem equipamentos e vidas humanas.

Fig. 1.4. Área industrial classificada

3.6. Proteção do Processo

O processo deve ter alarme e proteção associados ao sistema de medição e controle. O alarme é realizado através das mudanças de contatos elétricos, monitoradas pelos valores máximo e mínimo das variáveis do processo. Os contatos dos alarmes podem atuar (ligar ou desligar) equipamentos elétricos, dispositivos sonoros e luminosos.

Os alarmes podem ser do valor absoluto do sinal, do desvio entre um sinal e uma referência fixa e da diferença entre dois sinais variáveis.

É útil o uso do sistema de desligamento automático ou de trip do processo. Deve-se proteger o processo, através de um sistema lógico e seqüencial que sinta as variáveis do


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processo e mantenha os seus valores dentro dos limites de segurança, ligando ou desligando os equipamentos e evitando qualquer seqüência indevida que produza condição perigosa.

Fig. 1.5. Plataforma marítima: uma área de risco Os primeiros sistemas de intertravamento

utilizavam contatos de reles, contadores, temporizadores e integradores. Hoje, são utilizados os Controladores Lógicos Programáveis (CLP), a base de microprocessadores, que possuem grande eficiência em computação matemática, seqüencial e lógica, que são os parâmetros básicos do desligamento.

Alguns instrumentistas fazem distinção entre o sistema de desligamento (trip) e o de intertravamento (interlock), enquanto outros consideram os dois conceitos idênticos.

4. Tipos de controle

O controle pode ser classificado em função da intervenção do operador como automático ou manual.

Também, o controle pode ser classificado quanto ao tipo do processo controlado, como regulatório ou a servomecanismo.

4.1. Controle Manual

Controle manual é aquele que ocorre com nenhuma ou a mínima intervenção do operador. Controle manual pode ser considerada a forma mais simples de controle. No controle manual, a malha de controle é aberta. A energia é aplicada ao processo através do atuador pelo operador. O processo usa esta energia para produzir sua saída. Mudando o ajuste do atuador, se altera a

energia no sistema e a saída resultante do processo.

Um sistema de nível de líquido de tanque é um exemplo do controle manual. O produto entra no topo do tanque e sai do fundo. A quantidade de líquido que sai do tanque é controlada pela válvula (poderia ser escolhida a válvula de entrada). A quantidade de líquido determina o nível do tanque. Para o nível ficar estável e sob controle basta simplesmente que a vazão da saída (manipulada) seja igual à vazão de entrada (livre). A válvula pode ser atuada manualmente. Se um nível diferente é desejado ou necessário, deve-se simplesmente alterar a posição da abertura da válvula de saída, em sua faixa calibrada.

Quando as condições do processo são estáveis, o controle de malha aberta funciona adequadamente. No caso do nível, quando a vazão de entrada é constante (raramente é alterada), basta colocar uma válvula com ajuste manual na saída para se obter o controle desejado, pois também raramente o operador deve alterar manualmente a válvula de saída.

Vantagens do controle manual: 1. usam-se poucos equipamentos e por

isso há pouca chance de se quebrar, 2. o custo do sistema é baixo, para

comprar, instalar e operar. Porém, há problemas quando ocorre

distúrbio na vazão de entrada do tanque . O nível do produto é afetado diretamente pelas variações da vazão de entrada. Um aumento na vazão através da válvula de entrada provoca um aumento no nível do tanque. Qualquer variação da vazão de entrada afeta o nível do líquido. Obviamente, se houver qualquer variação ou distúrbio na válvula de entrada, o sistema de controle de malha aberta não manterá automaticamente o parâmetro de saída (no exemplo, o nível) no valor desejado. Todo distúrbio requer a intervenção manual do operador.

Fig. 1.6. Controle manual de malha aberta


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4.2. Controle regulatório

O controle manual de malha aberta não pode garantir a saída desejada de um processo sujeito a variações de carga. A técnica usada para se obter o controle de um processo com variações freqüentes de carga é a malha fechada com realimentação negativa (feedback). Este controle é chamado de proporcional, regulatório ou contínuo.

Na realimentação negativa tem-se a medição na saída e a correção na entrada (realimentação). É chamada de negativa porque se a variavel medida está aumentando, a atuação a faz diminuir. Esta técnica monitora a saída real, comparando-a com um valor desejado e repondo o atuador para eliminar qualquer erro. Essa é a essência do controle automático.

Na realimentação negativa, todos os sistemas de controle automático possuem os mesmos elementos básicos:

1. medição, 2. comparação 3. atuação. A saída real que se pretende controlar é

medida por um sensor, condicionada e transmitida para o controlador.

O controlador pode ser um computador, um circuito eletrônico, uma chave, um conjunto de bico-palheta pneumático ou uma simples alavanca. A segunda entrada do controlador é o ponto de ajuste (set point), que indica o valor da saída desejado. O controlador toma a diferença entre estas duas entradas para determinar o valor do erro. O controlador altera sua saída de modo calculado para igualar ou aproximar a saída real do valor desejado.

O sinal de saída do controlador é transmitido para o atuador da válvula. O atuador governa a aplicação da energia para o processo. Variando a energia para o sistema faz a saída real do processo variar, se aproximando do ponto de ajuste.

No controle automático de malha fechada do tanque, o nível do líquido deve ser medido. A medição pode ser feita, por exemplo, através de um transmissor de pressão diferencial (d/p cell). O transmissor de nível mede a pressão exercida pela coluna líquida, que é o nível, converte esta pressão diferencial em um sinal padrão de corrente de 4 a 20 mA cc. Quando calibrado corretamente, o transmissor tem saída de 4 mA cc quando o nível estiver em 0% e a saída será de 20 mA cc quando o nível estiver em 100% da faixa calibrada.

Esta corrente analógica é transmitida através de um cabo trançado, eventualmente blindado, para o controlador. O controlador geralmente está na sala de controle

centralizada, distante centenas de metros do processo. O controlador compara a variável do processo medida (nível, no exemplo) com o valor do ponto de ajuste.

Fig. 1.7. Controle automático de nível com malha fechada

Uma nova saída é calculada e transmitida

para o atuador ainda na faixa padrão de 4 a 20 mA cc. Este sinal é aplicado e usado para acionar uma válvula com atuador pneumático. Deve haver uma interface entre o controlador eletrônico e o atuador pneumático da válvula, para converter o sinal eletrônico de 4 a 20 mA cc no sinal pneumático de 20 a 100 kPa. Esta interface é o transdutor i/p.

O atuador pneumático, por sua vez, varia a posição da válvula, ajustando a vazão de líquido na saída do tanque. Quando ocorrer aumento na vazão de entrada do tanque, o nível do produto no tanque aumenta. O transmissor de nível, então, vai aumentar sua saída e o ponteiro de medição do controlador também irá subir. O controlador irá alterar sua saída, como resposta. A saída do controlador irá aumentar um pouco a saída da válvula, aumentando a vazão do líquido deixando o tanque. O nível do tanque irá voltar ao ponto de ajuste desejado.

Os sistemas de controle podem ser classificados em dois tipos principais:

1. servomecanismo 2. controle de processo contínuo

4.3. Controle com Servomecanismo

No servomecanismo, as variáveis controladas são a posição, velocidade e aceleração; no controle de processo, as variáveis são temperatura, vazão, pressão e nível.


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Um sistema de controle de posição é mostrado na Fig. 1.8. O atuador é um motor cc com magneto permanente. Através de um conjunto de polias, correias ou engrenagens, o motor aciona a roda dentada. Quando a rotação for diminuida, move-se um terminal de um potenciômetro. Uma ligação apropriada garante que o movimento da roda dentada da extremidade esquerda para direita gira precisamente o potenciômetro através de um arco de 300 graus, de parada a parada. O potenciômetro é o sensor do sistema de controle automático. A tensão de um terminal é a indicação da posição. A posição é realimentada para o amplificador diferencial. A tensão correspondente a posição é subtraída da tensão do ponto de ajuste e a diferença (erro) é amplificada. O amplificador diferencial é o controlador. A potência de saída do controlador é amplificada e aciona o motor.

Fig. 1.8. Sistema servo para controle de posição

Quando o sinal do potenciômetro de realimentação da posição (sensor) se iguala ao ponto de ajuste, o sistema fica em repouso. Não há saída do amplificador diferencial desde que não há erro. O amplificador de potência não fornece sinal para o motor. O motor não se move.

Se quiser mover o acionador para a direita, a tensão do ponto de ajuste deve ser aumentada. Isto produz um erro positivo na saída do amplificador diferencial e, como conseqüência, na saída do amplificador de potência para o motor. O motor começa a girar no sentido horário, acionando a roda dentada no sentido horário e movendo o sistema para a direita. Quando a roda dentada se move para a direita, o potenciômetro também o faz. Este alimenta o sinal de volta para o amplificador diferencial. O erro se torna menor, uma tensão menor é aplicada ao amplificador de potência e para o motor. O motor gira com menor rotação. Eventualmente, o sinal de realimentação do potenciômetro de posição se iguala ao sinal de ponto de ajuste. O erro foi reduzido a zero. O sistema permanece em repouso. O controle de

velocidade é também classificado como servo ou servomecanismo.

A Fig. 1.9 é um sistema de controle de velocidade. O objetivo do sistema é fornecer a tensão constante no filme, papel, pano ou plástico. Acionando a velocidade do rolo de puxagem (take-up), causa um aumento da tensão quando o diâmetro do roto aumentar. O rolo acionador é a chave. Ele é colocado sobre o fio e é livre de girar, quando o filme passa sob ele. Ele pode também se elevar em resposta ao aumento da tensão no filme ou se abaixar, quando a tensão do filme diminuir. Mecanicamente acoplado ao rolo acionador está o terminal móvel (wiper) do potenciômetro. Juntos, o rolo acionador e o potenciômetro formam um sensor de tensão, gerando na saída uma tensão cc proporcional à tensão do filme.

Quando a tensão for correta, a tensão do potenciômetro do rolo acionador se iguala à tensão do ponto de ajuste. A saída do amplificador diferencial é zero volts. Isto efetivamente aterra o divisor de tensão na entrada do amplificador de potência. A tensão do divisor aciona o amplificador de potência, fazendo o motor girar na velocidade nominal.

Fig. 1.9. Controle de velocidade do cilindro Quando o filme do rolo puxador se forma, a

tensão tende a aumentar. Isto faz o rolo acionador subir. O terminal móvel do potenciômetro se eleva, fazendo a entrada inversora do amplificador diferencial ficar maior do que a entrada não-inversora do ponto de ajuste. A saída do amplificador diferencial fica negativa. Puxando o fundo do divisor de tensão abaixo do terra, diminui a tensão de entrada do amplificador de potência. O amplificador de potência diminui a potência de acionamento entregue ao motor e o motor gira mais lentamente. Diminuindo a velocidade do motor, diminui-se a tensão do fio.

Uma das aplicações mais usadas do controle de servomecanismo é o robot. O braço


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robótico revolucionou a industria de manufatura. Sua velocidade, exatidão, precisão, durabilidade, flexibilidade diminuíram drasticamente os custos de produção, aumentando a qualidade do produto.

O robot industrial tipicamente possui três ou mais pontos de junção (joint). Cada juntura possui três graus de liberdade ou modos de movimento: x, y e z ou rolar, bater e dobrar. Para fornecer um movimento rápido, suave e bem coordenado da ferramenta sendo manipulada, a posição, velocidade e aceleração de cada grau de liberdade de cada juntura devem ser controladas simultaneamente.

Fig. 1.10. Braço de robot industrial (Cincinnati Milacron) O controle coordenado da posição,

velocidade e aceleração de todos os graus de liberdade é melhor conseguido por um microprocessador ou microcomputador. Um sensor de posição (potenciômetro, codificador óptico, detector ultra-sônico) monitora a posição de cada grau de liberdade e transmite esta informação a um circuito de interface. Neste circuito, a posição é convertida para um formato digital adequado ao computador. Conhecendo-se as posições atual e anterior da peça, o computador determina a velocidade e aceleração. As equações de controle dentro do programa do computador usam estas informações e os dados da posição desejada para calcular a saída apropriada. Esta saída (número digital) é convertida por uma segunda interface para uma tensão necessária ou um pulso para acionar o atuador do determinado grau de liberdade. Os atuadores podem ser motores de passo, motores de corrente contínua, motores hidráulicos ou cilindros. Estas séries de leituras, cálculos, conversões e correções ocorrem em milhares de vezes por segundo para todos os graus de liberdade do robot.

5. Enfoques do controle de processo

Pode haver vários enfoques para o controle de processos industriais, tais como:

1. Sem controle 2. Operação manual 3. Controle liga-desliga 4. Controle proporcional 5. Controle de emergência

5.1. Sem controle

Naturalmente, o enfoque mais fácil é não fazer nada a não ser manter todas as variáveis de entrada próximas aos seus valores de projeto. Distúrbios podem resultar em grades desvios sustentados em variáveis importantes do processo. Este enfoque pode ter sérios efeitos na segurança, qualidade do produto e lucro e não é geralmente aceito para as variáveis importantes. Porém, uma análise do grau de liberdade usualmente demonstra que somente um número limitado de variáveis de processo pode ser controlado simultaneamente, por causa do pequeno número de variáveis manipuladas disponíveis. Assim, o projetista deve selecionar somente as variáveis mais importantes para serem controladas.

5.2. Operação manual

Quando a ação corretiva é feita periodicamente pelos operadores, o enfoque é usualmente chamado de operação manual ou operação de malha aberta. Em operação manual, os valores medidos das variáveis de processo são mostrados ao operador, que tem a habilidade de manipular os elementos finais de controle (geralmente válvulas). O operador pode fazer um ajuste na sala de controle gerando um sinal na estação manual que é transmitido para a válvula. Em plantas pequenas, o ajuste da posição da válvula pode ser feito pela mão, no local da válvula, através de um volante.

Este enfoque nem sempre é ruim ou de baixa tecnologia. Uma estratégia típica usada para operação manual é usá-lo como reserva do controle automático. Quando se perde o controle automático, por saturação ou por oscilação, soa um alarme avisando o operador que os limites da variável controlada foram ultrapassados. O operador transfere o controlador para modo manual e atua diretamente no elemento final de controle. Quando a variável controlada retornar a valores


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normais, o operador retorna o controlador para modo automático.

Usa-se o controle automático, invés do manual, sempre que houver variações rápidas e freqüentes da variável controlada, provocadas por distúrbios. A operação manual deve ser vista como um complemento ao controle automático.

5.3. Controle liga-desliga

A forma mais simples do controle automático envolve lógica para o cálculo do controle. Neste enfoque, valores de gatilho são estabelecidos e a manipulação de controle altera o estado quando o valor de gatilho é atingido. Usualmente, a mudança de estado está entre ligar e desligar, mas pode também envolver valores altos e baixos da variável manipulada. Pode haver apenas um valor de gatilho para ligar e desligar, mas pode haver também dois valores de gatilho: um para ligar e outro diferente para desligar.

As vantagens do controle liga-desliga é sua simplicidade e baixo custo de realização, feita por chaves automáticas. Sua característica é a oscilação em amplitude constante da variável controlada, que pode ser inaceitável para algumas aplicações de processo.

O controle liga-desliga é usado largamente em controle de temperatura residencial e comercial.

Tab. 1. Controle manual x automático

5.4. Controle automático contínuo

A ênfase deste trabalho é tratar do controle automático de processo. No controle contínuo há sempre medição e atuação baseada em cálculos de controle. Este enfoque oferece o melhor desempenho de controle para muitos processos e pode ser facilmente realizado por controladores comerciais disponíveis. O cálculo do controle é usado para conseguir o

desempenho desejado. As ações de controle são feitas continuamente e as variáveis manipuladas são ajustadas também continuamente. Desde que os ajustes não sejam extremos, os ajustes das constantes não apresentam problemas para as válvulas.

5.5. Controles de emergência

O controle continua opera bem mantendo a variável controlada do processo igual ou próxima do ponto de ajuste. Porem, o controle contínuo não garante que a variável controlada sempre permaneça dentro de limites aceitáveis. Um distúrbio anormalmente grande resulta em grandes desvios do ponto de ajuste, levando as condições do processo para situações perigosas para as vidas humanas, meio ambiente e propriedade da empresa. Altas temperaturas e altas pressões podem explodir vasos e reatores.

Para evitar a violação da segurança, um nível adicional de controle é aplicado aos sistemas de controle. Tipicamente, os controles de emergência medem variáveis chave e tomam a ação extrema antes que ocorra a violação. Esta ação pode incluir parar uma vazão critica, desligar ou ligar uma bomba ou dramaticamente aumentar a taxa de resfriamento.

Os cálculos para o controle de emergência não são complicados, mas devem ser feitos de conformidade do controle automático. Assim, são estabelecidos os 1) Valores dos pontos de ajuste para o

controle automático, 2) Valores dos pontos de alarme de baixa e

de alta para o controle de emergência, 3) Valores dos pontos de desligamento de

muito baixa e de muito alta para o controle de emergência. Obviamente a escolha destes pontos deve

ser lógica: primeiro se alarma e depois desliga. Raramente se desliga uma unidade antes que haja tentativas do operador para mantê-la operando. Também os pontos de alarme não devem entrar em conflito com os pontos de ajuste.

Nos processos industriais, os cinco enfoques de controle são usados simultaneamente. O pessoal da planta continuamente monitora o desempenho do processo, faz alterações periódicas para conseguir o controle de algumas variáveis que não estão automatizadas, e intervem quando os equipamentos ou controles não operam corretamente. A atenção do operador é direcionada para problemas potenciais por meio de alarmes sonoros e visuais, que são iniciados quando as medições ultrapassam


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valores limites estabelecidos. O controle automático é aplicado para regular os valores das variáveis importantes que podem ser medidas em tempo real. O uso do controle contínuo permite o operador supervisionar a operação de uma grande seção da planta com muitas variáveis. Os controles de emergência estão sempre de reserva, prontos para tomar as ações extremas, mas necessárias requeridas quando a plantas se aproxima de condições que podem apresentar perigo para pessoas, meio ambiente e equipamentos.

5.6. Conclusão

O controle a realimentação negativa não reduz a variabilidade em uma planta, mas ele move a variabilidade das variáveis controladas para as variáveis manipuladas. O desafio do engenheiro de controle é fornecer variáveis manipuladas adequadas que satisfaçam os graus de liberdade e que possam ser ajustadas em tempo real sem afetar significativamente o desempenho da planta.

Deve-se usar o controle automático invés do manual pelos seguintes motivos: 1) Como demonstrado por muitas aplicações,

o controle automático é essencial para se conseguir bom desempenho e boa operação para a planta.

2) Ele fornece uma base sólida para avaliar os efeitos do projeto do processo sobre o desempenho dinâmico. Um entendimento completo do desempenho do controle a realimentação negativa fornece a base para projetar mais facilmente processos controlados, evitando respostas dinâmicas desfavoráveis.

3) Ele introduz os tópicos fundamentais na dinâmica, controle a realimentação negativa e estabilidade que todos os engenheiros devem saber.

6. Sistema de gerenciamento da segurança

Não parecendo alarmista, mas situações perigosas que poderiam levar a ferimento e morte de pessoas, prejuízo ao meio ambiente e a danos ao equipamento são uma possibilidade real. Para que esta probabilidade fique em níveis aceitáveis, usa-se o sistema instrumentado de segurança.

Processos industriais geralmente envolvem fluidos voláteis, materiais explosivos, altas temperaturas, altas pressões, reações químicas perigosas, produtos químicos venenosos, vazamentos de gases tóxicos e outros materiais e condições potencialmente letais, explosivas e incendiárias. Enquanto o

processo estiver operando normalmente, em controle automático dentro dos limites seguros o potencial para eventos que levem a situações perigosas é muito administrável pela operação através de sistemas de controle automático e automação. Mas coisas inesperadas, como quebra de equipamento e falha de processo e até erros do operador podem e acontecem em plantas de processos complexos e também simples. Quanto incidentes inesperados ocorrem, deve acontecer ações corretivas suficientemente rápidas para evitar estes eventos potencialmente perigosos ou minimizar seus impactos.

O primeiro cuidado da segurança é a escolha da ação do elemento final de controle. Todo elemento final de controle deve ir naturalmente para a condição segura em caso de falha – isso é uma regra básica a ser aplicada a toda malha de controle. Embora isso possa parecer rudimentar, a ação de falha segura do elemento final de controle é efetiva e eficaz. Sempre que houver falha no sistema, o elemento final de controle deve levar o processo para sua condição de mínima energia, que é a mais segura.

Em processos de batelada também se usa a lógica de exceção para prover segurança. O programa de lógica de exceção roda paralelo com a operação normal da planta, monitorando a operação do processo e identificando os eventos excepcionais que poderiam levar a situações inesperadas e perigosas. Assim que for detectado e identificado um evento, o programa determina e executa a resposta mais razoável. A lógica de exceção em um programa de automação de batelada opera quase como um sistema interno de gerenciamento de segurança.

Em processos contínuos de refinarias e indústrias petroquímicas há também lógica de exceção embutida no controle de processo. Para um sistema de gerenciamento de segurança de grande e complexo processo ser efetivo ele deve monitorar continuamente todos os aspectos do processo e responder muito, muito rapidamente assim que identificar um evento potencialmente perigoso. Seria muito difícil dar a velocidade necessária de resposta colocando o programa de gerenciamento de segurança no mesmo sistema de controle de processo.

Um dos eventos que pode se tornar o mais perigoso em uma planta grande de processo contínuo é a falha do sistema de automação. Quando houver falha no sistema de automação, todo o controle de processo é perdido e também se perde a janela de monitoração de operação. A planta fica essencialmente operando às cegas e talvez até


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fora de controle. Se o sistema de segurança fizesse parte do sistema de controle de processo, a falha do sistema perderia o controle e a segurança. Isto seria um risco inaceitável.

Para tratar da possibilidade de uma ocorrência de evento perigoso em uma planta de processo contínuo, nova classe de sistema de automação baseado em computador começou a aparecer na década de 1980s. Esta nova classe de sistema foi chamada de sistema de desligamento (shutdown) de segurança ou simplesmente sistema de segurança. Assim, todo sistema de controle com SDCD possuía dois sistemas separados e independentes: um para a automação da planta e outro para a segurança. O sistema principal opera a planta em condições normais basicamente sem ser afetado pelo sistema de segurança. O sistema de segurança é também ligado ao processo através de instrumentos de medição e de atuação e continuamente monitora a operação para detectar condições perigosas pré-definidas. Quando for identificada uma condição perigosa, a planta irá ciclar imediatamente através de uma sequencia de desligamento de segurança pré-definido e pode parar completamente, evitando uma catástrofe.

A velocidade de detecção e resposta a determinadas condições perigosas é e era uma exigência importante para sistemas de segurança. Como os CLPs foram projetados com características de alta velocidade, os primeiros sistemas de segurança foram feitos com CLP.

6.1. Sistema de Desligamento de Segurança

Uma consideração importante com relação ao projeto de um sistema de segurança é que sua falha pode levar a conseqüências terríveis. Sistemas de segurança tipicamente não vêem a ação muito frequentemente, mas somente quando ela precisa ser executada. Ela opera quando aparecer eventos anormais e perigosos, que devem ocorrer raramente. Assim, os sistemas de segurança devem operar com redundância de equipamentos e de redes de comunicação. Com um sistema de redundância, se um equipamento principal falha, um equipamento secundário redundante assume para fazer a mesma função.

Usam-se dois enfoques para a redundância: redundância dupla e redundância tripla. Dupla redundância significa dois equipamentos idênticos fazendo a mesma função e é chamado de sistema tolerante a uma falha. Tripla redundância significa três equipamentos idênticos fazendo a mesma

função e é chamado de sistema redundante a duas falhas. Obviamente o sistema com dupla redundância é mais econômico, mas o sistema com tripla redundância é mais seguro. As normas (ISO/IEC, TUV, ISA) estabelecem a exigência de sistema com dupla ou tripla redundância em função do nível de integridade (SIL) da planta. Porém, toda escolha sempre irá ser um compromisso entre custo e segurança.

SIL ó nível relativo da redução de risco fornecida por uma função de segurança. A classificação do SIL varia do mais baixo (SIL 1) até mais alto (SIL 4 na indústria, SIL 5 na aviação e SIL 6 na indústria nuclear). O nível do risco e as conseqüências potenciais de um evento determinam a classificação SIL mais apropriada para a operação de uma planta.

Fig. 1.1. Sistema de automação e de

desligamento de emergência de segurança

6.2. Sistema Instrumentado de Segurança

Desligar uma planta é ruim, tanto sob o ponto de vista operacional como econômico. Para alguns processos petroquímicos, de refinaria e de siderurgia, a parada e a partida são tarefas demoradas, perigosas e complexas. Partidas e paradas são as etapas mais perigosas e estressantes da operação de uma planta. Por causa disso, foram desenvolvidos sistemas de segurança programados para parar a planta somente em casos extremos, depois de serem tomadas várias medidas para diminuir os riscos, diminuir a produção.

Foram feitos estudos e foram desenvolvidos sistemas para gerenciar a segurança, onde a parada da planta só ocorre raramente, quando várias outras etapas e medidas foram tomadas para mantê-la


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operando de modo seguro. Assim, o sistema de segurança de desligamento (SDS) foi substituído pelo sistema instrumentado de segurança (SIS). No SIS, o desligamento da planta não é a única resposta para eventos perigosos, mas a última resposta, depois de várias outras que mantêm a planta operando com segurança. Assim que acontecem eventos anormais, setores da planta podem ser desligados, outros setores podem ter nível de produção reduzido, alguns processos podem ter suas temperaturas e pressões diminuídas, outros pontos de ajustes podem ser alterados, porém sempre com a planta operando, sem desligamento. Obviamente o custo de implantação de um SIS deve ser menor que os prejuízos resultantes das paradas da planta.

Fig. 1.1. Sistema de automação e sistema

instrumentado de segurança A coordenação entre o sistema de controle

que opera a planta e o SIS que a protege deve ser muito maior do que entre um sistema de controle e sistema de desligamento.

As normas ISO/IEC 6508 e 6511 e, ISA 084 estabelecem a exigência de sistema de automação da planta seja separado e independe do sistema instrumentado de segurança. Os dois sistemas podem ser interligados, trocar dados entre si, mas devem ser independentes, de modo que a falha de um não provoque a falha do outro.

Atualmente, todo sistema de segurança (de desligamento de emergência ou instrumentado de segurança) são separados dos sistemas de automação embora cada vez mais haja dados sendo trocados entre eles. No futuro eles podem até convergir para formar uma nova classe de sistema combinando operação com segurança.


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2. Processo Objetivos de Ensino

1. Conceituar processo industrial e mostrar os diferentes tipos: contínuo, batelada, discreto e fabricação de peças.

2. Apresentar a terminologia relacionada com as variáveis e carga do processo. 3. Analisar os parâmetros da controlabilidade do processo: tempo morto e tempo característico

(resistência e capacitância). 4. Apresentar os tipos de processo: auto-regulante, integrante e runaway. 5. Mostrar sistemas de várias ordens.

1. Conceito de processo

Para entender controle de processo deve-se saber o que seja processo. Do ponto de vista de produção, o processo é geralmente tomado como o lugar onde os materiais e a energia se juntam para fazer um produto desejado. Do ponto de vista de controle, o processo é identificado como tendo uma ou mais variáveis associadas a ele e que são importantes o suficiente para que seus valores sejam conhecidos e controlados pelo processo.

O processo geralmente envolve energias e materiais na entrada e produto final na saída. O objeto dos instrumentos de controle é fazer o balanço adequado destas energias e materiais. Por isso, uma malha de controle com instrumentos inclui o processo.

Qualquer operação ou série de operações que produza o resultado final desejado é considerada um processo. Geralmente, o processo consiste na modificação das matérias primas, colocadas na sua entrada, nos produtos finais, obtidos em sua saída, através do suprimento de energia, durante um determinado período de tempo.

O processo pode envolver uma operação mecânica, um circuito elétrico, uma reação química ou uma combinação desses eventos.

No presente trabalho, o conceito de processo poderá ter significados muitos diferentes. Poderá ser considerada como processo uma simples malha de controle, bem como um complexo sistema de controle com computador digital. Na prática, tem-se processo dentro de processo. Por exemplo, uma planta de fertilizantes pode ser considerada, na sua totalidade, como um processo. Porém, a planta pode ser tomada como dois processos distintos: um de produção de amônia, outro de produção de uréia. Dentro da unidade de

fabricação de amônia, o compressor pode ser considerado como um processo independente. O controle automático do compressor envolve várias malhas de controle, cada malha podendo ser tomada como processo.

Sob o ponto de vista do tempo e do tipo de operação envolvido, o processo pode ser classificado em

1. contínuo, 2. batelada 3. discreto 4. fabricação de itens

2. Tipos de processo

O ponto de partida para a escolha do sistema de controle e automação é o tipo do processo. Processo é o local onde a energia, mão de obra e materiais são transformados em produtos finais em uma grande escala industrial, dentro de especificações pré-determinadas e com lucro econômico. Com relação à sua operação, há basicamente os seguintes tipos de processo: contínuo, batelada e montagem de peças.

Processo contínuo é aquele onde a matéria prima entra continuamente para se transformar em produtos, em grande escala, sem parar. Há uma grande produção contínua de processamento de fluidos e por isso é também chamado de processo contínuo molhado. O processo continuo é orientado pela ciência e possui alto grau de automação. Exemplos: indústria química & petroquímica, petróleo & gás, papel & celulose, para citar os principais. Há também processo continuo orientado para mão de obra, que requer maior habilidade e experiência do operador e exibe menor grau de automação. Exemplo: indústria e alimento e cerveja. Em todos os processos contínuos as

Processo Industrial

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principais variáveis envolvidas são: pressão, temperatura, vazão, nível e análise.

O processo de batelada é uma série de pequenos processos contínuos. Ele possui múltiplas paradas e partidas programadas e intertravadas, de modo que o fluxo de materiais é descontínuo. A produção do processo batelada é por fases e segue uma receita. Ele é orientado pela mão de obra e seu nível de automação é menor que o contínuo. Exemplos: indústria alimentícia e farmacêutica. Há normas específicas para o processo batelada (ISA S 88, p.ex.).

O processo de montagem de peças possui peças e partes na entrada para se transformarem em produto acabado através de um fluxo descontínuo de materiais. A produção é orientada mecanicamente e ocorre em uma linha montagem. Há muita operação de liga-desliga e por isso é também chamado de processo discreto. Exemplo: indústria automobilística e aeronáutica.

Fig. 2.6. Tipos de processos

O controle do processo discreto era feito

por relés eletromecânicos. Em 1969, a General Motors fez uma concorrência pública para sistemas que substituíssem o demorado e mecânico relé. Assim foi criado o Controlador Lógico Programável (CLP), por Richard Morley, da Modicon, acróstico de MOdular DIgital CONtroller, embora a literatura o descrevesse como equipamento a estado sólido.

Inicialmente o CLP não possuía (e nem precisava, pois substituía relés) de interface humano, era não determinístico, se baseava em software. Porém, foi a tecnologia mais bem sucedida da Automação. Para entrar no atraente mercado de tecnologias para o processo contínuo, o CLP incluiu em 1984 o bloco de controle com o algoritmo Proporcional, Integral e Derivativo (PID) e se associou ao computador pessoal para ter uma interface humano máquina.

Ser determinístico significa executar sua função dentro de um tempo pré-determinado, de modo garantido. Este conceito está relacionado com o tempo real e com a confiabilidade.

2.1. Processo Contínuo

O processo é contínuo quando a matéria prima entra num lado do sistema e o produto final sai do outro lado continuamente. Nesta aplicação o termo continuamente significa um período de tempo relativamente longo, medido em horas, em dias e até em meses, dependendo do processo. Deve-se saber a priori o que se quer fazer, como fazer e quais são as características desejadas do produto final.

Fig. 2.1. Esquema simplificado do processo contínuo A maioria das indústrias petroquímicas e

siderúrgicas possui processos contínuos. As paradas totais dos processos se realizam em intervalos de um ano ou mais. O processo contínuo pode levar até vários dias para entrar em regime estável e permanente de produção.

Todo processo possui um fluxo de material, energia ou ambos. O fluxo de material ou energia é manipulado sob o comando de um controlador cujo objetivo é manter a variável do processo em um valor desejado; este valor é chamado de ponto de ajuste (set point).

Exemplo de processo contínuo simples é o nível de líquido de um tanque. A entrada do tanque é livre e a sua saída é manipulada por um controlador de nível, de modo que o nível seja sempre igual a um determinado valor. O nível pode assumir qualquer valor entre vazio (0%) e totalmente cheio (100%). Em determinado momento ele pode valer 65,3 %; em outro 34,9 %.

O controle automático do processo contínuo se baseia no algoritmo que combina as três ações clássicas: Proporcional, Integral e Derivativa e por isso é também chamado de controle PID.

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Fig. 2.2. Controle de nível Dependendo do tipo do sensor e do

sistema de medição, é possível se ter uma medição descontínua de uma variável contínua. No mesmo exemplo do nível do líquido do tanque, quando se tem eletrodos como sensores do nível, a medição e controle do nível ocorre de modo discreto, através de degraus. Quando se tem três eletrodos com tamanhos diferentes, tem-se uma medição do nível em três degraus. Enquanto apenas um eletrodo estiver coberto pelo nível, a medição do nível não se altera, até que o nível atinja o próximo eletrodo. Para mostrar também como é ilimitado o número de alternativas, é possível se ter uma medição contínua do nível, porém com atuação discreta na saída. Colocam-se duas chaves: uma para detectar o nível mínimo e outra para o nível máximo. Quando o nível atingir algum destes pontos extremos, a chave atua para alarmar ou ligar-desligar alguma bomba ou válvula solenóide. Fig. 2.3. Controle liga-desliga do nivel A malha default de controle continuo é com a realimentação negativa (feedback) e com o algoritmo de controle PID. Realimentação porque se mede na saída e atua na entrada do processo. Negativa porque a atuação é para

estabilizar a variável: se ela tender a subir por algum distúrbio o controlador a faz baixar ou se a variável tender a descer por causa de outro distúrbio, o controlador a fazer subir. As variáveis envolvidas são, na maioria dos casos, pressão, temperatura, vazão, nível e análise. Fig. 2.4. Controle PID de processo contínuo

2.2. Processo Batelada (Batch)

No processo batelada, uma dada quantidade de material é processada através de passos unitários, cada passo sendo completado antes de passar para o passo seguinte. A alimentação do processo batelada é feita por quantidades discretas, de modo descontínuo. O processo é alimentado, a operação é executada, o produto é descarregado e reinicia-se outro ciclo. Cada operação do processo de batelada pode ser considerada como um processo contínuo, porém o tempo envolvido é relativamente pequeno, medido em minutos ou horas.

O processo batelada é aquele em que as funções de transferência de material ou processamento de material são cíclicas com resultados repetitíveis. O processo batelada faz um produto em quantidades finitas. Em uma situação ideal, este produto é determinado por

1. uma receita que tem um nome e contem informação sobre

2. os ingredientes ou as matérias primas usadas,

3. a ordem dos passos e 4. as condições do processo e 5. equipamento usado no processo.

Fazer uma sopa é um exemplo típico de um processo de batelada e possivelmente a receita foi passada oralmente, de uma geração para a seguinte.

No passado, cozinhar a sopa era feito e controlado manualmente, porém os passos e funções típicos de um processo de batelada já eram explícitos e reconhecidos:

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1. medição ou sensação por meio de ver, tocar, escutar e degustar

2. atuador, ou a interferência direta de cozinhar com processo, como mexer a sopa, aumentar ou reduzir a fonte de calor, adicionar ingredientes ou remover a panela do fogo.

3. segurança: como evitar ou extinguir o fogo na caverna ou cozinha, certamente com uma lata d'água para a emergência.

4. manipulação anormal: redução do fogo em caso de excesso de fervura ou aumento da agitação para evitar que sopa grude na panela

5. controle regulatório: mantendo a temperatura da sopa no ponto de ebulição

6. seqüência: execução dos passos do processo em ordem predeterminada

7. coordenação do processo: certos ingredientes foram medidos, pesados ou preprocessados para servir como matéria prima antes de começar o processo principal de cozinhar a sopa.

8. programação: onde alguém programa e supervisiona o processo de fazer vários potes de sopa para todo o pessoal da tribo.

Fig. 2.5. Processo batelada

É fácil imaginar que o controle de

qualidade, em termos de se garantir um gosto agradável e consistente para vários potes de sopa era requerido pelo usuário final. O controle de qualidade era uma consideração importante para o cozinheiro continuar no negócio ou mesmo continuar vivo.

A otimização do uso do ingrediente e do tempo de cozimento foi muito importante no passado, especialmente quando era pobre o suprimento da comida.

Este exemplo mostra que as funções incluídas no controle do processo de batelada de hoje não eram diferentes daquelas da pré-história. A principal diferença é que, hoje, se tem os meios para armazenar os ingredientes necessários e de executar as funções manuais por meio de equipamento mecânico ou eletrônico, de modo automático.

Como havia muitos fenômenos químicos e físicos pobremente conhecidos, o controle do processo batelada foi considerado uma arte ou uma habilidade no passado. O cozinheiro pré-histórico fez várias funções, tais como engenheiro de pesquisa e desenvolvimento, especialista de processo, operador e instrumentista. Os processos de batelada originais eram tão elaborados que requeriam muita atenção e experiência para fazer produtos com uma qualidade consistente.

Atualmente, tem-se um enfoque mais cientifico e muitas incertezas na química e física foram reduzidas ou resolvidas.

Historicamente, o crescimento do conhecimento dos fenômenos físicos e químicos junto com o aparecimento de novas tecnologias, métodos e técnicas possibilitaram o engenheiro de controle automatizar as funções descritas acima.

A automação começou com as medições do processo e com os atuadores diretos na planta. Depois seguiu-se a automação das funções de controle lógico de intertravamento e do controle regulatório. Gradualmente, a automação foi aplicada ao controle da seqüência e nos níveis de programação.

A automação sempre foi inspirada pela exigência ou demanda de:

1. aumentar a segurança 2. proteger o ambiente 3. melhorar a saúde e trabalho do

operador 4. melhorar a qualidade do produto 5. aumentar a eficiência e produtividade 6. controlar os tempos de entrega. Como a maioria dos problemas de controle

ocorre durante os transientes da partida, o processo tipo batelada é mais difícil de ser controlado, pois ele realiza muitas partidas e fica parado durante intervalos de tempo. Como conseqüência, foram desenvolvidos controladores especiais para o processo tipo batelada. Basicamente, tais controladores possuem a capacidade de partir em automático e não precisam ser desligados, nos intervalos do processo parado, sem problema de saturação.

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3. Variáveis do Processo

3.1. Introdução

A variável do processo é qualquer quantidade física que possui o valor alterável com o tempo e com o espaço. Controlar uma variável significa manter constante a grandeza que tenderia a variar. Não se deseja e nem se pode controlar uma grandeza constante.

As variáveis do processo geralmente são interdependentes entre si. Para se controlar uma variável, é preciso fazer medições (geralmente mas nem sempre da variável controlada) e deve se manipular outra variável dependente. Existem variáveis mais facilmente detectáveis e outras, mais facilmente manipuláveis.

Uma variável de processo pode ser considerada, dentro de determinada tolerância e intervalo de tempo, como constante. Na natureza tudo está variando, porém, às vezes, esta variabilidade não é detectada pelo instrumento de medição e por isso a variável é considerada constante.

Outros parâmetros de controle são estabelecidos e mantidos fixos. Exemplos de constantes são o valor do ponto de ajuste, dos ajustes das ações de controle e dos pontos de alarme.

Naturalmente, uma variável analógica se altera de modo suave. Raramente a natureza dá saltos. Em controle, uma alteração brusca da variável é anormal e geralmente um indicativo de quebras ou problemas. Porém, a variação do ponto de ajuste feita pelo operador geralmente é rápida e do tipo degrau e o controlador bem projetado deve prever e tratar esta variação brusca.

A partir destas premissas, serão definidas, agora, as variáveis envolvidas na malha de controle:

1. controlada 2. medida 3. manipulada 4. aleatória 5. distúrbio 6. carga do processo

Fig. 2.7. Terminologia do controle

3.2. Realimentação negativa (Feedback)

No controle a realimentação negativa a entrada é a causa e a saída é o efeito e não exigência que as variáveis de entrada ou saída sejam associadas com um fluxo passando através dos limites definindo o sistema. Por exemplo, a entrada pode ser uma vazão e a saída pode ser o nível de líquido em um sistema.

Há uma relação causa/efeito no processo que não pode ser diretamente invertida. No controle de processo, deseja-se manter selecionadas variáveis de saída, tais como pressão, vazão, temperatura, nível e análise, em valores especificados. Portanto a realimentação negativa é aplicada para conseguir a saída desejada pelo ajuste de uma entrada. Isto explica por que o algoritmo de controle a realimentação negativa é geralmente descrito como o inverso da relação de processo.

Primeiro, seleciona-se a variável de saída medida cujo comportamento é especificado. Ela é chamada de variável controlada e tipicamente tem um substancial efeito sobre o desempenho do processo. Muitas outras variáveis de saída existem, tais como temperatura ou pressão. Depois, as variáveis que foram referidas para as entradas do processo são divididas em duas categorias: manipuladas e distúrbios.

Uma variável manipulada é selecionada para ajuste na estratégia de controle para

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conseguir o desempenho desejado na variável controlada. Geralmente a variável manipulada é a vazão que é regulada por uma válvula de controle. Todas as outras variáveis de entrada que influem a variável controlada são chamadas de distúrbios.

Assim, o controle a realimentação negativa é um método para ajustar uma variável de entrada baseado na variável de saída medida. No caso mais simples manual, o sistema de realimentação negativa poderia envolver um operador que observa a indicação de um termômetro e ajusta uma válvula de aquecimento manualmente. De modo diferente, o controle a realimentação negativa pode ser automatizado fornecendo um equipamento de computação com um algoritmo para ajustar a válvula baseando-se nos valores da temperatura medida. Para tornar automático a realimentação negativa, o sensor deve ser projetado para se comunicar com o equipamento de computação e o elemento final de controle deve responder ao comando deste equipamento de computação. Neste caso, o equipamento de computação é chamado de controlador. O algoritmo clássico de controle a realimentação negativa é o PID – modos proporcional, integral e derivativo.

Uma das mais importantes tarefas do engenheiro de controle é a seleção das variáveis controladas e manipuladas, do algoritmo e dos parâmetros no cálculo. Porém, nunca se deve esquecer que o processo faz parte do sistema de controle. Ou seja, o sistema de controle envolve o processo, a instrumentação e os cálculos de controle. Todos estes elementos da malha a realimentação negativa podem afetar o desempenho do controle.

A realimentação negativa reduz a variabilidade da variável controlada às custas do aumento da variabilidade da variável manipulada.

3.3. Variável Controlada

A variável controlada é aquela que se quer manter constante, mesmo que haja influência de outras variáveis que tenderiam modificar o seu valor. Na malha de controle à realimentação negativa, a variável controlada é sempre medida, geralmente na saída.

A variável controlada determina o tipo e o tag da malha de controle. Quando se fala de malha de temperatura, a temperatura é a variável controlada.

4.4. Variável Medida

Na instrumentação, a maioria das medições é feita de modo indireto. Mede-se uma

grandeza física diretamente e infere o valor da variável desejada desta medição. Por exemplo, a medição de temperatura por enchimento termal é uma medição direta de pressão; a medição da temperatura através do termopar mede diretamente uma tensão elétrica. A medição de nível geralmente é feita através da medição da pressão diferencial. A medição da vazão, por placa de orifício, se resume na medição da pressão diferencial gerada pela placa. Porém, em todos casos, o que se considera como mais importante é a variável que se quer medir ou controlar. A variável medida é que determina o tipo do elemento sensor.

Em princípio, qualquer variável de processo que possa produzir um movimento, uma força mecânica, uma força eletromotriz ou a variação de uma grandeza elétrica passiva, pode ser medida, por sensores mecânicos e eletrônicos.

Fig. 2.8. Entradas e saídas do controlador Fig. 2.9. Terminologia do controle

3.5. Variável Manipulada

A variável manipulada é aquela que é monitorada pelo controlador para influir no valor da variável controlada. Na malha de controle a realimentação negativa a variável manipulada está na entrada do processo.

A variável manipulada determina o tipo do elemento final de controle. Como a maioria dos elementos finais de controle é a válvula com

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atuador pneumático, a vazão do fluido que passa através da válvula é a variável manipulada.

As variáveis manipuladas incluem a posição da válvula, a posição do damper, a velocidade do motor. Uma malha de controle é muitas vezes manipulada para controlar outra variável em esquemas de controle mais complexos. Por exemplo, o controle da temperatura (variável controlada) pode ser realizado através da atuação na vazão (variável manipulada) de vapor. O vapor é considerado o meio de controle.

Deve-se notar que o meio de controle pode conter outras variáveis, além da que está sendo manipulada, que também influem na variável controlada. Por exemplo, a qualidade do vapor superaquecido depende da temperatura e da pressão. A capacidade de aquecimento do vapor é função de sua quantidade e de sua qualidade. A vazão é relacionada com a quantidade de vapor. Para a mesma quantidade de vapor, a capacidade de aquecimento pode se alterar pelas variações da pressão e da temperatura do vapor. O vapor com menor pressão é menos eficiente para o aquecimento que o de maior pressão.

3.6. Relação com processo

O controle a realimentação negativa se baseia no ajuste apropriado na variável manipulada sobre o erro entre o ponto de ajuste e o valor corrente da variável controlada. A direção da mudança é determinada do conhecimento do processo. Por exemplo, o grande aumento da temperatura de saída deve ser corrigido pela diminuição da vazão de entrada de vapor em uma malha de controle de temperatura. Assim, a relação do processo em regime permanente ou ganho, deve ser conhecida (aproximadamente) e não trocar o sinal, senão o controlador a realimentação negativa não saberia fazer a correção correta.

A resposta dinâmica entre a variável manipulada e controlada deve ser favorável, que é geralmente interpretada como monotônica e rápida, com pequeno tempo morto ou resposta inversa.

Para se obter um bom desempenho do controle, as variáveis controladas e manipuladas devem ser monitoradas.

Análise das respostas da variável controlada e manipulada para um distúrbio degrau no ponto de ajuste fornece informação valiosa de diagnóstico sobre as causas de bom e ruim desempenho de controle, permitindo o desempenho ser personalizado para objetivos únicos de controle.

3.7. Variáveis Aleatórias e Distúrbios

Além das variáveis controlada e manipulada, de interesse direto para o controle do processo, existem outras variáveis que influem no processo. Essas variáveis, que afetam o desempenho do processo, podem ser chamadas, de um modo genérico, de distúrbios ou de carga do processo. Como o seu controle direto é muito difícil, deve-se aprender a conviver com elas e ajustar o sistema para compensar a sua influência.

Podem ser considerados como distúrbios do processo: as condições de operação, as condições ambientais, o desgaste dos equipamentos e dos instrumentos, a falha de equipamentos, os fenômenos internos ao processo, como as reações endotérmica e exotérmica.

Quanto ao local onde os distúrbios podem ocorrer, tem-se:

1. de demanda, ocorrido na saída do processo,

2. de suprimento, na entrada do processo, 3. de operação, com variação do ponto de

ajuste. 4. Quanto ao formato da onda, o distúrbio

pode ser classificado como: 5. tipo degrau, quando a variação é

instantânea de um nível a outro e depois fica constante. A resposta de um sistema a um degrau é a resposta ao transiente.

6. rampa, quando a variação segue uma reta inclinada. Quando a inclinação da reta aumenta muito, o distúrbio tipo rampa passa a tipo degrau,

7. senoidal, variando ciclicamente segundo uma senóide,

8. pulsos, quando a duração do degrau é pequena e cíclica. Normalmente o pulso é retangular; às vezes, o trem de pulsos é deformado e se comporta como um sinal senoidal

9. aleatório, quando não se enquadra em nenhum caso anterior.

Quando há um distúrbio na entrada do processo, há uma correspondente alteração na saída do processo. O tipo de resposta depende basicamente do tipo do distúrbio e das características dinâmicas do processo. Para a determinação do desempenho do sistema de controle em frequência mais elevada, estuda-se o comportamento da resposta, aplicando-se na entrada uma variação senoidal. Estas simulações de sinais não se afastam muito do processo real, pois a maioria dos distúrbios de um processo pode ser considerada uma combinação das variações degrau e senoidal.

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Fig. 2.10. Formatos dos distúrbios de processo A temperatura do tanque aquecido pela

serpentina com vapor depende de: 1. quantidade de vapor 2. qualidade do vapor (P, T e %) 3. nível do produto no tanque 4. tipo do produto que entra 5. temperatura do produto de entrada 6. estado da serpentina 7. temperatura ambiente 8. tipo de reação que ocorre dentro do

tanque (exotérmica ou endotérmica) 9. ponto de ajuste do controlador 10. etc. Neste sistema, 1. a temperatura é a variável controlada e

portanto é medida, 2. a variável sentida é a pressão do

sistema de enchimento termal 3. a variável manipulada é a vazão de

entrada de vapor na serpentina 4. a temperatura ambiente pode afetar a

temperatura do produto, mas é não controlada

5. a saída do produto é a carga do processo

6. pode haver distúrbio afetando o produto de entrada ou o produto dentro do tanque.

3.8. Grau de Liberdade e Variáveis

O parâmetro associado a quantidade ótima de controladores em um sistema é o grau de liberdade, definido como a diferença entre o número de variáveis e o número de equações independentes entre as variáveis. O número de controladores automáticos atuando independentemente em um sistema ou parte do sistema não pode exceder o número do grau de liberdade.

Quando o número de controladores é menor que a diferença entre o número das variáveis controladas e o das equações independentes, é possível se controlar o processo, porém, o controle é insuficiente. Existem variáveis que não são controladas e podem afetar a eficiência do sistema global.

Porém, quando o número de controladores usados é igual ou maior que a diferença entre das variáveis e o número de equações matemáticas que existem entre as variáveis, o sistema é contraditório e não é possível se conseguir um controle. Os controles se anulam ou então, o controle de uma variável torna impossível o controle de outra variável.

A maioria (90%) das malhas de controle de uma planta é projetada, instalada, sintonizada e operada com grande sucesso usando-se a técnica simples da realimentação negativa. A minoria (20%) depende de técnicas mais avançadas de controle multivariável, tais como cascata, auto-seletor, relação de vazões e faixa dividida. Isto pode parecer uma pequena percentagem do total, porém as poucas malhas críticas podem provocar a parada da planta.

Sumário da análise do grau de liberdade:

GDL = 0

Sistema está exatamente especificado e a solução do modelo pode ser processada

GDL <0

Sistema está super-especificado. Em geral, não existe nenhuma solução para o modelo a não ser que todos os parâmetros e variáveis externas tomem valores que fortuitamente satisfaçam as equações do modelo. Este é o sintoma de um erro na formulação. A causa provável é 1. designação imprópria de uma variável

como parâmetro ou variável externa 2. incluindo um extra, dependendo das

equações no modelo. O modelo deve ser corrigido para se ter grau de liberdade zero.

GDL > 0

Sistema está sub-especificado. Pode existir um número infinito de soluções para o modelo. A causa provável é

1. projetando de modo inadequado um parâmetro ou uma variável externa como variável ou

2. não incluindo no modelo todas as equações que determinam o comportamento do sistema. O modelo deve ser corrigido para se ter grau de liberdade zero.

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3. Controle do Processo

Controlar o processo significa obter os resultados desejados dentro dos limites de tolerância razoáveis com determinado custo. Sempre que houver um distúrbio ou variação de carga no processo, a variável controlada deve retornar exatamente ou próxima ao ponto de ajuste estabelecido, dentro do tempo prescrito e com um pico de erro limitado.

A relação entre as variáveis controlada, manipulada e carga qualifica a necessidade do controle do processo. A variável manipulada e as várias cargas podem aumentar ou diminuir a variável controlada, dependendo do projeto do processo. Alterações na variável controlada refletem o balanço entre as cargas e a variável manipulada.

Fig. 2.11. Trocador de calor Para um trocador de calor, os aumentos na

abertura da válvula, na entalpia do vapor, na temperatura de entrada e na temperatura ambiente tendem a aumentar a temperatura do produto, enquanto o aumento da vazão e da encrostação do trocador tendem a diminuir a temperatura. A temperatura responde ao efeito combinado e total destas influências. Se as influências positivas são maiores que as negativas, a temperatura sobe; quando as negativas predominam sobre as positivas, a temperatura desce. Se todas as variáveis da carga permanecem constantes, a posição da válvula não precisa ser alterada e a variável controlada permanece também constante.

Os instrumentos de controle do processo são necessários porque as variáveis de carga não permanecem constantes. O objetivo do sistema de controle é determinar e continuamente atualizar a posição da válvula em função das variações da carga do processo.

Geralmente, o problema do controle é determinar o valor da variável manipulada que estabelece um balanço entre todas as influências na variável controlada e manter a variável constante e igual a um valor desejado. Outros fatores, tais como a velocidade de resposta, o formato da resposta e a interface do operador são também importantes no projeto e na escolha dos sistemas de controle.

Independente do grau de complexidade, todo sistema de controle resolve o mesmo problema básico e para um dado processo e condições de cargas, deve-se chegar ao mesmo resultado.

O problema de controle pode ser resolvido principalmente através de dois modos, cada um correspondendo a uma filosofia de projeto básica: feedback e feedforward. O sistema com realimentação negativa (feedback) gera o sinal de controle baseado na diferença entre o valor real da medição e o valor do ponto de ajuste desejado, chamada de erro. Para o sistema preditivo antecipatório (feedforward), o sinal de controle é gerado de valores baseados em diversas variáveis de carga que afetam o processo.

3.1. Controlabilidade do Processo

No sistema, a controlabilidade ou o grau de dificuldade de controle do processo é de importância fundamental, pois só quando um processo é controlável pode se projetar e aplicar um sistema de controle adequado para ele.

Há processos difíceis de controlar, onde a variável controlada fica distante ao ponto de ajuste, o tempo de recuperação é longo ou a amplitude das oscilações é maior do que o desejada. O que torna um processo difícil de ser controlado são os atrasos que aparecem no processo em si e na malha dos instrumentos. O controle seria trivial se o sistema respondesse instantaneamente as variações na entrada do processo.

Fig. 2.12. Variabilidade do processo com controle manual e controle automático

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3.2. Parâmetros Dinâmicos

Diz-se que um parâmetro é dinâmico quando ele assume valores diferentes no decorrer do tempo. Contrariamente, um parâmetro estático é constante no tempo, dentro de determinada tolerância.

O desempenho do sistema depende das características dinâmicas de todos os componentes da malha fechada de controle. Quando se estuda o comportamento dinâmico do sistema de controle, até as interligações entre os instrumentos devem ser consideradas. Por exemplo, no sistema de controle pneumático, o tempo de atraso das respostas é função da distância entre o transmissor e o controlador, da distância entre o controlador e a válvula de controle, da bitola do tubo de ligação, do material dos tubos e do tipo das conexões.

O modo matemático correto de expressar o comportamento do fenômeno dinâmico é através das equações diferenciais. A variável que só depende do tempo pode ser descrita por uma equação diferencial convencional. Se a variável depende do tempo e do espaço, ela é descrita por uma equação diferencial parcial. As equações diferenciais são desenvolvidas a partir de conhecidas leis físicas e químicas, tais como a lei de Newton, a lei da conservação de energia, a lei da conservação das massas e as leis termodinâmicas. A solução dessas equações diferenciais, obtida inclusive com a transformada de Laplace, envolve funções exponenciais do tempo. Está além dos objetivos do presente trabalho, o estabelecimento e a solução das equações diferenciais relacionadas com o controle de processo.

A variação das condições de equilíbrio do sistema de controle faz a medição da variável controlada se afastar do ponto de ajuste e produzir um erro. O controlador faz o sinal de medição voltar a ser igual ao ponto de ajuste, alterando sua saída. Porém, sempre que o sinal de medição e o sinal de atuação passam por cada componente da malha, eles podem sofrer alterações na magnitude e sofrer atrasos ou avanços. Cada componente possui um ganho que altera o seu valor e um atraso que altera o ângulo de fase.

A existência de atrasos no processo tem um efeito fundamental no desempenho da malha de realimentação negativa. Sem entender as causas destes atrasos é impossível avaliar que modos de controle (proporcional, integral, derivativo) são necessários ou se o controle de realimentação negativa terá sucesso em determinada aplicação.

Há três tipos básicos de tempos de atraso envolvidos no processo: a inércia, o tempo morto e o tempo característico.

3.3. Inércia

Nos sistemas mecânicos envolvendo componentes moveis e na medição de vazão com fluidos acelerados e desacelerados, os efeitos da inércia são importantes e devem ser considerados. Os efeitos inerciais estão matematicamente relacionados pela segunda lei de Newton e relacionam a força F, a massa m e a aceleração a

F = m a

3.4. Tempo Morto

O tempo morto é chamado de tempo de transporte ou atraso de transporte. O tempo morto invariavelmente ocorre quando se tem o transporte ou a transferência de massa, de energia ou de informação entre dois pontos do sistema. Este atraso depende essencialmente da distância L entre os pontos e da velocidade v com que é feita a transferência. Quanto menor a distância entre os pontos, menor o tempo de atraso; quanto maior a velocidade de transferência, menor também é o tempo morto.

Matematicamente,

v

Ltd

onde

tm é o tempo morto L é a distância percorrida v é a velocidade de propagação A dimensão do atraso ou do tempo morto é

a de tempo; a unidade SI é o segundo.

Fig. 2.13. Resposta de um elemento simples com tempo morto

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O tempo morto é o tempo transcorrido entre o aparecimento do distúrbio e o início da resposta do sistema de controle. Durante o tempo morto o controlador não responde aos distúrbios do processo, porque ainda não tomou conhecimento destes distúrbios.

O tempo morto afeta o sinal, atrasando-o. Um tempo morto puro permite a passagem do sinal de entrada inalterado, porém atrasado. Quando o sinal é senoidal, o tempo morto também atrasa o sinal, porém, nessa configuração se diz que há um atraso no ângulo de fase. O tempo morto desloca o ângulo de fase.

O tempo morto pode ser tomado como o parâmetro de referência para o estudo do grau de dificuldade de controle do processo. Quanto maior o tempo morto do processo, maior é a dificuldade de seu controle.

Como o tempo morto é muitas vezes causado pelo tempo requerido para movimentar material de um ponto a outro, ele é chamado de atraso de transporte ou atraso distância/velocidade. O tempo real depende da distância percorrida e da velocidade do material.

Um exemplo clássico de um processo com predominância de tempo morto é o sistema de pesagem de sólidos transportados por uma esteira rolante. O tempo morto entre a ação de abertura da válvula de controle e a correspondente variação no peso é matematicamente igual a divisão entre a distância do sensor-válvula pela velocidade da esteira rolante. O sistema com pequena distância entre o sensor e a balança possui pequeno tempo morto.

O sistema de mistura de composição química é um exemplo de um processo de primeira ordem mais tempo morto. A vazão do líquido de entrada é misturada com a vazão de saída da mistura. Isto pode ser feito com uma bomba na saída e um sensor de nível e controlador acionando uma válvula manipulando a vazão de entrada. Um recipiente com o produto a ser misturado com o líquido é suspenso acima do tanque passando por uma tubulação.

O pó cai do recipiente, através de uma porta e cai no tanque a posição da porta é governada por um cilindro. Um motor aciona um agitador para homogeneizar a mistura.

Uma variação degrau no posicionador da porta varia imediatamente a quantidade de pó deixando o recipiente, feito em um esforço para mudar a composição da mistura da saída. Porém esta variação deve cair no tanque, depois de percorrer a tubulação. Este é o tempo morto Uma vez no tanque, o pó deve se

dissolver e ser homogeneizado. Isto é um processo de primeira ordem, exponencial.

Quando se tem um tempo morto muito grande é muito difícil se obter um controle bom e estável com um controlador tradicional. Para produzir uma variação na saída do processo, o controlador move o atuador e monitora a saída do processo para determinar o resultado. Porém, absolutamente nenhum efeito aparece, por causa do tempo morto. Assim, o controlador pode acionar o atuador, aumentando, aumentando até que o tempo morto expire. Então a saída começa a responder, de modo muito rápido. O controlador começa a diminuir a ação no atuador. Mas por causa do tempo morto, nenhum efeito é sentido imediatamente. E então o controlador diminui, diminui e diminui.

A solução é colocar um microcomputador no controlador e modelar o processo nele. Ele pode então antecipar o tempo morto, temporizando variações na sua saída para produzir os resultados desejados assim que o tempo morto termine.

3.5. Tempo Característico

O tempo característico ou constante de tempo é o tempo em que o processo começa a responder aos distúrbios até atingir o valor de regime. Ele é chamado de característico porque depende do processo em si.

Como tipicamente a resposta da saída é exponencial, atingindo o 100% do valor final teoricamente só no tempo infinito, arbitrou-se como tempo característico o intervalo de tempo que a saída atinge 63% do valor final da resposta. Chega-se a este valor tornando o tempo característico igual a uma constante de tempo, de modo que a resposta fica igual a 1 – e-1 = 1 – 0,37 = 0,63

Fig. 2.14. Tempo morto e tempo característico

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O tempo característico depende do produto de dois outros parâmetros dinâmicos: a resistência e a capacitância. Por isso, quanto maiores a resistência e a capacitância do processo, maior é o tempo de atraso da resposta do processo e mais lento é o processo. O tempo característico deforma o sinal, transformando o degrau em uma exponencial. Quando maior o tempo característico, mais lentamente é a subida da exponencial.

O tempo característico é o atraso fácil de ser compensado pela escolha e pelos ajustes dos modos do controlador.

Resistência

A resistência é a dificuldade que todo fluxo de material ou de energia encontra para se deslocar entre dois pontos do sistema. A resistência elétrica é o grau de dificuldade para a corrente elétrica; a viscosidade absoluta é o grau de dificuldade para o escoamento do fluido, a resistência termal é o grau de dificuldade de transferência de calor (energia) entre dois corpos.

Por exemplo, as respostas da variação da temperatura de um reator quando se aplica um degrau de variação no vapor de entrada são diferentes, quando se tem a injeção direta de vapor, o aquecimento através da serpentina, a medição com um termopar pelado, com bulbo de proteção e com bulbo-poço. A serpentina, apresenta uma resistência para a transferência de calor do vapor para o produto do processo e o bulbo e o poço apresentam resistência para a transferência de calor do produto para o termopar.

Capacitância

A capacidade é o local onde a massa e a energia se armazenam. Uma capacidade age como um filtro ou amortecedor, entre um fluido de entrada e um fluido de saída. Em sistema mecânico, um vaso tem a propriedade de armazenar fluidos. A medição mecânica da capacitância é a inércia, que determina a quantidade de energia que pode ser armazenada em um equipamento estacionário ou móvel. Em sistema elétrico, o capacitor é usado para armazenar cargas elétricas.

O tamanho de uma capacidade é medida por sua constante de tempo. Na resposta do nível, desde que as duas vazões se aproximem assintoticamente, elas nunca se tornam totalmente iguais, pelo menos na teoria. O nível para de variar e, deste modo, a resposta não pode ser medida pelo tempo que ele leva para encher o tanque. Em vez disso, a resposta é quantificada por uma constante de tempo que é definida como o tempo requerido para

completar 63,2% da resposta total. Este número não é arbitrário, mas é determinado das equações diferenciais que modelam o processo. Como uma primeira aproximação, a constante de tempo de um elemento capacitivo é aproximadamente igual ao seu tempo de residência, que é definido como o volume dividido pela quantidade de produto acumulado, em unidades consistentes. Assim, se o tanque tem a capacidade de 1.000 litros e a vazão através do tanque é 100 L/min, o tempo de residência se torna 1.000 L/100 L/min = 10 minutos.

Quando o sinal de controle é senoidal, o sinal de saída se aproxima do valor médio da entrada. O nível irá subir enquanto a vazão de entrada for maior que a vazão de saída; o nível irá abaixar quando a vazão de entrada for menor que a vazão de saída. Para uma entrada senoidal, o sinal de medição de um elemento capacitivo também é senoidal, com o mesmo período.

A variação no sinal de medição, em comparação com a variação no sinal de controle, depende principalmente do período. Se o sinal de controle cicla muito rapidamente, com um período curto, a oscilação no nível será muito pequena. De modo diferente, se a mesma variação no sinal de controle ocorre em um período mais longo, a variação do nível será muito maior.

Há uma diferença conceitual entre capacitância e capacidade.

A capacidade é a máxima quantidade de material ou energia que pode ser armazenada em um equipamento ou sistema. A capacidade é uma grandeza estática relacionada apenas com o tamanho de armazenagem de fluido ou de energia.

A capacitância é uma grandeza dinâmica que relaciona a capacidade com outra variável de processo. É definida como a variação da quantidade de material ou energia necessária para fazer uma variação unitária na variável do processo. Por exemplo, capacitância é o número de litros de água necessários para variar um nível do tanque por um metro. Em outras palavras, para fazer uma variação na variável controlada, alguma quantidade de variável manipulada deve ser fornecida ou removida; esta quantidade dividida pela variação é a capacitância.

A Fig. 2.16 mostra dois tanques tendo a mesma capacidade (72 m3) mas com alturas diferentes (6 metros e 4 metros). Suas capacitâncias são diferentes: a do tanque alto vale 72 m3/6 m = 12 m3/m a do baixo vale 72 m3/4 m = 18 m3/m

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Fig. 2.15. Capacidade e capacitância do tanque:

Em tanques de mesma capacidade mas de diferentes capacitâncias, para a mesma variação de volume do líquido em ambos os tanques, o nível no de maior capacitância é mais estável. Geralmente, quanto maior a capacitância de um processo, mais fácil é seu controle.

Quando se quer controlar o nível dos dois tanques, o processo é mais sensível no tanque alto (menor capacitância) do que no tanque baixo (maior capacitância). Para a mesma variação de volume em ambos os tanques, o nível no tanque alto terá uma maior variação. O tanque alto tem menor capacitância, resposta mais rápida e é mais difícil de ser controlado dentro de uma dada faixa. Aumentando a capacitância para uma dada faixa de controle melhora a estabilidade da variável controlada em resposta a um distúrbio.

Na prática e em controle de processo, o parâmetro mais significativo do tempo característico é a capacidade. Quando se compara a dificuldade de controle de um sistema com tempo morto e com capacidade, a capacidade é um elemento mais fácil de ser controlado.

A variável de processo com predominância capacitiva é o nível de liquido, em tanque. Outro exemplo, é a pressão de gás em volume constante.

As respostas dos elementos de capacidade diferem das respostas do elemento de tempo morto em dois pontos significativos:

1. não ocorre atraso antes da medição começar a variar, isto é, nenhum tempo morto está associado com o elemento capacitivo.

2. a capacidade inibe a taxa em que a medição pode variar.

Por causa do nível ser uma medição da armazenagem de liquido em um tanque e por causa da taxa de acúmulo (positiva ou negativa) responder às diferenças entre as vazões de entrada e de saída, o nível não pode variar instantaneamente mesmo se o sinal de

controle tiver variação instantânea. Quanto maior o nível em comparação com as vazões, mais lenta será a variação do nível. Assim, o elemento capacidade no processo tende a atenuar os distúrbios. Isto torna o controle mais fácil, enquanto que o tempo morto torna o controle mais difícil.

O tempo morto e o tempo característico determinam todos os ajustes do controlador. Por exemplo, a banda proporcional é proporcional a relação entre ambos (tm/tc). O erro acumulado e o erro de pico, que determinam quantitativamente a qualidade do controle, são proporcionais a relação entre tm/tc.

O período natural de oscilação do processo, Tn, tomado como base para os ajustes do tempo integral e do tempo derivativo, é também proporcional ao tempo morto.

Os processos com uma única capacidade e com tempo morto puro existem apenas na teoria. Qualquer processo real inclui um número de cada um destes elementos dinâmicos. Por exemplo, o trocador de calor, inclui um tempo morto associado com o tempo que se gasta para a água quente fluir do trocador para o sensor. O processo possui as seguintes capacidades:

1. volume do atuador da válvula, 2. volume das serpentinas do trocador de

calor, 3. energia armazenada nos tubos 4. energia armazenada na água dos tubos 5. energia armazenada no termopar e no

sensor. Se os controles são pneumáticos, um

tempo morto e uma capacidade efetivos estão também associados com cada linha de transmissão. A situação típica inclui um ou dois tempos mortos identificáveis e vários pequenas capacidades.

Os tempos mortos em série são aditivos: um tempo morto de 1 minutos seguido de um atraso de 2 minutos combinam para formar um tempo morto de 3 minutos. Entretanto, o efeito combinado de um número de capacidades em série não é tão obvio. O efeito combinado de vários atrasos capacitivos parece para o controlador como a combinação de um atraso de tempo morto seguido de uma única capacidade com uma constante de tempo igual a maior constante de tempo individual.

Na resposta de malha aberta de um trocador de calor a uma variação degrau na saída do controlador, inicialmente a temperatura permanece constante, porém mais tarde ela começa a crescer e se aproxima para um novo valor constante, segundo uma exponencial. Embora o processo possa realmente ser uma coleção intrincada de

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elementos de tempo morto e de capacidade, ele pode ser representado por um modelo com um tempo morto mais uma capacidade, de modo a projetar a malha de realimentação. Os parâmetros para este modelo podem ser obtidos como um tempo morto aparente e uma constante de tempo aparente.

Enquanto esta representação possa ser obvia para o instrumentista, o controlador não pode ver a diferença. Desde que o tempo morto torna o controle mais difícil e a capacidade o faz mais fácil, uma estimativa da dificuldade do controle pode ser feita pelo cálculo da relação do tempo morto aparente e da constante de tempo aparente. Esta relação, td/t1 possui

também um grande significado para os ajustes do controle.

Concluindo, o controle seria perfeito, se o processo tivesse tempo morto igual a zero e apenas uma constante de tempo. Infelizmente, tal processo não existe. Na prática, quanto menor o tempo morto e menor a ordem (quantidade de constantes de tempo), mais fácil é o controle do processo. O processo com pequeno tempo morto e com uma única constante de tempo é o mais fácil de ser controlado.

4. Tipos Básicos de Processo

Há três tipos básicos de processos, quanto a sua capacidade de se controlar sem o auxilio externo ou quanto a sua habilidade de amortecer os distúrbios que aparecem:

1. auto-regulante 2. integrante 3. com realimentação positiva. A maioria da literatura técnica concentra se

no estudo do ganho e dos termos dinâmicos dos processos auto-regulantes, com realimentação negativa interna. Os outros processos são menos discutidos, embora sejam freqüentes na prática.

4.1. Processo Auto-regulante

O processo auto-regulante possui uma espécie de controle interno, inerente a ele. Ele possui um amortecimento, de modo que ele se regula automaticamente. O processo auto-regulante é fácil de ser controlado, pois ele ajuda a limitação do desvio da variável controlada.

Quando se aplica um degrau na entrada do processo auto-regulante, a sua saída varia conforme uma exponencial decrescente, tendendo assintoticamente para um valor limite natural ou valor de regime final.

Exemplos de processos auto-regulantes: 1. malha de controle de vazão,

2. malha de controle de nível sem bomba na descarga, onde a coluna liquida estabelece naturalmente a vazão da saída,

3. malha de controle de pressão com pequena relação entre o volume do tanque com a vazão de entrada,

4. malha de controle de temperatura, exceto das reações químicas exotérmicas,

5. malha de controle de pH, de óxido redução e de concentração em processo contínuo (não batelada).

No processo auto-regulante com tempo morto muito maior que o tempo característico, o período natural de oscilação é igual ao dobro do tempo morto.

Tn = 2 tm Quando o tempo morto é muito menor que

o tempo característico o período natural é igual a quatro vezes o tempo morto do processo.

Tn = 4 tm

Fig. 2.16 Processo auto-regulante A auto-regulação do processo pode estar

apenas na entrada (ou na saída) ou em ambas. Como exemplo, considere os três diferentes sistemas de controle de nível: 1. o sistema com a saída e a entrada

totalmente independentes entre si e independentes do nível do tanque. O nível do tanque pode ser controlado pela vazão de entrada. Porém, se a entrada é independente da saída, uma pequena diferença entre as vazões leva o tanque ou para totalmente cheio ou para totalmente vazio. Não há auto-regulação; este processo é integrante.

A

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2. o sistema com a entrada independente do nível, mas com a saída dependente do nível, pois a abertura da válvula da saída é proporcional ao nível: quanto maior o nível, maior será a vazão da válvula de saída. É um sistema parcialmente auto-regulante ou com a auto-regulação apenas na saída. Quando o nível sobe, a válvula da saída abre mais, fazendo o nível descer.

3. o sistema completamente auto-regulante, quando a vazão de saída e a vazão de entrada dependem ambas do nível. Quando o nível é elevado, o sistema naturalmente diminui a vazão de entrada (maior resistência a vencer) e aumenta a vazão de saída (maior pressão da coluna liquida) As variações na vazão de entrada ou na vazão de saída causarão apenas uma pequena variação no nível, pois o processo ajuda a restabelecer o equilíbrio. Como conclusão, quando se puder fazer

uma escolha do sistema a ser controlado, aquele com o maior grau de auto-regulação deve ser o escolhido, pois ele é mais fácil de ser controlado.

4.2. Processo Integrante

A resposta de malha aberta do processo integrante não atinge um valor limite estável, quando se aplica um degrau unitário em sua entrada. A sua saída varia conforme uma rampa ascendente, crescendo continuamente, até atingir o valor limite natural do processo; por exemplo, 100% donível do tanque e a explosão do tanque, no controle de pressão. Ele é chamado de integrante. por que a resposta na saída é igual a integral da entrada.

Exemplos de processos integrantes: 1. a malha de controle de nível com

bomba na descarga, onde a vazão da saída independe da coluna liquida ou com a válvula de controle na entrada do tanque,

2. a malha de controle de pressão sem abertura de descarga ou com pequena relação entre a vazão de entrada e o volume do tanque,

3. a malha de controle de pH, de óxido redução e de concentração em processo tipo batelada (não contínuo),

Como o processo integrante não se balanceia por si e não possui um valor de regime, ele não pode ser deixado sem controle automático durante longo tempo. Ele deve ter um sistema de segurança que evite a variável controlada atingir o valor perigoso, quando o controle automático falhar.

Fig. 2.17 Processo integrante: quando a entrada é um degrau, a saída é uma rampa.

No processo integrante, quando se pode

ajustar a banda proporcional em faixa menor que 10%, não é necessário usar o modo integral pois o desvio permanente é pequeno e usa se o controle proporcional isolado. Quando a banda proporcional não puder ser tão estreita, pode se usar a ação integral somente quando for possível associar também a ação derivativa.

No processo integrante, é comum é se ter o tempo característico muito grande. Quando, porém, o tempo morto é muito maior que o tempo característico, o período de oscilação da frequência natural do processo é igual a 4 vezes o tempo morto.

O período natural do processo integrante é muito maior do que o do processo auto-regulante, com mesmo tempo morto e mesmo tempo característico. Pode se demostrar matematicamente que o período natural do processo integrante é cerca de 56 vezes o período natural do processo auto-regulante. Como conseqüência, os ajustes do tempo integral e do tempo derivativo para este processo integrante devem ser 56 vezes maiores que os ajustes do processo auto-regulante. Por isso o processo integrante requer muito menor ação integral e muito maior derivativa. Esta é a principal razão porque a ação integral não deve ser usada em controle de nível. Se o ruído do nível, devido a turbulência ou borbulhamento, necessitar da banda proporcional mais larga, pode se usar a ação integral para eliminar o maior desvio permanente. A banda proporcional requerida por alguns processos integrantes é tão estreita que é menor que os limites do controlador comercial disponível.

O processo batelada é integrante e tem aproximadamente a mesma qualidade de controle que o processo contínuo auto-regulante, se ambos os tanques possuem grande capacidade, pequena vazão de alimentação, grande agitação (equivale dizer,

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pequeno tempo morto) e os transmissores e as válvulas são rápidos, de modo que as duas malhas possuam o mesmo período natural (Tn = 4 tm).

Quando o processo está instável e oscilando com a amplitude constante, tem-se o ponto de período natural da malha de controle. Quanto maior for o período natural de oscilação do processo, maior é o grau de dificuldade de controle. O processo integrante é mais difícil de ser controlado que o auto-regulante.

4.3. Processo run away)

Quando se aplica um degrau unitário na entrada de certos tipos de processos, a sua saída não tende para um valor de patamar limite (auto-regulante), nem sobe como uma rampa (integrante), mas sobe como uma exponencial crescente, até atingir o valor limite natural do processo, por exemplo, a ruptura de um reator químico ou a velocidade excessiva em um compressor dinâmico.

Este tipo de processo é chamado de run away. Por ele possuir uma espécie de realimentação positiva interna, que o força a se afastar de qualquer valor de regime estável, será chamado, no presente trabalho, de processo com realimentação positiva.

Exemplos de processos com realimentação positiva:

1. o controle de temperatura de reações exotérmicas, onde a inclinação da curva de remoção do calor é menor que a inclinação da curva de geração de calor,

2. o controle de concentração de reações biológicas, onde a inclinação da curva de diluição é menor que a inclinação da curva da geração das células,

3. o controle de compressor dinâmico, durante o surge quando a inércia do rotor é baixa.

No reator onde há uma reação exotérmica, tem se:

1. aumento da temperatura da reação, 2. aumento da velocidade da reação, 3. aumento da geração de calor, 4. aumento da temperatura da reação.

Fig.2.18. Processo sem controle (run away)

No controle de processo com

realimentação positiva pode se ter um fenômeno interessante, quando pode haver oscilação do sistema provocada por uma banda proporcional muito ... larga. O comum é ter banda proporcional muito estreita como causa de oscilação. Quando a banda proporcional é muito larga os pequenos distúrbios que aparecem não são corrigidos e podem se acumular e crescer até um determinado limite físico ou os outros modos podem compensar excessivamente e desencadear uma oscilação instável.

O processo com realimentação positiva opera melhor com as ações proporcional mais derivativa porque a ação integral necessária é tão pequena, por causa do elevado período natural, que não é disponível no controlador prático.

4.4. Outro enfoque

O tipo do sistema é determinado considerando-se sua função de transferência, ou relação entre a saída e entrada do contralador, que pode ser:: tipo 0: um sinal de entrada constante, x,

resulta em uma valor constante para a saída controlada, y. O sistema tem a posição constante. Este processo é equivalente ao regulante.

tipo 1: um sinal de entrada constante, x, resulta em uma velocidade constante para a saída controlada, y. Este processo é equivalente ao integrante.

tipo 2: um sinal de entrada constante, x, resulta em uma aceleração para a saída controlada, y. Ele é equivalente ao processo com realimentação positiva.

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Tipo 0 A resposta em regime de um sistema tipo 0

a um degrau é uma exponencial decrescente. Se o sistema possui um ganho K, o erro permanente para o distúrbio degrau com amplitude A, que ocorre freqüentemente com a variação do ponto de ajuste, vale

K1

Aep

Quanto maior o ganho, menor é o erro

permanente, porém mais o processo se aproxima da instabilidade. Se a entrada do sistema tipo 0 é uma velocidade ou uma aceleração, a saída não pode seguir a entrada e o erro aumenta com o tempo, tendendo para o limite natural do sistema (infinito).

No sistema tipo 0, faz-se uma compensação de valor constante para responder a entrada e o resultado é um erro permanente entre a saída e a entrada.

Tipo 1 O erro permanente de um sistema tipo 1 a

uma entrada tipo degrau é zero, que é o ideal. O erro permanente devido a uma entrada tipo rampa, com inclinação B, se o sistema possui ganho K, vale:

K

Bep

O aumento do ganho diminui o erro

permanente. Um sistema tipo 1 não pode seguir uma aceleração na entrada, pois o erro permanente tenderia para o limite natural do processo.

O sistema tipo 1 possui uma saída que varia conforme a variação da entrada, mas ha um erro permanente constante entre a saída e a entrada.

Tipo 2 O sistema tipo 2 possui erro permanente

igual a zero para as entradas posição e velocidade. Se a entrada é uma aceleração de valor C, o erro permanente do sistema com ganho K vale:

K

Cep

Novamente, o aumento do ganho diminui o

erro. O sistema tipo 2 tem uma saída cuja

aceleração é a mesma da entrada, mas é diferente da entrada por um erro constante.

A partir do tipo do sistema, pode-se escolher o controlador mais conveniente.

Tab. 7.2 - Erro permanente e tipo do sistema

K – ganho do processo B – velocidade, y/t C – aceleração, B/t, 2y/t2

Tab. 7.3. Tipos e características de processo

5. Modelo do processo

5.1. Conceito de modelo

Modelo matemático de um processo é um sistema de equações cuja solução, conhecidos os dados de entrada específicos, é representativa da resposta do processo a um correspondente conjunto de entradas (Denn, 1986). O modelo é uma representação simplificada de um processo físico, complexo e verdadeiro.

Modelagem é feita para responder questões especificas; assim, nenhum modelo é apropriados para todas as situações. Modelagem é uma tarefa orientada por objetivo, de modo que o modelo apropriado depende da aplicação.

Tomar cuidado com os métodos e resultados da modelagem e para tanto:

1) Definir o sistema e determinar os balanços e relações constitutivas usadas.

2) Analisar os graus de liberdade do modelo. 3) Determinar como os valores de projeto e

operação influenciam os resultados chave como ganhos e constantes de tempo.

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4) Determinar o formato da resposta dinâmica. Ela é monotônica, oscilatória, saturada?

5) Se não linear, estimar a exatidão do resultado da linearização.

6) Analisar a sensitividade da resposta dinâmicas aos valores do parâmetro.

7) Discutir como validar o modelo.

5.2. Princípios de modelagem matemática

Roteiro de um procedimento de modelagem fundamental 1. Definir objetivos

a) Especificar decisões de projeto b) Valores numéricos c) Relações funcionais d) Exatidão requerida

2. Preparar informação a) Esquematizar processo e identificar

sistema b) Identificar variáveis de interesse c) Estabelecer hipóteses e dados

3. Formular modelo a) Balanços de conservação b) Equações constituintes c) Racionalizar (combinar equações e

coletar termos) d) Verificar graus de liberdade e) Forma adimensional

4. Determinar solução a) Analítica b) Numérica

5. Analisar resultados a) Verificar resultados quanto a

correção Respostas limitantes e

aproximadas Exatidão do método numérico

b) Interpretar resultados Plotar solução Comportamento característico

como oscilações ou extremos Relacionar resultados para

dados e hipóteses Avaliar sensitividade Responder questões: o que se?

6. Validar modelo 7. Selecionar valores chave para validação 8. Comparar com resultados experimentais 9. Comparar com resultados de modelo mais

complexo

5.3. Transformada de Laplace

Transformada de Laplace é uma ferramenta poderosa de engenharia para analisar sistemas de controle de processo. É introduzida e aplicada para transformar

equações diferenciais em equações algébricas lineares, de mais fácil solução usando regras de álgebra. Não existe para todas as funções. Transformada de Laplace converte uma função no domínio do tempo (t) para o domínio s.

Fig. 1.1. Transformada de Laplace e sua

função inversa (convolução) Transformada de Laplace é um operador

linear. A transformada de Laplace e seu inverso

são únicos.

5.4. Função de Transferência

A função de transferência de um sistema é a transformada de Laplace da variável de saída dividida pela transformada de Laplace da variável de entrada, ambos em função s, com todas as condições iniciais iguais a zero. A função de transferência é útil, pois ela mostra a causalidade das variáveis. Ela indica a direção da relação causa (entrada) e efeito (saída). A entrada (causa) está no denominador e a saída (efeito) no numerador. No projeto de um sistema de realimentação negativa, a variável controlada deve ser a entrada (denominador) e a variável manipulada deve ser a saída (numerador). Quando o sistema é causal, a ordem do denominador é maior que a do numerador e a sua função de transferência é apropriada.

A função de transferência G(s) é definida como:

Na função de transferência a variável no

denominador é a entrada (causa) e a do numerador é a saída (efeito). Na realimentação negativa, a variável medida controlada deve ser uma saída e a variável escolhida para ajuste deve ser uma entrada.

O valor de uma variável de saída do sistema pode depender dos valores passados da saída e das entradas, mas não pode depender dos valores futuros de qualquer variável. A função de transferência não pode possuir termos de predição.

Quando se tem a função de transferência, fazem-se as computações no domínio de s e

)(

)()(

sX

sYsG

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depois, o resultado final deve ser expresso no tempo, que é o modo mais fácil de ser entendido:

Há dois parâmetros importantes da função

de transferência: pólos e zeros. Pólo é uma raiz do denominador da função

de transferência. O comportamento dinâmico do sistema (estabilidade, transitórios, regime permanente) pode ser obtido da análise dos pólos.

Zero é uma raiz do numerador da função de transferência. Os zeros não afetam a estabilidade do sistema, mas influenciam muito a trajetória seguida pelas variáveis, de seus valores iniciais para os finais.

A função de transferência global pode ser usada para determinar algumas propriedades importantes do sistema sem resolver as equações diferenciais que definem esta função. Estas propriedades incluem:

1. Valor final da variável de saída 2. Estabilidade da resposta 3. Resposta da saída para uma onda

senoidal A determinação desta informação sem a

resposta dinâmica inteira apresenta duas vantagens:

1. Reduz o esforço para estabelecer estas propriedades do sistema

2. Ajuda no entendimento dos modos em que um projeto do equipamento, condições de operação e sistemas de controle afetam estas propriedades.

Felizmente, apenas nove funções de transferência podem descrever quase todos os processos químicos: 1. degrau, 2. rampa, 3. seno, 4. exponencial, 5. exponencial vezes tempo, 6. impulso (Dirac) 7. tempo morto, 8. derivada no tempo e 9. integral no tempo.

5.5. Diagrama de blocos

O diagrama de blocos combina a função de transferência individual em uma função de transferência global.

Há três manipulações permitidas que podem ser combinadas e usadas em qualquer sequência:

Transformar uma entrada em uma saída através de uma função de transferência

Soma ou diferença de duas variáveis

Divergência de uma variável para uso em mais de uma relação.

Fig. 1.1. Diagrama de blocos: operações

permitidas e não permitidas

Vantagens do uso do diagrama de blocos:

É uma representação visual útil para o sistema integrado.

Mostra claramente a relação causa e efeito, por causa da direção das setas, identificando as variáveis de entrada que afetam as variáveis de saída.

Os diagramas de bloco, como as funções de transferência, são usados para assistir o engenheiro na determinação dos aspectos quantitativos do desempenho dinâmico e no entendimento das características qualitativas do sistema. O diagrama de blocos não tem mais informação acerca do sistema do que as equações lineares no domínio do tempo.

Fig. 1.1. Exemplo de diagrama de blocos

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5.6. Resposta de freqüência

A resposta em freqüência define o comportamento da saída de um sistema para uma entrada senoidal depois de um longo tempo que a saída fica periódica. A saída de um sistema linear será um seno com a mesma freqüência que a entrada e a relação entre a entrada e saída é caracterizada pela relação da amplitude e pelo ângulo de fase.

A resposta em freqüência de sistemas lineares pode ser feita através da função de transferência, com uma entrada senoidal. A resposta em freqüência é inteiramente determinada pela função de transferência. As condições iniciais não afetam o comportamento a longo prazo do sistema.

O diagrama de Bode é a ferramenta para analisar a estabilidade e a resposta de freqüência de sistemas. Os diagramas de Bode plotam a amplitude versus a freqüência e o ângulo de fase versus a freqüência.

Estes conceitos são importantes e úteis no estudo da estabilidade do sistema, que depende do ganho e o ângulo de fase. Na sintonia do controlador, para se obter um sistema estável, o ganho está associado com a ação proporcional e o ângulo de fase está associado com a ação integral (que atrasa) e a ação derivativa (que adianta).

6. Cursos de controle de processo e Laplace

Por causa da grande importância e abrangência do controle dos diferentes processos industriais, quase todas as faculdades de engenharia (química, elétrica, mecânica, eletrônica) do Brasil e do mundo incluem em seus currículos de formação a disciplina Controle de Processo. Invariavelmente, este curso é ministrado através de uma teoria matemática intoleravelmente profunda, cuja figura marcante é a temível transformada de Laplace. Embora toda essa teoria matemática seja necessária e útil para o estudo avançado do controle de processo, por causa de sua abstração e teoria enfatizada em um primeiro curso de controle, este curso afugenta, espanta e até traumatiza os alunos, cristalizando uma imagem distorcida do conceito de controle de processo.

A partir deste currículo e até por questões legais, também os concursos públicos e de empresas particulares e da Petrobras, também incluem questões sobre este assunto, obrigando todos os candidatos estudarem este assunto, mesmo sabendo que sua aplicação não irá além do concurso.

Há um ritual periódico e recorrente. Cria-se um círculo vicioso, onde um professor ensina a teoria matemática que ele aprendeu anteriormente de outro professor, sem ambos nunca terem ido a uma indústria para ver um controlador funcionando em um processo real em operação. Ensina-se o mesmo assunto e sempre com o mesmo enfoque, desde a década de 1940, quando havia uma instrumentação pneumática, até hoje, quando se tem uma instrumentação eletrônica microprocessada. Também estes professores padrão nunca leram o artigo mais interessante da história da teoria de controle, escrito por J. G. Ziegler e N.B. Nichols, em 1942, válido até hoje e que não usa e nem menciona a transformada de Laplace (Optimum Settings for Automatic Controllers, ASME, 1942).

Dá-se uma primazia injustificada e uma importância única à teoria, matemática e quantidades, esquecendo a prática, a realidade e a qualidade. O estudante adquire poucas habilidades úteis para sua carreira profissional, pois o assunto é pouco entendido pela maioria dos estudantes e de pouco valor para seu futuro. Nos cursos convencionais de Controle de Processo os alunos se envolvem profundamente em detalhes matemáticos e perdem o rastro do objetivo de aprender controle. Eles fazem um curso, cheio de exercícios e avaliações matemáticas, mas não sabem para onde está indo. E quando não se sabe para onde se vai qualquer caminho serve.

É possível e recomendável ministrar um curso de controle de processo, com linguagem acessível, sem o uso de ferramentas matemáticas transcendentais, mesmo sem perder muito rigor e sem descaracterizar os conceitos básicos. Como a maioria absoluta dos alunos destes cursos nunca viu antes um processo industrial ou um instrumento associado para seu controle, tomar o primeiro contato do assunto de controle de processo é traumático, assustador e repelente.

Um curso de controle, como qualquer outro curso, deve ser interessante, atraente, alegre, solto e prazeroso. E aplicável à sua vida profissional prática futura!

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3. Malha

Objetivos de Ensino

1. Conceituar malha de controle, com as funções dos instrumentos. 2. Mostrar as diferenças básicas entre malhas passiva e ativa; aberta e fechada. 3. Apresentar as características da malha fechada com realimentação negativa. 4. Mostrar o conceito de estabilidade, ganho, banda proporcional e ângulo de fase. Conceituar a perda de controle por saturação e oscilação.

1. Malha de Controle

Por mais complexo que seja o processo, seu controle automático é realizado pela malha de controle. O sistema de controle com muitas variáveis independentes pode ser dividido sucessivamente até se chegar ao módulo unitário mais simples, que é a malha de controle de uma única variável.

A malha é uma série de instrumentos, interligados entre si, que produz um resultado útil e desejado, com pequena ou nenhuma supervisão humana. A principal característica de uma planta de processo bem projetada, sob o ponto de vista de controle, é a grande produção com poucos operadores de processo.

Ha muitos modos diferentes de se instrumentar um processo, sob o ponto de vista de equipamentos. Pode-se usar a instrumentação pneumática ou a eletrônica, pode-se usar a técnica analógica ou a digital, pode-se escolher entre a arquitetura modular ou a integral, pode-se ter o controlador montado no campo ou na sala de controle remota. Porém, a despeito de todas as alternativas, a teoria básica permanece sempre a mesma. O processo vê caixas pretas, que desempenham funções especificas, qualquer que seja a natureza dos circuitos interiores e o local de montagem.

2. Instrumentos da Malha

A malha de controle mais simples possível é constituída de um único controlador, ligado diretamente a válvula de controle que atua no processo. Na prática, por questão das grandes distâncias envolvidas, dos demorados tempos de resposta, da necessidade do condicionamento de sinais mal comportados, da vantagem da linearização de sinais quadráticos, da exigência de compatibilidade

de sinais com naturezas distintas, a malha de controle possui outros instrumentos para executar estas funções auxiliares e opcionais.

Fig. 3.1. Malha típica de instrumentos: transmissor, controlador e válvula de controle

Embora pareça irrelevante o uso de tantos

instrumentos interligados na malha de controle, a colocação ou a retirada de um instrumento na malha pode alterar a estabilidade do controle do processo.

O sistema de controle do processo é constituído basicamente pelo processo em si e pela malha de instrumentos de medição e de controle. O melhor sistema de controle é aquele que utiliza o mínimo número de instrumentos para se obter o controle automático mais eficiente e seguro.

Os principais instrumentos são: o indicador, o registrador, o transmissor, o transdutor, o controlador, o computador matemático, o integrador, o contador, a estação manual de controle e a válvula de controle.

Malha de Controle

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Fig. 3.2. Malha de controle pneumática

Fig. 3.3. Malha de controle eletrônica

2.1. Elemento Sensor

Para se fazer o controle de uma variável, é necessário, antes de tudo, medir o seu valor. O componente básico da medição é o elemento sensor. Ele não é um instrumento completo, mas faz integrante parte do transmissor ou do controlador. O tipo do elemento sensor depende basicamente da variável medida.

O sensor pode ser de natureza mecânica ou eletrônica. O sensor mecânico sente a variável do processo e gera na saída uma força ou um movimento mecânico. O sensor eletrônico ativo sente a variável e gera na saída uma tensão elétrica e não necessita de alimentação; o sensor eletrônico passivo requer uma tensão de alimentação e varia uma grandeza elétrica passiva, como resistência, capacitância ou indutância.

2.2. Transmissor

A malha de controle pode ter, opcionalmente, um transmissor. O transmissor é um instrumento que sente a variável de processo e gera na saída um sinal padrão, proporcional ao valor desta variável. Pode se usar o transmissor para enviar um sinal padrão a grandes distâncias para ser manipulado remotamente e para permitir a centralização e a padronização dos instrumentos da sala de controle.

Os sinais padrão são: pneumático, de 3 a 15 psig e eletrônico, de 4 a 20 mA cc. São pouco usados: 0 a 20 mA cc (não é faixa detectora de erro), 10 a 50 mA cc (nível elevado e perigoso), 1 a 5 V cc (tensão não é conveniente para a transmissão).

Fig. 3.4. Transmissor eletrônico com indicação

Já são disponíveis transmissores que

incorporam o microprocessador em seu circuito eletrônico. Isto possibilita e facilita as operações de computação matemática, de alarme, de sequência lógica e de intertravamento. São os chamados transmissores inteligentes.

2.3. Transdutor i/p

Entre o controlador eletrônico e a válvula de controle com atuador pneumático, é necessário o instrumento condicionador de sinal transdutor i/p. O transdutor converte o sinal padrão eletrônico de 4 a 20 mA no padrão pneumático de 20 a 100 kPa (3 a 15 psi). O transdutor permite o uso de instrumentos pneumáticos e eletrônicos na mesma malha. Eles são chamados incorretamente de conversores.

Malha de Controle

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Fig. 3.5. Transdutor i/p montado na válvula

2.4. Controlador

O controlador é o principal instrumento da malha e por isso será estudado longamente em um capítulo especial.

A função do controlador é a de receber o sinal da medição da variável, compara-lo com um valor de referência e atuar no processo para que a medição seja igual ou próxima ao valor de referência. Normalmente o controlador recebe o sinal do transmissor e envia o sinal para o elemento final de controle.

Fig. 3.6. Controlador single loop

2.5. Válvula de Controle

A válvula de controle, chamada normalmente de elemento final de controle atua diretamente no agente de controle, manipulando uma variável que tenha influência significativa na controlada. A válvula de controle recebe o sinal do controlador e através do atuador, o converte em força e movimento, variando a abertura para a passagem do fluido. A válvula deve possuir uma mola, que leva a posição para uma situação extrema, totalmente aberta ou fechada, quando não há sinal de atuação. A força de atuação deve vencer as forças exercidas pela mola e pelo processo.

A válvula é o equipamento projetado para produzir uma dissipação de energia de modo a controlar a vazão ou também, para produzir uma queda de pressão ajustável.

A válvula de controle possui vários parâmetros: conexões, número de sedes, formato do obturador, tipos de operação, características inerentes entre a vazão e a abertura, materiais.

Mesmo com a instrumentação eletrônica, o elemento final mais usado é a válvula com atuador pneumático. O atuador pneumático é o mecanismo mais simples, seguro, rápido e econômico que existe em uma malha de controle.

Tab. 1. Componentes da malha de controle

Fig. 3.7. Válvula de controle com atuador pneumático

Há outros acessórios opcionais da malha

de controle, que servem para fornecer segurança ou comodidade ao sistema. Acessórios clássicos são:

1. Estação manual, para fornecer alternativa do controle automático .

2. Posicionador da válvula, para linearizar e tornar mais rápida sua resposta.

3. Volante da válvula de controle, para prover controle manual.

4. Chaves de posição, para evidenciar a abertura ou fechamento total da válvula.

Malha de Controle

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3. Malha Aberta

O sucesso ou o fracasso de qualquer sistema de controle se baseia no uso inteligente das informações disponíveis do processo. Sob o ponto de vista de configuração, há dois tipos básicos de malhas de controle: a aberta e a fechada.

A malha aberta possui um princípio e um fim diferentes entre si. A malha fechada pode ser percorrida continuamente, saindo-se e chegando ao mesmo ponto. A malha é fechada pelo processo.

Fig. 3.8. Malhas abertas ativas: controle manual (HIC) e controle lógico programável (CLP).

3.1. Indicação e Registro

Na prática, a maior aplicação de malhas abertas, em instrumentação, se refere à indicação e ao registro das variáveis do processo. As malhas abertas de indicação e de registro são passivas, no sentido de só receber os sinais e converte-los em leitura.

A malha de indicação local de temperatura é constituída de um indicador, montado no campo, interligado ao processo pelo elemento sensor. A função da malha é apenas a de indicar a variável. A saída do indicador é a leitura visual; ele não possui sinal de saída.

Outro exemplo de malha aberta é o registro da temperatura na sala de controle. A malha aberta é constituída do transmissor e do registrador. O transmissor, ligado ao processo, envia o sinal para o registrador de painel. Pode-se dizer que o princípio da malha é o transmissor e o fim é o registrador.

3.2. Controle Manual

O controle manual pode ser considerado como uma malha aberta ativa, no sentido de que há a geração de um sinal para atuar no processo.

No controle manual, através de uma estação manual de controle (HIC) isolada ou acoplada ao controlador automático, o operador de processo gera manualmente o

sinal que atua diretamente na válvula de controle. Normalmente, o operador atua e observa a medição da variável, porém, não há uma realimentação física entre sua atuação e a medição.

Fig. 3.9. Malha aberta ativa de controle manual

3.3. Controle Programado

É possível se ter controle automático do processo com a malha aberta. O controle de malha aberta se baseia em prognostico, em um programa preestabelecido. Durante a operação não se faz medição, nem comparação e nem correção.

Exemplo de um controle com malha aberta é a maquina automática de lavar roupa. Nesse sistema de controle quer se obter, como resultado, a roupa limpa na saída. Antes de se iniciar o processo, ajustam-se todos os parâmetros da máquina: o tempo e a velocidade do ciclo, a temperatura, a quantidade de sabão, a vazão d'água. A maquina é ligada, inicia-se o ciclo e o operador espera passivamente o resultado da lavagem. Se os ajustes foram bem programados e feitos, tem-se a roupa idealmente limpa. Isso mostra que é possível se obter resultados desejados e conseguir um controle perfeito, com a malha aberta de controle.

Fig. 3.10. Diagrama do controle programado

Malha de Controle

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4. Malha Fechada

A malha de controle fechada é constituída dos instrumentos e do processo. Há instrumentos colocados na entrada e na saída do processo e interligados entre si. O processo fecha a malha de controle.

Conceitualmente, há dois tipos diferentes de malhas fechadas para desempenhar a função de controle: com realimentação negativa (feedback) e com predição e antecipação (feedforward)

4.1. Realimentação

Diz-se que um sistema possui uma realimentação quando se faz a medição de uma variável em sua saída e se faz uma correção na sua entrada, baseada nessa medição. Aqui deve ser feita uma consideração especial acerca dos conceitos de saída e entrada do processo. Quando se diz que se mede na saída e atua na entrada, significa que se realiza uma realimentação. Fisicamente, a medição pode ser na entrada do processo e a atuação na saída do processo. Por exemplo, no controle de vazão, o elemento sensor é colocado depois da válvula de controle, para não provocar distúrbio na medição.

4.2. Realimentação Positiva

A realimentação pode ser positiva ou negativa. A realimentação é positiva, quando a atuação no processo se faz para aumentar o desvio entre a medição e o ponto de referência. Faz-se uma medição, compara-se com um valor de referência e se atua no processo: quando a medição é maior que o ponto de ajuste, atua-se no processo para aumentar ainda mais a medição e quando é menor, atua-se para diminuir ainda mais a medição. Uma malha apenas com realimentação positiva leva o sistema para um dos extremos, ou para o mínimo ou para o máximo.

Em controle de processo, a realimentação positiva isolada ou predominante não apresenta nenhuma utilidade prática. Nos circuitos dos controladores tem-se a realimentação positiva associada a realimentação negativa, para fins de balanceamento, porém os ajustes sempre devem permitir que a realimentação negativa seja maior que a positiva.

4.3. Realimentação Negativa

A maioria das malhas fechadas de controle utiliza o princípio de realimentação negativa. A realimentação negativa estabiliza o processo, diminuindo o seu ganho.

Didaticamente, pode-se distinguir cinco partes essenciais em um sistema de controle com malha de realimentação negativa: 1) o meio de medição, que pode ser o

elemento sensor ou o transmissor com o elemento sensor. Ele prove um sinal proporcional ao valor da variável.

2) o mecanismo de comparação entre o valor da variável medida e o ponto de referência estabelecido de modo arbitrário, manual ou remotamente.

3) o controlador do processo, que gera automaticamente um sinal analógico, que é uma função matemática do erro detectado (diferença entre medição e ponto de ajuste).

4) o elemento final de controle, que manipula uma variável que influa na variável controlada, recebendo o sinal da saída do controlador.

5) o processo, que é o motivo da existência da malha de controle

Fig. 3.11. Malha fechada com realimentação negativa Outros instrumentos podem ser

adicionados à malha básica de controle, para otimizar o seu funcionamento. Por exemplo, pode-se colocar equipamentos para condicionar, converter, transduzir, transformar, amplificar, atenuar e filtrar os sinais de informação e de atuação do controle. Além do controle, a malha pode ainda desempenhar funções de registro, totalização e alarme. Para tornar mais flexível e seguro, é também prática comum o uso de controle manual, como reserva do controle automático.

Na malha de controle há duas realimentações negativas: uma na malha externa de controle e outra no circuito interno do controlador. Na malha externa de controle, faz se a medição da variável controlada, compara a com uma referência externa do controlador e gera se uma ação corretiva que vai para o elemento final de controle. Internamente ao controlador, recebe se a

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medição da variável controlada, compara a com o ponto de ajuste de referência e a saída do controlador é realimentada a sua entrada, para estabilizar sua saída num valor finito.

A melhor resposta de uma malha de controle a realimentação negativa está longe da perfeição, pois seu princípio de funcionamento se baseia numa imperfeição. Só há controle quando há erro.

Podem se listar as seguintes características do controlador com realimentação negativa: 1) A ação do controlador é corretiva. Só há

correção quando se detecta o desvio entre a medição e o ponto de ajuste.

2) Mesmo que a detecção do erro entre a medição e o ponto de ajuste seja rápida, a resposta de toda a malha de controle pode ser muito grande, por causa da grande inércia (capacidade e resistência) e tempo morto do processo. O atraso da resposta implica em mau controle, com produto fora da especificação.

3) A malha de controle tem tendência a entrar em oscilação. As oscilações, mesmo amortecidas, indicam a ocorrência de tentativa e erro.

4) O controlador sempre mede uma variável na saída do processo e manipula uma variável na entrada. O controlador mede a demanda e atua no suprimento do processo.

5) O sistema de controle não mede diretamente os distúrbios, mas mede as consequências desses distúrbios, que são as alterações na variável controlada.

6) O controlador só atua na variável manipulada quando for detectado o desvio na variável controlada, provocado pela alteração da carga.

7) base matemática da ação corretiva da malha fechada com realimentação negativa é o erro existente entre a medição da variável e o valor ajustado de referência.

8) A saída do controlador é constante, e diferente de zero quando o erro entre medição e ponto de ajuste for zero.

5. Estabilidade da Malha

O sistema de controle deve ser estável. Se o sistema não for estável, não é usável. A finalidade do sistema de controle é a de produzir o processo estável, com uma resposta desejada aos distúrbios do processo. O bom sistema de controle deve estabilizar o processo, que seria instável sem o sistema de controle.

Às vezes, é fisicamente impossível se conseguir um sistema estável, em todas as

condições de processo. Por isso, o sistema deve ser estável apenas para determinadas condições de operação. O sistema é estável, se para qualquer entrada limitada, a saída é também limitada. O sistema é estável quando os distúrbios transitórios introduzidos no processo desaparecem imediatamente com o tempo.

Existem sistemas que são estáveis, mesmo sem a utilização de controle automático.

O sistema é instável quando a introdução de um distúrbio no processo, mesmo transitório, provoca a oscilação na variável ou a leva para um valor que cresce continuamente. O processo é considerado instável quando sua saída se torna cada vez maior, com as oscilações com amplitudes crescentes. Na prática, a máxima amplitude do sistema instável é limitada pelas próprias características físicas do sistema. Por exemplo, a válvula abre no máximo até 100% e a temperatura máxima

do vapor saturado é de 100 oC, à pressão atmosférica.

Fig. 3.14. Sistemas estáveis e instáveis

Fig. 3.15. Sistema com estabilidade limite: distúrbio aparece e permanece. Controle liga-desliga.

5.1. Curva de reação ao degrau

Avalia-se o grau de controlabilidade do processo, determinando se experimentalmente

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o seu tempo morto e o sua constante de tempo característica a partir da curva de reação a um degrau unitário aplicado à entrada. O tempo morto e o tempo característico são determinados, traçando se a tangente à curva, no ponto de inflexão. O tempo morto é o ponto em que a tangente corta o eixo do tempo.

Como a resposta é assintoticamente exponencial, a saída leva um tempo teoricamente infinito para atingir o valor de regime. No processo auto-regulante, o tempo característico ou a constante de tempo de realimentação negativa é o tempo decorrido da interseção da tangente com o eixo do tempo requerido para a saída atingir cerca de 63% do valor final. quando se aplica um degrau unitário da entrada.

Fig. 3.16. Sistema estável: distúrbio aparece e desaparece. Estabilidade ideal com amortecimento de 4:1.

Para o processo integrante o cálculo do

tempo característico é mais difícil, pois é problemático identificar o ponto de inflexão para a tangente e não há um valor final de tendência. A constante de tempo característica é o tempo decorrido da interseção da tangente com o eixo do tempo até a saída atingir um erro de malha aberto. No processo com realimentação positiva, o tempo característico ou a constante de tempo de realimentação positiva é o tempo decorrido da interseção da tangente com o eixo do tempo requerido para a saída atingir cerca de 172% do valor do erro de malha aberta, quando se aplica um degrau unitário da entrada.

Fig. 3.17. Respostas ao degrau

5.2. Critérios de Estabilidade

Teoricamente, há vários critérios de estabilidade do sistema linear: Nyquist, Routh Hurwitz, Root locus e diagrama de Bode. Está além do escopo do presente trabalho o estudo detalhado e matemático destes critérios.

O método de Nyquist é um gráfico. Se o gráfico engloba o ponto (-1 +j 0), o sistema é instável; se não, o sistema é estável.

Pelo critério de Routh Hurwitz, as raízes da equação característica do sistema devem estar do lado esquerdo do plano, implicando que as raízes devem ter partes reais negativas.

O uso dos computadores digitais ajudou grandemente a técnica do Root Locus, pois facilitou o cálculo de todos os zeros e pólos da função de transferência. A adição de pólos a função de transferência piora a estabilidade relativa do sistema de malha fechada. Por exemplo, a ação integral equivale fisicamente a um polo. A adição de zero a função de transferência melhora a estabilidade relativa do sistema de malha fechada. A ação derivativa eqüivale fisicamente a um zero. O efeito da variação do local do zero é equivalente a alteração do tempo integral do controlador.

O diagrama de Bode é o enfoque gráfico simplificado do critério de Nyquist.

5.4. Ganho

Os parâmetros de ganho e de fase são fundamentais para o entendimento do comportamento da malha a realimentação negativa. Eles são especialmente importantes no estudo da sintonia do controlador porque ambos são funções do período do sinal de entrada.

O ganho do instrumento é a relação entre o sinal de saída sobre o sinal de entrada. Quanto maior o ganho do equipamento, maior é a sua sensibilidade. Na instrumentação, para um

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mesmo erro na entrada, um controlador de alto ganho produz uma saída maior que um controlador de ganho pequeno.

O ganho pode ser expresso por um número adimensional ou por um número com dimensões.

Por exemplo, o ganho de potência de um amplificador eletrônico igual a 1000 significa que a potência de saída do amplificador é cerca de 1000 vezes maior que a entrada. Em eletrônica, para facilitar as operações e diminuir o tamanho dos números, o ganho é expresso em decibel. Por definição, o ganho em decibel (db) relaciona logaritmos decimais:

entrada de potência

saída de potêncialog10)db(Ganho

O amplificador eletrônico com ganho

adimensional de potência igual a 1000 possui o ganho igual a 30 db. A vantagem do uso da unidade decibel é a substituição da multiplicação pela soma.

Em instrumentação, aplicando-se a definição de ganho a um transmissor eletrônico (saída de 4 a 20 mA cc) de temperatura, calibrado na faixa de 0 a 120 oC, tem-se:

ganho do transmissor = C 120 a 0

mA 20 a 4o

Neste caso, a entrada do transmissor é

temperatura e a saída é o sinal padrão de corrente. Tem-se a dimensão de mA/oC.

Em outro exemplo, o ganho da válvula de controle, cuja entrada é uma vazão de 0 a 10 m3/h e saída, a abertura de 0 a 100% vale:

ganho da válvula = h/m 01 a 0

100% a 03

Agora, a dimensão do ganho é %.h/m3 . O

ganho para uma determinada vazão de 5 m3/h e válvula linear, com abertura correspondente de 50%, é de 10 %.h/m3.

Em outro exemplo, quer se controlar o nível de um tanque, através de uma válvula acionada por motor. A válvula requer 10 rotações do motor para ir de 0% a 100%. O motor gira em 100 p/min. Quando aberta, a válvula permite uma vazão de 50 L/min. Determinar o tempo de resposta da válvula se o volume do tanque for a) 800 L ou b) 10 L.

Para ir 10 revoluções a 100 rpm a válvula irá gastar

min 1,0r/min 100

rotações 10tvalvula

Assim, observando se válvula, pode se vê-la girando por 6 s

Quando aberta, a vazão será de 50 L/min. Para encher um tanque de 800 L

min 16L/min100

L 800t quetan

a) Para um tanque de 800 L, a constante

de tempo do tanque é muito maior que cada válvula (16min >> 0,1min). A constante da válvula é desprezível quando comparada com a do tanque de 800 L.

b) Para um tanque de 10 L,

min 2,0L/min50

L 10t quetan

O tanque de 10 L será cheio em 12

segundos (0,2 minuto), com a válvula totalmente aberta. Porém, para se obter a válvula totalmente aberta, gasta se 6 segundos.

este tanque, sua constante de tempo é da ordem de grandeza da constante da válvula. que agora deve ser considerada.

Quando o tempo de resposta de uma elemento é muito pequeno comparado com o de outros elementos no sistema, a sua função de transferência pode ser expressa como um simples ganho.

Como o ganho do instrumento está relacionada com sua sensibilidade, e como pequena entrada implica em alto ganho, todo instrumento tem uma entrada mínima possível, abaixo da qual é impraticável trabalhar com o instrumento. Por exemplo, a largura de faixa mínima para se calibrar um transmissor de temperatura é de 10 oC, pois abaixo desta largura de faixa o seu ganho seria muito alto e o transmissor instável.

Cada instrumento componente da malha possui um determinado ganho estático e outros parâmetros dinâmicos para descrever sua resposta. O comportamento estático se refere ao seu regime permanente ou em baixas freqüências. O ganho em regime é a relação da variação da saída dividida pela variação da entrada, após todos os transigentes desaparecerem. Este ganho é a inclinação da curva da saída versus a entrada. Se esta curva for uma reta com inclinação constante, o ganho é linear. O ganho é não linear quando a inclinação varia com o ponto de ponto e a curva possui inclinação variável. O ganho estático é facilmente computado, bastando se aplicar na entrada do dispositivo um sinal e medir a correspondente saída.

Os sistemas de uma malha de controle nem sempre são lineares. Os seus ganhos não são constantes em toda a faixa de operação.

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Por exemplo, a placa de orifício tem uma saída que é proporcional a pressão diferencial que segue uma relação quadrática com a vazão

(Q2 = K dp ). O transmissor de pressão diferencial de vazão terá um ganho alto quando a vazão varia no começo da faixa e terá um ganho pequeno para os valores elevados da vazão. Também as válvulas de controle possuem tipos de internos que podem exibir vários tipos matemáticos de ganho: linear, igual percentagem (exponencial), parabólica.

O ganho dinâmico está relacionado com as altas freqüências e pode ser computado aplicando-se uma onda senoidal na entrada e observando-se a saída resultante. A relação das amplitudes de saída e de entrada dá o ganho dinâmico. Porém, o ganho também depende da frequência da onda senoidal: quanto maior a frequência, menor o ganho dinâmico. Quando a frequência se aproxima do zero, tem-se o ganho estático. Quando se manipulam sinais senoidais no tempo, além da modificação da amplitude dos sinais, há o deslocamento do ângulo de fase, quando o dispositivo pode atrasar ou adiantar o sinal de entrada.

Quando o ganho dinâmico da malha total é maior que 1, a amplitude de oscilação dos distúrbios irá aumentar e o processo é instável.

Quando o ganho dinâmico é igual a 1, está se no limite, entre a oscilação e a estabilidade. As oscilações permanecem com amplitude constante e o processo é instável.

Quando o ganho dinâmico é menor que 1, a oscilação terá amplitudes decrescente e o processo é estável. Todos os sistemas de controle são projetados e ajustados para se ter um ganho total da malha menor que 1, de modo a ter uma resposta atenuada e ser estável.

Nos controladores digitais os ajustes são feitos no ganho do controlador; nos analógicos os ajustes e a terminologia se referem a banda proporcional.

5.5. Banda Proporcional

A banda proporcional é, por definição, a relação entre a entrada e a saída do controlador. Como conseqüência, a banda proporcional é o inverso do ganho.

A banda proporcional é diretamente proporcional a largura de faixa da variável controlada: quanto mais estreita a faixa calibrada da medição, menor é a banda proporcional. A banda é inversamente proporcional a largura de faixa da saída do controlador que atua na válvula de controle: quanto maior for a abertura da válvula, menor é a banda proporcional.

Fig. 3.18. Curva de transferência de controlador com ação inversa.

A banda proporcional é expressa em %.

Tipicamente, tem-se controlador com banda proporcional ajustável, com o valor variando de 20 até 500%. A banda proporcional é a faixa onde o controlador proporcional responde de modo automático às variações do processo. Só há controle automático dentro da banda proporcional.

A ação é inversa porque a saída aumenta quando a medição diminui. Neste exemplo, abaixo de 375 oC, extremidade inferior da banda proporcional, a saída está em 100%. Acima de 425 oC, extremidade superior da banda, a saída está em 0%. Entre estas duas extremidades, a saída pode ser achada, traçando uma linha vertical do eixo de temperatura até atingir a curva de transferência, e depois horizontalmente, até o eixo da saída. Notar que a saída é 50% quando a temperatura está no ponto de ajuste. A largura da banda proporcional varia a relação entre o afastamento da temperatura do ponto de ajuste e a saída.

A banda proporcional também expressa a sensibilidade do controlador. A banda proporcional muito estreita significa controlador muito sensível. As pequenas variações no processo provocam grandes variações na saída do controlador, consequentemente grandes alterações na válvula de controle. A banda proporcional larga faz o controlador ficar pouco sensível. O processo precisa variar muito para provocar pequenas modificações na saída do controlador e portanto na válvula de controle.

Quando a entrada varia de 0 a 100% e provoca uma variação de 0 a 100% na saída, tem-se uma banda proporcional de 100% e ganho igual a um. Quando a variação na entrada de apenas 0 a 10% produz uma variação na saída de 0 a 100%, a banda proporcional é de 10% e o ganho desse controlador vale 10. No caso de se ter uma variação na entrada de 0 a 100% produzindo

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uma variação na saída de apenas 0 a 10%, a banda proporcional desse controlador vale 1.000% e o ganho vale 0,1.

O controlador com a banda proporcional infinita, precisa de uma variação infinita na medição para fazer a válvula variar de 0 para 100% de abertura e portanto não realiza nenhum controle. O controlador com banda proporcional zero, ou seja um único ponto, provoca uma variação na válvula de controle de 0 a 100%; este controlador ultra-sensível é o liga-desliga.

Como conseqüência, o mesmo controlador proporcional pode ser aplicado para controlar vários tipos de processos. Apenas sua banda proporcional é ajustada para torna-lo mais ou menos sensível.

Os processos lentos são pouco sensíveis, possuem ganho pequeno e requerem o controlador com banda proporcional muito estreita; por exemplo, a banda proporcional para o controle de temperatura é tipicamente menor que 100%. Os processos rápidos são muito sensíveis, possuem alto ganho e requerem o controlador com banda proporcional muito larga; por exemplo, a banda proporcional para o controla da vazão é normalmente maior que 100%.

Fig.3.19 Banda proporcional larga

Fig.3.20. Banda proporcional larga e estreita

5.6. Ângulo de fase

O segundo parâmetro da resposta de um elemento a uma entrada cíclica é o ângulo de fase. Por causa dos atrasos dentro do

elemento, o pico da saída não coincide com o pico da entrada. O ângulo de fase de um elemento mede este deslocamento. Um ciclo completo em qualquer sinal periódico se compõem de 360 graus. Se o pico do ciclo da saída ocorre 1/4 do caminho do ciclo de entrada, o ângulo de fase q vale

o90)4

1(360

O sinal negativo significa que o pico da saída ocorre depois do pico da entrada. Isto é consideração um atraso de fase. É também possível se ter o pico da saída antes do pico da entras; isto é chamado de adiantamento de fase.

Os atrasos em qualquer elemento de um malha de controle causam atrasos entre a variação da entrada e a variação resultante da saída. Quando o sinal é senoidal, o atraso do tempo equivale ao atraso do ângulo de fase.

O atraso do ângulo de fase varia com a freqüência do sinal. O deslocamento da fase aumenta proporcionalmente com a freqüência. O atraso total da malha de controle deve ser de

180o, correspondente a realimentação negativa. Quando se tem um distúrbio na malha, deve haver uma ação corretiva oposta

ao distúrbio, ou seja, defasada de 180o. O que provoca o atraso ou a defasagem do

sinal são os parâmetros capacitivos e os tempos mortos. Todos os elementos da malha de controle possuem, em graus diferentes, circuitos que defasam o sinal. Por exemplo, o atuador da válvula de controle é de grande capacidade e portanto causa atraso no sinal. O controlador deve ter circuitos com capacitância ajustáveis, de modo que, no final, o ângulo total

de defasagem seja igual a 180o., responsável pela realimentação negativa da malha de controle. Como será visto adiante, os circuitos integrais e derivativos possuem esses elementos para compensar os atrasos e avanços da malha de controle.

5.7. Oscilação

A oscilação é qualquer efeito que varia periodicamente no tempo, entre dois valores extremos. Em instrumentação, a variável controlada entra em oscilação quando o seu valor cicla periodicamente entre os valores máximo e mínimo.

Há uma confusão relacionada com a oscilação, pois a saída cíclica não implica necessariamente em oscilação. Por exemplo, quando se aplica um sinal periódico na entrada de um amplificador, a sua saída será também periódica, sem que haja oscilação. Nesta situação, as freqüências da entrada e da saída

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são iguais e os sinais são dependentes. O amplificador oscila quando se aplica um sinal constante na entrada e a sua saída é periódica. Ou então, quando os sinais de entrada e de saída são periódicos, porém, a frequência do sinal de saída é diferente da frequência da entrada. A frequência do sinal oscilante depende apenas dos parâmetros do circuito interno.

Fig. 3.21. Saída de controlador em oscilação A principal causa da oscilação é o altíssimo

ganho do sistema. Na instrumentação, a oscilação pode ocorrer quando o controlador é ajustado com a banda proporcional muito estreita e com as ações integral e derivativa exageradas. A oscilação pode se iniciar pela variação brusca da carga do processo ou pela alteração do ponto de ajuste. Uma vez iniciada a oscilação, o sistema contínua oscilando, mesmo que o ganho do sistema diminua.

5.8. Saturação

Genericamente, saturação é a condição em que uma alteração na causa não produz variação correspondente no efeito resultante, ou um aumento adicional da entrada não produz o correspondente aumento da saída.

A saturação pode ser provocada pelo processo, pelos seus equipamentos e pelos instrumentos da malha de controle.

O controlador com a ação integral satura quando o erro entre a medição e o ponto de ajuste é muito demorado.

Fig. 3.22. Saída saturada: mantém-se constante no

valor máximo, mesmo com aumento da entrada

A válvula subdimensionada satura quando atinge os 100% de abertura e a sua abertura máxima é insuficiente para a obtenção do controle. A saída do controlador aumenta para solicitar maior abertura, o que é impossível para a válvula com capacidade insuficiente. O bloqueio da haste da válvula também provoca a saturação da saída do controlador, pois a variação da saída não produz nenhum efeito na abertura da válvula.

A entrada muito grande pode também provocar a saturação do sistema, pois sua saída atinge o valor limite do sistema e não responde mais à entrada. A forma de onda da saída fica destorcida e diferente da forma da entrada.

5.9. Amortecimento

Um modo prático de verificar a estabilidade do sistema é provocar um distúrbio rápido e de pequena amplitude, tipo degrau, na sua entrada e estudar o comportamento da resposta. A resposta do sistema estável depende do seu amortecimento.

1. o sistema é super amortecido, quando a variação da resposta ao degrau é lenta e sobe com pequena inclinação,

2. o sistema é criticamente amortecido, quando a variação da resposta ao degrau varia é mais rápida, mas ainda não apresenta oscilação.

3. o sistema é sub amortecido, quando a resposta apresenta oscilações, porém, com amplitudes decrescentes.

Para haver estabilidade o ganho total deve ser menor que 1, pois o distúrbio é amortecido e eliminado, com o tempo. Quando o ganho é maior que 1, as oscilações aumentam e não há interesse prático. Para a passagem de sistema amortecido para sistema com instabilidade crescente, tem-se o sistema com instabilidade com oscilações constantes: o ganho total da malha é igual a 1. Há interesse em se conseguir essa oscilação apenas como caminho intermediário para calibração do controlador. É desejável, na prática, que todos os sistemas de controle apresentem um sub amortecimento, idealmente na proporção de 4:1.

Quando são definidos todos os parâmetros do processo: a faixa de medição, o uso do transmissor com sinal padrão de saída, o modo de controle, o tipo e o tamanho da válvula de controle, o uso de posicionador, o único instrumento que apresenta uma chave para o ajuste do ganho é o controlador. O ajuste adequado do ganho do controlador é o responsável principal pela estabilidade ou não do sistema de controle.

Malha de Controle

44

5.10. Condições de Estabilidade

O objetivo de cada malha de controle é encontrar um valor para o sinal de controle que mantenha a medição constante e igual ao ponto de ajuste, para as condições de carga existentes. Os enfoques de realimentação negativa e de predição antecipação poder ser usados.

O sistema completo de controle inclui os instrumentos e o processo. A estabilidade do sistema global depende de todos os equipamentos do processo e de todos os instrumentos da malha.

O ganho total da malha fechada deve ser menor que a unidade, para que os distúrbios que aparecerem no sistema sejam amortecidos e eliminados. No caso limite, com ganho igual a um, qualquer distúrbio no processo permanece constante, com as amplitudes das oscilações constantes.

Um sistema de controle é estável se e somente se o ganho total da malha for menor que 1 e o ângulo de fase da ação corretiva for igual a 180 graus. O ganho deve ser menor que 1 para que qualquer erro introduzido no sistema por distúrbios externos seja atenuado e eliminado. O ângulo de fase deve ser de 180 graus para que a ação corretiva seja exatamente contrária ao erro.

O ganho total da malha é igual ao produto dos ganhos individuais de cada componente do sistema, incluindo o processo. Ha portanto três tipos diferentes de ganhos no sistema de controle:

o ganho do processo, que é variável com as alterações de sua carga. São as variações do ganho do processo que devem ser controladas e administradas.

o ganho do controlador, que é ajustável. O único instrumento que possui um ajuste de ganho é o controlador.

os ganhos dos outros instrumentos que formam a malha de controle, que são estabelecidos e fixos quando se define o projeto do sistema. O ganho do transmissor depende da faixa a ser calibrada, o ganho da válvula de controle depende de sua característica inerente. O ganho da malha de instrumentos depende ainda do uso/não uso do extrator de raiz quadrada, do posicionador da válvula.

Na malha de controle constituída de transmissor (t), extrator de raiz quadrada (e), controlador (C), transdutor I/P (i/p), válvula de controle com atuador pneumático (v) e usada para a regulação do processo (P) tem se o seguinte ganho total (T):

GT = Gt . Ge . GC . Gip . Gv . GP

A condição necessária para a estabilidade do sistema é:

GT = Gt . Ge . GC . Gip . Gv . GP < 1

Agrupando se os ganhos do transmissor,

do extrator, do transdutor e da válvula em um ganho fixo e constante (K) tem se uma expressão mais simples para o ganho total:

GT = GK. GC . GP Este ganho total deve ser sempre menor

que 1 para se ter uma das condições da estabilidade do sistema. Deste modo o controlador deve ter um ganho ajustado de modo que as variações do ganho do processo não ultrapassem o limite de ganho total 1.

A condição de ganho total menor que 1 é muito vaga e elástica, pois 0,10 , 0,50 e 0,90 são todos menores que 1. A diferença é que 0,10 está muito distante de 1, 0,90 está muito próximo de 1 e 0,50 está a meio caminho de 1.

Quando o sistema é ajustado com ganho total igual a 0,10 , ele está muito distante da oscilação e mas a sua qualidade de controle é ruim. O sistema é pouco sensível e corrige demoradamente os seus distúrbios.

Por outro lado, se o ganho do controlador é ajustado para que o ganho total seja igual a 0,90 , o sistema ainda é estável, porém pequenas variações de ganho do processo podem provocar a oscilação no sistema. Este sistema é muito sensível e rápido para responder e corrigir os erros provocados pelos distúrbios, porém, ele está muito próximo a oscilação.

Então, no mundo ocidental cristão cartesiano e simétrico a regra é estabelecer um ganho total de 0,50, que é uma situação de compromisso entre a estabilidade e a qualidade do controle do sistema.

Quando o ganho da malha fechada é igual a 1, tem se a oscilação constante da variável e o processo é instável. Para se ter estabilidade é necessário que o ganho total seja menor que 1.

Chama se margem de ganho o que falta para o ganho alcançar o valor de 1, quando se mantém o ângulo de correção igual a 180 graus. Esta margem de ganho pode ser considerada como a faixa de liberdade que o ganho do processo pode variar sem provocar oscilação no sistema. Quanto maior a margem de ganho, menor é o ganho e mais estável é o processo.

45

4. Controlador

Objetivos de Ensino

1. Apresentar o diagrama de blocos do controlador e descrever cada um. 2. Mostrar diferenças entre ação direta e ação inversa. 3. Mostrar de modo simplificado os circuitos pneumático e eletrônico dos controladores P, PI, PD e

PID. 4. Mostrar as características do controlador analógico e digital, série e paralelo.

1. Conceito

O principal componente da malha de controle é, obviamente, o controlador, que pode ser considerado um amplificador ou um computador.

O controlador automático é o instrumento que recebe dois sinais: a medição da variável e o ponto de ajuste, compara-os e gera automaticamente um sinal de saída para atuar a válvula, de modo a diminuir ou eliminar a diferença entre a medição e o ponto de ajuste.

O controlador detecta os erros infinitesimais entre o valor da variável de processo e o ponto de ajuste e responde, instantaneamente, de acordo com os modos de controle e seus ajustes. O sinal de saída é a função matemática canônica do erro entre a medição e o valor ajustado, que inclui as três ações de controle: proporcional, integral e derivativa. A combinação dessas três ações e os seus ajuste adequados são suficientes para o controle satisfatório e aceitável da maioria das aplicações práticas.

Para executar estas tarefas, o controlador deve possuir os seguintes blocos funcionais:

1. Medição, 2. Ponto de ajuste 3. Unidade de comparação 4. Geração do sinal de saída 5. Atuação manual opcional 6. Estação de balanço automático 7. Fonte de alimentação 8. Escalas de indicação

1.1. Medição

No controlador a realimentação negativa, a variável controlada sempre deve ser medida. Na maioria absoluta dos controladores, a variável controlada medida é também indicada na frente do controlador. Nos controladores a microprocessador, a indicação é feita simultaneamente por barras gráficas e por dígitos.

O controlador pode estar ligado diretamente ao processo, quando possui um elemento sensor determinado pela variável medida. O controlador de painel recebe o sinal padrão proporcional a medição do transmissor e deve possuir circuitos de entrada que condicionam o sinal de medição. O controlador pneumático possui o fole receptor de 20 a 100 kPa e o eletrônico possui o circuito receptor, como a ponte de Wheatstone, circuito potenciométrico ou galvanômetro.

Fig. 4.1. Controladores

Controlador

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Fig. 4.2. Diagrama de blocos funcional do controlador

a realimentação negativa

1.2. Ponto de Ajuste

Quanto ao ponto de ajuste, há três modelos de controladores:

1. manual, 2. remoto, 3. manual ou remoto. O controlador com o ponto de ajuste

manual possui um botão na parte frontal, facilmente acessível ao operador de processo, para que ele possa estabelecer manualmente o valor do ponto de referência. Quando o operador aciona o botão, ele posiciona o ponteiro do ponto de ajuste na escala e gera um sinal de mesma natureza que o sinal da medição.

O controlador com o ponto de ajuste remoto não possui nenhum botão na parte frontal. O sinal correspondente ao ponto de ajuste entra na parte traseira do controlador e é indicado na escala principal. O sinal pode ser proveniente da saída de outro controlador ou de uma estação manual de controle.

O controlador com os pontos de ajuste remoto e local possui um botão para o operador estabelecer manualmente o ponto de ajuste e recebe o ponto de ajuste remoto. Ambos os sinais são indicados na escala principal. O controlador possui também a chave seletora R/L (remoto/local) do ponto de ajuste.

É fundamental que a medição e o ponto de ajuste sejam de mesma natureza, ambos pneumáticos, mecânicos, de corrente ou de tensão elétrica, para que seja possível a comparação e subtração entre eles. O ponto de ajuste e a medição são indicados na mesma escala principal do controlador e a posição relativa dos ponteiros fornece o valor do erro entre os dois sinais.

1.3. Estação Manual

A maioria dos controladores possui a estação manual de controle integralizada ao seu circuito. Sob o ponto de vista do controle, as situações mais comuns que requerem a intervenção manual do operador são:

1. na partida do processo, quando a banda proporcional é menor que 100%. Neste caso, quando a medição está em 0% e o ponto de ajuste está acima de 50%, a variável controlada está fora da banda proporcional.

2. quando o processo entra em oscilação, ou seja, quando o ganho da malha fechada de controle fica igual a 1. Quando se coloca o controlador em manual, abre se a malha de controle e se pode estabilizar o processo.

1.4. Unidade de Balanço Automático

A maioria dos controladores com estação manual possui um sistema de balanço automático que permite a passagem de automático para manual e vice versa, de modo contínuo, sem provocar distúrbio no processo e sem a necessidade de se fazer o balanço manual da saída do controlador.

Erradamente se pensa que esta transferência requer a igualdade entre a medição e o ponto de ajuste. Quando o controlador não possui a estação de transferência automática, o operador deve garantir que o sinal inicial da saída manual seja igual ao sinal final da saída automática de modo que o processo não perceba esta mudança de automático para manual. No mínimo, o controlador possui um dispositivo de comparação que faz o balanço prévio entre os sinais de saída automática e manual.

1.5. Ação Direta ou Inversa

O controlador possui a chave seletora para ação direta e ação inversa. A ação direta significa que o aumento da medição implica no aumento da saída do controlador. A ação inversa significa que o aumento da medição provoca a diminuição da saída do controlador.

A regra básica para a seleção das ações do controlador e da válvula é a seguinte:

1. a partir da segurança do processo, determina-se a ação da válvula de controle.

2. depois de definida a ação da válvula e partir da lógica do processo, determina-se a ação do controlador.

As quatro alternativas para um sistema de controle de nível são mostradas a seguir:

Controlador

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Tanque vazio seguro e válvula na saída.

A partir da segurança, obtida com o tanque vazio, a válvula deve ser ar-para-fechar: na falta de ar, a válvula abre e o tanque se esvazia, levando o sistema para a segurança. A válvula está a 100% com 20 kPa e a 0% com 100 kPa. A ação do controlador, como conseqüência, deve ser inversa: quando o nível aumenta, a válvula deve abrir mais para faze-lo diminuir e a saída do controlador deve diminuir, abrindo mais a válvula.

Tanque vazio seguro e válvula na entrada.

A partir da segurança, obtida com o tanque vazio, a válvula deve ser ar-para-abrir: na falta de ar, a válvula fecha e o tanque se esvazia, levando o sistema para a segurança. A válvula está a 0% com 20 kPa e a 100% com 100 kPa. A ação do controlador, como conseqüência, deve ser inversa: quando o nível aumenta, a válvula deve fechar mais para faze-lo diminuir e a saída do controlador deve diminuir, fechando mais a válvula.

Tanque cheio seguro e válvula na saída.

A partir da segurança, obtida com o tanque cheio, a válvula deve ser ar-para-abrir: na falta de ar, a válvula fecha e o tanque se enche, levando o sistema para a segurança. A válvula está a 0% com 20 kPa e a 100% com 100 kPa. A ação do controlador, como conseqüência, deve ser direta: quando o nível aumenta, a válvula deve abrir mais para faze-lo diminuir e a saída do controlador deve aumentar, abrindo mais a válvula.

Tanque cheio seguro e válvula na entrada.

A partir da segurança, obtida com o tanque cheio, a válvula deve ser ar-para-fechar: na falta de ar, a válvula abre e o tanque se enche, levando o sistema para a segurança. A válvula está a 100% com 20 kPa e a 0% com 100 kPa. A ação do controlador, como conseqüência, deve ser direta: quando o nível aumenta, a válvula deve fechar mais para faze-lo diminuir e a saída do controlador deve aumentar, fechando mais a válvula.

Fig. 4.5. Ações de controle direta e inversa

Controlador

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2. Circuitos do Controlador

As dificuldades de controle do processo variam muito e por isso são disponíveis controladores comerciais de vários tipos e modos de controle. Existem características padronizadas e existem aquelas especiais, fornecidas somente quando explicitamente solicitado.

Não especificar todas as necessidades requeridas implica em se ter um controle de processo insatisfatório e até impossível. Especificar o equipamento com características extras que não terão utilidade é, no mínimo, um desperdício de dinheiro. É também uma inutilidade a especificação do instrumento com características especiais, sem entendê-las e sem ajustar o controlador corretamente.

A maioria dos textos sobre controle considera o controlador ideal e teórico, com as três ações separadas, independentes e não interativas. Na prática da instrumentação, a situação não é tão simples assim. Pode se ter interação entre os modos de controle, nos domínios do tempo e da freqüência.

Sob o ponto de vista de construção, os controladores podem ter os modos de controle dispostos em série ou em paralelo.

2.1. Controlador Paralelo

O controlador paralelo computa os modos proporcional, integral e derivativo em paralelo. Os modos são não interativos no domínio do tempo, mas são interativos no domínio da frequência. O controlador paralelo é chamado de ideal e não-interativo, por Shinskey. O erro acumulado para o controlador paralelo é cerca da metade do correspondente ao controlador em série. Quando os tempos integral e derivativo são ajustados muito próximos, o controlador se torna extremamente sensível as variações do ganho e o período da malha irá se desviar.

Testes em um controlador paralelo em processo auto-regulante mostram que:

1. o período natural da malha aumentou de 16 para 55 segundos,

2. a banda proporcional variou de 10 a 100% , sem alteração do amortecimento de 4 para 1.

3. O tempo derivativo do controlador paralelo deve ser ajustado cerca de 25% do tempo integral .

O controlador paralelo é difícil de ser sintonizado e de se manter sintonizado e raramente é fabricado. Mesmo assim, a maioria da literatura técnica apresenta as equações e

relações do controlador paralelo, pois elas são separadas e facilmente representadas.

Fig. 4.7. Algoritmo paralelo (ideal)

2.2. Controlador Série

O controlador série computa o modo derivativo em série com os modos proporcional e integral. Os modos são interativos no domínio do tempo mas são não interativos no domínio da freqüência. O controlador série é chamado de real e interativo por Shinskey.

A maioria dos controladores industriais, analógicos e digitais, calcula inicialmente o modo derivativo, antes do integral, para reduzir o erro de pico.

O tempo derivativo equivalente do controlador paralelo não pode mais ser maior do que 1/4 do tempo integral, porque o tempo integral aumenta mais rápido que o tempo derivativo, quando o tempo integral do controlador série é aumentado.

Os ajustes dos modos do controlador paralelo equivalente podem ser calculados dos ajustes do controlador série, através das seguintes relações:

'BPIBP c

c

ii I

'TT

dcd 'TIT

onde BP, Ti e Td são os parâmetros do

controlador paralelo, BP', Ti' e Td' são os parâmetros do

controlador série. Ic é uma constante, definida como fator de

integração e vale matematicamente:

Controlador

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di

ic 'T'T

'TI

A banda proporcional e o tempo derivativo

são menores e o tempo integral é maior para o controlador paralelo.

2.3. Controlador Analógico

Historicamente, até a década de 1970 foi usado principalmente o controlador analógico pneumático, até a década de 1980, o controlador analógico eletrônico e a partir da década de 1980, o controlador digital eletrônico.

O controlador analógico usa sinais contínuos para computar a saída do controlador. Testes feitos em controlador analógico industrial eletrônico revelaram os seguintes resultados:

1. a banda proporcional medida era de 0 a 25% maior que a marcação do dial,

2. o tempo integral medido era cerca de 100% maior que a marcação do dial,

3. o tempo derivativo marcado era cerca de 40 a 70% menor que a marcação do dial,

4. o tempo integral medido não se alterava com a variação do ajuste do tempo derivativo. [Teoricamente, para o controlador série, o tempo integral deveria aumentar com o aumento do tempo derivativo].

5. o tempo derivativo e a banda proporcional medidos obedeceram aproximadamente as equações teóricas, exceto que a variação medida foi menor que a calculada para os ajustes grandes do dial.

6. a saída do controlador medida mostrou um pico sempre que um ajuste derivativo de qualquer valor era feito.

7. [O algoritmo teórico do controlador série prevê somente um pico se o tempo derivativo fosse ajustado em valores maiores que 1/4 Ti]

3. Controladores Pneumáticos

Serão mostrados os diferentes circuitos dos controladores pneumáticos, mesmo que atualmente eles sejam pouco utilizados, isto é mais claro para quem tem pouca familiaridade com os circuitos eletrônicos, que serão mostrados depois.

3.1. Controlador Liga-Desliga

O controlador liga-desliga é instável, por construção, pois não possui o circuito de realimentação negativa, para diminuir seu ganho, que é, teoricamente, infinito. A sua construção é a mais simples possível e o controlador pneumático consiste de:

1. fole de medição 2. fole de ponto de ajuste 3. conjunto bico-palheta Como não se precisa estabilizar o sistema,

não se usa o fole de realimentação negativa. O controlador liga-desliga também pode ser obtido a partir do controlador proporcional, retirando-se a sua realimentação negativa.

A saída do controlador pneumático liga-desliga é igual a 0 kPa ou 120 kPa, que é o valor da alimentação. O elemento final de controle acionado por um controlador liga-desliga está em uma das duas condições possíveis: ou totalmente fechado ou totalmente aberto. Como conseqüência, a saída do controlador liga-desliga e a variável controlada estão oscilando continuamente, com amplitude constante. Diz-se que o ganho total da malha é igual a um ou o ganho do controlador é infinito ou ainda, que a sua banda proporcional é zero.

Um controlador liga-desliga pode ser substituído, por questão de economia, por uma chave automática, que irá fechar ou abrir em função da variável atingir um valor ajustado previamente.

Fig. 4.8. Controlador liga-desliga pneumático

Controlador

50

3.3. Controlador Proporcional

Para se entender os princípios básicos, será visto aqui o circuito básico do controlador proporcional. Por simplicidade e por exigir menos pré-requisitos, será mostrado primeiro o esquema simplificado do controlador pneumático.

Será admitido que seja sabido o funcionamento do conjunto bico-palheta-relé pneumático. O conjunto bico-palheta gera um sinal pneumático padrão de 20 a 100 kPa, proporcional a distância relativa entre o bico que sopra e a palheta que obstrui. O bico é alimentado pela alimentação pneumática de 120 kPa. O relê serve para amplificar pneumaticamente a pressão e o volume de ar comprimido. Os foles pneumáticos exercem forças que são proporcionais aos sinais de pressão recebidos. Assim, quando se falar do fole de medição, pode se estar referindo indistintamente ao valor da medição, a pressão exercida no fole, ou na força exercida pelo fole. Foi considerado o sistema a balanço de forças, quando poderia ter sido escolhido o de balanço de movimentos.

O circuito básico do controlador pneumático com ação proporcional é constituído dos seguintes elementos:

1. fole de medição, que recebe o sinal da medição da variável do processo

2. fole de ponto de ajuste, estabelecido manualmente ou de modo remoto. Esse fole sempre está em oposição ao fole de medição, a fim de que seja detectado o erro ou o desvio entre ambos os valores.

3. conjunto bico-palheta-relé, para gerar o sinal de saída do controlador. (A alimentação pneumática de 120 kPa é aplicada ao bico, através do relê pneumático.)

4. fole proporcional ou fole de realimentação negativa, que recebe o sinal de saída do relê, que é a própria saída do controlador. A finalidade do fole proporcional é a de estabilizar o sistema em uma posição intermediária. A realimentação negativa é a responsável pela estabilidade do sistema.

5. mola, usada para contrabalançar a força do fole proporcional. Normalmente a mola é ajustada para prover a polarização do controlador. Ela é ajustada para o controlador produzir uma saída de 60 kPa, quando o erro for igual a zero.

6. o fulcro ou ponto em torno do qual as forças se equilibram. O deslocamento

desse ponto em torno da barra de forças é que estabelece o valor da banda proporcional do controlador. Quanto mais próximo o ponto estiver dos foles medição-ponto de ajuste, mais larga é a banda proporcional, menor é o ganho e menos sensível é o controlador. Quando mais próximo estiver o ponto de apoio do fole proporcional + mola, mais estreita é a banda proporcional, maior é o ganho e mais sensível é o controlador.

No caso extremo do fulcro estar no ponto de contato dos foles de medição e de ponto de ajuste, o controlado não responde a nenhuma variação; não há controle. Quando o fulcro coincidir com o fole proporcional e a mola, não há realimentação negativa, o sistema é instável e o controlador é liga-desliga, a ser visto depois.

O fole proporcional é um dispositivo que fornece a realimentação negativa ao controlador antes que a medição o faça, através do processo. A realimentação interna do controlador é mais rápida que a realimentação externa do processo. O fole proporcional dosa a correção do controlador, evitando uma correção exagerada para uma determinada variação do processo. Se houvesse apenas a realimentação externa, provida pela medição do processo, a correção seria muito demorada e sempre haveria sobrepico de correção.

Fig. 4.9. Controlador pneumático proporcional Enquanto houver erro entre a medição e o

ponto de ajuste, os seus foles tem pressões diferentes, o fole de realimentação atua. Quando a medição fica igual ao ponto de ajuste a saída do controlador se estabiliza. Quando aparece algum erro, a saída do controlador irá também variar, para corrigir o erro. Desse modo, como a saída do controlador está

Controlador

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realimentada ao fole proporcional, o fole irá atuar até conseguir uma nova estabilização entre a medição o ponto de ajuste. Porém, desde que a medição se afastou do ponto de ajuste, ele volta a ficar igual ao ponto de ajuste, porém, não igual ao valor anterior ajustado.

O controlador pneumático proporcional possui os três foles: de medição, de ponto de ajuste e de realimentação negativa. Para completar o balanço das forças exercidas por estes foles é introduzida uma quarta força fixa, exercida por uma mola, geralmente ajustada para fornecer uma força equivalente a pressão de 60 kPa (50% de 20 a 100 kPa). Como a força da mola é fixa, só existe um ponto para a medição ser igual ao ponto de ajuste, que é exatamente o ponto correspondente a 60 kPa. Em todos os outros pontos, o controlador consegue estabilizar o processo, porém com a medição diferente do ponto de ajuste. Este é o modo físico de mostrar porque o controlador proporcional não consegue eliminar o desvio permanente entre medição e ponto de ajuste, exceto quando ambos são iguais a 60 kPa.

3.4. Controlador Proporcional Integral

Raramente se utiliza a ação integral isolada. Em compensação, o controlador com as duas ações, proporcional e integral, é utilizado em cerca de 70% das malhas de controle de processo.

O controlador proporcional mais integral possui as duas ações independentes e com objetivos diferentes e complementares:

1. a ação proporcional é estática e serve para estabilizar o processo. Porém a ação isolada é insuficiente para manter a medição igual ao ponto de ajuste e deixa um desvio permanente.

2. 2.a ação integral é dinâmica e serve para eliminar o desvio permanente deixado pela ação proporcional. A ação integral é uma correção adicional e atua depois da ação proporcional.

No controlador pneumático proporcional e integral, acrescenta se um fole junto a mola. Em vez de se ter uma força fixa, tem se uma força variável, que pode equilibrar as forças proporcionais às pressões da medição, do ponto de ajuste e da realimentação negativa.

O controlador pneumático P + I possui os seguintes componentes :

1. o fole de medição, 2. o fole de ponto de ajuste, em oposição

ao fole de medição, 3. fole de realimentação negativa ou fole

proporcional,

4. fole integral, que se superpõe à mola e em oposição ao fole de realimentação. Ele também recebe a realimentação da saída do controlador, atrasada e em oposição ao fole proporcional. A realimentação positiva da saída do controlador ao fole integral é feita através de uma restrição pneumática. O objetivo desta restrição ajustável é o de atrasar o sinal realimentado, determinando a ação integral. Ela pode ficar totalmente fechada, de modo que ela corta a realimentação e elimina a ação integral ou totalmente aberta, quando não produz nenhuma restrição, nenhum atraso e a ação integral é a máxima possível.

Na prática, o circuito pneumático completo da unidade integral possui o fole, o tanque integral e a restrição. Aqui, por simplicidade, supõe-se que o próprio fole integral possui uma capacidade suficiente.

Fig. 4.10. Controlador PI pneumático

O controlador proporcional mais integral

possui duas realimentações da sua saída: 1. a realimentação negativa, aplicada

diretamente ao fole proporcional, 2. a realimentação positiva, aplicada ao

fole integral através de uma restrição pneumática ajustável.

Com a restrição numa posição intermediária, as pressões do fole proporcional e do fole integral não podem ser simultâneas. A ação proporcional é imediata e a ação integral é atrasada; imediatamente após o aparecimento do erro há a realimentação negativa e depois de um intervalo ajustável, atrasada, há a realimentação positiva.

Quando o processo se estabiliza, tem-se o circuito do controlador equilibrado: a força da medição é igual a do ponto de ajuste e a força do fole proporcional é igual a do integral.

Controlador

52

Quando aparece um distúrbio no processo e a medição se afasta do ponto de ajuste, o controlador P + I faz uma correção proporcional ao erro, imediatamente. Esta atuação deixa um desvio entre a medição e o ponto de ajuste. Logo depois da ação proporcional e enquanto persistir alguma diferença entre a medição e o ponto de ajuste, a ação integral irá atuar, até que a medição fique novamente igual ao ponto de ajuste. A ação integral irá atuar no processo até que se tenha novamente outro equilíbrio entre a medição e o ponto de ajuste.

3.5. Controlador Proporcional + Derivativo

No controlador pneumático proporcional e derivativo, acrescenta se uma restrição no circuito de realimentação negativa. Em vez de se ter uma realimentação instantânea, tem-se uma realimentação com um atraso ajustável.

O controlador proporcional mais derivativo possui o seguinte desempenho:

1. a ação proporcional estabiliza estaticamente o processo, corrigindo os erros proporcionalmente as suas amplitudes,

2. a ação derivativa adiciona uma componente corretiva, para cuidar principalmente dos erros com variação rápida.

Note se que o controlador P + D deixa o desvio permanente entre a medição e o ponto de ajuste. A ação derivativa é incapaz de corrigir o desvio permanente, pois ele é constante com o tempo.

O circuito do controlador proporcional mais derivativo é constituído de:

1. o fole de medição, 2. o fole de ponto de ajuste, em oposição

ao fole de medição, 3. o fole proporcional, sendo realimentado

negativamente da saída e através da 4. restrição derivativa. Na prática, o circuito pneumático completo

da unidade derivativa possui o fole, o tanque derivativo e a restrição. Aqui, por simplicidade, supõe-se que o próprio fole integral possui uma capacidade suficiente.

O objetivo da restrição é o de atrasar a realimentação negativa. Como a realimentação negativa atrasa a resposta do controlador, atrasar o atraso equivale a adiantar a resposta, para os desvios rápidos do processo lento. Por esse motivo a ação derivativa é também chamada de ação antecipatória:

O controlador proporcional mais derivativo possui o seguinte funcionamento:

1. imediatamente após a variação rápida do processo não há realimentação

negativa, pois há uma restrição pneumática. O controlador se comporta como um controlador liga-desliga, ou com uma banda proporcional muito estreita,

2. com o passar do tempo, a realimentação negativa vai se processando e pressurizando o fole proporcional e tornando o controlador estável.

3. quando a variação do processo é muito lenta, praticamente a ação derivativa não atua, pois lentamente também está havendo a realimentação negativa.

Fig. 4.11. Controlador PD pneumático Desse modo, quanto mais brusca for a

variação na medição, menor será a ação imediata da realimentação negativa e mais ação corretiva será transmitida a válvula, pela ação derivativa.

Quando se coloca o circuito derivativo no elo da realimentação negativa do fole proporcional há alguns inconvenientes:

1. há a interação entre os modos proporcional e derivativo. Quando o controlador possui o modo integral, a ação derivativa interfere também no modo integral.

2. a ação derivativa segue a ação proporcional

3. a ação derivativa modifica a saída do controlador quando há variação do ponto de ajuste, provocado pelo operador. Se esta variação for muito rápida, e geralmente o é, a saída do controlador produz um pico, podendo fazer o processo oscilar.

A solução prática para eliminar esses problemas é colocar o circuito derivativo antes das ações proporcional e integral e atuando apenas na medição.

Controlador

53

3.6. Proporcional, Integral e Derivativo

O controlador proporcional mais integral mais derivativo possui as três ações de controle e é o mais completo possível. Repetindo os objetivos das ações:

1. a ação proporcional estabiliza o processo, provocando uma correção proporcional ao valor do erro, instantaneamente,

2. a integral é uma ação auxiliar que elimina o desvio permanente, produzindo uma correção proporcional à duração do erro, depois da ação proporcional,

3. a derivativa é uma ação adicional que apressa a correção, gerando uma ação proporcional à velocidade da variação do erro, antes da ação proporcional.

Matematicamente tem-se:

dt

deTedt

T

1Kess d

i0

ou, no caso prático onde a ação derivativa só atua na medição m da variável,

dt

dmTedt

T

1Kess d

i0

O modo proporcional é o modo básico e é

sempre utilizado nos controladores analógicos. Ele é o principal responsável pela estabilidade do processo.

Fig. 4.12. Controlador PID pneumático

O modo integral deve ser usado para eliminar o desvio permanente entre a medição e o ponto de ajuste. Ele deve ser evitado quando há possibilidade de saturação. Ou, o que é mais inteligente, devem ser tomados cuidados especiais para se evitar que a ação integral leve o controlador para a saturação.

O modo derivativo de ser usado em processos com grande inércia e que sofrem variações bruscas, que seriam vagarosamente corrigidas, em o modo derivativo. Porém, a ação derivativa deve ser em processos com muito ruído, que são pequenas e numerosas variações bruscas. A ação derivativa iria amplificar esses ruídos, tornando o desempenho do controle do processo prejudicado.

O modo proporcional desempenha uma realimentação negativa no interior do controlador, tornando-o mais estável. A ação integral executa uma realimentação positiva, se opondo a ação proporcional. A ação derivativa, geralmente separada e anterior as outras duas ações, retarda a realimentação negativa, apressando a correção.

Fig. 4.13. Controlador pneumático Foram mostrados os circuitos de

controladores analógicos pneumáticos por causa de sua simplicidade e facilidade de compreensão, mesmo para os eletrônicos. Os circuitos equivalentes eletrônicos, com amplificadores operacionais, realimentação com capacitor ou resistor são mais abstratos e são só entendidos (quando acontece) pelos eletrônicos.

Controlador

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5. Controlador eletrônico

Atualmente o uso do controlador pneumático é raro. Na década de 1960, o controlador pneumático foi substituído pelo eletrônico analógico, com vantagens de menor tamanho. Sob o ponto de vista puramente de controle há pouca diferença no resultado do controle feito pelo pneumático e pelo eletrônico.

Posteriormente, na década de 1990, o controlador eletrônico analógico foi substituído pelo controlador eletrônico digital microprocessado. Também não houve vantagens, sob o ponto de vista de controle, mas os principais benefícios e ganhos ficaram com a facilidade de comunicação, capacidade de autodiagnose, auto-sintonia. Sob o ponto de vista restrito de controle o desempenho do controlador digital é pior que o do controlador analógico. Os motivos são:

Há conversão de sinal analógico para digital, pois o processo é analógico e a tecnologia do controlador é digital (na entrada).

Há uma conversão de sinal digital para analógico pois a tecnologia do controlador é digital e o algoritmo de controle PID é analógico. Depois há uma conversão de analógico para digital para voltar para a tecnologia digital do controlador.

Há uma conversão de digital para analógico pois a tecnologia do controlador é digital e o processo é analógico (na saída).

Cada conversão A/D e D/A implica em atraso e erro, piorando o desempenho do controlador.

Hoje se vive em um mundo analógico cercado por um universo de tecnologia digital. O computador digital é usado de modo intensivo e extensivo na instrumentação, no controle digital distribuído, no controle lógico programado de processos repetitivos, no controle a realimentação negativa de uma única malha (single loop), em computação analógica de medição de vazão, na transmissão.

Embora o processo seja contínuo no tempo, o controlador digital existe em um mundo discreto porque ele tem conhecimento das saídas do processo somente em pontos discretos no tempo, quando são obtidos os valores de amostragem.

Em geral o controlador digital desempenha as seguintes tarefas:

1. obtém um valor amostrado da saída do processo,

2. calcula o erro entre a medida e o ponto de referência armazenado no computador,

3. computa o valor apropriado para a entrada manipulada do processo,

4. gera um sinal de saída para o elemento final de controle,

5. continua a mesma operação com a próxima variável controlada.

(a) Ação derivativa aplicado ao erro

(b) Ação derivativa aplicada apenas à medição Fig. 4.8. Controlador série (real) O tempo requerido para conseguir um novo

nível da variável manipulada é tipicamente curto comparado com o tempo entre as amostragens. Portanto, pode-se assumir que a entrada para o processo é uma seqüência de valores constantes que variam instantaneamente no início de cada período de amostragem.

Deve-se ter um algoritmo de controle para o calculo dos valores das variáveis manipuladas. O prosaico algoritmo PID é ainda utilizado.

Esta operação discreta é repetitiva e o período é chamado de sample e hold.

A grande desvantagem do controlador digital é a introdução de vários tipos de tempo morto: devido ao tempo de amostragem, a computação matemática, a filtragem analógica das harmônicas da freqüência de amostragem e a caracterização do modo derivativo. Por causa deste tempo morto adicional, o controlador digital não pode ser usado indiscriminadamente em malha de controle de processo crítico e rápido, como para o controle de surge de compressor ou controle de pressão de forno em faixa estreita.

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Outra desvantagem do controle analógico ser feito por um controlador digital é o recebimento da amostragem. O recebimento dos dados de modo discreto é considerado um distúrbio para a ação derivativa, que poderá desestabilizar a malha, gerando os impulsos na entrada (positivo) e saída da amostra (negativo). Assim, deve-se evitar o uso da ação derivativa em controlador digital ou então pagar caro pelos complexos algoritmos desenvolvidos para resolver este problema.

Fig. 4.9. Filosofia do controlador digital Por outro lado, o controlador digital

aumentou a capacidade de computação para o controle e para a caracterização das ações de controle, sendo adequado para estratégias de controle avançadas, como o controle preditivo antecipatório.

Tipicamente, o controlador digital é superior ao analógico, em precisão e resolução dos ajustes dos modos de controle, na precisão da computação adicional, como na linearização e caracterização de sinal, mais flexível em função da programação e da comunicação.

Porém, o aumento da flexibilidade resulta em um aumento da responsabilidade do instrumentista, desde que maior leque de escolha implica em maior probabilidade de cometer erros.

O controlador digital usa sinais discretos (sample e hold) para computar a saída do controlador. Geralmente, o controlador digital é baseado em microprocessador. O controlador digital emula o algoritmo analógico P + I + D.

5.1. Esquemas de Controle Digital

A primeira tentativa de se usar o controle de processo com computador foi o então chamado controle supervisório. O controlador ainda era analógico, porém um computador digital tinha acesso à variável de processo e estabelecia o ponto de ajuste do controlador. Esta técnica tinha apenas algumas vantagens do controle a computador. O controle voltava

para o controlador analógico, se o computador falhasse.

O desempenho do controle possuía ainda todas as restrições inerentes às limitações do controlador analógico. Ainda não havia as vantagens de auto-sintonia, autodiagnóstico, reconfiguração radical, compensação de tempo morto e controle preditivo antecipatório.

Assim que se fica preparado para confiar no desempenho do computador, o controlador analógico pode ser removido e sua tarefa é transferida para o computador. No controle digital direto, o controlador analógico é eliminado. As variáveis de processo entram diretamente no computador, vindas dos transmissores e sensores. O algoritmo de controle é desenvolvido no próprio computador, que envia o sinal diretamente para os atuadores. Nesta configuração, algumas centenas de malhas podem ser controladas por um único computador compartilhado entre elas.

O controle digital direto tem o potencial de realizar todos os benefícios do controle a computador, mas tem um problema muito sério: um único equipamento é responsável pelo controle de toda a planta. Quando o computador pára ou trava, todas as malhas de controle vão para a condição de malha aberta (manual). É pouco confiável.

Para resolver este problema, usam-se dois computadores, o reserva monitorando e verificando o desempenho do principal. Quando houver a falha no principal, o reserva assume automaticamente o controle, sem distúrbio para o processo controlado. Porém, isso aumenta muito o custo do equipamento e requer programa mais complicado. O sistema reserva custa muito mais que os controladores analógicos que ele substitui.

Para ser econômico, um único computador deve controlar várias malhas. Para atender todas as malhas, duas a quatro vezes por tempo de subida, o computador deve ser extremamente rápido. O computador deve também cuidar de outros alarmes, display, comunicação, auto-sintonia e tarefas internas de gerenciamento.

Na evolução natural da aplicação do computador, o próximo passo foi a distribuição geográfica e física destas tarefas distintas, aparecendo o controle digital distribuído. Agora cada unidade do processo ou conjunto de malhas tem o seu próprio computador. As funções de display, controle e operação foram separadas em locais e em circuitos.

Atualmente, com a redução tremenda dos custos de equipamento e programas, foi desenvolvido o controlador single loop. Ele tem este nome porque ele é dedicado a uma única malha (single loop), mas ainda mantendo todas

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as vantagens de um grande sistema digital, como auto-sintonia, autoteste, autodiagnóstico, grande capacidade de fazer computação matemática, lógica, intertravamento, seqüencial, realização de algoritmos avançados e complexos de controle. Hoje, um controlador single loop custa igual ou menos que um controlador analógico convencional, que tende a desaparecer do cenário.

O controlador single loop é um equipamento moderno, confiável, poderoso, usado para controlar sistemas de processo continuo, com poucas malhas de controle. Controladores single loop podem ser interligados digitalmente, através de protocolos abertos ou proprietários.

5.2. Funções do controlador

Um diagrama de blocos típico do hardware é mostrado na Fig. 6.4. No núcleo do controlador está o microprocessador ou microcomputador, que deve ter o suporte de outros blocos. As exigências da armazenagem das variáveis e do programa podem exceder aquelas disponíveis dentro de um microprocessador em um único chip. Memória externa, memória ROM (read only memory) auxiliar para armazenar programas e constantes e RAM (random access memory) para armazenar variáveis podem ser adicionadas para evitar a perda dos parâmetros chaves no caso de falta de energia de alimentação. A RAM pode ser substituída por EEPROM (electrically erasable programmable read only memory). Uma alternativa é prover uma fonte ininterruptível de um uma fonte de alimentação com bateria de backup.

A comunicação com o operador é fornecida através de um painel frontal, consistindo de LEDs, displays numéricos, botões e chaves e deve ser acionado e lido pelo microprocessador.

A variável analógica do processo é convertida de seu mundo real para digital, em tempo real, por um bloco conversor analógico para digital (A/D). A conversão de milivolts, freqüência, resistência elétrica ou corrente em uma tensão de alto nível deve ocorrer primeiro. Também há filtro e isolação incluídos antes do conversor A/D.

Do mesmo modo, deve haver uma conversão digital para analógico (D/A) para fornecer um sinal analógico para o atuador no processo. Embora seja popular um sinal isolado de 4 a 20 mA cc, também pode haver tensão, triacs com tempo proporcional ou relés de estado sólido. Relés de alarme são também energizados quando a variável de processo ou o erro excede determinados limites estabelecidos pelo operador.

A comunicação digital com um computador

supervisório ou com um sistema digital de controle distribuído (SDCD) ou controlador lógico programável (CLP) é uma opção na maioria dos controladores single loop. Isto pode requerer apenas um circuito integrado (CI) para transformar os sinais de 5 V para os níveis V mais elevados dos protocolos RS 232 C ou RS 422 ou pode-se ter um conjunto completo de CIs para fornecer uma ligação direta com redes proprietárias com protocolos como HART, Profibus, MAP ou Fieldbus.

Fig. 4.10. Controlador single loop (ABB ) Quando se desenvolve um projeto baseado

em computador, deve-se dar igual importância ao equipamento (hardware) e programa (software). Um diagrama de blocos para o programa requerido para rodar um controlador single loop é mostrado na Fig. 6.5. Há poucos blocos e cada bloco contem muitas linhas de código de programação. É tentador ver o cálculo do algoritmo de controle proporcional, integral e derivativo (PID) como a característica mais importante e esquecer todos os outros blocos. Porém, como se pode concluir do diagrama de blocos do programa, o cálculo PID é somente uma de várias outras tarefas tão importantes que o microprocessador deve completar em cada ciclo de varredura.

A manipulação correta da aplicação e remoção da potência de alimentação ao microprocessador é necessária, por causa do desempenho confiável em um ambiente industrial hostil. A perda de alimentação deve ser detectada e a unidade de processamento central notificada. Parâmetros e informação chave acerca do estado do processamento devem ser armazenados em uma memória que não pode ser perdida ou afetada pela falta de

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energia. As saídas e alarmes devem ser levados automaticamente para uma condição segura, predefinida e programada. Quando a energia é restaurada, estes parâmetros devem ser recuperados e o processamento deve continuar de onde ele foi interrompido (ou reiniciado de algum outro ponto, pré-programado). Esta função é do bloco Reset e Power-up. Deve-se evitar a tentação de limpar todos os parâmetros e começar do zero depois de cada volta de energia. Seria impraticável e intolerável ter que reentrar com os parâmetros de operação através do painel do controlador ou de um computador supervisório após cada interrupção de alimentação.

Autodiagnóstico é uma característica inigualável do controlador single loop. No inicio das operações, o controlador deve executar as instruções que lhe permitem testar virtualmente cada bloco mostrado em seu diagrama. Uma mensagem mostrando que o autoteste foi completado deve aparecer antes do inicio da operação normal. De fato, tais sistemas podem ter mais de um código dedicado ao autoteste. Este momento é também ideal para fazer a autocalibracao dos conversores A/D e D/A. Sempre que houver falha no autoteste, o operador e o computador supervisório devem ser notificados. A malha deve ser desligada ou o controle transferido para o computador supervisório. Aliás, é desejável permitir que o computador supervisório force o controlador single loop a fazer o autodiagnóstico, permitindo-o rodar testes sistemáticos, de rotina e detalhados como feitos por um microcomputador pessoal. Estes autotestes são uma ferramenta poderosa do controlador e simplificam e diminuem drasticamente o tempo de manutenção programada.

Fig. 4.11. Diagrama de blocos de um controlador single loop baseado em microprocessador

O cálculo dos termos integral e derivativo

do controlador PID requer que a entrada seja amostrada em intervalos uniformemente espaçados. Para garantir isso, usa-se um temporizador (timer). O intervalo é estabelecido por vários fatores. Certamente, o microprocessador deve ter tempo suficiente para completar todo o processamento necessário. Assim, o período ajustado no temporizador (T ) deve ser muito longo. Porém, o tempo de amostragem deve ocorrer de duas a quatro vezes no período de subida da variável de processo. Cada variável de processo deve ter tempos de amostragem típicos, como mostrado na Tab. 1. Um tempo de amostragem de ½ a 1 s é um compromisso típico (isso assume que o tempo de subida de 1 s ou mais).

Tab. 3.2. Tempos de amostragem em controle Quando se entra na malha principal, deve-

se ressetar este temporizador. Quando tudo vai bem, o programa completa todo o seu processamento muito antes do temporizador desligar. Ele então espera que o temporizador lhe mande um sinal. Porém, o processador deve ser capaz de detectar que o processamento emperrou ou está demorando demais. Isto é uma falha e deve ser anunciada ao operador e ao computador supervisório. O temporizador deve interromper o microprocessador quando ele desliga. Se o programa não retornou para a malha de espera quando ocorre esta interrupção, a falha deve ser anunciada e um entra uma rotina de desligamento induzida pelo erro.

Controlador

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Fig. 4.12. Fluxograma do programa do controlador

Fig. 4.13. Controladores digitais (Yokogawa)

5.3. Entrada de dados

O código preciso necessário para entrar as variáveis de processo depende da técnica de conversão, conversor e microprocessador usados. Há várias decisões que devem ser tomadas, independentes destes detalhes. A primeira, é como estas variáveis estão sendo representadas? Se estiver programando em linguagem de alto nível e se houver muito tempo para ver a malha, é conveniente escalonar a variável de processo em unidade de engenharia, com oC para temperatura, kPa para pressão, m3 para nível e m3/h para vazão. Porém, tentar fazer aritmética de ponto flutuante em linguagem de máquina ou assembly é absurdo.

Quando se usam unidades de engenharia com matemática de ponto flutuante, deve-se fazer todas as operações subseqüentes com muito cuidado. Primeiro, o condicionamento externo do sinal e a conversão A/D devem ser escalonados de modo que em 0% da variável de processo, o valor do dado seja representado por zero. Em 100% da variável, a saída de fundo de escala do conversor é produzida, garantindo a máxima utilização da resolução do conversor.

Idealmente, este sinal de 100% da variável de processo combina com o tamanho da palavra do microprocessador usado. Se não, deve-se estabelecer este valor de 100% (fundo de escala) para todas as entradas e cálculos subseqüentes. Um microprocessador de 8 bits com um conversor de 8 bits usa 28 – 1 (255) como seu valor de 100% (fundo de escala). Porém, um conversor de 12 bits usa 212 – 1 (4 095) como seu valor de 100% (fundo de escala). Isto agora representa um nível de 100%. Cálculo de fora de faixa e overflow devem ser verificados contra 4 095. Para um microprocessador de 8 bits com um conversor de 12 bits com 100% = 4 095 significa que todas as operações matemáticas devem ser feitas com números de dois bytes (dupla precisão).

Deve-se evitar aumentar a escala da variável de processo. Multiplicar a variável de processo por uma constante maior que 1 resulta em um número com mais bits que o produzido pelo conversor. Isto implica em uma resolução e exatidão que o conversor realmente não pode dar. Isto parece que se conhece a variável de processo mais precisamente do que realmente ela é medida e convertida.

Esta falsa exatidão é especialmente um problema quando se quer converter para unidades de engenharia com matemática de ponto flutuante. Antes de reportar o valor, no

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painel frontal ou no computador supervisório, garantir o arredondamento do número. Reportar o número apenas com os dígitos que indicam precisamente a resolução e precisão para as quais a variável foi medida e convertida.

Filtros digitais passa-baixa podem ser usados para remover o ruído abaixo de 0,2 Hz, mas acima da taxa de resposta da variável de processo. Este filtro pode (e deve) ser feito pelo programa. É recomendável que a freqüência crítica do filtro digital seja a metade do filtro analógico. Filtros analógicos são econômicos abaixo até 0,2 Hz. Isto implica que a mais alta freqüência que um filtro digital deve cortar seja 0,1 Hz. Dados abaixo desta freqüência são dados válidos da variável de processo, enquanto qualquer sinal variando mais rápido que 0,1 Hz é considerado ruído e será cortado. Se a variável de processo tem muitas harmônicas acima de 0,1 Hz, não se usa o filtro. Confie somente em filtro analógico externo para remoção do ruído.

Termopares e alguns outros sensores (e.g., placa de orifício) são não lineares. Quando os sinais vêem destes sensores, eles devem ser linearizados (pelo programa). Deste modo, os cálculos de display e controle são feitos baseados nos valores reais do processo.

Há dois enfoques para linearizar um sensor. Para ambos, deve-se ter um registro de calibração que relaciona a saída do sensor com a variável real do processo.

O enfoque de procurar na tabela coloca o registro de calibração em uma ROM. A variável de processo é usada como endereço na tabela. O valor linearizado correto é dado neste endereço. Este método da tabela é o mais rápido e simples. Porém, ele ocupa muita memória. Se a tabela inteira não é colocada na memória (por economia), deve-se ter uma rotina de interpolação.

A segunda técnica de linearização representa a relação entre a saída do sensor (x) e a variável verdadeira do processo (PV) por um polinômio. O número de termos

n

n2

210 xa...xaxaaPV

determina a precisão da linearização polinomial do sinal do sensor. Os coeficientes (a0, a1, a2, ..., an) vem do registro de calibração em um cálculo estatístico de regressão não linear. Por exemplo, um polinômio de ordem 9 dá uma linearidade de 1 oC. A técnica de linearização polinomial requer muita potência de computação e velocidade, mas não requer memória ROM extensiva (que a técnica da tabela requer). A linearização polinomial é geralmente feita por controladores usando

matemática de ponto flutuante programada em uma linguagem de alto nível.

A próxima tarefa do controlador, pelo diagrama de blocos, é entrar o ponto de ajuste. Ele já pode estar na memória, tendo sido lido do painel frontal ou do computador supervisório, em algum ciclo prévio. Se um ponto de ajuste remoto é usado, o valor deve ser adquirido, escalonado e filtrado, exatamente como se faz com a variável do processo.

Ainda acerca do ponto de ajuste: 1. Ele deve ser escalonado de modo idêntico

a variável de processo, de modo que, quando a variável de processo se iguala ao ponto de ajuste, o cálculo do erro dá zero.

2. Se a alimentação é desligada e depois ligada, o valor do ponto de ajuste não pode ser perdido. Assim, ele deve ser armazenado, de algum modo, em uma memória não volátil ou em memória volátil com backup de bateria.

5.4. Algoritmo de controle

Agora é o momento de calcular o erro. A equação a ser usada depende da ação do controlador, direta ou inversa. Uma ação direta do controlador significa que a sua saída aumenta quando a variável de processo aumenta. Isto é típico para sistema de resfriamento. Para uma ação direta do controlador tem-se:

edireta = PV – SP Uma ação inversa do controlador significa

que a sua saída aumenta quando a variável de processo diminui. Isto é típico para sistema de aquecimento. Para uma ação direta do controlador tem-se:

einversa = SP - PV O controlador single loop permite a

alteração da ação (direta ou inversa) com uma chave atrás do painel frontal ou do computador supervisório. Para fazer o cálculo do erro, deve-se decidir qual equação usar.

Quando se está programando em linguagem de alto nível, a subtração para obter o erro é simples e em linguagem assembly, é mais complicado. Tipicamente, um número negativo é representado em um formato com complemento de dois. Mas a variável de processo e o ponto de ajuste são entradas usando binários diretamente. Esta diferença em expressar estes números causa confusão e resultados errados. Os números devem todos ser expressos no mesmo formato. Conversores não trabalham facilmente com completo de

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dois. Complemento de dois também corta a faixa de contagem do microprocessador pela metade (desde que um bit deve representar a polaridade). Assim, é recomendável que se converta o resultado da subtração do erro para o formato valor mais sinal. A palavra inteira de dados é usada para representar o valor do erro. Um bit, em alguma outra palavra, é definido como um flag para indicar que o erro é negativo.

Neste ponto, pode-se avaliar e acionar os alarmes. Estes alarmes são de dois tipos: absoluto e de desvio.

Se a variável de processo excede o limite absoluto de alarme de alta, o alarme absoluto de alta deve ser ativado. Se a variável de processo cai abaixo do limite absoluto de alarme de baixa, o alarme absoluto de baixa deve ser ativado.

Os alarmes de desvio são baseados no erro. Erro mais positivo do que o limite de alarme de desvio de alta atua este alarme. Erro mais negativo do que o limite de alarme de desvio de baixa atua este alarme.

Os valores destes quatro limites de alarmes devem ser entrados em um ciclo anterior, do painel de controle ou do computador supervisório. Alguns controladores fixam os limites de alarme de desvio em 0,5%. Como o ponto de ajuste, deve-se garantir que os valores dos alarmes não são perdidos na falta de alimentação principal do controlador.

A ativação de um alarme deve causar duas ações:

Uma saída para o mundo real deve ser chaveada. Tipicamente, isto é um tipo de relé C (dois contatos normalmente abertos ou normalmente fechados), capaz de suportar correntes de contato de 1 A ou mais.

Assim que detecta uma condição de alarme, o microprocessador deve mostrar o flag apropriado (um bit). Quando é hora de atuar no painel frontal ou para comunicar com o computador supervisório, este flag causa o display de aviso no painel frontal e envia mensagem para o computador supervisório.

Agora é hora de calcular o valor da saída. Obviamente, o principal objetivo do controlador é acionar o atuador, levando-o a um ponto que corresponda a medição igual ao ponto de ajuste (erro igual a zero). Há dois enfoques para determinar o valor da saída do controlador single loop.

Pode-se escrever a função de transferência para o sistema de controle do processo com malha aberta (atuador, processo, sensor e condicionador), usando a teoria de controle ótimo. Um sistema de malha simples é representado na Fig. 6.6. Sua função de transferência de malha fechada é:

)s(H)s(G1

)s(G

)s(I

)s(PV

Assumindo que se saiba quanto deva ser a

variável de processo [PV(s)] para responder a uma dada variação de entrada [I(s)], pode-se derivar uma função ótima para o controlador [H(s)]. Resolvendo a eq. (1.1) para H(s), tem-se

)s(G

1

)a(PV

)a(I)s(I)s(H

Fig. 4.14. Sistema de controle com malha fechada

Um processo chamado de transformada Z

permite a conversão desta equação no domínio de Laplace para o controlador no domínio Z. Então, pode-se escrever uma equação no domínio do tempo, que é o mais humano. A equação no domínio do tempo expressa a saída do controlador em termos dos valores presente e prévio do erro, coeficientes e tempo de amostragem.

Com esta equação do controlador, uma entrada de I(s) causa uma resposta ótima na variável de processo PV(s). Somente para esta entrada, um tipo de entrada é a saída otimizada. Outros tipos de entradas produzem saídas radicalmente diferentes e inaceitáveis.

Esta derivação de uma função de controle ótima, H(s), requer que se conheça a função de transferência do processo, G(s). Quando menos se conhece do processo, G(s), mais pobremente definida será a sua resposta.

O segundo enfoque para obter a equação do controlador é o controlador proporcional, integral e derivativo (PID). O controlador PID é genérico. Quando sintonizado corretamente, ele produz um controle aceitável para a maioria dos processos industriais. Também chamado de controlador três modos, o controlador PID permite estocar um tipo de controlador para usar com temperatura, pressão, vazão, nível,

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analise, velocidade, pH. O controlador PID representa o controle de um processo continuo para o qual não se pode escrever uma função de transferência.

Pode-se ter várias versões analógicas do controlador PID. No domínio analógico contínuo, a saída do controlador vale:

dt

deKedtKeKv dIPo

onde

e é o erro Kp, KI e Kd são constantes Colocando Kd = 0, anula-se o termo

derivativo e resulta um controlador PI. Também, colocando Ki = 0, anula-se a parte integral, deixando somente o controle proporcional. O valor preciso destas constantes afeta radicalmente a qualidade do controle. Geralmente, elas são determinadas experimentalmente, sintonizando o sistema inteiro de malha fechada, assim que ele esteja operando.

Para obter uma equação que o microprocessador possa implementar, a equação diferencial continua deve ser convertida em uma equação de diferenças discretas. Deve-se, primeiro, diferenciar os dois dados da equação,

2

2

dIPo

dt

edKedt

dt

dK

dt

deK

dt

dv

dt

de

dt

dKeK

dt

deK

dt

dvdIP

o

Esta equação mostra quanto a saída deve

variar para cada variação infinitamente pequena no tempo, dt. Mas no sistema baseado a microprocessador, pode-se olhar o mundo real somente uma vez em cada ciclo. O tempo de ciclo, T, estabelece este intervalor de tempo, dt. Assim, o que realmente interessa é quanto a saída e o erro devem variar () de um ciclo para o seguinte (T).

T

e

TKeK

T

eK

T

vdIP

o

onde T é o tempo de ciclo. Multiplicando tudo por T, tem-se

T

eKeTKeKv dIPo (12)

A mudança em Vo, Vo é justamente a

diferença entre o seu valor atual e o valor lido no ciclo anterior.

1onono VVV

O mesmo vale para o erro

1nn eee

Reescrevendo a eq. (1.12)

)ee(TK

KIeT)ee(KVV 1nnd

1nnp1onon

No último termo, foi distribuído em dois

componentes. Eles podem ser expandidos para dar:

1nnn eee

2n1n1n eee

Substituindo na eq. 13, tem-se

)]ee()ee[(T

K

TKIe)ee(KVV

2n1n1nnd

n1nnp1onon

Finalmente,fica:

)ee2e(T

K

TKIe)ee(KVV

2n1nnd

n1nnp1onon

A saída atual calculada se baseia no valor

anterior da saída, erro atual, erro anterior, tempo de ciclo e constantes de peso.

Quando se programa esta equação usando uma linguagem de alto nível (e.g., C, Pascal, PL/M ou Fortran), o trabalho fica mais fácil e menos sujeito a erro do que se é usada uma linguagem assembly. Tais linguagens permitem o uso de aritmética de ponto flutuante. Números negativos e overflow são manipulados automaticamente.

A eq. 15 assume que o tempo de varredura do controlador, o tempo entre a amostra da variável de processo, seja uma constante. Porém, há vários compromissos. Tempo de varredura muito rápido, pequeno T, é desejável para a resposta rápida a variações repentinas da variável de processo. Porém, valores maiores de T são necessários para um termo estável derivativo. Valor muito pequeno para T (no denominador) dá um termo derivativo muito grande e há instabilidade (oscilação).

Controlador

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O cálculo da ação derivativa em um sistema de dados amostrados pode produzir oscilações imprevisíveis na saída. Iso por que o conversor A/D pode somente passar variações da variável do processo para o processador central em passos discretos.

A variável do processo está subindo em uma taxa devagar e estável. No controlador analógico isto produz um termo derivativo lento e constante. Porém, como estes dados são amostrados e convertidos, em passos discretos. Como a ação derivativa toma o dado que chega como novo, responde de modo rápido, primeiro para cima e depois para baixo.

É esta oscilação brusca que torna o uso do controlador digital com apenas a ação derivativa questionável. Às vezes, pode ser necessária uma computação mais sofisticada da ação derivativa ou então não se usa esta ação.

5.5. Saída do comando

Depois que termina o cálculo do bloco PID, fica-se pronto para acionar a saída. Esta saída pode ser liga-desliga com banda morta, com tempo proporcionado, acionada por ângulo de fase, modulada por largura de pulso ou corrente (ou tensão) analógica.

Para processos com resposta lenta e com pouca variação de carga, o controle liga-desliga trabalha bem. Quando o cálculo PID é mais positivo que um nível positivo definido de banda morta, a saída é ligada (usualmente 115 V ou de contatos de forma C). Quando o cálculo PID fica mais negativo que um nível de banda morta negativo definido, a saída é desligada. Os níveis de banda morta são necessários para evitar que o atuador e o processo ciclem.

Processos com resposta lenta que requerem controle melhor que o liga-desliga, podem necessitar de tempo proporcionado. Um intervalo de tempo que é muito maior do que um ciclo de 60 Hz, mas muito mais curto que o tempo de resposta do processo, é escolhido. É necessário um temporizador a CI ou uma rotina de temporizador no programa para manter o rastreamento deste tempo. No inicio do intervalo, a saída é ligada. O valor de saída do cálculo PID determina quanto a saída é mantida ligada. Este técnica permite que a potência seja aplicada e removida do atuador somente nos cruzamentos do zero da linha, minimizando a interferência elétrica pelo chaveamento de carga com alta tensão e alta corrente.

Muitos processos usam atuadores que operam com 4 a 20 mA. Para este tipo de saída, o cálculo do PID deve passar para um

conversor D/A, que escalona a saída para 4 a 20 mA.

Qualquer que seja a técnica escolhida, a eletrônica deve incluir alguma forma de isolação. Sem esta isolação, um erro provocado na fiação entre controlador e atuador, ou uma falha, pode ocorrer 115 V ou mais na linha de terra do controlador. Obviamente, isto danifica o controlador ou até o computador supervisório ligado a ele.

Assim que a saída é atualizada, o programa deve completar a comunicação com o painel frontal e com o computador supervisório. Porém, o controlador nunca volta através na malha para checar a variável de processo.

O valor da variável de processo deve ser enviado do controlador microprocessador para o computador e o microprocessador deve ser capaz de receber o ponto de ajuste remoto, estabelecido no computador. O modo mais simples de fazer isso é através de duas malhas analógicas de 4 a 20 mA. A saída do controlador passa por um conversor D/A. O sinal de corrente analógica de 4 a 20 mA do computador comanda o ponto de ajuste remoto se é lido pelo microprocessador com um conversor A/D quando ele lê sua variável de processo.

A comunicação digital permite que muito mais informação seja trocada. Protocolos padrão como RS-232 e RS-422 podem ser usados ou o controlador microprocessado pode ser colocado em uma rede de área local (LAN). Os dados trocados podem incluir resultados de autotestes, ponto de ajuste, condições de alarme, níveis de saída, modo de controle e constantes do controlador. De fato, um inteiro novo algoritmo de controle pode ser editado pelo computador supervisório para substituir ou suplementar a equação PID.

Autoteste extensivo é necessário quando se aplica potência à primeira vez ao microprocessador e quando direcionado pelo computador supervisório. Porém, ao fim de cada ciclo, algum autoteste também pode ser feito. São também feitos testes funcionais do equipamento e programa de entrada e saída, zero automático da entrada e da saída e calibração e um simples check de memória e do canal de comunicação. Assim que uma falha é detectada, o operador e o computador supervisório devem ser notificados. Para problemas sérios, pode-se programar para que haja um desligamento automático, seguro e ordenado do processo, pelo controlador.

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5.6. Modos de Operação

Há dois modos típicos para a operação do controlador: manual e automático. Opcionalmente, pode haver um terceiro, chamado de auto-sintonia.

Em modo manual, o cálculo do erro, alarmes de desvio e cálculo de PID são removidos. Em vez disso, um comando de saída entrado do painel frontal ou do computador supervisório é enviado diretamente para acionar a saída.

Em modo automático, são feitos os cálculos do erro, dos alarmes de desvio e cálculos do PID são executados pelo controlador, sem independente do operador.

A transferência entre o controle automático e manual não deve permitir que a saída tenha saltos (bump). A alteração do modo, no pior caso, pode somente causar a saída rampear para um novo nível em uma taxa aceitável. Isto é chamado de transferência sem salto (bumpless).

A versão mais simples de auto-sintonia requer uma inicialização do operador ou do computador supervisório. Uma vez iniciado, este tipo de auto-sintonia aciona sua saída para cima e para baixo, várias vezes. O algoritmo avalia a resposta do processo para estes distúrbios tipo degrau no atuador. Baseado nesta informação, são computados e entrados valores de Kp, KI e Kd no cálculo do PID. Depois, volta o modo automático de controle. Esta técnica requer a intervenção do operador. Ele também remove o processo do controle suave, enquanto o controlador está fazendo experiências com ele. Isto pode ser inaceitável.

A auto-sintonia contínua é mais complicada. Ela opera com conjunto com o modo de controle automático. Sempre que houver um distúrbio apropriado do ponto de ajuste ou a variável de processo é notificada, o algoritmo de auto-sintonia monitora o desempenho do controlador, regulando esta alteração. Da avaliação de malha fechada, novos valores de Kp, KI e Kd são computados. Este procedimento acontece continuamente sem intervenção do operador ou interrupção do controle automático. Ao longo do tempo, este tipo de controlador com auto-sintonia aprende com o processo e coloca seus próprios valores para o controla ótimo. Pode haver problemas quando processo é muito estável e o controlador não tem nada a aprender e deixa de operar corretamente.

5.7. Situações anormais.

O reconhecimento das situações anormais se realiza mediante a monitoração de todos os sistemas de controle analógicos e digitais, tais como os controladores, alarmes, indicadores e registradores e sua comparação com os dados provenientes do conhecimento do sistema expert.

O diagnóstico se faz a partir da fase anterior de comparação se na mesma se detectou situações problemáticas. Se visualiza o diagnostico da planta no estado atual de controle.

O operador é assistido pelo sistema inteligente de visualização, que lhe mostra graficamente os diagramas de fluxo de interesse, o resumo dos alarmes, o estado dos indicadores e dos controladores afetados e a seqüência de operações a realizar para solucionar o problema. Se dispõe de ajudas na visualização que provocam o flasheamento das áreas problemáticas dentro do diagrama de fluxo.

Baseando-se na informação recebida, o operador atua sobre o processo ou esta atuação é realizada automaticamente pelo sistema de controle, informando ao operador das ações realizadas.

Entre as aplicações típicas que os sistemas experts podem realizar se incluem o controle de nível do fundo e a otimização do rendimento no destilado das colunas de distilação.

O beneficio que o sistema expert aporta à planta é a redução dos tempos de parada e, o que é mais importante, a diminuição da probabilidade de que o funcionamento anormal da planta conduza a situações catastróficas.

Embora seja difícil prever o futuro, os sistemas experts se desenvolverão mais ainda, conduzindo a novas ferramentas e técnicas que permitirão a simulação ampla dos processos industriais e a detecção inicial de problemas na qualidade de fabricação dos produtos, para assim corrigir em seu inicio estas situações, diminuindo os refugos e proporcionando uma ajuda muito útil ao operador durante as paradas da planta ou em situações transitórias de perda de controle. Para este desenvolvimento, serão necessárias a colaboração de engenheiros de instrumentação e de processo e a formação da engenharia do conhecimento.

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6. Controle digital distribuído

6.1. Introdução

O controle PID com realimentação negativa pode ser aplicado com sucesso usando instrumentos analógicos que executam cálculos analógicos (contínuos). Há mais de 50 anos de boa experiência industrial com controle de processo. Computadores digitais são aplicados em controle desde os anos 1960, desde quando eles fornecem grande poder de computação e suficiente confiabilidade. A maioria absoluta dos novos equipamentos de controle e cálculo utiliza computação digital, porém ainda há uma grande base instalada de controladores analógicos, que são mais baratos e confiáveis.

A maior motivação para usar equipamento digital em controle de processo não é por causa do controle em si, mas da maior flexibilidade e da tremenda capacidade de computação para controlar e monitorar plantas de processo.

Fig. 1.1. Malha com controle digtal Para executar o algoritmo analógico PID

para o controle do processo analógico, o controlador analógico utiliza circuitos eletrônicos com amplificadores operacionais para executar as equações diferenciais contínuas. Cada circuito é construído separadamente, os cálculos são feitos rapidamente em paralelo, sem interação entre os computadores analógicos que são essencialmente independentes. A limitação obvia do controlador analógico é sua pequena flexibilidade, pois o algoritmo PID não pode ser alterado; somente os parâmetros de sintonia (Kp, Ki e Kd) podem ser ajustados.

Em comparação, o computador digital usa um conceito totalmente diferente. Representando os números em formato digital (binário) e resolvendo as equações numericamente para representar o

comportamento do cálculo de controle de interesse, o computador digital pode facilmente executar uma grande faixa de cálculos no mesmo equipamento (hardware) e programa (software).

As duas diferenças básicas que afetam o desempenho e estabilidade do sistema de malha fechada são:

O sistema digital opera de modo periódico ou discreto, porque os ajustes de controle ocorrem periodicamente ou discretamente. Controlador digital não opera em tempo real, mas quase-real.

O computador digital faz os cálculos em serie, consumindo muito tempo em função da complexidade dos cálculos de controle. Controlador digital é mais lento que o analógico.

Felizmente, os computadores digitais modernos e equipamentos associados são suficientemente rápidos para executar suas funções e praticamente não há mais limitação relacionada com a velocidade de execução.

As grandes vantagens do sistema digital de controle são paralelas ao controle em si:

Capacidade de monitoração quase contínua, fornecendo ao operador grande quantidade de dados úteis.

Apresentação dos dados em formatos gráficos, mais fáceis e rápidos de serem interpretados e usados.

Monitoração em longo prazo do desempenho do processo.

Facilidade de fazer cálculos programados e baseados nos dados do processo para relatar rotineiramente as variáveis chave, como extrações do reator, eficiências de caldeiras, coeficientes de transferência de calor de trocadores.

6.2. Estrutura do sistema digital

Quando se tem um controlador digital para fazer o controle, são necessários conversores analógico-digital (A/D) na entrada e digital-analógico (D/A) na saída, pois o processo é analógico e o controlador digital. Geralmente estes conversores estão embutidos no controlador ou no sistema de controle distribuído. Atualmente, também é freqüente o uso de transmissores digitais e de posicionadores de válvula digitais, de modo que estes conversores A/D e D/A estão incluídos nestes equipamentos.

Como no controlador convencional, o sinal da variável controlada é comparado com o ponto de ajuste e é feito o cálculo do controle, geralmente o algoritmo PID. Finalmente, o resultado digital é enviado para o elemento final de controle, sendo convertido de digital para analógico em algum equipamento do caminho.

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As plantas geralmente envolvem muitas variáveis, que são controladas e monitoradas de uma sala de controle centralizada. Um sistema digital para atender estas exigências é mostrado na figura. Cada sinal de medição para o controle e monitoração é enviada através do conversor A/D para o computador digital ou controlador microprocessado. Os resultados dos cálculos de controle digital são convertidos para a transmissão em um conversor D/A. O sistema pode ter um processador por malha de controle, porém o mais comum é ter vários cálculos de controle por processador. Tipicamente, tem-se 8, 16 ou 32 sinais por processador. Por economia, faz-se a multiplexação destes sinais, porém o sistema fica menos confiável, pois a falha de um processador pode resultar na perda de 8, 16 ou 32 malhas de medição e controle.

Alguns dados de cada processador individual são compartilhados por outros processadores para o display ou interação humana necessários. A troca de informação é feita via rede de comunicação digital (rede de área local ou LAN), que permite o compartilhamento dos dados entre os processadores e entre cada processador e o console de operação da estação de interface humano-máquina.

Fig.1.1. Estrutura de um sistema digital de

controle O console de operação é necessário para o

operador monitorar o processo e fazer intervenções nele, estabelecendo ponto de ajuste, abrindo e fechando válvulas, ligando e desligando motores, selecionando modo de operação manual ou automático. Assim, o ponto de ajuste do controlador e os ajustes de sintonia devem ser comunicados do console, onde eles são entrados pelo operador, para o processador onde os cálculos são feitos.

Também, os valores das variáveis controladas e manipuladas devem ser

comunicados do controlador para o console para serem vistos pelo operador. Alguns dados que não seriam comunicados do processador seriam os valores intermediários, tais como erro integral usado no cálculo do controlador. O console do operador tem seu próprio processador, armazenamento de dados e display visual (unidade de display de vídeo ou VDU), anunciador de áudio, teclado, mouse para o operador interagir com as variáveis de controle. A apresentação gráfica das variáveis, que é mais fácil e rápida de interpretar, é usada com displays digitais, que são mais precisos. Também, as variáveis podem ser superpostas em um esquema do processo para ajudar o operador a colocar dados no contexto.

Para aumentar a flexibilidade, processadores mais poderosos podem ser ligados a estas redes locais de modo que eles possam acessar os dados de processo. Estes processadores podem fazer tarefas que são criticas no tempo, como cálculos de monitoração de processo e otimização de processo, que são executadas menos frequentemente.

Como cada processador digital executa suas funções serialmente, deve haver um meio para se decidir qual tarefa entre muitas deve ser feita primeiro. Assim, cada processador tem um sistema de operação em tempo real, que organiza tarefas de acordo com uma prioridade e programação. Por exemplo, o processador de controle iria considerar seu cálculo de controle como de alta prioridade e um console do operador iria considerar uma troca de ponto de ajuste como de alta prioridade. Itens de baixa prioridade, como cálculos de monitoração, são executados quando houver tempo livre. Um importante aspecto do cálculo em tempo real é a habilidade de parar uma tarefa de baixa prioridade quando aparecer uma tarefa de alta prioridade. Isto é conhecido como interrupção de prioridade e é uma característica do programa integral de cada processador em um sistema de controle digital.

O objetivo, que é aproximadamente conseguido completamente, é que o sistema digital integrado responda tão rápido que pareça um sistema instantâneo. Como cada função é executada em serie, cada passo na malha de controle deve ser rápido. Para a maioria dos equipamentos modernos, os conversores A/D e D/A são muito rápidos com relação a outras dinâmicas no equipamento digital ou o processo. Cada processador é projetado para garantir a execução das tarefas de controle de alta prioridade dentro de um período especificado, tipicamente dentro de 0,1 a 1,0 segundo.

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Quando estimando o tempo de resposta do sistema integrado, é importante considerar todos os equipamentos na malha. Por exemplo, a resposta a uma variação do ponto de ajuste, após ela ser entrada pelo operador, inclui os períodos de execução do processador do console, comunicação digital, processador de controle e conversor D/A com o circuito de amostra e mantém (sample and hold) e as respostas dinâmicas da transmissão para a válvula e da válvula. Este sistema total poderia envolver vários segundos, que não é importante para a maioria das malhas de controle mas poderia ser importante para processos rápidos, como controle de máquina.

Outro importante fator no equipamento de controle é a precisão de muitas conversões do sinal e cálculos, que não iriam introduzir erros que influenciem significativamente a precisão da malha de controle. Os valores no sistema digital são comunicados com resolução suficiente (16 ou mais bits) cujos erros são muito pequenos (resolução de 1/216).

Tipicamente um conversor A/D tem um erro da ordem de ±0,05% da faixa do sensor, e o conversor D/A tem um erro da ordem de ±0,1% da faixa do elemento final. Em computadores mais antigos, os cálculos eram feitos em aritmética de ponto fixo, mas os equipamentos atuais usam aritmética de ponto flutuante, de modo que os erros de arredondamento não são mais um problema importante. Como resultado, os erros ocorrendo no sistema digital não são significativos quando comparados com as precisões associadas com os sensores, válvulas e modelos do processo em uso comum.

Os sistemas de controle atualmente usados são o sistema distribuído de controle digital (SDCD) para processos complexos e o sistema de controle supervisório e aquisição de dados (SCADA) para processos mais simples. Em ambos os sistemas, os computadores digitais são poderosos suficientes que um computador central main frame. Porém, há muitas vantagens nestes sistemas digitais, quando comparados com os sistemas analógicos de controle.

A maior desvantagem do sistema digital de controle, quando comparado com o sistema analógico, é que há poucas normas para projetar e interfacear os equipamentos. Como resultado, é difícil misturar e integrar os equipamentos de dois ou mais sistemas digitais de vários fabricantes em um único sistema de controle.

O sistema digital de controle é projetado para fornecer desempenho rápido e confiável dos cálculos e interações do controle de processo com o operador da planta.

Claramente, a rede de computador é complexa e requer projeto cuidadoso. Porém, os operadores da planta interagem com o equipamento de controle como se ele fosse uma entidade e não precisa saber em que computador determinado é feita a tarefa. Também, considerável esforço é feito para reduzir o programa de computador requerido para os engenheiros de controle de processo. Para a maior parte, a preparação das estratégias de controle em equipamento digital envolve a seleção e integração de algoritmos pré-programados. Este enfoque diminui o tempo de engenharia e aumenta a confiabilidade das estratégias. A aplicação de sistemas digitais distribuídos é a estrutura dominante e mais usada atualmente para controle de processo.

Fig. 1.1. Controle analógico versus digital

6.3. Tendências atuais

Os princípios básicos do controle de processo são os mesmos quando se utiliza tecnologia analógica e digital. Teoricamente, o desempenho de um processo analógico sob controle PID digital é quase sempre pior do que sob o controle analógico. As diferenças dependem do comprimento do período de execução relativo à dinâmica da realimentação negativa. Com os avanços da tecnologia dos equipamentos e dos programas esta diferença de desempenho entre os controles digital e analógico diminui e praticamente os dois sistemas possuem desempenhos iguais.

Controlador

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Atualmente, as tendências mais importantes em controle digital são as seguintes.

Transmissão de sinal

Quando apareceram os primeiros sistemas de controle digital, os sinais de transmissão das medições e para as atuações ainda eram analógicos entre a área industrial e a sala de controle. Os sinais analógicos eram convertidos para analógicos, através de módulos de entrada e de saída. Atualmente, a maioria dos sinais de transmissão já é digital e toda a comunicação feita entre a sala de controle e o campo é digital. A comunicação é feita através de redes de comunicação digital e as interfaces são portas digitais de comunicação, bi-direcional e não há mais os módulos de entrada e de saída individuais. Esta configuração apresenta uma grande economia de fiação, pois as centenas ou milhares de cabos foram substituídos por um único cabo coaxial da rede de comunicação digital.

A confiabilidade piorou neste sistema digital, porque a falha da rede compromete a operação de um grande número de malhas de controle. Porém, os benefícios econômicos fornecem uma força de atuação para melhorar a confiabilidade. Por exemplo, as redes de comunicação utilizam dupla ou tripla redundância de cabos, com caminhos separados para aumentar a confiabilidade. Em processos de produção de petróleo e gás natural são usadas redes de comunicação através de antenas de satélites ou de linhas telefônicas envolvendo grandes distâncias de centenas ou milhares de kilômetros. Atualmente, em malhas não críticas já é usada a tecnologia sem fio mesmo nos limites de bateria da planta (wireless). Quando esta tecnologia se tornar suficientemente confiável, certamente ela se tornará padrão.

Sensores inteligentes

A tecnologia de microprocessador pode ser aplicada diretamente ao sensor e transmissor para fornecer melhor desempenho. Uma importante característica destes sensores é a habilidade de auto-calibração, ou seja, correções automáticas para as variações ambientais, tais como temperatura, umidade, ruído elétrico e condições de processo.

A tecnologia nova que está chegando inclui os nano-sensores ou os sensores com nano tecnologia.

Display do operador

Excelentes monitores são essenciais para os operadores poderem analisar e responder às condições dinâmicas da plantas. Os displays

e consoles consistem de múltiplos monitores de raios catódicos, que atualmente dão espaço para os monitores de cristal liquido e com diodos emissores de luz. Atualmente a tendência é usar grandes monitores (de até 60”), com telas planas, coloridas e não ofuscantes, para a melhoria continua da operação do processo.

Algoritmos do controlador

O algoritmo canônico de controle é o PID – Proporcional, Integral e Derivativo. Embora ele seja adequado para a maioria das aplicações, ele é pouco flexível e imutável na tecnologia analógica. As aplicações avançadas de controle envolvendo múltiplas malhas requerem o uso e a ligação complexa de vários controladores. Quando se utilizam controladores digitais, estas aplicações se tornam muito mais simples e fáceis. Também foram desenvolvidos através de programas aplicativos vários modelos de processos para aplicações de técnicas avançadas de controle preditivo antecipatório (feedforward), bem como aplicações com lógica fuzzy e redes neurais, que são mais facilmente implantadas com controle digital.

Monitoração e otimização

A grande quantidade de dados coletados e armazenados pelos sistemas de controle digital fornece uma excelente fonte para análise de engenharia do desempenho do processo. Os resultados destas analises podem sem usados para ajustar as condições de operação para melhorar a qualidade e lucro da operação, e isto é otimização de processo.

O controle digital também facilitou a implantação de Controle Estatístico de Processo.

6.4. Conclusão

O computador digital chegou e virou um equipamento padrão na indústria, mesmo para aplicações de controle de processo. Rigorosamente e sob o ponto de vista de controle, o controlador digital é pior que o analógico. A amostragem do sinal e a execução discreta dos cálculos de controle usados no controle digital tornam o seu desempenho pior que o controle executado por controlador analógico. Porém, as vantagens adicionais de auto-diagnóstico, auto calibração, facilidade de comunicação digital, otimização de processo, tornaram o controlador digital mais utilizado que o analógico.

Tab. Características do controle digital

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Fig. 1.1. Sistema digital de controle

distribuído Na prática, as características dos modos e

constantes de sintonia para o controle PID analógico podem ser interpretadas do mesmo modo para o controlador PID digital. O controlador PID digital deve usar recomendações de sintonia modificadas para conseguir bom desempenho e robustez de controle. A potência do computador digital é sua flexibilidade para executar outros algoritmos de controle facilmente, mesmo se as computações são complexas.

Todos os métodos de controle podem ser implantados por controladores analógicos ou digitais e o desempenho prático de ambos é igual.

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Fig. 1.1. Controle digital pode ser inegrado em toda planta

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7. Controlador virtual

7.1. Conceito

Um instrumento virtual é definido como uma camada de software, hardware ou de ambos, colocada em um computador de uso geral, de modo que o usuário possa interagir com o computador como se fosse um instrumento eletrônico tradicional projetado pelo próprio usuário.

Controlador virtual é aquele construído dentro de um computador pessoal. Atualmente, são disponíveis aplicativos para desenvolver a face do controlador (template), seu bloco funcional PID e os programas intermediários para interligar imagens, layouts, blocos e sinais externos.

Do ponto de vista do operador usuário, é muito difícil ver rapidamente as diferenças entre um instrumento virtual, constituído de programa e equipamento e um real, que é apenas equipamento. O que se vê na tela do computador não dá imediatamente um entendimento da filosofia de base. Diferente de um hardware, em que se pode abrir a caixa e olhar dentro, a arquitetura no software é abstrata e não é imediatamente visível para um olho nu.

Fig. 4.15. Controlador virtual Para dar um exemplo, quando se tem um

computador pessoal com um circuito de aquisição de dados embutido, para um instrumentista ou operador de processo, o instrumento pode funcionar como indicador, registrador, controlador ou chave de atuação.

A única diferença entre o instrumento convencional e o virtual é o software e por isso tem se a idéia que o software é o instrumento.

Através do monitor de vídeo, teclado e mouse, o operador pode fazer tudo no processo industrial que é feito com o instrumento convencional, como:

1. alterar ponto de ajuste do controlador, 2. passar de automático para manual e

vice-versa e em modo manual, atuar diretamente no elemento final de controle

3. estabelecer pontos de alarme de máximo e de mínimo

4. alterar os parâmetros da sintonia (ganho, tempo integral e tempo derivativo)

Adicionalmente, como o instrumento dentro do computador possui muito mais recursos, o operador pode:

5. ver a curva de resposta do controlador para atestar o resultado da sintonia

6. ver a curva de tendência histórica

Fig. 4.16. Controlador virtual na tela do monitor

7.2.Controlador virtual comercial

Como visto, o controlador é um instrumento que recebe um sinal de medição da variável controlada (PV), recebe um ponto de ajuste estabelecido pelo operador (SP) e gera um sinal de saída (MV), que é uma função matemática específica da diferença entre a medição e o ponto de ajuste. Tipicamente, o sinal de saída vai para uma válvula de controle.

O ponto de ajuste pode ser 1. local, estabelecido pelo operador 2. remoto, determinado por um outro

sinal, por exemplo saída de outro controlador

Controlador

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3. remoto ou local, selecionado por uma chave

Todo controlador possui uma chave seletora para definir o modo de operação:

1. automático, quando a saída é determinada apenas pelo controlador, em função das ações e da diferença entre a medição e o ponto de ajuste

2. manual, quando a saída é gerada diretamente pelo operador

Fig. 4.17. Controlador aparecendo na tela de monitoração

O controlador pode ter ou não ter alarme. O

alarme pode ser de baixa, de alta ou ambos. Como nos indicadores, o controlador sem alarme possui uma linha do balão preta e o controlador com alarme, linha vermelha. Todo controlador possui um balão com cinza escuro, para permitir a chamada da sua face frontal, através de um gatilho.

A seqüência do alarme do controlador é idêntica à do indicador.

Fig. 4.18.Face frontal do controlador, com ponto de ajuste apenas local

Face frontal do controlador

O balão cinza escura do controlador indica que há um gatilho nele. Quando o operador coloca o cursor sobre este balão, aparece a mãozinha vermelha. Quando ele clica sobre o balão, aparece ao lado e acima do balão a face frontal do controlador, permitindo ao operador ter mais informações sobre o controlador e atuar no processo através do controlador.

A face do controlador virtual é similar a de um controlador convencional, possuindo:

1. barra gráfica verde da variável medida (PV)

2. barra gráfica azul do ponto de ajuste (SP)

3. barra gráfica vermelha da saída do controlador (MV),

4. chave seletora A/M (automático/manual). Quando está em automático, aparece a chave Auto e quando está em manual, a chave Manual.

5. Chaves (4) de atuação manual da saída do controlador, atuável somente quando o controlador está em modo manual: uma lenta e outra rápida, uma subir e outra para descer. Estas chaves não estão habilitadas quando o controlador está em automático.

6. Chave seletora Remoto ou Local do ponto de ajuste (chave opcional)

7. Chaves (4) de atuação manual do ponto de ajuste local, atuável somente quando o controlador está com ponto de ajuste local: uma lenta e outra rápida, uma subir e outra para descer. Esta chave não está habilitada quando o controlador está em ponto de ajuste remoto.

8. Indicações digitais dos valores do ponto de ajuste (SP), variável medida (PV) e saída do controlador (MV), logo abaixo das barras gráficas.

9. Botão (ícone parecido com gráfico) para chamar a tela de tendência da variável controlada.

10. Indicação do status da abertura da válvula: A para aberta e F para fechada.

11. Botão para chamado das telas de sintonias P, I e D.

Ação Automática ou Manual

Todos os controladores possuem a opção de modo Automático ou Manual.

Em modo automático (Auto), a chave de alteração da saída não está habilitada. O operador pode alterar o ponto de ajuste local, atuando nas chaves à esquerda (SP), para aumentar ou diminuir, de modo rápido ou lento.

Controlador

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Em modo Manual, a chave de alteração do ponto de ajuste não está habilitada. Através das chaves de atuação da saída, o operador pode atuar diretamente no processo, para aumentar ou diminuir, de modo rápido ou lento.

Fig. 4.19. Frontais do controlador: operação do controlador em modo Automático ou Manual

Quando o operador clica na chave virtual

Manual ou Auto do frontal, aparece uma janela para confirmar ou cancelar a mudança.

Fig. 4.20. Imagem que aparece para confirmar ou canelar a transferência Auto-Manual da saída do controlador

Se o operador clicar em Auto, a ação muda

ou continua em automático; se clicar em Manual, a ação muda ou continua em manual e se clicar em Cancel, a ação continua como está (nada é alterado).

Ponto de ajuste Remoto ou Local

Há controladores com ponto de ajuste local e controladores com ponto de ajuste local ou remoto (p. ex., controlador de relação de vazões).

Em modo Manual, a chave de alteração do ponto de ajuste não está habilitada. Em modo automático (Auto) e com o ponto de ajuste

selecionado para Local, a chave de alteração do ponto de ajuste fica habilitada: o operador pode alterar o ponto de ajuste local, atuando nas chaves à esquerda (SP), para aumentar ou diminuir, de modo rápido ou lento. Enquanto o controlador estiver em modo Auto e com a chave de ponto de ajuste em Remoto, as chaves de alteração do ponto de ajuste desaparecem. Neste caso, o ponto de ajuste é alterado automaticamente, através de algum sinal externo que chegue ao controlador (tipicamente é a saída de outro controlador, quando os dois estão em controle cascata).

Fig. 4.21. Frontais do controlador Local ou Remoto

Quando o operador clica na chave virtual

Local ou Remoto do frontal do controlador, aparece uma janela para confirmar ou cancelar a mudança.

Fig. 4.22. Imagem que aparece para confirmar ou canelar a transferência Local-Remoto do ponto de ajuste

Se o operador clicar em Local, a ação

muda ou continua em local; se clicar em Remoto, a ação muda ou continua em remoto e se clicar em Cancel, a ação continua como está (nada é alterado).

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Sintonia do Controlador

Sintonizar um controlador é determinar os ganho proporcional (ou banda proporcional), a ação integral (ou tempo integral) e ação derivativa (ou tempo derivativo). No controlador virtual a sintonia é feita através da estação de operação, geralmente pelo operador. Na tela de operação o operador clica no símbolo do controlador para ter a tela com o controlador individual.

Fig. 4.23. Chamada do controlador para a

sintonia Na tela de detalhe do controlador, qando o

operador clica na tecla virtual PID aparece uma nova face frontal dos ajustes de sintonia do controlador.

Fig. 4.24. Janela para sintonia do controlador Clicando no botão X, na parte superior

direita da janela de sintonia, ela é fechada (desaparece da tela).

Quando o operador clica na janela com a indicação digital do ganho proporcional (kp), aparece a tela para ajuste do ganho do controlador.

Fig. 4.25. Janela para entrar com o novo valor do ganho Quando o operador clica na janela com a

indicação digital do ganho integral (ki), aparece a tela para ajuste do ganho do controlador.

Fig. 4.26. Janela para entrar com novo valor do ganho integral

Quando o operador clica na janela com a

indicação digital do ganho derivativo (kd), aparece a tela para ajuste da ação derivativa do controlador.

Fig. 4.27. Janela para entrar com novo valor do ganho derivativo

Controlador

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A sintonia do controlador (ajustes do ganho proporcional, ganho integral e ganho derivativo) é relativamente complexa e por isso, por enquanto, é feita apenas pelo Supervisor.

Clicando no botão X, na parte superior direita da imagem, a face frontal do controlador é fechada (desaparece da tela).

Tela de ajuda

Quando operador clica na tecla virtual ATUALIZA, o novo valor entra e foi feita a alteração. Quando o operador clica na tecla virtual AJUDA, aparece a tela de ajuda.

Janelas de modificação de ajustes

Em todas as telas de modificação de ajustes (Modify Tag Value), há as seguintes informações:

1. Nome do tag (Tag Name) 2. Descrição do parâmetro alterado 3. Valor corrente 4. Novo valor a ser ajustado 5. Janela com o novo valor 6. Teclas para confirmar (OK), Cancelar

(Cancel) ou de Ajuda (Help). Se operador clica em OK, o novo valor é

confirmado; se clica em Cancel, o antigo valor é mantido. Quando ele clica em Help, aparece a janela de ajuda.

Se o valor entrado está fora da faixa aceitável, aparece uma janela informando o fato e o operador tem que entrar com um valor aceitável.

Fig. 4.28. Janela de alerta para entrada de

valor inválido de qualquer parâmetro

Tendência do controlador

Quando o operador clica na chave virtual com um ícone de gráfico, aparece a tela com a tendência (real ou histórica) da variável controlada.

Fig. 4.29. Chamada da tela de tendência No menu e em Modes, pode-se escolher a

tendência real ou tendência histórica. Em tendência real, o gráfico mostra a variável em tempo real, a partir do instante zero. Em tendência real, o gráfico mostra o histórico da variável controlada. Clicando na barra de rolamento, pode-se andar para trás ou para frente no tempo.

Fig. 4.30. Imagem do gráfico de tendência do controlador

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5. Algoritmo PID Objetivos de Ensino

1. Conceituar controle liga-desliga, com um e dois pontos de atuação 2. Apresentar as três ações de controle contínuo: Proporcional, Integral e Derivativo. 3. Orientar a escolha e ajuste das ações de controle

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1. Ação ou modo de controle

O modo do controlador pode indicar a maneira de como está sendo gerada a saída do controlador, se automática ou se manual.

O modo do controlador também pode se referir ao sentido de variação da saída do controlador, se direta ou se inversa em relação a variação da variável medida. A seleção da ação de controle apropriada estabelece a realimentação negativa, pela definição da direção da resposta do controlador.

Finalmente, o modo ou a ação de controle é usado para classificar a resposta da saída do controlador ao erro entre medição e ponto de ajuste. Os modos de controle são respostas especificas a uma variação na variável medida ou um sinal de erro. A analise dos modos de controle e suas combinações mostrarão como melhorar a estabilidade a velocidade da resposta de malhas fechadas com realimentação negativa.

O entendimento dos modos individuais em um controlador é essencial para a aplicação bem sucedida de um controle a realimentação negativa. Os modos de controle envolvem: liga-desliga, proporcional puro, integral e derivativo. Cada combinação possível representa um compromisso entre custo e desempenho.

Um controlador a realimentação negativa deve ser ligado a uma malha fechada e deve-se selecionar a ação adequada de controle, direta ou inversa, para estabelecer a realimentação negativa. Cumpridas estas premissas essenciais, o controlador pode resolver o problema do controle pela procura de tentativa e erro de uma saída que estabeleça o balanço entre todas as influências na variável controlada.

O controlador em uma malha a realimentação negativa está em uma posição difícil. Forças imprevisíveis podem influenciar a medição e as características dinâmicas da malha podem atrasar e distorcer as variações da saída do controlador, que é usada para reduzir o erro.

Neste ambiente, é errado acreditar que a malha de controle possa executar o controle desejado. Em vez disso, a relação entre o controlador e o processo é interativa. Aqui, o tamanho, o formato e a taxa de variação das alterações na saída do controlador são cruciais para o controlador restaurar a medição igual ao ponto de ajuste, quando há um distúrbio na carga ou no ponto de ajuste.

O modo de controle é uma resposta particular a uma variação na medição. As quatro respostas básicas são:

1. liga-desliga, 2. proporcional,

3. integral e 4. derivativa. Podem existir variações nestas respostas

básicas entre os diferentes fabricantes de instrumentação de controle. Às vezes estas respostas são identificadas com nomes diferentes ou são expressas em unidades diferentes. A resposta derivativa pode ser gerada de modos diferentes e pode haver diferentes graus de interação entre as ações proporcional, integral e derivativa.

Para situações especiais, muitas características extras foram adicionadas para melhorar o controle, tais como a realimentação externa ao modo integral, chaves de batelada, rastreamento e polarização da saída. Atualmente, a flexibilidade inerente aos equipamentos eletrônicos digitais aumenta a especialização e a variedade de algoritmos de controle. Mesmo assim, os sistema s de controle são ainda construídos tendo como base as ações PID.

Um controlador é um equipamento que não pensa, suas respostas devem estar previstas e embutidas em seus circuitos. É função do projetista selecionar as respostas apropriadas para cada aplicação diferente. Quando se especifica a combinação errada dos modos de controle, pode-se ter um pobre desempenho do sistema, um aumento da complexidade da sintonia e um aumento desnecessário do custo.

Embora exista uma infinidade de processos, com diferentes graus de dificuldade de controle, as três ações de controle: proporcional, integral e derivativa, aplicadas isolada ou combinadamente permitem o controle da maioria dos processos de modo satisfatório.

Numa grande indústria petroquímica típica, em cerca de 1 000 malhas de controle tem se a proporção de controladores mostrada na Tab. 5.1:

Tab. 5.1 - Freqüência das ações de controle

Pela análise da tabela, percebe-se que a

quase totalidade dos controladores possui o modo proporcional, a maioria possui o modo integral e a minoria possui o modo derivativo.

Algoritmo PID

77

Não foram computadas as malhas de controle liga-desliga (on-off) executado por chaves, mas apenas o controle executado por controladores.

O algoritmo de controle proporcional, integral e derivativo (PID) foi desenvolvido no início da implantação do controle, na década de 40 e resistiu heroicamente ao aparecimento das novas técnicas digitais e ainda hoje é largamente usado, mesmo em sistemas de controle com computadores digitais e é anunciado como vantagem de venda sua incorporação em controladores lógico programáveis.

2. Ação Liga-Desliga

2.1. Conceitos

A ação liga-desliga é também chamada de: duas posições, on-off, tudo ou nada, 0-1, controle radical, bang-bang.

A ação liga-desliga pode ser considerada como o caso limite da ação proporcional, com o ganho infinito ou com a banda proporcional igual a zero.

A característica do controle liga-desliga é uma oscilação com amplitude constante em torno do ponto de ajuste, enquanto a carga do processo se mantiver constante. A amplitude e a frequência da oscilação irão depender da capacidade e do tempo de resposta do processo. Quando o processo é rápido, a inércia do processo é pequena, a saída do controlador varia muito rapidamente. A amplitude da oscilação fica pequena mas a frequência é grande, pois a válvula irá abrir e fechar muitas vezes e rapidamente.

Fig. 5.1. Saída de controlado liga-desliga. A ação liga-desliga é discreta e não

contínua. A saída do controlador só assume um de dois valores possíveis: ou 0 ou 100%. Consequentemente, a válvula de controle só pode assumir duas posições: ou totalmente fechada (0%) ou totalmente aberta (100%). Não há posição intermediária e não há meio termo, por isso é chamado de controle radical.

Fig. 5.2. Saída do controle liga-desliga, com um

único ponto para ligar e desligar, sem histerese Sempre que a medição passa pelo ponto

de ajuste, a saída do controlador assume o outro valor. Deste modo, no controle liga-desliga a medição quase nunca é igual ao ponto de ajuste, porém, a sua média é igual ao ponto de ajuste.

A ação liga-desliga também possui o modo direto ou inverso. Na ação direta, a saída do controlador é 100% quando a medição está acima do ponto de ajuste e 0% quando está abaixo. A ação é inversão quando a saída é 0% para a medição maior do que o ponto de ajuste e 100% para a medição abaixo do ponto de ajuste.

Fig. 5.3. Saída de um controle liga-desliga com dois

pontos: um ponto ligar e outro para desligar.

2.2. Aplicações

Por ser muito simples e econômico, o controlador liga-desliga é aplicado quando:

Algoritmo PID

78

1. não há necessidade de controle estável e exato e admite-se oscilação da variável

2. o processo é lento, podendo suportar grandes variações da demanda, tendo uma pequena amplitude e um longo período de oscilação. A aplicação do controle liga-desliga em processo rápido implicaria em grande amplitude e curto período de oscilação, que significa má qualidade de controle e acionamento freqüente do elemento final de controle 3. a energia da entrada do sistema seja relativamente pequena, quando comparada com a energia já existente no processo, ou seja, quando o processo tem grande capacidade e pequena demanda.

O controle liga-desliga é utilizado tipicamente em sistemas de ar condicionado, sistema de refrigeração domestica e sistema de aquecimento, quando a temperatura pode variar, sem problemas para o sistema, dentro de uma faixa e em torno de um valor de referência.

O sistema de controle liga-desliga é também utilizado em desligamento de segurança (shut down), para a proteção de pessoal e equipamento, durante as condições anormais de processo. Nestas aplicações, o controle liga-desliga é realizado através de chaves acionadas pela temperatura (termóstato), pela pressão (pressostato), pelo nível, pela vazão e pela posição (chaves fins de curso).

Fig. 5.4. Função de transferência do controlador liga-

desliga com histerese. Outra representação da curva de histerese

– função de transferência do controlador liga desliga com histerese é mostrada na Fig. 5.4. Assumindo que a temperatura do processo esteja muito abaixo do ponto de ajuste (SP), o sistema está no ponto A e o atuador está ligado. Enquanto o atuador estiver ligado, a temperatura irá subir, indo de A para B, através de F, quando a saída se desliga e cai para o

ponto C. A temperatura pode continuar subindo levemente até o ponto D antes de diminuir para o ponto E, por causa da inércia do processo. Em E a saída novamente fica ligada. A temperatura pode continuar caindo levemente até o ponto G antes de subir para B, repetindo o ciclo.

3. Ação Proporcional

3.1. Conceito

A ação proporcional é assim chamada porque a posição do elemento final é proporcional a amplitude do erro entre a medição e o ponto de ajuste.

A ação proporcional é a ação corretiva do controlador que é proporcional ao valor do desvio entre a medição e o ponto de ajuste. É uma ação de controle contínua, analógica, uniforme. A saída do controlador é proporcional a amplitude do erro: grandes variações do processo provocam grandes variações no sinal de saída do controlador proporcional, que provocam grandes deslocamentos na abertura da válvula de controle e pequenas variações na medição da variável controlada provocam pequenas variações do sinal de controle e consequentemente pequenas variações na abertura da válvula.

No controle proporcional a válvula de controle pode assumir qualquer valor intermediário entre 0 e 100% de abertura. O controlador pode emitir uma infinidade de sinais diferentes para a válvula de controle.

Fig. 5.5. Banda proporcional larga e estreita

3.2. Relação Matemática

Matematicamente, a saída do controlador proporcional puro, com apenas a ação de controle proporcional, vale:

eKss c0

ou

Algoritmo PID

79

eBP

%100ss 0

pois

BP

%100Kc

onde

s é a saída instantânea do controlador, s0 é a saída particular do controlador,

quando o erro é zero ou seja, quando a medição é igual ao ponto de ajuste.

Kc é o ganho do controlador, e é o erro entre a medição e o ponto de

ajuste BP é a banda proporcional do controlador A saída proporcional é constante e igual a

c0 quando o erro é zero. Esse valor da saída

do controlador, quando a medição é igual ao ponto de ajuste, é chamado de polarização do controlador. Geralmente está a 50% da faixa de saída do controlador. Quando pneumático, a saída de polarização vale 9 psig (60 kPa) . Se eletrônico e de corrente, a saída do controlador proporcional vale 12 mA cc; se eletrônico e de tensão de 0 a 10 V cc, o valor de polarização é de 5V.

A velocidade de variação da saída proporcional é proporcional a derivada do erro ou da taxa de variação do erro:

dt

de

BP

%100

dt

ds

A equação anterior mostra que a saída do

controlador é constante quando o erro é zero ou constante e a saída do controlador proporcional se estabiliza mesmo que fique o desvio permanente. A saída varia apenas quando o erro varia.

Erradamente se pensa que a saída do controlador é zero, quando o erro é zero. Isto seria impraticável pois a saída zero implica em elemento final de controle 0 ou 100%. Por este motivo, é teoricamente possível e comercialmente disponível o controlador com o modo integral isolado mas não é possível o controlador com o modo derivativo isolado. A maioria dos fabricantes ajusta de fabrica a constante c0, chamada de polarização do

controlador em 50%. O ponto de ajuste do controlador

proporcional é estabelecido para uma determinada carga do processo. Quando o processo varia sua carga, a medição irá se desviar do ponto de ajuste, provocando um erro. O controlador irá produzir um sinal de correção, proporcional ao erro entre medição e ponto de ajuste. Como o processo não responde instantaneamente as suas variações de carga, como a correção é proporcional ao erro, a correção nunca será satisfatória e como resultado, para a nova carga do processo, haverá um desvio permanente entre a medição e o ponto de ajuste.

Quando ocorrer uma variação da carga do processo, a medição se afasta do ponto de ajuste. O controlador sente o erro e produz um sinal de correção que irá aproximar a medição nova do antigo ponto de ajuste. Porém, a nova medição nunca será igual ao ponto de ajuste, pois as condições do processo foram alteradas. Há um desvio permanente.

Quando a banda proporcional do controlador é muito larga, o controlador é pouco sensível e haverá um grande desvio permanente. Para diminuir o desvio permanente deve se estreitar a banda proporcional do controlador, tornando-o mais sensível. Pode-se pensar que a solução para eliminar o desvio permanente é a diminuição da banda proporcional. Quando se diminui a banda proporcional além de um determinado limite, o processo oscila. A saída do controlador começa a variar segundo uma senóide, de modo aleatório e independente do erro. Na prática e na teoria, é impossível se eliminar o

Algoritmo PID

80

desvio permanente com o controle proporcional. Para cada processo existirá um ajuste de banda proporcional crítico que produz o mínimo desvio permanente. Quando se diminui a banda além do valor crítico, tentando eliminar o desvio permanente, aparece a oscilação no processo.

O desvio permanente é resultado da variação da carga do processo. Para uma determinada carga do processo e para um determinado ponto de ajuste se conseguiu uma estabilidade do processo e se tem a medição igual ao ponto de ajuste.

O objetivo da ação proporcional é o de estabilizar a variável controlada. A ação proporcional é realizada no controlador através de uma realimentação negativa do sinal de saída para a entrada da estação automática do controlador, para diminuir o seu ganho. Quanto maior a taxa da realimentação negativa, menor é o ganho do controlador ou maior é a banda proporcional. O ajuste da banda proporcional do controlador é o ajuste da quantidade de realimentação negativa feita pelo controlador.

A ação proporcional é instantânea; ela está em fase com o erro entre a medição e o ponto de ajuste. Matematicamente, a ação proporcional independe do tempo. Em termos práticos, a ação proporcional cuida de quanto deve ser corrigido, sem levar em consideração o quando.

No controlador proporcional, existe apenas uma saída para a qual a medição é igual ao ponto de ajuste. O controle executado pelo controlador proporcional só é perfeito, sem erro entre medição e ponto de ajuste, para uma determinada carga do processo. Quando há variação da carga a saída do controlador estabiliza a variável controlada, porém em um valor diferente do ponto de ajuste.

3.3. Desvio Permanente

Como todo processo possui atraso, a desvantagem da ação proporcional é que ela sempre deixa um desvio permanente (off set) entre a medição e o ponto de ajuste, quando há variação da carga do processo.

O desvio permanente entre a medição e o ponto de ajuste deixado pela ação proporcional é , até certo ponto, diretamente proporcional a largura da banda proporcional. Quando se ajusta a banda proporcional em valores muito pequenos e o controlador não possui as outras ações de controle, a malha de controle oscila na frequência natural do processo.

No controlador proporcional, a banda proporcional tem largura e posição fixas e se situa em torno do ponto de ajuste. Só há

controle automático dentro da banda proporcional.

O controlador com a ação proporcional estabiliza a variação do processo, dentro de sua banda proporcional. O processo se estabiliza, porém, fora do ponto de ajuste. Há apenas uma única condição do processo e do controlador para que a medição seja igual ao ponto de ajuste. Quando o processo sai dessa condição, por causa da variação da sua carga ou por causa da variação do ponto de ajuste, a medição irá se estabilizar em um novo ponto, dentro da banda proporcional, porém, haverá um desvio permanente entre a medição estabilizada e o ponto de ajuste. A tentativa de se fazer o controlador proporcional controlar o processo em um ponto, provoca oscilação no processo.

Fig. 5.7. Aparecimento do erro permanente (offset)

devido a variação do ponto de ajuste (SP) Fig.5.8. Processo se estabiliza porém fora do ponto

de ajuste, deixando offset. O controlador proporcional só controla

quando a medição da variável está dentro de sua banda proporcional. Por exemplo, se a banda proporcional do controlador está entre

80 e 100 oC, e o ponto de ajuste é 90 oC, só há controle automático dentro dessa faixa de

Algoritmo PID

81

medição. Para a temperatura de 80 oC a válvula estará na posição limite de fechamento e estará fechada quando a temperatura for

menor que 80 oC. A partir dessa temperatura, ela começará a abrir e estará totalmente aberta

em 100 oC. A válvula não pode controlar a

temperatura até 120 oC, pois não pode abrir mais que 100%. Também não há controle para

temperaturas menores que 80 oC, pois a válvula não pode fechar além de 0%.

O formato da resposta da ação proporcional é sempre igual e em fase com o formato do distúrbio. A resposta da ação proporcional ao degrau é um degrau, com amplitude maior (banda menor que 100% ) ou menor (banda maior que 100% ). Quando o distúrbio é uma rampa, a ação proporcional correspondente é também uma rampa, com inclinação função da banda proporcional e com e com a direção em função da ação direta ou inversa do controlador. Quando o erro é uma senóide, a ação proporcional é uma senóide em fase e com amplitude função da banda proporcional.

3.4. Reset manual e automático

O desvio permanente pode ser removido (resetado) manual ou automaticamente. Na instrumentação eletrônica tradicional, o reset manual usa um potenciômetro para deslocar a banda proporcional eletricamente. A quantidade do desvio da banda proporcional deve ser dado pelo operador em pequenos incrementos durante um período de tempo, até que a saída do controlador satisfaça a demanda do processo no ponto de ajuste.

O reset automático usa um integrador eletrônico para fazer a função de reset. O sinal desvio (erro ou diferença entre medição e ponto de ajuste) é integrado em relação ao tempo e a integral é somada ao sinal de desvio para mover a banda proporcional. A saída é assim aumentada ou diminuída automaticamente para trazer a medição de volta ao ponto de ajuste. O integrador mantém variando a saída do controlador e assim a variável controlada, até que o desvio fique igual a zero (medição igual ao ponto de ajuste). Quando o desvio fica zero, a saída para o integrador também é zero e sua saída para de variar. Assim que esta condição é atingida, o valor correto do reset é mantido pelo integrador. Assim que ocorrer nova alteração no processo, haverá novo desvio, que faz o integrador integrar e aplicar nova ação corretiva à saída. O termo integral do controlador age continuamente para tentar fazer o desvio igual a zero. Esta ação corretiva deve ser aplicada

lentamente, mas lentamente que a velocidade de resposta da carta. Quando a ação integral for muito rápida, o processo oscila.

A Fig. 7.8 corresponde a um processo aquecido com um aquecedor de 2000 W. A relação entre o calor da entrada e a temperatura do processo, mostrado pela curva do processo, assumido linear. A função de transferência para um controlador com uma banda proporcional de 200 oC, mostrada para três diferentes pontos de ajuste nas curvas I, II e III. A curva I com um ponto de ajuste em 200 oC intercepta a curva do processo a um nível de potência de 500 W, que corresponde a uma temperatura do processo de 250 oC. O offset neste ponto de ajuste é de 50 oC (250 – 200 oC). A curva II, com ponto de ajuste em 500 oC, corta a curva do processo em 1000 W, que corresponde a uma temperatura de 500 oC e não há offset, desde que a temperatura corresponde a 50% da potência. A curva III, com um ponto de ajuste de 800 oC intercepta a curva do processo em 1500 W, que corresponde a uma temperatura de 750 oC e o offset nestas condições é de -50 oC (750 - 800 oC). Estes exemplos mostram que o desvio permanente (offset) depende da função de transferência do processo, da banda proporcional (ganho) e do ponto de ajuste.

Fig. 5.9. Mecanismo pelo qual ocorre desvio

permanente (offset) com controlador proporcional.

3.5. Aplicações da Ação Proporcional

O controlador com a ação proporcional isolada é aplicado nos processos com pequena variação da carga e em processos onde pode haver pequenos desvio da medição em relação ao ponto de ajuste.

O controlador proporcional é aplicado no controle do processo onde a estabilidade é

Algoritmo PID

82

mais importante que a igualdade da medição com o ponto de ajuste.

O nível é a variável que é tipicamente controlada apenas com a ação proporcional.

Fig. 5.10. Saída característica de um controlador P Na Fig. 10, a curva A é resultante de uma

banda proporcional muito larga, com grande desvio permanente. O desvio pode ser diminuído pelo estreitamento da banda proporcional. Instabilidade acontece quando a banda proporcional for muito estreita, como na curva B. Tem-se o controle ótimo, como mostrado na curva C, quando se ajusta a banda um ponto mais larga que a banda que provoca oscilação. Se os parâmetros do processo variam com o tempo ou se as condições de operação mudam, é necessário fazer nova sintonia do controlador ou usar uma banda proporcional mais larga para evitar a instabilidade.

Fig. 5.11. Circuito de detecção do erro entre

medição e ponto de ajuste com amp op.

4. Ação Integral

4.1. Conceito

A ação integral é proporcional à integral, no tempo, do erro entre a medição e o ponto de ajuste. Ou, interpretando a integral, é a ação corretiva proporcional a duração do erro existente entre a medição e o ponto de ajuste.

A ação integral discrimina o erro entre a medição e o ponto de ajuste pela sua duração: O erro que dura muito tempo para ser eliminado produz uma grande ação corretiva, o erro de curta duração gera uma pequena ação integral de correção.

Fig. 5.12. Mecanismo pelo qual a ação integral

elimina o erro permanente (offset) do controlador Fig. 5.13. Reset manual do controlador proporcional A ação integral é uma ação de controle

complementar à ação proporcional. O seu propósito é o de prover a ação de controle adequada com as variações da demanda ou do suprimento do processo. Como estas variações de carga do processo implicavam na existência do desvio permanente entre a medição e o ponto de ajuste, o objetivo da ação integral é o de eliminar o desvio permanente deixado pela ação proporcional. Por esta função, a ação integral é chamada de ação reset ou de reajuste. Ela elimina o erro residual,

Algoritmo PID

83

reajustando o valor da medição igual ao ponto de ajuste.

A ação integral elimina o desvio permanente porém não elimina o pico do erro (overshoot) desde que o pico ocorre antes que a ação integral comece a atuar. A ação integral, quando associada a ação proporcional, começa atuar depois da ação proporcional; ela está atrasada em relação a ação proporcional.

A ação integral está comumente associada a ação proporcional. A quantidade da ação integral fornecida pelo controlador está diretamente ligada a correção do modo proporcional. A ação integral repete a ação proporcional dentro de um determinado período de tempo. Essa ação repetida se processa continuamente até que a medição fique igual ao ponto de ajuste.


A expressão matemática da saída com a ação integral associada à proporcional é:

edtT

1e

BP

%100ss

i0

onde

Ti é o tempo integral,

edtT

1

i

é a ação integral

Pode-se ter também o ganho proporcional

atuando simultaneamente na ação proporcional e na ação integral, ou seja,

edt

T

1e

BP

%100ss

i0

Quando há um erro, a saída integral varia

em uma velocidade proporcional ao erro multiplicado por uma constante Ki, chamada de

taxa da ação integral:

eKdt

dsi

Faz se uma certa confusão entre ação

integral e tempo integral, pois eles são o inverso um do outro. O tempo integral é o tempo que a ação integral leva para alcançar ou repetir a ação proporcional e a ação integral é a quantidade de vezes que a ação proporcional é repetida, na unidade de tempo. São disponíveis controladores com ajustes de

ação integral (repetição por tempo) e em tempo integral (tempo por repetição). Dimensionalmente, o correto para a ação integral deve ser o número de repetições por unidade de tempo e para o tempo integral, a unidade de tempo por repetição.

Fig. 5.14. Definição de tempo integral

4.3. Características

Na sintonia do controlador é comum a eliminação temporária do efeito da ação integral e portanto é necessário saber, a priori, como é o ajuste do controlador. Quando o ajuste é da ação integral (repetição/tempo), elimina-se completamente a ação integral do controlador ajustando-se o tempo integral no valor máximo, idealmente igual a infinito. Quando o ajuste é da tempo integral (tempo/repetição), elimina-se completamente a ação integral ajustando-se o tempo integral no valor mínimo, idealmente igual a zero.

Outro modo de se ver a ação integral está relacionado com a posição da banda proporcional. A ação integral desloca a banda proporcional, quando a carga do processo ou o ponto de ajuste é alterado, de modo que o ponto de ajuste fique sempre no meio da banda. No controlador proporcional, só havia um único ponto para a medição ficar igual ao ponto de ajuste, em todos os outros pontos havia um desvio permanente entre a medição e o ponto de ajuste. No controlador proporcional e integral, o controlador manterá saída variando continuamente até que a medição volte a ficar igual ao ponto de ajuste.

Quando se tem um distúrbio tipo degrau (K), a ação integral é uma rampa (t), que começa a atuar do zero e fornece uma saída sempre crescente, obrigando o atuador a variar até eliminar o erro residual. A resposta integral ao distúrbio tipo rampa (t) é uma parábola (t²) e a uma senóide, é outra senóide atrasada.

Algoritmo PID

84

Fisicamente, a ação integral é uma realimentação positiva atrasada. Por ser realimentação positiva, a adição da ação integral piora a estabilidade da malha de controle. Quando se tem um controlador proporcional, com uma determinada banda proporcional ajustada, a adição da ação integral requer o aumento da banda proporcional, para manter a mesma estabilidade da malha. Quando o ajuste da ação integral for tal que a realimentação positiva prevalece sobre a negativa ou anule a negativa, haverá a oscilação crescente ou no mínimo, a oscilação constante da variável controlada.

Quando se faz o estudo da estabilidade do sistema de controle através da técnica de Root-locus, sabe se que a adição de pólos na função transferência piora a estabilidade relativa do sistema de malha fechada. A colocação da ação integral significa acrescentar um termo 1/sT, ou seja, um polo na função transferência da malha fechada.

Quando se diminui o tempo integral ou aumenta se a ação integral, diminui se o erro permanente mas a malha é mais oscilatória. Quando se diminui demais o tempo integral, aparece uma oscilação, com um período maior que o período natural do processo.

Na realização prática do controlador proporcional mais integral, a ação integral é desempenhada por um elemento capacitivo e um elemento resistivo. O ajuste da fino da ação integral é feita através da restrição que pressuriza o fole capacitivo. O ajuste grosso é feito através da seleção de diferentes elementos capacitivos. Quando se ajusta o tempo integral muito curto (ação integral muito grande) o controlador pode levar o sistema para a oscilação, pois a realimentação positiva da ação integral anulou a realimentação negativa da ação proporcional muito rapidamente.

Quando se tem um controlador proporcional mais integral em uma malha que está oscilando, é possível saber se a oscilação foi provocada pela banda proporcional muito estreita ou pela ação integral muito grande, desde que se conheça a freqüência de oscilação natural do processo. A oscilação provoada pela banda proporcional muito estreita possui a mesma freqüência da oscilação natural do processo. A oscilação provocada pela ação integral muito grande possui menor freqüência de oscilação que a freqüência natural do processo. A oscilação provocada pela ação integral é relativamente mais lenta que a provocada pela ação proporcional.

Fig. 5.17. Ações proporcional e integral Para aplicações onde há grande e

freqüente variação de carga do processo, usa-se um controlador P+I. Constante de tempo integral muito grande faz o processo voltar para o ponto de ajuste de modo demorado, como na curva B. Constante de tempo muito pequena faz o processo oscilar de modo amortecido, cruzando o ponto de ajuste várias vezes, antes de se estabilizar, como mostrado na curva A. A curva ideal é quando a variável controlada volta para o ponto de ajuste

4.4. Saturação do Modo Integral

A maioria dos controladores de processo possui a ação integral, ora associada apenas ao modo proporcional, ora associada as outras duas ações, proporcional e derivativo. A utilidade da ação integral é a de eliminar o desvio permanente entre a medição e o ponto de ajuste. Porém, a ação integral pode ser prejudicial ao controlador, provocando a saturação da sua saída.

Na prática, a saída do controlador ultrapassa o valor de 100% da saída e vai atingir o valor da alimentação do sistema. Em números, no controlador pneumático, a saturação do modo integral leva a saída do controlador até 20 psig, muito além do limite de faixa, que é 15 psig. Se o controlador é eletrônico, com o sinal padrão de 0 a 10 V cc, alimentado por +15 V cc e -15 V cc, a saída irá para +15 V cc, também além 50% do fim de escala, que seria +10 V cc. Aliás, o fenômeno de saturação, a depender da ação direta ou inversa do controlador, pode acontecer também no início da faixa. Nesse caso, o controlador fica com a saída saturada em 0 psig ou 0 V cc.

Esse fenômeno é chamado de saturação do modo integral ou reset wind up ou, menos comumente, de reset wind down, quando a saída vai para o princípio da faixa.

Algoritmo PID

85

4.5. Aparecimento da Saturação

A saturação do modo integral pode ocorrer nas seguintes situações:

1. a ocorrência de uma variação brusca e demorada, tipo degrau, entre a medição e o ponto de ajuste da variável de processo.

2. a carga do processo excede os limites da variável manipulada

3. a manipulação da variável é obstruída por uma falha de equipamento, como desligamento de bomba, falta de energia, bloqueio da válvula, emperro da haste da válvula.

4. o elemento final de controle atinge seus limites físicos.

5. e existência do processo batelada. Enquanto o processo ficar parado para a recarga e o controlador ficar ligado em automático, a medição é zero, o ponto de ajuste é finito e o controlador vai variar a saída para inutilmente tentar fazer a medição subir para o ponto de ajuste. O resultado dessa tentativa de controle é a saturação da sua saída.

6. a válvula de controle é atuada por um controlador, selecionado entre n controladores. Apenas há um controlador responsável pelo controle e os outros (n-1) controladores ficam em espera, inativos, com as saídas terminando no seletor de sinais. Esses (n-1) controladores podem saturar suas saídas, se tiverem o modo integral.

7. o processo com sistema de controle em cascata. Há determinadas situações que levam o controlador primário e depois, todo o sistema para a saturação.

Fig. 5.18. Saída saturada. Depois do ponto A, a entrada aumenta porém a saída contínua no valor de saturação (no fim da faixa ou em 100%).

4.6. Eliminação da Saturação do Integral

A saturação do controlador é sempre indesejável; pois a perda do controle pode levar o processo para condições inseguras e pode provocar ultrapassagem proibitivas da medição em relação ao ponto de ajuste. Assim, a saturação do integral deve ser minimizada, quando não for possível elimina-la.

Em certas condições, o modo mais obvio de se evitar a saturação do controlador é a operação manual. Ora, desligar o controlador durante a parada do processo tipo batelada e parti-lo manualmente, certamente evita a saturação do controlador. Porém, tal solução não é automática nem inteligente.

O efeito da saturação do modo integral pode, ainda, ser diminuído colocando-se limites, de máximo ou de mínimo, no sinal de saída do controlador. Há inconveniências, pois, os limites não podem ser ajustados dentro de 0 a 100% da faixa de controle sem prejuízo da operação normal do controlador.

Em controladores eletrônicos, onde é mais fácil e econômico se obter tais limites, os circuitos limitadores são disponíveis de modo padrão. Há quem diga que tais controladores sejam inerentemente anti-saturação do integral. Isso não é rigoroso nem correto. Obviamente a saída do controlador fica confinada aos limites impostos pelos ajustes de máximo e de mínimo. Porém, ainda poder haver saturação do modo integral, só que em outros valores. Os limitadores não eliminam os problemas de ultrapassagem da medição em relação ao ponto de ajuste. O que se pode dizer desses controladores, com limitadores do sinal da saída, é que eles não entram em saturação em malhas comuns, por causa de sua realimentação interna. Porém, sistemas complexos exigem realimentação externa e outras providências adicionais para se eliminar a saturação do controlador.

O arranjo preferencial é adicionar uma realimentação externa ao modo integral do controlador. A realimentação externa substitui o circuito de limitação da saída. Nos controladores eletrônicos modernos, que utilizam circuitos integrados para os amplificadores operacionais, a realimentação externa passa por um amplificador operacional e o circuito contem potenciômetros que ajustam o valor de atuação, onde deve ser limitada a saída do controlador. Mesmo com a opção de realimentação externa ao modo integral, é ainda possível a opção de limitação, superior e inferior do sinal de saída do controlador, prevalecendo o de menor valor. Por isso deve-

Algoritmo PID

86

se tomar cuidado nos ajuste do valor batelada, máximo e mínimo, para que se possam usar os máximos recursos do controlador. Os ajustes mal feitos de uma opção podem bloquear a atuação da outra opção.

Finalmente, porque a mais complexa e a de mais recursos, há a configuração utilizando-se a chave batelada, com ajuste adicional de precarga. Como essa situação é muito freqüente, já são disponíveis controladores tipo batelada, que incorporam em seu circuito a unidade batelada. Além de evitar a saturação do modo integral, o controlador batelada torna possível a partida automática do processo sem ultrapassagem do ponto de ajuste pela medição. A chave batelada possui ajustes: ajuste batelada, que define o valor de atuação da chave e o ajuste de precarga, que precondiciona o controlador para a partida automática na retomada do processo.

5. Ação Derivativa

5.1. Conceito

A ação derivativa é a ação corretiva proporcional à derivada em relação ao tempo do erro entre a medição e o ponto de ajuste. A ação derivativa detecta a variação (aumento ou diminuição) do erro entre a medição e o ponto de ajuste e fornece uma saída proporcional a esta taxa de variação. Ela discrimina o erro por sua variação. Para uma variação repentina, mesmo de pequena amplitude, a ação derivativa provê um grande sinal de correção; os erros lentos provocam uma pequena ação derivativa de correção. Erro constante, como o desvio permanente do controlador proporcional, não é afetado pela ação derivativa.

Quando se tem um desvio tipo rampa, a resposta da ação derivativa é um degrau. Por este comportamento de se adiantar a ação proporcional, a ação derivativa é erradamente chamada de ação antecipatória, pois ele se antecipa à ação proporcional. A ação derivativa não se antecipa ao aparecimento do erro. Quando aparece um erro e ele é detectado pelo controlador, a ação derivativa sente sua velocidade de variação e produz uma componente corretiva proporcional a esta variação. A ação derivativa, na realidade, atrasa a resposta proporcional do controlador, fazendo-o dar uma saída exagerada para variações bruscas da medição. O grau de exagero é a taxa da ação derivativa e é proporcional a velocidade de variação do sinal medido.

A ação derivativa é usada para apressar a ação corretiva do controlador. A sua inclusão porém complica e dificulta a sintonia do

controlador, por causa das interações com as outras ações.

O tempo derivativo é o tempo, em minutos, durante o qual a saída adiantará a saída do controlador, durante uma variação na entrada tipo rampa. O tempo derivativo é o tempo que a ação proporcional leva para atingir a ação derivativa.

Fig. 5.19Definição de ação derivativa


A ação derivativa é expressa em unidade de tempo. Quanto maior o tempo derivativo, maior é a duração da ação, maior é a ação derivativa. Quando se quer retirar a ação derivativa do controlador, deve se ajustar o tempo derivativo em zero. O que é coerente com a expressão da ação derivativa:

dt

deTs dd

onde

Td é o tempo derivativo. e é o erro entre medição e ponto de ajuste Quando a ação derivativa atua apenas na

medição e não no erro, tem-se a expressão: Td é o tempo derivativo. m é a medição da variável do processo

dt

dmTs dd

Algoritmo PID

87


A ação derivativa altera a largura da banda proporcional, estreitando-a ou alargando-a, variando a sensibilidade do controlador.

Geralmente a ação derivativa é usada em conjunto com a ação proporcional, constituindo também de uma ação corretiva adicional. A ação derivativa é usada na minoria dos controladores, porque o ajuste mínimo disponível é maior que o requerido para a maioria das malhas.

Quando aparece um distúrbio no processo, o controlador PID detecta o erro entre a medição e o ponto de ajuste e atua no processo. Relativamente, a primeira ação a atuar é a derivativa, a segunda é a proporcional e finalmente, a última é a ação integral.

A ação derivativa é realizada no controlador através de um atraso na realimentação negativa. Durante um intervalo de tempo ajustável, o controlador fica com o ganho elevado. Por isso esta ação só é aplicada em processo lento. É também fácil de entender que quanto maior o tempo derivativo, maior é a ação derivativa. O ajuste da ação derivativa em valor muito grande pode provocar oscilação no processo, pois o controlador fica muito tempo sem a realimentação negativa.

Os componentes do circuito derivativo são os mesmos do integral, pois as funções derivada e integral são inversas uma da outra. Apenas a posição relativa dos elementos capacitivo e resistivo é trocada.

Quando se estuda a estabilidade relativa do sistema de malha fechada de controle, a adição de zeros na função de transferência dá maior estabilidade ao sistema. A adição da ação derivativa significa colocar um zero na função de transferência do sistema (sTd). Com efeito, a ação derivativa melhora a estabilidade do sistema de controle.

Quando se tem um controlador proporcional mais integral mais derivativo em oscilação, a causa da oscilação pode ser a banda proporcional muito estreita, o tempo integral muito pequeno ou o tempo derivativo muito grande. Se a oscilação ocorre na frequência natural do processo a sua causa é o ajuste da banda proporcional muito estreita, se a oscilação ocorre em frequência maior que a frequência natural do processo, o motivo é o ajuste do tempo derivativo muito grande e finalmente, se a oscilação ocorre em frequência menor que a frequência natural, o causador foi o ajuste do tempo integral muito pequeno.

A resposta da ação derivativa ao degrau é a função impulso, que é igual a zero quando a entrada é constante e que assume um valor

altíssimo na subida do degrau; teoricamente infinito, quando o tempo de subida do degrau é zero. Os matemáticos chamam-na de função Dirac. Como é freqüente a alteração rápida do ponto de ajuste pelo operador de processo, a maioria dos controladores eletrônicos e pneumáticos possui o circuito da ação derivativa atuando apenas na medição e não no erro entre a medição e o ponto de ajuste. Nos controladores com ação derivativa sem esta característica, o operador de processo deve alterar suavemente o ponto de ajuste a fim de não provocar oscilação no processo. Deve se ter bem claro que a alteração do ponto de ajuste é um distúrbio para o processo, pois houve alteração do ponto de operação desejado.

(a) Ação derivada atuando no erro ou na diferença entre medição e ponto de ajuste.

(b) Ação derivada atuando apenas na medição e não na diferença entre medição e ponto de ajuste.

Fig. 5.20. Diagrama de blocos do controlador PD

Quando aparece um distúrbio no processo

que provoca o afastamento da variável controlada do ponto de ajuste, o controlador tende a eliminar ou diminuir este desvio. Assim a ação corretiva do controlador deve ser aplicada na mesma direção e no sentido oposto ao erro. Isto significa dizer que a ação corretiva deve estar defasada de 180 graus do erro ou ainda, que deve haver uma realimentação negativa. Apenas a ação proporcional corrige o erro, porém deixa um erro residual porque ela

Algoritmo PID

88

atua com um ângulo de fase diferente de 180 graus. O objetivo da ação integral é o de eliminar este erro residual, girando a ação corretiva e tornando a oposta ao erro. A ação integral atrasa o sinal de correção. Quando ela é insuficiente, ainda fica um pequeno erro residual. Quando ela é demasiada há oscilação porque há predominância da realimentação positiva. A adição da ação derivativa ajuda a tarefa de alinhar a ação corretiva com erro. A ação derivativa adianta o sinal de correção. A ação proporcional está relacionada com o ganho do controlador e as ações integral e derivativa com o ângulo de fase da correção. Em resumo, a ação proporcional determina o quanto da ação corretiva e as ações integral e derivativa estabelecem quando é conveniente a aplicação da correção, de modo que não haja desvio permanente e que a eliminação do erro seja a mais rápida possível.

O uso da ação derivativa permite o uso de uma menor banda proporcional e de um menor tempo integral, para a mesma estabilidade. Menor banda proporcional implica em menor erro de pico e menor erro acumulado.

Quando se aumenta a ação derivativa, aumenta se o tempo derivativo e se reduz o overshoot da saída devido ao distúrbio da carga mas a saída fica mais oscilatória. Quando se aumenta muito a ação derivativa, a curva de saída não ultrapassa o ponto de ajuste e a ação corretiva é muito amortecida. Quando se aumenta ainda mais a ação derivativa, haverá oscilação com um período de oscilação menor que o natural do processo.

A quantidade de ação derivativa permitida para um processo com determinado tempo morto diminui quando a constante de tempo característico diminui (processo mais rápido), desde que o período natural diminui de (4 tm) para (2 tm).

Fig. 1.1. Controlador PID eletrônico analógico

5.4. Aplicações

Erradamente se acha que toda variável lenta necessita da ação derivativa. A lentidão da variável é uma condição necessária mas não é suficiente para justificar a aplicação da ação derivativa. É também necessário que haja variação rápida da carga do processo lento para exigir a aplicação da ação derivativa. O processo lento que sofre variação lenta da carga não necessita da ação derivativa. Aliás, a ação derivativa praticamente não responde a pequenas rampas de erro. A ação derivativa não tem nenhum efeito no desvio permanente deixado pela ação proporcional.

Não se necessita usar a ação derivativa em processo rápido, pois sua resposta já é rápida e o uso da ação derivativa provocaria certamente oscilação no sistema. Não se deve usar ação derivativa em processo com ruído, pois ela amplifica o ruído. O valor da ação derivativa é função da quantidade de ruído. Processos com pequenas constantes de tempo característicos (rápidos) tendem a possuir mais ruído, desde que a atenuação do ruído pelo filtro é inversamente proporcional a constante do tempo característico.

O controlador P + D é aplicado em

processos que aceitam o desvio permanente e que possuam múltiplas constantes de tempo. A aplicação típica é o controle da guia da extremidade de papel, onde se requer estabilidade e onde há o perigo da saturação do modo integral. Aliás, essa é a regra: utiliza-se o controlador sem o modo integral e com o modo derivativo quando:

1. quer se evitar integral, de saturar a saída do controlador, quando o desvio é demorado.

2. quer compensar as variações bruscas do processo.

Algoritmo PID

89

7. Controle das Variáveis

As variáveis de processo mais envolvidas são: pressão, temperatura, vazão e nível. Serão vistas agora as suas características dinâmicas, suas dificuldades e suas exigências de controle.

7.1. Pressão

A pressão é caracterizada pela grande capacidade, pequeno atraso de transferência e pequeno tempo morto. Por ter grande capacidade, pode-se ter auto-regulação do controle de pressão, desde que não haja vazão.

O tempo de resposta da pressão rápida é aproximadamente igual ao da vazão e o tempo da pressão lenta se aproxima do tempo do nível. O exemplo de um processo com pressão rápida é o controle da pressão de um tanque, manipulando a vazão de saída do vapor. O exemplo da pressão lenta é a manipulação da vazão d'água de resfriamento na entrada do trocador de calor para controlar a pressão do vaso de vapor. A dinâmica da transferência do calor e o atraso d'água através do trocador influem no tempo de resposta da malha de controle da pressão.

Pode-se controlar a pressão de um gás pela manipulação da vazão da entrada ou da saída do gás no tanque de volume constante. A pressão de gás em tanque de volume constante é de fácil controle, mesmo quando o volume é pequeno. Basta um controlador proporcional com banda proporcional estreita. Quando não se pode ter desvio permanente, usa-se também o modo integral.

O controle de pressão de liquido é praticamente igual ao controle de vazão.

Em sistema com vapor e liquido em equilíbrio, a pressão pode ser controlada pelo ajuste da vazão do liquido ou pela transferência de calor. A pressão do sistema líquido-vapor em equilíbrio é afetada pela vazão do produto e pela transferência do calor. Assim, para o controle de pressão de vapor saturado, basta controlar a vazão de massa do vapor.

Nos sistemas mais complexos, como a caldeira, a coluna de destilação ou o evaporador, o controle da pressão está ligado diretamente ao controle de temperatura.

A pressão no início de uma tubulação está diretamente relacionada com a vazão da linha. A única participação dinâmica do processo é a inércia apresentada pela vazão do liquido. A banda proporcional do controlador de pressão deve ser mais estreita, ou seja, o controlador deve ser mais sensível do que para o controle de vazão.

Raramente se utiliza a ação derivativa para o controle de pressão. O controlador típico para o controle de pressão é o PI. A banda proporcional é tipicamente maior que 100% e o tempo integral é pequeno.

7.2. Vazão

A vazão é a variável de processo com a resposta mais rápida e com a menor capacitância.

A vazão é a variável manipulada da maioria dos controles de outras variáveis. Quando se tem o controle de vazão, a coincidência entre a variável manipulada e a controlada torna ainda mais fácil o controle.

A vazão entre dois pontos de uma tubulação com seção circular fechada é gerada e modificada pelas bombas e compressões, que produzem uma diferença de pressão entre eles. A vazão sempre vai do ponto de maior pressão para o de menor pressão. A vazão sofre distúrbios das conexões e acidentes da tubulação, da colocação de elementos sensores e de válvulas, de equipamentos tais como trocadores de calor. Como a vazão possui pequena capacitância e como a maioria dos líquidos é não compreensível, esses ruídos provocados pelos distúrbios não são amortecidos e se transmitem por todo o sistema. Na escolha e nos ajustes do controlador, esses ruídos da vazão devem ser considerados. Como conclusão, quase nunca se utiliza o modo derivativo no controlador de vazão.

Se o fluido é gás, está sujeito a expansão devida a variação da pressão. Se o fluido é liquido, a inércia é fundamental: a vazão começa com aceleração e termina com desaceleração.

No controle de vazão, a válvula de controle geralmente é colocada depois medidor de vazão, para se evitar que os distúrbios provocados pela ação da válvula afetem a medição da placa de orifício. Devem ser respeitadas as distâncias mínimas de trecho reto antes e depois do medidor. Os distúrbios provocados a jusante do medidor são menores do que os provocados a montante.

Por causa dos vários elementos dinâmicos associados a medição de vazão, o ganho dinâmico da malha de medição, incluindo a tubulação, o transmissor, o controlador e o atuador da válvula, é muito grande e a banda proporcional a ser ajustada no controlador deve ser larga, nunca menor que 100%.

No controle de vazão os modos usados são o proporcional e o integral, para não permitir desvios permanentes. Nunca se utiliza o modo derivativo, por causa dos ruídos presentes. Ou

Algoritmo PID

90

então, é possível a utilização ação derivativa inversa, que amortece esses ruídos e permite o uso do controlador com banda proporcional mais estreita.

O controlador típico para a vazão é o PI, com a banda proporcional larga (típica de 150%), para reduzir o efeito dos ruídos da vazão. O tempo integral é pequeno, típico de 0,1 minuto/repetição, para eliminar rapidamente o desvio permanente.

7.3. Nível

O nível está associado ao parâmetro capacidade, que é o mais fácil de ser controlado.

O nível de um liquido no tanque é a integral da sua vazão de entrada.

A grande vantagem do controle de nível de liquido é a possibilidade de se ter sistema auto-regulante.

O nível de liquido pode apresentar ruídos, provocados pelas ondulações da face liquida. Essas ondulações podem ser eliminadas ou diminuídas, principalmente com o uso de gaiola lateral externa.

O nível é a variável de processo com diferentes graus de dificuldade. Há níveis fáceis de serem controlados, com grande capacidade e pequena demanda. Há níveis difíceis de serem controlados. O controle de nível com grande capacidade pode ser executado inclusive com controle liga-desliga. Quando se requer um controle mais rigoroso utiliza o controlador proporcional e finalmente, quando não é admissível a ocorrência de desvios, utiliza-se a ação integral. Raramente se usa ação derivativa.

O controlador típico para o nível é o proporcional puro, que fornece um controle do nível médio, que pode variar entre os valores máximo e mínimo, sem problemas. A banda proporcional é ajustada no valor típico de 100%, de modo que a saída do controlador varia de 20 a 100 kPa, quando a saída do transmissor de nível varia de 20 a 100 kPa.

7.4. Temperatura

Não há malha de controle de temperatura típica. A temperatura é outra variável, como o nível, que apresenta diferentes graus de dificuldade de controle. Os problemas do controle de temperatura se referem a transferência de calor, como a radiação, a condução e a convecção.

A variável temperatura está associada ao tempo morto, o parâmetro de difícil controle. Ela é caracterizada por pequena velocidade de reação e por diferentes capacidades, embora o

mais freqüente seja sistema de temperatura com grande capacidade.

A temperatura é usualmente lenta por causa dos atrasos do sensor e dos atrasos da transferência de calor. A colocação do elemento sensor de temperatura em lugar estagnado e de baixa velocidade é imprestável.

Os processos de temperatura com grande capacidade, pequeno atraso de transferência e pequeno tempo morto, podem ser controlador com os modos liga-desliga. Os fornos elétricos, os fornos de tubos radiantes, as fornalhas com chama aberta, os banhos de temperatura, são exemplos típicos de sistemas que podem ser controlados satisfatoriamente com o controlador liga-desliga.

Como refinamento pode se aplicar o controle liga-desliga com intervalo diferencial ou ainda o controle com três níveis de energia. Tem-se o controle liga-desliga com posições múltiplas: alto, baixo e desligado. Essa aplicação se refere a sistema de temperatura que requer alta energia de aquecimento apenas no princípio e depois requer baixa energia para a manutenção da temperatura de trabalho. No início da operação, o sistema opera em alta energia, com todas as resistências ligadas. Quando o sistema atinge a temperatura desejada, ele desliga um conjunto de resistências e passa a operar em duas posições, convencionalmente.

Para resultados mais precisos, é utilizado o controlador proporcional. O controle proporcional se aplica a sistema com elevada velocidade de reação, que provocaria grandes flutuações no sistema liga-desliga. O controle proporcional é utilizado em fornos com queima de óleo, em que a relação óleo-ar é controlada.

O controle proporcional é também aplicado a sistema que apresenta grande variação de carga. Nessa aplicação a banda proporcional deve ser estreita, a fim de ter pequenos desvios permanentes. Porém, a banda proporcional deve ser larga para tornar o sistema pouco sensível aos tempos de atraso da medição da temperatura. Para conciliar essas exigências, é necessário o uso da ação derivativa.

No controle de temperatura, a capacidade do lado da carga deve ser maior que a capacidade do lado do suprimento. Uma grande capacidade de carga é favorável, desde que ela diminui e nivela as variáveis do processo. Por isso é muito fácil um controle de trocador de calor ou de forno, completamente carregado do que com pequena carga.

Usa-se sempre o modo integral associado ao proporcional quando há atraso na medição e quando a carga varia e freqüentemente. Como o uso da ação integral piora a resposta

Algoritmo PID

91

dinâmica do controlador, geralmente é aconselhável o uso também da ação derivativa, que melhora a resposta dinâmica.

A maioria dos controladores PID é usada em malhas de temperatura e a maioria das malhas de temperatura requer o controlador PID. Os ajustes da banda proporcional são em valores estreitos (menor que 100%), dependendo da faixa do transmissor e do tamanho da válvula. O tempo integral é da mesma ordem que o período natural do processo, ou seja, quanto mais rápido o processo, menor é o tempo integral ajustado. O tempo derivativo deve ser ajustado em cerca de 1/4 do período natural do processo, dependendo do nível do ruído.

A conclusão mais importante no estudo do controle de temperatura é que a temperatura é uma variável extremamente complexa e dependente dos fatores termodinâmicos, de transferência de calor, de funções não-lineares, de tempo morto. É muito freqüente a utilização de sistema de controle, com mais de um controlador, para o conjunto executar um controle mais avançado, tipo cascata, faixa dividida, controle programado, controle auto-seletor.

Tab.4Controlabilidade das variáveis

8. Sintonia do controlador

O processo industrial modifica uma matéria prima em um produto acabado, através de um balanço entre o suprimento e a demanda de produtos e de energia, durante um determinado período de tempo. Na prática, nenhum processo é igual a outro. Os processos apresentam características típicas, quanto a carga, suprimentos, transporte de materiais, transferência de energia, quantidade e qualidade do suprimento de energia. Em outras palavras, cada processo apresenta um inerente grau de dificuldade para ser controlado automaticamente. Levando em consideração esses diferentes graus de dificuldade de controle, resultantes de diferentes características dinâmicas e estáticas do processo, os fabricantes de instrumentos desenvolveram diferentes tipos de controladores.

O controlador mal escolhido raramente desempenha a função desejada. O controlador escolhido corretamente, também não funcionará idealmente, se os ajustes das ações proporcional, integral e derivativa não forem aqueles exigidos pelo processo específico. Os ajustes insuficientes ou exagerados podem, na melhor situação, produzir um controle demorado e fora do ponto de ajuste e na pior hipótese, provocar oscilação da variável controlada.

Fig. 5.25. Controle ruim: grande

variabilidade e controle bom: pequena variabilidade

Sintonizar o controlador é ajustar os valores

das suas ações de controle. Com a sintonia

Algoritmo PID

92

ideal, obtém se o máximo potencial da malha e pode se estimar o erro do controlador.

A maioria dos trabalhos publicados e disponíveis utiliza as técnicas matemáticas avançadas, como a transformada de Laplace, a transformada Z, a função de transferência, que não são dominadas pelos técnicos ou que já foram esquecidas pelos engenheiros. Pior ainda, a complexidade do emaranhado matemático das técnicas faz perder o sentimento dos aspectos práticos e a visão dos objetivos reais do controle.

Embora a teoria possa determinar os valores exatos a serem ajustados no controlador, os métodos teóricos são de difícil execução, pois os dados necessários para os cálculos teóricos são imprecisos. Por isso, os métodos mais usados são empíricos e para sua execução, é necessário se provocar pequenos distúrbios ao processo, para se medir a resposta a esses distúrbios. Isso é indesejável, pois há processos críticos que não permitem perturbações.

Na prática, os instrumentistas fazem a sintonia do controlador por tentativa e erro, sem a convicção do que esteja fazendo e sem nenhum suporte teórico.

Aqui serão mostradas as relações matemáticas simples e necessárias para suportar as regras de bolo (thumb rules) práticas criadas por J. G. Ziegler e N. B. Nichols, popularizadas por F. G. Shinskey e documentadas por P. W. Murrill. Os conceitos apresentados são suficientemente simples para que o técnico possa entender o seu significado prático e suficientemente rigorosos e coerentes com a teoria matemática.

Fig. 7.24. XL e XH são pontos de alarme e XLL e XHH são pontos de desligamento

8.1. Critérios de Desempenho

Os instrumentistas tendem a enfatizar os critérios qualitativos, como a importância da malha e a facilidade da sintonia, em vez dos critérios quantitativos, como o tamanho e duração do erro. Esta ênfase qualitativa é devida parcialmente à complexidade e diversidade dos critérios quantitativos e as técnicas de analise associadas. Por exemplo, uma malha de nível que tenha uma resposta não auto-regulante pode ser julgada fácil de controlar, mesmo que os erros sejam grandes e demorados, porque estes erros não são importantes, desde que o tanque não fique vazio nem transborde. Uma malha de temperatura com uma grande constante de tempo pode ser considerada difícil de controlar, mesmo que os erros sejam pequenos, por causa da demora da resposta da malha torna-la muito chata para ser sintonizada. Para julgar objetivamente se uma malha é fácil de ser controlada, deve usar critérios quantitativos aplicáveis. Os critérios qualitativos podem ser classificados simplificadamente considerando como base o erro acumulado, o pico do erro ou uma combinação dos dois.

Erro acumulado

O erro acumulado é o desvio totalizado da variável controlada menos o ponto de ajuste. Para uma malha de controle de composição, o erro acumulado multiplicado pela vazão media do produto fornece uma medição da quantidade total do produto que se desvia do valor desejado da especificação. Para uma malha de vazão, o erro acumulado fornece uma medição da quantidade total de matéria prima que se desvia da relação estequiométrica especificada. Se a variável controlada é uma vazão de utilidade, o erro acumulado representa o uso de energia em excesso do ponto de ajuste.

O erro acumulado é o erro integrado, onde os erros positivos e negativos são cancelados pelo volume do sistema para fornecer um erro total acumulado positivo ou negativo. O erro absoluto integrado (IAE - integral absolute error) é igual ao erro acumulado para uma resposta superamortecida (sem oscilações). O erro quadrático integrado (ISE - integrated squared error) pode ser aproximado pela combinação do erro acumulado e o pico do erro. Um pequeno erro acumulado não necessariamente significa uma malha estável bem sintonizada. Um erro acumulado pequeno pode resultar de uma malha que é marginalmente estável, desde que os erros positivo e negativo se cancelam, na oscilação constante. O erro acumulado pode ser

Algoritmo PID

93

precisamente calculado pelo uso de equações matemáticas relativamente simples, se as oscilações tem amplitudes decrescentes.

O erro acumulado para uma malha fechada pode ser calculado para um distúrbio degrau, se a banda proporcional, ganho da medição e ajustes do modo integral do controlador são todos conhecidos. Shinskey mostrou que:

CTK100

BPE i

mi

onde Ei é o erro acumulado (integrado) da

variável controlada ou o erro da variável medida, se Km = 1.

PB é a banda proporcional do controlador (100%/ganho)

Ti é o tempo integral do controlador (minutos/repetição)

Km é o ganho do transmissor de regime da medição

C é a variação da saída do controlador necessária

A variação da saída do controlador necessária para compensar os distúrbios é igual ao distúrbio do processo (variação de carga do processo), se magas afetam igualmente a variável controlada, ou seja, o ganho da válvula de controle é igual ao ganho da carga.

Como

LK

KC

v

l

e LKKE lpo

substituindo e multiplicando o numerador e denominador por Kp, o erro acumulado pode ser expresso também como:

0impv

i ETKKK100

PBE

onde

Kv é o ganho em regime da válvula Kl é o ganho em regime da carga do

processo Kp é o ganho em regime do processo L é a variação de carga do processo

(tamanho do distúrbio) Eo é o erro em regime da malha aberta A equação do erro acumulado leva a

seguintes conclusões: 1) se os distúrbios tem tamanhos próximos de

zero (Eo = 0), mesmo a malha muito difícil,

funciona excelentemente. Por isso, antes de decidir se uma malha difícil justifica o custo adicional de equipamentos especiais, algoritmos avançados de controle, é necessário conhecer o tamanho dos distúrbios do processo.

2) se o controlador é sintonizado com banda proporcional muito larga (ganho muito pequeno) ou tempo integral muito grande (ação integral muito lenta), uma malha fácil irá funcionar pobremente. Qualquer esforço especial ou gasto adicional durante o projeto para melhorar o desempenho será inútil, se usa uma sintonia do controlador muito conservadora.

3) se a resolução ou rangeabilidade dos ajustes do modo do controlador evitam o uso dos melhores ajustes da banda proporcional e do tempo integral, uma malha fácil ainda funciona pobremente. Qualquer despesa extra para o equipamento e projeto melhorar o desempenho da malha é inútil, quando os ajustes de PB e tempo integral necessários estiverem abaixo dos limites disponíveis do controlador.

4) se o ganho do processo é aumentado, o erro de malha aberta, e portanto o erro acumulado, aumenta. É importante que o instrumentista veja o efeito do projeto do equipamento e as condições de operação sobre o ganho do processo. Um aumento na banda proporcional resultando no aumento do ganho da válvula ou do transmissor não resulta em um aumento do erro acumulado da variável controlada, para uma dada variação de carga, desde que o produto KvKmKp cancela os ganhos no denominador. É importante para o desempenho da malha que os ganhos do instrumento sejam maximizados e os ganhos do processo e da carga sejam minimizados. As malhas devem ser projetadas para

fornecer uma variação da saída do transmissor para o fundo de escala para uma excursão fundo de escala da válvula. Embora o ganho total possa ser igual a 1, há aumentos localizados no ganho, resultando de não linearidades no ganho da válvula de controle (e.g., igual percentagem), no ganho do processo (e.g., nível do balão da caldeira) e no ganho do transmissor (e.g., medição de vazão com placa de orifício). Estes aumentos localizados no ganho podem causar oscilações localizadas, a não ser que a banda proporcional do controlador seja diminuída.

V

C

P

V

M

P 1

Algoritmo PID

94

K K Kv p m 1

obtém-se para o erro acumulado,

EPB

TEi i o100

onde

V é a variação na saída da válvula, DP é a variação na saída do processo DM é a variação da saída da medição O ajuste do modo derivativo não entra na

equação do erro acumulado, porque a sua adição diminui a banda proporcional real e aumenta o tempo integral real pelo mesmo fator, de modo que o erro acumulado permanece o mesmo.

Pico do Erro

O pico do erro é o máximo desvio da variável controlada do ponto de ajuste. Para alguns processos, e.g., temperatura de reator, pH de reator, o pico do erro deve ser limitado para evitar o início de uma reação secundária indesejável. Para uma malha de controle de pressão, o pico do erro deve ser limitado para evitar a atuação de válvulas de alivio.

Segundo Harriot, o pico do erro é dado por:

EK

Exo

o

15

1

,

onde Ex é o pico do erro da variável controlada Eo é o erro de regime da malha aberta E K K Lo p l

Ko é ganho total da malha

K K K KBPo v p m100

Outro modo de expressar Ex é

EBP

K K K BPEx

v p mo

15

100

,

A adição da ação integral usualmente não

afeta o pico do erro apreciavelmente, desde que a duração do pico é pequena em relação ao tempo integral. Se a banda proporcional é pequena

BP K K Kv p m 100

a equação do pico do erro se simplifica:

EK BP

K K K BPEx

v p mo

100

ou

EK BP

Ex o

100

onde Ex é o pico do erro da variável controlada K é uma constante de proporcionalidade (K

= 1.1, para amortecimento de 4:1) PB é a banda proporcional do controlador Ti é o tempo integral do controlador

(minutos/repetição) Kv é o ganho em regime da válvula de

controle Kp é o ganho em regime do processo Km é o ganho em regime da medição Eo é o erro em regime da malha aberta A equação do pico do erro mostra que ele é

igual ao erro acumulado multiplicado por K/Ti. Todas as conclusões relativas ao erro acumulado como função do tamanho do distúrbio, sintonia do controlador, rangeabilidade e resolução da banda proporcional e dos ganhos componentes da malha também se aplicam ao pico do erro. A precisão da equação para o pico do erro não é tão boa como a do erro acumulado, desde que a constante de proporcionalidade K varia com o grau de amortecimento.

8.2. Modos do Controlador

Os controladores padrão tem até os três modos em seus algoritmos de controle. Como modo, termo ou ação deve se entender a resposta de saída do controle ao erro entre medição e ponto de ajuste. O modo pode ainda significar se o controlador está em manual ou automático; o que não é o caso aqui e agora.

As três ações fundamentais que podem ser combinadas na realização do controlador prático são a proporcional, a integral e a derivativa. O controlador liga-desliga descontinuo pode ser considerado um caso particular do controlador proporcional, com um ajuste extremado. Como conseqüência, os controladores comercialmente disponíveis são: 1) proporcional (P) 2) proporcional e integral (P + I) 3) proporcional e derivativo (P + D) 4) proporcional e integral e derivativo (PID)

Algoritmo PID

95

São usados ainda controladores especiais e de uso raro, como o

1) integral (I) 2) P + I não-linear 3) P + I + D não-linear 4) P + I para batelada 5) P + I + D para batelada.

O pequeno número de controladores existente é suficiente para o controle satisfatório da maioria absoluta dos processos envolvidos. Para uma determinada aplicação de controle de processo, além da escolha do controlador mais conveniente, é necessário o ajuste adequado desse controlador.

O processo determina o tipo de controlador a ser escolhido e, principalmente, os seus ajustes. Os processos diferentes podem ter controladores diferentes e os processos diferentes podem ter o mesmo tipo de controladores com ajustes diferentes.

Modo Proporcional

Quase todos os controladores tem o modo proporcional. Este modo varia a saída do controlador por uma quantidade proporcional à variação do erro. A banda proporcional é a variação percentual no erro necessária para causar uma variação de toda a faixa na saída do controlador. A banda proporcional é o inverso do ganho do controlador, multiplicada por 100%. A maioria dos controladores analógicos usa a banda proporcional, enquanto a maioria dos novos controladores digitais usa o ganho. Note que o ajuste da banda proporcional também afeta os modos integral e derivativo. Quando a banda proporcional é ajustada mais estreita, o desvio permanente do controlador é diminuído porém a resposta se torna mais oscilatória. Se a banda proporcional é diminuída além de um limite, a saída do controlador oscila com amplitude constante. Se não há nenhuma outra ação de controle (integral ou proporcional), o período destas oscilações é o período natural da malha. Este período natural é chamado de ultimo período e depende da dinâmica do processo e dos componentes da malha.

Modo Integral

A maioria dos controladores tem também o modo integral ou reset. Este modo muda a saída do controlador por uma quantidade proporcional à integral do erro. O tempo integral é o tempo requerido para a contribuição do modo integral seja igual (repita) a contribuição da ação proporcional, para um erro constante. A ação integral está atrasada em relação à proporcional do tempo integral. O uso do modo integral aumenta a banda proporcional permissível, mas elimina o desvio

permanente deixado pela ação proporcional. A maioria dos controladores usa o inverso do tempo integral, de modo que os ajustes são feitos em repetição por unidade de tempo; uma minoria de controladores é ajustada em tempo integral, ou seja, em unidade de tempo por repetição. Quando o tempo integral é diminuído, a ação integral é aumentada, o desvio permanente é eliminado mais rapidamente mas a resposta se torna mais oscilatória. Se o tempo integral é diminuído demais, a malha oscila, em período muito maior que o período natural.

Modo Derivativo

O modo derivativo é usado em apenas poucas malhas, porque o mínimo ajuste disponível é muito grande para a maioria das malhas, a ação derivativa amplifica o ruído de alta frequência e a sintonia é mais complicada, como resultado da interação entre os outros modos. O modo derivativo muda a saída do controlador em uma quantidade proporcional à derivada do erro em relação ao tempo. Ela dá uma ação corretiva que se antecipa à correção proporcional; é tipicamente usada em processos lentos com variações rápidas de carga. O tempo derivativo é o tempo requerido para a contribuição da ação proporcional se igualar à ação derivativa, para um erro tipo rampa. A ação derivativa está adiantada em relação à proporcional de seu tempo derivativo. O uso da ação derivativa permite que a banda proporcional seja diminuída (ganho aumentado). O uso da ação derivativa melhora o desempenho da malha de controle, pois o overshoot e o pico do erro, provocado por distúrbios na carga, são diminuídos, mas a resposta se torna mais oscilatória. Se a ação derivativa é aumentada demais, aparece oscilações, com período muito menor que o período natural do processo.

8.3. Componentes da Malha

Dinâmicas da Malha

Os principais componentes de uma malha são o controlador, a válvula de controle, o processo e a medição (elemento sensor ou transmissor). Cada componente tem um ganho estático e um ou mais parâmetros dinâmicos para descrever sua resposta.

O tempo morto é o tempo requerido para a saída começar a variar, após uma variação na entrada.

Ganho integrador é a inclinação da rampa na saída para uma variação degrau na entrada.

Constante de tempo da realimentação negativa é o tempo requerido para a saída atingir 63% da entrada multiplicada pelo seu

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ganho, após a saída começar a variar para uma variação degrau na entrada. A saída se aproxima de um novo estado de regime, com um inclinação exponencialmente decrescente.

Constante de tempo da realimentação positiva é o tempo requerido para a saída atingir 172% da entrada multiplicada pelo seu ganho, após a saída começar a variar para uma variação degrau na entrada. A saída se aproxima do infinito ou de um limite físico com um inclinação exponencialmente crescente.

Ganho de regime é a variação final na saída dividida pela variação na entrada, após todos os transientes tiverem desaparecido. É a inclinação de um gráfico em regime da saída versus entrada. Se o gráfico for uma reta, o ganho é linear (inclinação é constante). Se o gráfico for uma curva, o ganho é não-linear (inclinação varia com o ponto de operação). Exemplo de um ganho linear: processo de pH.

As condições para que o sistema de controle seja estável, como já visto, são

1. ganho total do sistema menor que 1 e 2. o ângulo de fase igual a 180 graus. (Teoricamente existe uma outra condição

alternativa de estabilidade: ganho total do sistema igual a 1 e ângulo de fase menor que 180 graus. Existe até técnica de sintonia de malha baseada nesta condição de estabilidade, porém, ela não será considerada aqui e agora).

Quando se conhecem as características do processo, como o tempo morto e sua constante de tempo, os valores dos ajustes da banda proporcional, dos tempos integral e derivativo são facilmente determinados. Na prática de instrumentação, é difícil se conhecer rigorosamente estes parâmetros do processo.

Tempo Morto e Constante de Tempo

A dinâmica dos processos químicos consiste tipicamente de um grande número de constantes de tempo em série, que resultam em um tempo morto equivalente. Se a resposta da malha aberta do processo a uma variação tipo degrau (o tempo de início para o de fim da variação menor que 10% do tempo morto) e se registra a variação de carga L ou a saída do controlador C, então pode-se usar uma técnica gráfica para determinar o tempo morto e a constante de tempo do processo. Traça-se uma tangente ao primeiro ponto de inflexão e estende até cortar o eixo do tempo. O tempo entre o início do distúrbio e a interseção da tangente com o eixo do tempo é o tempo morto efetivo. O tempo entre a interseção da tangente com o tempo e a interseção da tangente com o valor final da resposta é a constante de tempo efetiva.

A Figura mostra a resposta em malha aberta dos três tipos principais de processo:

auto-regulante, integrante e com realimentação positiva.

O processo integrante possui uma resposta em forma de S, com a curva tendendo exponencialmente decrescente para um valor limite de regime.

O processo integrante não tende para valor de regime mas sobe indefinidamente segundo uma rampa, até um valor limite físico. A inclinação da rampa é o ganho integrador. A tangente não é facilmente construída por que o ponto de inflexão não pode ser facilmente identificado. Como não há valor final, a constante de tempo é o intervalo de tempo entre a interseção da tangente com o eixo x e com um erro aberto (Eo).

O processo runaway ou com realimentação positiva também não tende para um valor de regime. Ele começa como um processo auto-regulante, porém em um determinado ponto ele começa a crescer rapidamente, tendendo para o infinito. Ele teria duas constantes de tempo, uma para a realimentação negativa e outra para a realimentação positiva. A constante de tempo da realimentação negativa é facilmente achada pela tangente à primeira subida, como no processo auto-regulante. O intervalo de tempo entre a interseção do eixo do tempo e a interseção com 172% do erro da malha aberta (Eo) pela segunda tangente, é a constante de tempo da realimentação positiva.

8.4. Filosofia da sintonia

A sintonia de controladores analógicos da sala de controle é tipicamente feita pelo ajustes de pequenos dials ou botões nas laterais do controladores, após eles serem parcialmente retirados da estante. O ajuste dos dials ou botões nos controladores de campo requer a abertura da caixa a prova de tempo. Os dials ou botos tem ajustes contínuos ou discretos. A faixa de ajustes depende do fabricante do controlador e do modelo. O controlador pode também ter chaves que multiplicam os ajustes de integral e derivativo por 10, 100, 1000. É difícil determinar o ajuste do modo com mais de dois algarismos significativos, por causa do tamanho do dial ou do botão, da falta de graduação intermediária e da imprecisão dos ajustes do modo.

Os controladores digitais nos sistemas de controle distribuído (SDCD) e os "single-loop" são sintonizados tipicamente pela entrada de números digitais, via teclado do console ou por um pequeno sintonizador portátil. Os ajustes do modo são variados em incrementos discretos, mas o tamanho do incremento é tipicamente tão pequeno que a resolução dos ajustes do modo é muito maior do que para os

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controladores analógicos. O ajuste do modo é indicado digitalmente com três ou mais algarismos significativos.

As unidades dos ajustes do modo devem ser verificadas cuidadosamente para não haver enganos grosseiros. O modo proporcional pode ser ajustado em percentagem de banda proporcional (analógicos) ou em ganho adimensional (digitais). As unidades do modo integral podem ser em repetições por unidade de tempo (ação integral) ou unidade de tempo por repetições da ação proporcional (tempo integral). As unidades do modo derivativo são em unidades de tempo. A unidade de tempo típica para os modos integral e derivativo é o minuto.

Fig. 1.1. Sintonia: compromisso entre

velocidade de resposta e estabilidade A sintonia do controlador é uma operação

que deve ser feita com o processo em regime permanente, na condição mais provável de operação, depois que todas as condições do projeto tenham sido satisfeitas, os equipamentos instalados e os instrumentos calibrados. Quando a malha de controle sofre modificação, como por exemplo, a alteração da faixa de medição, a colocação ou a retirada do extrator de raiz quadrada, a modificação da característica da válvula de linear para igual percentagem, a colocação ou a retirada do posicionador da válvula, mesmo que o processo continue estável para aquela determinada condição, as suas margens de ganho e de fase foram alteradas e a malha deve ser sintonizada de novo.

A sintonia do controlador envolve os ajustes da banda proporcional, do tempo integral e do tempo derivativo. O ajuste da banda proporcional eqüivale ao ajuste do ganho do controlador. Os ajustes do tempo integral e do tempo derivativo implicam no atraso e/ou adiantamento da ação corretiva. Estes ajustes eqüivalem aos ajustes do ângulo de fase da ação corretiva.

A maioria dos métodos teóricos e empíricos de sintonia do controlador estabelece o ganho total da malha igual a 0,50, eqüidistante do zero (não há controle) e um (controle instável). Com este ganho de 0,50 as oscilações do sistema são amortecidas numa razão de 4 : 1 (os teóricos sabem e gostam de demonstrar isso matematicamente).

Pode se chegar facilmente a estes ajustes, mesmo sem instrumentos de medição, ajustando se inicialmente o controlador para estabelecer o ganho total igual a 1 e depois ajustando-o pela metade. O ganho igual a 1 é facilmente realizável pois tem se a oscilação constante da variável controlada. O operador de processo pode verificar facilmente quando a medição oscila entre dois limites fixos, sem necessidade de instrumento adicional de teste. Na prática, é difícil detectar diretamente um amortecimento da variável medida de 4 para 1.

Os ajustes finais da sintonia do controlador são um compromisso entre os desempenhos do controlador em regime (frequência zero) ou dinâmico (altas freqüências).

(a) Pontos de sintonia de controlador eletrônico

(b) Pontos de sintonia de um controlador pneumático

Fig. 5.26. Sintonia em controlador analógico

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8.5. Critérios de Sintonia

Os métodos mais conhecidos, teórica e experimentalmente, são os seguintes:

1. relação de amortecimento de 4:1 2. integral mínima do quadrado do erro

(IQE) 3. integral mínima do erro absoluto (IEA) 4. integral mínima do tempo e do erro

absoluto (ITEA) O primeiro critério, relação de

amortecimento de 4:1, tem a vantagem de ser facilmente medido, desde que se baseia em somente dois pontos da resposta. Inclusive, há outros métodos com outros nomes e outros procedimentos, porém, por inversão de passos, constituem o mesmo método.

Os outros três critérios são mais precisos, porém de difícil concretização prática.

Outro enfoque para as técnicas de sintonia é dizer que há duas categorias distintas para a sintonia do controlador:

1. método dinâmico, baseado nos parâmetros determinados pela resposta da malha fechada do sistema, com o controlador em automático.

2. método estático, baseado nos parâmetros estáticos determinados pela curva de resposta da malha aberta. Malha aberta é aquela sem o controlador e dela se obtém a curva de reação do processo. Esses métodos são difíceis, pois os dados a serem levantados são imprecisos.

Há basicamente três tipos de enfoques para os ajustes:

1. estabilidade limite do sistema de controle, função do produto ganho x banda de passagem,

2. curva de reação do processo ou a resposta transitória do processo a um degrau unitário,

3. resposta de frequência do processo.

Método da Oscilação Amortecida

É um método introduzido por Harriot. Consiste nos seguintes passos:

1. colocação do controlador em automático.

2. eliminação das ações integral (ajuste de Ti infinito) e derivativa (ajuste do Td

zero). 3. com um ganho arbitrário, provocação

de uma pequena variação, tipo degrau e observação da resposta.

4. ajuste da banda proporcional do controlador de modo a se obter uma curva de resposta com amortecimento de 1/4 ou de 4:1. Amortecimento de 1/4

significa que a amplitude de uma oscilação vale cerca de 4 vezes a amplitude da oscilação seguinte. Quando se tem uma oscilação decrescente e se tomam dois picos consecutivos, a amplitude do primeiro pico é 4 vezes maior que a amplitude do segundo pico. O pico seguinte é atenuado por um fator de 4.

5. ajustar os modos integral e derivativo, de modo que:

Ti = 0,667 P Td = 0,167 P

onde P é o período de oscilação para o ganho que provoca a atenuação 4:1

As desvantagens desse método são: 1. o método da oscilação amortecida é de

tentativa e erro, portanto, requer paciência e experiência.

2. o método requer uma perturbação ao processo.

Método Final

Foi um método desenvolvido em 1942, por Ziegler e Nichols. É chamado de método final porque o seu uso requer a determinação do ganho e do período finais. É chamado de ganho final, Gf, o máximo do valor do ganho permissível para o controlador, com apenas o modo proporcional, para o sistema permanecer estável. O período final, Pf, é o período da oscilação da resposta com o ganho ajustado em Gf.

Os procedimentos do método de sintonia final são:

1. colocação das ações integral e derivativa em zero, deixando o controlador proporcional : Ti infinito e

Td zero.

2. colocação do controlador em automático

3. provoque uma pequena perturbação ao processo, variando o ponto de ajuste rapidamente e durante um pequeno intervalo de tempo. Deve se observar o comportamento da medição da variável controlada.

4. repete-se o passo seguinte, alterando sucessivamente a banda proporcional do controlador, até obter uma oscilação constante na medição. Esse ponto correspondente ao ponto de ganho igual a um. O processo está no limite de sua instabilidade. Anotam-se os valores da banda proporcional e do período de oscilação.

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5. finalmente, ajustam-se os valores dos parâmetros do seguinte modo, dobrando-se o valor da banda proporcional, ou se divididno por 2 o valor do ganho:

BPf = 2 BPc

ou

Gf = 0,5 Gc

onde BPf é a banda proporcional final, a ser

ajustada no controlador BPr é a banda proporcional que provoca

oscilações constantes ou Gf é o ganho final, a ser ajustado no

controlador Gc é o ganho que corresponde ao processo

com oscilações não atenuadas nem crescentes, mas com amplitudes constantes.

Quando se usa o modo integral associado ao modo proporcional, deve se aumentar a largura da banda proporcional. Os valores a serem ajustados no controlador P + I são:

BPf = 2,2, BPc Ti = 0,83 Pc

onde Pc é o período da oscilação permanente. Finalmente, quando o controlador possui os

três modos de controle, P + I + D, os ajustes são:

BPf = 1,67 BPc Ti = 0,5 Pc Td = 0,125 Pc

Note-se que a introdução da ação derivativa possibilitou o estreitamento da banda proporcional, portanto, melhoramento a sensibilidade do controlador. A ação derivativa permite, também, uma maior ação integral ao controlador.

As desvantagens desse método de sintonia são as mesmas que o método anterior. Aliás, calcular a banda proporcional que provoca oscilações com amplitudes constantes e dobrar essa banda proporcional, na realidade, também provoca amortecimento de 4:1.

Como o anterior, o método do ponto final: 1) é um método iterativo, de tentativa e

erro, que consome tempo e requer paciência e habilidade.

2) também provoca distúrbio ao processo. 3) Método da Estabilidade Limite

4) O roteiro prático para a sintonia do controlador proporcional é o seguinte:

5) manualmente, atua se no processo para que a saída do controlador fique em 50%.

6) com o processo estabilizado, operando na condição mais comum e com o controlador em automático, ajusta se a banda proporcional na valor máximo. Provoca se uma pequena variação (cerca de 1 a 2%) no ponto de ajuste e observa se a resposta do controlador. Como ele esta com o ganho quase zero ele praticamente não responde ao distúrbio e o erro quase não é corrigido.

7) diminui se a banda proporcional e provoca se novamente uma pequena variação no ponto de ajuste. Agora o controlador já responde melhor ficando um desvio permanente menor.

8) diminui se sucessivamente a banda proporcional e provoca se um pequeno distúrbio no ponto de ajuste. O desvio permanente diminui cada vez mais, até atingir um valor limite.

9) chega se a uma banda proporcional que provoca uma oscilação senoidal estável, com amplitude máxima constante. Este é o ponto de ganho total igual a 1. O processo está oscilando na sua frequência natural. [Não se deve confundir o ganho total do sistema com o ganho do controlador. O ganho do controlador pode ser ajustado tipicamente entre 5 e 0,2].

10) observa se no dial qual o valor da banda proporcional que provocou a oscilação constante e ajusta-o no dobro deste valor. Matematicamente, quando se dobra a banda, divide se pela metade o ganho do controlador. O ganho total da malha fechada é igual a 0,50.

11) quando se provocar um novo distúrbio no ponto de ajuste o processo ira responder com uma oscilação com taxa de amortecimento de 4 para 1.

Quando se tem o controlador P + I , o procedimento é quase o mesmo, com as seguintes diferenças;

1) inicialmente deve se retirar toda a ação integral do controlador, ajustando se o dial no máximo se os ajustes são em tempo por repetição ou em zero, se são em repetição por tempo.

2) quando se atingir a oscilação constante, provocada por um ajuste crítico da banda proporcional, deve medir e anotar o período de oscilação, além da banda proporcional. O ajuste

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do tempo integral deve ser função deste tempo correspondente ao período natural de oscilação do processo. Este período deve ser anotado no controlador para uso futuro, para distinguir a causa de uma eventual oscilação.

3) os ajustes do controlador agora são também diferentes. A adição da ação integral tornou o controlador menos estável ou mais sensível. Para compensar isso, o ajuste da banda proporcional deve ser mais conservador. Então, em vez de ajustar a banda proporcional em 2,0 vezes o valor da banda que provocou a oscilação constante, ajusta se, por exemplo, em 2,2 vezes o valor da banda proporcional crítica, o que corresponde a um ganho total de aproximadamente 0,45. Neste caso, para a mesma margem de ganho, tem se um ganho do controlador menor. O tempo integral é ajustado em 0,50 o período natural de oscilação do processo.

Finalmente, quando se tem um controlador proporcional mais integral mais derivativo, a filosofia é a mesma, exceto no seguinte:

1. a adição da ação derivativa torna o controlador mais estável que o P+I e até que o P. Por isso, o ajuste definitivo da banda proporcional pode ser menor que 2 vezes a banda proporcional crítica. Tipicamente, ajusta se a banda proporcional em 1,80 , o que corresponde a um ganho total aproximado de 0,55. Neste caso, para a mesma margem de ganho, tem se um ganho do controlador maior.

2. tempo integral é ajustado para 0,67 do período natural e o tempo derivativo é ajustado em 0,125 do período natural de oscilação do processo.

Esta flexibilidade e este grau de liberdade em escolher os valores de sintonia do sistema de controle permitem que haja vários valores diferentes para os ajustes do controlador, tais como os de Ziegler & Nichols, de Murril & Smith, de Cohen & Coon e de Shinskey.

Fig. 29. Valores de Ziegler-Nichols

8.6. Ajustes Típicos

A maioria das malhas é sintonizada, na prática, pelo ajuste dos modos, a partir de valores típicos iniciais. Os ajustes são depois feitos finamente por tentativa e erro, observando-se a resposta da malha fechada.

A Tab. 1 dá os ajustes típicos dos modos de controle para vários tipos de malhas. Estes ajustes assumem que o instrumentação já tenha selecionado a válvula de controle, a faixa de medição do sensor ou do transmissor.

As malhas de pressão de gás e nível de liquido tipicamente tem uma resposta integrante. O modo integral deve ser evitado, a não ser que também se possa usar o modo derivativo. Nenhum destes modos é necessário para banda proporcional menor que 10%. As malhas de pressão de gás de fornalha e secador são freqüentemente ruidosas e tem alto ganhos da medição, desde que a faixa calibrada é muito estreita. Tais malhas de pressão requerem grandes bandas proporcionais (pequenos ganhos do controlador). As malhas de nível de liquido em colunas de distinção e níveis de balão da caldeira podem ter ruído e tem um ganho não linear (resposta inicial inversa da resposta final). As malhas de nível de liquido com borbulhamento podem ter ruído e requerem uma larga banda proporcional.

Tab. 1. Ajustes Típicos dos Modos do Controlador

8.7. Recomendações para sintonia

Para maximizar o desempenho da malha 1. Minimizar o tempo morto, quando ele

aparecer na malha. 2. Maximizar todas as constantes de

tempo do instrumento. 3. Maximizar a maior constante de tempo

de realimentação negativa no processo auto-regulante.

4. Minimizar todas as constantes de tempo da realimentação negativa menores que a maior constante de tempo no processo auto-regulante.

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5. Minimizar todas as constantes de tempo da realimentação negativa no processo não auto-regulante.

6. Maximizar a constante de tempo de realimentação positiva no processo não auto-regulante.

7. Minimizar os ganhos do processo, integrador e do distúrbio.

8. Maximizar a constante de tempo do distúrbio e o intervalo de tempo.

9. Minimizar os ajustes da banda proporcional e do tempo integral do controlador.

10. Maximizar o ajuste do tempo derivativo do controlador.

Para estimar os ajustes do modo e do desempenho da malha:

1. Medir pelo teste da malha aberta ou estimar pelo uso das equações, os tempos mortos, as constantes de tempo e os ganhos do processo, distúrbio e instrumentos. Se a medição é ruidosa, estimar a constante de tempo do filtro ou a banda proporcional necessária para a atenuação.

2. Converter cada uma das constantes de tempo menores do que a maior constante de tempo da realimentação negativa na malha para o equivalente tempo morto.

3. Somar todas os tempos mortos equivalentes na malha.

4. Somar todas as constantes de tempo da realimentação negativa na malha e subtrair da soma total dos tempos mortos equivalente.

5. Somar todos os tempos mortos puros na malha e adicionar a este total a soma dos tempos mortos equivalentes.

6. Usar a constante de tempo total da realimentação negativa (passo 4) e o tempo morto total da malha (passo 5), para os processos auto-regulante, integrante ou com realimentação positiva, para estimar o período natural do processo.

7. Usar a constante de tempo da realimentação negativa (item 4) e o tempo morto total da malha (item 5) para os processos auto-regulante, integrante e de realimentação positiva, para estimar a banda proporcional. Usar o ajuste da banda proporcional (item 1) para atenuação do ruído, se o ruído for alto. Para processos de realimentação positivo, dividir a banda proporcional máxima pela metade da banda proporcional para estimar a largura da banda proporcional.

8. Usar o período natural (item 6) para um controlador PI ou PID, para estimar o tempo integral.

9. Escolher os ajustes do modo do controlador disponível que estejam mais próximos dos valores estimados. Lembrar de inverter o tempo integral, se o ajuste do modo integral é em termos de repetições por minuto.

10. Estimar o erro máximo e o acumulado pelas equações teóricas. Se a maior constante de tempo do instrumento for maior do que a maior constante de tempo da realimentação negativa no processo, multiplicar os resultados pela relação desta constante de tempo do instrumento para a constante de tempo do processo.

11. Se os erros forem muito grandes, investigar a possibilidade de controle de cascata para isolar os distúrbios ou o controle feedforward para distúrbios mensuráveis.

9. Conclusão

O sucesso de uma malha de controle depende principalmente da escolha correta das ações e de sua sintonia. Para sintonizar adequadamente a malha de controle deve-se considerar:

A malha nunca deve ser sintonizada para oscilar – o controle deve ser suave.

Cada malha deve ser sintonizada para uma determinada velocidade de resposta ditada pela estratégica coordenada de sintonia da planta.

O mesmo método deve ser aplicado a todas as malhas da planta.

O método de sintonia deve identificar as dinâmicas do processo e as não linearidade do atuador combinada com a não linearidade do processo.

A sintonia deve ser robusta para todas condições de operação do processo.

A sintonia é basicamente um compromisso entre velocidade de resposta e oscilação do processo.

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6. Multivariável Objetivos de Ensino

1. Revisar os conceitos de realimentação negativa. 2. Apresentar conceito, objetivos, vantagens, limitações e aplicações das várias estratégias de

controle multivariável, tais como a) Cascata b) Auto seletor c) Preditivio antecipatório (feedforward d) Relação de vazões e) Faixa dividida

1. Introdução

A malha de controle a realimentação negativa (feedback) convencional com entrada única e saída única (SISO - single input-single output) é o núcleo seminal da maioria das estruturas de controle de processo. Porém, foram desenvolvidas estruturas mais complexas que podem 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.

Os sistemas incluem: 1. Realimentação negativa 2. Cascata 3. Auto-seletor 4. Preditivo antecipatório 5. Relação de vazões 6. Faixa dividida

2. Realimentação negativa

O objetivo do controle com realimentação negativa é controlar uma variável medida em um valor desejado, chamado de ponto de ajuste. Os estados operacionais são automático e manual. Os parâmetros operacionais são o ponto de ajuste (manual ou automático) e a saída (em automático ou manual).

Os valores monitorados são o ponto de ajuste, a medição da variável proveniente de um sensor ou transmissor e a saída para manipular o elemento final de controle. (monitorar não significa necessariamente indicar.)

Fig. 8.1. Esquema da realimentação negativa

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).

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A saída deve alterar a variável controlada, que também é a variável medida. O estado da variável medida é realimentado para o controlador para a devida comparação e atuação.

Na realimentação negativa, a variabilidade da variável controlada é diminuída, às custas do aumento da variabilidade da variável manipulada.

O controle a realimentação negativa pode ser realizado com uma malha com seis componentes ou por uma única válvula auto-regulada de pressão

Na malha de controle convencional, os instrumentos podem ser pneumáticos, eletrônicos analógicos ou eletrônicos microprocessados. É irrelevante também se as variáveis medida e manipulada sejam 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. 8.2. Malha de controle de vazão

Na malha de controle de vazão da Fig. 8.2,

a vazão é sentida pela placa (FE), que gera um sinal de pressão diferencial proporcional ao quadrado da vazão. O sinal é transmitido (FT), extraída a raiz quadrada (FY-A) e finalmente chega ao controlador (FIC). Este sinal de medição é comparado com o ponto de ajuste 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 do válvula. No mecanismo há um ajuste do valor da pressão a ser controlado. Automaticamente a válvula vai para a posição correspondente à pressão ajustada. 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.

Fig. 8.3. Reguladora de pressão Nos dois sistemas sempre há: 1. medição da variável controlada 2. ajuste do valor desejado 3. comparação entre medição e ajuste 4. atuação para tornar medição igual ao

ponto de ajuste Enquanto a medição estiver igual ao ponto

de ajuste (situação ideal), a saída do controlador está constante (cuidado! Não é igual a zero!). Só haverá atuação (variação na saída) quando ocorrer variação entre medição e ponto de ajuste.

A maioria absoluta dos sistemas de controle se baseia no conceito de realimentação negativa. Embora seja lento e susceptível à oscilação, ele é o mais fácil de ser realizado. A minoria dos sistemas utiliza outras estratégias de controle ou combinação de várias malhas a realimentação negativa. O advento da instrumentação microprocessada (chamada estupidamente de inteligente) permite a implementação econômica e eficiente de outras técnicas de controle, que serão vistas a seguir.

Multivariável

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3. Controle Cascata

3.1. Introdução

O controle cascata é um dos métodos mais bem sucedidos para melhorar o desempenho de controle de uma única malha. Ele pode melhorar muito o desempenho de controle reduzindo o máximo desvio e o erro integral para respostas ao distúrbio. Seu cálculo é simples e sua implantação é fácil e pode ser aplicado para uma grande variedade de processos.

A melhoria do desempenho de controle tira vantagem de uma informação extra para melhorar o desempenho do sistema de controle PID. A cascata usa uma medição adicional de uma variável de processo para assistir no sistema de controle. A seleção das variáveis do sistema de controle de cascata é crítica para o sucesso da aplicação.

Uma malha de controle cascata tem dois controladores com realimentação negativa, com a saída do controlador primário (mestre) estabelecendo o ponto de ajuste variável do controle secundário (escravo). A malha secundária é também chamada de interior ou interna e a primária de malha exterior ou externa. A saída do controlador secundário vai para a válvula ou o elemento final de controle. O controle cascata é constituído de dois controladores normais e uma única válvula de controle, formando duas malhas fechadas. Só é útil desdobrar uma malha comum no sistema cascata quando for possível se dispor de uma variável intermediária mais rápida.

A Fig. 8.7 é um diagrama de blocos do conceito de controle de cascata, mostrando as medições (primária e secundária), o ponto de ajuste do primário estabelecido manualmente e o ponto de ajuste do secundário estabelecido pela saída do controlador primário.

Fig. 8.7. Diagrama de blocos do controle cascata

3.2. Conceito

O controle em cascata divide o processo em duas partes, duas malhas fechadas dentro de uma malha fechada. O controlador primário vê uma malha fechada como parte do processo. Idealmente, o processo deve ser dividido em duas metades, de modo que a malha secundária seja fechada em torno da metade dos tempos de atraso do processo. Para ótimo desempenho, os elementos dinâmicos no processo devem também ser distribuídos eqüitativamente entre os dois controladores.

É fundamental a escolha correta das duas variáveis do sistema de cascata, sem a qual o sistema não se estabiliza ou não funciona.

1) a variável primária deve ser mais lenta que a variável secundária.

2) a resposta da malha do controlador primário deve ser mais lenta que a do primário.

3) o período natural da malha primária deve ser maior que o da malha secundária.

4) o ganho dinâmico da malha primária deve ser menor que a da primária.

5) a banda proporcional do controlador primário deve ser mais larga que a do controlador secundário.

6) a banda proporcional do controlador primário deve ser mais larga que o valor calculado para o seu uso isolado,

Quando os períodos das malhas primária e secundária forem aproximadamente iguais, o sistema de controle fica instável, por causa das variações simultâneas do ponto de ajuste e da medição da malha secundária.

Usualmente, o controlador primário é P+I+D ou P+I e o secundário é P+I.

As combinações típicas das variáveis primária (P) e secundária (S) no controle em cascata são:

1) temperatura (P) e vazão (S), 2) composição (P) e vazão (S), 3) nível (P) e vazão (S), 4) temperatura (P) e pressão (S) e 5) temperatura lenta (P) e temperatura

rápida (S). Quando o controlador secundário é de

vazão e recebe o sinal de um transmissor de pressão diferencial associado a placa de orifício, deve se usar o extrator de raiz quadrada, para linearizar o sinal da vazão, a não ser que a vazão esteja sempre acima de 50% da escala.

Quando se tem controle de processo em batelada ou quando o controlador secundário está muito demorado, pode ocorrer a saturação do modo integral. Um modo de se evitar esta

Multivariável

106

saturação é fazendo uma realimentação externa do sinal de medição do controlador secundário ao circuito integral do controlador primário. Em vez do circuito integral receber a realimentação do sinal de saída do controlador, ele recebe a alimentação do sinal de medição do controlador secundário.

Tab. Controle cascata

3.3. Objetivos

Há dois objetivos do controle cascata: 1. eliminar os efeitos de alguns distúrbios

(variações da carga próximas da fonte de suprimento)

2. melhorar o desempenho dinâmico da malha de controle, reduzindo os efeitos do atraso, principalmente do tempo morto.

3.4. Vantagens

As vantagens do sistema de cascata são: 1. os distúrbios que afetam a variável

secundária são corrigidos pelo controlador secundário, que é mais rápido, antes que possam influenciar a medição primária.

2. o atraso de fase existente na parte secundária é reduzido pela malha secundária, melhorando a velocidade de resposta da malha primária.

3. a malha secundária permite uma manipulação exata da vazão de produto ou energia pelo controlador primário.

3.5. Saturação do modo integral

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 secundária 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 secundária voltar à normalidade.

O que se fez, realmente, nessa nova configuração foi incluir a resposta dinâmica da malha secundária 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 secundária 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, obrigatoriamente, a ação integral, para eliminar sempre o desvio permanente.

Aplicações

Para ilustrar as vantagens do controle cascata e o efeito da rejeição do distúrbio, serão analisadas algumas malhas típicas de controle de cascata usadas na indústria.

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3.2. Nível com vazão

A malha de controle de nível manipulando a vazão de entrada do tanque pode ser melhorada colocando-se um controlador de vazão cascateado pelo controlador de nível.

Quando o controlador de nível cascateia o controlador de vazão, os distúrbios que ocorrem na malha de vazão são eliminados antes de atingir a malha de nível, melhorando o desempenho do controle da malha de nível.

Fig. 1.1. Malha de nível convnencional Fig. 1.1. Malha de vazão cascateada pela

malha de nível, melhorando o desempenho do controle de nível

3.3. Temperatura com 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 pois é feita através da malha de temperatura. 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. Coloca-se um 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.

Fig. 1.1. Controlador de temperatura

cascateando o controlador de pressão

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3.3. Temperatura com 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 primária e a temperatura do aquecimento externo como a secundária. Quando houver variações na temperatura da jaqueta, a correção é feita diretamente pelo controlador secundário.

No controle cascata a temperatura do vaso (mais lenta) cascateia a temperatura da jaqueta (mais rápida). Quando houver distúrbio no vapor fazendo a temperatura da jaqueta cair, o controlador secundário corrige esta variação mais rapidamente que o controlador primário.

Fig. 8.11. Controle de temperatura convencional Fig. 8.12. Controle cascata temperatura –temperatura

3.4. Posicionador da válvula para controle de nível

Quando o nivel de liquido em um tanque é controlado por uma válvula de controle na saída, a colocação de posicionador nesta válvula forma realmente uma malha de controle cascata. Isto é desejável porque a posição dos internos da válvula é afetada por outros fatores além do sinal de controle, como atrito e pressão do processo. Variações na pressão da tubulação podem causar uma variação na posição e portanto distúrbio na variável primária, o nível. Atrito na haste da válvula pode ter um efeito pior ainda, provocando histerese no deslocamento da haste. Histerese na válvula significa que o sinal do controlador não tem mais uma correspondência biunívoca com a posição da haste da válvula. Histerese sempre degrada o desempenho do controle da malha de nível, principalmente se o controlador tiver ação integral. A combinação da natureza integrante do nível e a ação integral do controlador com histerese causa um ciclo limite, que resulta em oscilação com amplitude constante. Ajuste dos parâmetros de sintonia do controlador não amortecem este cilco limite mas apenas muda sua amplitude e período de oscilação. O único meio de superar este ciclo limite é colocar um posicionador que constitui o controlador secundário da malha cujo controlador de nível é primário.

Fig. 1.1. Controlador de nível cascateando

o controlador de posição (posicionador)

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5. Controles chaveados

Os conceitos de controle chaveados são: 1. seletivo 2. estrutura variável 3. seletor (alta ou baixa) O controle seletivo envolve um

chaveamento na entrada do controlador, que recebe o sinal de dois transmissores de análise. Quando um deles falha, o outro assume a função de enviar o sinal de medição.

Fig. 8.18. Controle chaveado O controle de estrutura variável permite o

controlador TIC controlar o processo com uma válvula TVA, até que a pressão atinja valor perigoso. Agora o controlador de pressão assume o controle da válvula principal e o controlador de temperatura atua na válvula secundária, TVB. Também é necessária a realimentação externa ao modo integral ao PIC, para evitar a saturação da saída (não é necessária a realimentação ao TIC pois ele sempre está operando).

Todo esquema de controle seletor chaveado inclui um seletor de sinais.

Fig. 8.19. Controle auto seletor, com proteção contra saturação do modo integral

6. Controle Auto-Seletor

6.1. Conceito

O controle auto-seletor é também chamado de controle seletivo, controle limite, override ou cut-back.

Há situações onde a malha de controle deve conhecer outras variáveis controladas, por questão de segurança e controle. Isto ocorre principalmente em plantas altamente automatizadas, onde o operador não pode tomar todas as decisões nas situações de emergência, partida e de parada do processo.

Fig. 8. 20. Controle auto seletor: uma malha de controle é selecionada entre várias malhas

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 assume 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.

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6.2. Aplicação: nível e vazão

O conceito de controle seletivo ou auto seletor é explicado pelo 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, que faz uma transição suave de um sinal de entrada para outro. A função seletora deste relé pode ser incorporada ao circuito do controlador.

Fig. 1.1. Sistema de controle auto-seletor 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.


O sistema de controle auto seletor 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 podem 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.

6.4. 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.

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 os 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.

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.

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Fig. 8.21. Realimentação externa para evitar

saturação do modo integral dos controladores Quando se tem os controladores

eletrônicos, basta prove-los com a opção de realimentação externa. Quando se usam controladores pneumáticos e vários seletores de sinais é possível, através de ajustes convenientes nos seletores, se conseguir 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.

6.5. 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.

3) para otimizar o controle do sistema, de modo que a variável com valor mais próximo do valor crítico seja a responsável pelo controle. Tem-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 da mesma natureza que os sinais de saída dos controladores.

5) o seletor de sinais, no caso seletor do sinal mínimo. Quando o equipamento é pneumático, é necessário se utilizar de vários reles, pois o relé pneumático só pode receber dois sinais simultâneos nas entradas.

6) a válvula de controle, com ação ar-para-abrir.

7) como os controladores possuem a ação integral e para impedir que os modos integrais saturem, todos os controladores devem possuir a opção extra de realimentação externa ao modo integral. O sinal da saída do relé seletor, que vai para o elemento final de controle, deve ser realimentado externamente a todos os controladores. Fig. 8.9. Controle auto seletor de compressor

Multivariável

112

7. Controle de Relação (Ratio)

7. 1. Conceitos

O controle de relação é também chamado de razão, fração ou proporção. O controlador de fração de vazões ou de relação de vazões é simbolizado com o tag FFC ou FrC.

O controle relação é freqüentemente parte de uma estrutura de controle feedforward; há quem considere o controle de relação como um sistema de controle elementar de feedforward. O controle de relação é um sistema unitário de controle, com a função de manter uma proporção fixa e determinada entre duas variáveis, normalmente duas vazões. Exemplos comuns industriais incluem:

1. manter uma relação de refluxo constante em um coluna de destilação,

2. manter quantidades estequiométricas de dois reagentes sendo alimentados em um reator,

3. purgar fora uma percentagem fixa de um jato de alimentação de uma unidade,

4. misturar dois produtos, como gasolina e álcool numa relação constante.

5. m sistema é considerado de controle de relação quando:

6. as duas variáveis X e Y são medidas 7. apenas uma das duas variáveis é

manipulada, por exemplo X, 8. a variável realmente controlada é a

relação K entre as duas variáveis X e Y. O controle de relação (geralmente de

vazões) é aplicado para regular misturas ou quantidades estequiométricas em proporções fixas e definidas.

O objetivo do controle de relação é ter uma relação controlada fixa entre as quantidades de duas substâncias, como

rB

A

Assim, é possível se ter A = r B ou então

Ar

1B

Fig. 8.23. Diagrama de blocos do controle de relação

Blending é uma forma comum de controle de relação envolvendo a mistura de vários produtos, todos em proporções definidas. A Fig. 8.9 mostra o diagrama de blocos do conceito de controle de relação. A álgebra é feita fora do controlador para evitar problemas de ganho e, como conseqüência, de estabilidade.

No controle de relação de duas vazões, uma vazão necessariamente deve variar livremente e a outra é manipulada. Quando se tem o controle de relação de várias (n) vazões, uma delas deve ser livre e as (n-1) são manipuladas. Enfim, sempre deve haver um grau de liberdade, no mínimo.

Os estados operacionais dependem da aplicação. Quando se tem várias malhas, é possível tirar algumas do modo relação e operá-las independentemente. É possível também se manter a relação, mesmo com a malha em manual. Os parâmetros operacionais dependem da aplicação.

Os valores monitorados são o ponto de ajuste (relação) e os valores medidos das duas vazões.


A maioria das aplicações se refere ao sistema de relação de vazões ou de quantidades. O sistema pode envolver mais de duas substâncias.

Para se evitar os problemas de não-linearidade e as variações do ganho, o calculo da relação deve estar fora da malha de controle. O ponto de ajuste passa a ser a relação desejada

r = KY

se X for a variável controlada. Ou então,

r= Y/K se Y for a variável controlada. Tipicamente, o ganho ou a relação de uma

estação de relação é ajustado entre 0,3 a 3,0. A soma das relações deve ser sempre constante, de modo que quando um componente aumenta o outro deve diminuir correspondentemente. A soma das relações é sempre igual a 100%, ou na forma normalizada, igual a 1,0. Quando as medições das vazões são feitas através das placas de orifício, a relação entre a pressão diferencial e a vazão é não-linear, o ganho da estação de relação é o quadrado do ajuste de relação. Portanto, o ajuste de relação é a raiz quadrada do ganho e, portanto, variável entre 0,6 a 1,7.

Multivariável

113

O controle de relação é conseguido por dois esquemas alternativos, com um divisor ou com um multiplicador. No esquema com o divisor, as duas vazões são medidas e sua relação é computada por um divisor. A saída do divisor entra em um controlador PI convencional como um sinal de medição do processo. O ponto de ajuste do controlador de relação é a relação desejada. A saída do controlador vai para a válvula na variável manipulada que altera uma vazão, mantendo constante a relação das duas vazões. Este sinal computado pode também ser usado para acionar um alarme ou um interlock.

Fig. 8.26. Controle de Relação de Vazões No esquema com o multiplicador, a vazão

livre é medida e este sinal é multiplicado por uma constante, que é a relação desejada. A saída do multiplicador é o ponto de ajuste de um controlador com ponto de ajuste remoto. A faixa típica do multiplicador é de 0 a 2,0.

O controle de relação deve ter todos os componentes da malha montados próximos um do outro e os tempos de respostas devem ser os menores possíveis. Uma variação na variável não controlada deve ser detectada imediatamente pela controlada.

O controle de relação pode ser considerado como um caso simplificado de controle preditivo antecipatório. As medições são feitas na entrada do sistema e as variações da vazão não-controlada causam a mudança da variável controlada. A vazão misturada (variável controlada) não é medida.

A vazão não-controlada para o controle de relação pode ser controlada independentemente ou manipulada por outro controlador, que responda a outras variáveis.

Ambas as vazões devem estar nas mesmas unidades.

Ambos os sinais devem ser da mesma natureza (pneumático ou eletrônico), da mesma relação matemática (linear ou raiz quadrada) e os transmissores devem possuir a mesma rangeabilidade.

Há diferentes tipos de controle, quanto as parcelas com relação controlada. Assim, pode se ter:

1. relação fixa de duas partes, sendo ambas as variáveis de vazão medidas e somente uma vazão é controlada. A variável secundária é controlada numa proporção direta com uma variável primária não controlada. Como extensão, podem ser misturados até n componentes, sendo necessárias (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 secundária é controlada numa direta com a quantidade de uma variável primária 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.

7.3. 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 'e usado quando se quer saber continuamente a relação entre as vazões. O sinal da relação pode ser usado para alarme, override ou intertravamento.

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114

Fig. 8.27. 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. 8.28. Controle de relação com multiplicador

4. Controle de Faixa Dividida

4.1. Conceito

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).

Fig. 8.10. Controle de faixa dividida 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.

4.2. Aplicações

Aquecimento e resfriamento

A Fig. 8.12 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

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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. Fig. 8.12. Controle de faixa dividida: resfriamento e

aquecimento

Temperatura com dois combustíveis

Também há aplicações envolvendo o aquecimento por dois combustíveis, onde a primeira válvula A(do combustível mais barato) é atuada pela saída do controlador, indo de 0 a 100% de abertura. Depois de totalmente aberta, a segunda válvula B (do combustível mais caro) começa a atuar, indo também de 0 a 100%. Neste caso, pode-se ter as duas válvulas totalmente fechadas (no início do processo) ou totalmente abertas, (no máximo aquecimento) simultaneamente.

Fig. 8.13. Controle de faixa dividida: dois combustíveis

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116

8. Controle Feedforward

8.1. Introdução

Alguns assuntos da área de teoria de controle de processo são conhecidos apenas pelo ouvir dizer. As pessoas, mesmo as do ramo, sabem de sua existência, conhecem superficialmente alguns conceitos, mas não passam disso. Certamente o controle preditivo antecipatório (feedforward) é um desses assuntos, que o pessoal considera muito complicado e avançado para ser aplicado no controle do processo de seu interesse.

O autor traduziu livremente o termo feedforward como preditivo e antecipatório. Na literatura técnica esse tipo de controle é chamado indistintamente de preditivo e de antecipatório. Ambos os nomes são justificados e fazem sentido: a ação preditiva do controlador antecipa o aparecimento do erro no sistema. No presente trabalho, mesmo parecendo uma redundância, serão usados os dois nomes simultaneamente.

A maioria das estruturas de sistema de controle usa o conceito de realimentação negativa (feedback). Um erro deve ser detectada na variável controlada antes do controlador tomar uma ação corretiva para a variável manipulada. Assim, os distúrbios devem perturbar o processo antes que o controlador possa fazer algo.

Parece muito razoável que, se pudesse detectar um distúrbio entrando no processo, se começasse a corrigir o antes que ele perturbasse o processo. Esta é a idéia básica do controle preditivo antecipatório (feedforward). Se for possível medir o distúrbio e envia-se este sinal através de um algoritmo de controle preditivo antecipatório que faça correções apropriadas na variável manipulada de modo a manter a variável controlada próxima de seu ponto de ajuste.

O controle preditivo antecipatório necessita de ferramentas matemáticas especificas, para ser realizado quantitativamente.

8.2. Funções Básicas

As principais funções do controle preditivo antecipatório são:

1. detectar os distúrbios quando eles entram no processo e afetam a variável controlada

2. fazer computações matemáticas com esses dados e outros arbitrariamente estabelecidos

3. fazer compensação dinâmica do tempo de resposta, considerando as características dinâmicas do processo

4. prever o comportamento da variável controlada e estabelecer o valor e a ocasião a ser aplicada da ação de controle e

5. manipular as variáveis do processo, de modo que as variáveis controladas da saída sejam mantidas constantes e iguais aos pontos de ajuste estabelecidos.

Deve se tomar cuidado de não confundir os conceitos de ação derivativa do controlador convencional e de controle preditivo antecipatório. A ação derivativa do controlador também apressa a ação corretiva do controlador e, freqüentemente, é chamada de ação antecipatória. Porém, ela será sempre uma ação corretiva, só atuando após o aparecimento do erro. Em resumo: a ação derivativa melhora a resposta dinâmica do controlador, porém, o princípio de atuação é totalmente diferente daquele do controle preditivo antecipatório.

8.3. Partes Fundamentais

As partes fundamentais do controle antecipatório são:

1. a medição da variável de processo, através de transmissores ou diretamente do processo,

2. o mecanismo de computação matemática, que manipula o valor da medição, recebe outros dados externos ao processo, como equações termodinâmicas, tabelas de dados,

3. o controlador do processo, que gera um sinal automático, relacionado com o valor da medição e das equações matemáticas de balanço de energia e de massa,

4. o elemento final de controle, ligado diretamente ao processo e recebendo o sinal do controlador,

5. o processo, que fecha a malha de controle.

Além das medições das variáveis na entrada do processo, há uma predição do resultado, após a computação matemática do valor medido nas equações fornecidas ao computador. Há um prognostico, como no controle de malha aberta e há uma ação corretiva, baseada na medição e no programa, como no controle de realimentação negativa.

Multivariável

117

Tab. 1. Fig. 3.11. Malha de controle feedforward

Fig. 3.12. Malhas de controle feedforward e feedback


As principais características do controle preditivo antecipatório são: 1. a ação do controlador é preditiva, baseada

em um prognostico. O controlador não espera que o desvio entre a medição e o ponto de ajuste seja detectado, através do processo, para atuar na variável manipulada. A atuação é feita no momento mais adequado, de modo que não haja aparecimento do erro. A variável manipulada é atuada antes que os distúrbios, principalmente a variação de carga do processo, afetem a variável controlada.

2. o controlador prevê quanto de ação deve ser aplicada e quando é mais conveniente. Geralmente se fala que o controlador toma uma providência imediata. Será visto mais tarde que, há aplicações, onde a ação é proposital e artificialmente adiantada ou atrasada.

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. 3.13. Diagrama de blocos do sistema de controle preditivo antecipatório (feedforward)

Multivariável

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8.5. 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, por que não foram consideradas. Todo distúrbio que afete a variável controlada deve ser detectado e medido; 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 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.

8.6. Comparação com o Feedback

Semelhanças

Mesmo sendo conceitualmente diferentes, a malha de controle com realimentação negativa possui algumas características comuns a malha de controle preditivo antecipatório. Assim,

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

Porém, 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 a 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 consequentemente, há erro na variável controlada. Também. os efeitos das variáveis de entrada não medidas não são compensados pelo controle preditivo antecipatório.

Multivariável

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Tab. 3.1. Feedbacl versus feedforward

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.

8.9. 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).

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.

Multivariável

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7. Sistemas Digitais

1. Introdução

Atualmente, os instrumentos são utilizados em sistemas integrados e completos, que podem ser abertos ou proprietários. Sistema aberto é aquele cujos equipamentos e protocolos de ligação podem ser fornecidos por vários fabricantes diferentes. Sistema fechado ou proprietário é aquele patenteado, que só pode ser fornecido por um unido fabricante. Atualmente, é raro se utilizar instrumentos isolados para a medição, controle, monitoração e automação de algum processo.

A base do sistema de controle é o computador digital, que pode ser de uso geral ou específico. Geralmente, o que determina o tamanho e as características do sistema é o tipo de processo e a aplicação. Os principais sistemas utilizados são: 1. Sistema Digital de Controle Distribuído

(SDCD) 2. Controlador Lógico Programável (CLP) 3. Controle Supervisório e Aquisição de

Dados (SCADA) De um modo resumido pode-se dizer que

se utiliza 1. o SDCD para o controle de processos

contínuos complexos, que incluem muitas malhas de controle PID.

2. o SCADA para controle de processos simples, que tenham muitas operações de liga-desliga.

3. o CLP é utilizado para prover o alarme e intertravamento do processo ou como coletor de dados no sistema SCADA. Assim, o SCDC é aplicado para o controle

e a monitoração de refinarias de petróleo, siderúrgicas e de grandes plantas com controle contínuo, nas áreas de papel & celulose, indústria farmacêutica. O SCADA é usado na monitoração e controle de terminais de óleo e gás, plataformas de petróleo, onde os processos incluem movimentação de fluidos.

Embora o CLP seja um dos componentes do SCADA, ele também é utilizado em combinação com o SDCD, em sistemas complexos. Nessa configuração, o SDCD é responsável pelo controle regulatório e avançado do processo e o CLP é responsável

pelo alarme e intertravamento do mesmo processo. Por questão de segurança e da causa comum, as normas (IEC 61 508 e ISA 84.01) não permitem que um mesmo sistema (por exemplo, o SDCD) seja responsável simultaneamente pelo controle e pela segurança do mesmo processo.

2. Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD)

2.1. Introdução

O primeiro sistema digital de controle distribuído (SDCD) foi lançado no mercado em 1974, pela Honeywell, modelo TDC 2000. Desde então, ele percorre um longo caminho, sempre evoluindo e usufruindo as vantagens inerentes ao avanço tecnológico da eletrônica e da informática. Assim, já há várias gerações de SDCD, com diferenças significativas nos elementos chave de seu sistema, incluindo filosofia de operação, microprocessadores e esquemas de comunicação.

Por conveniência, o SDCD deve ser ligado a instrumentação de campo (transmissores e válvulas) inteligente ou microprocessada. Os benefícios se referem a facilidade de interfaceamento, redução de fiação, melhor desempenho metrológico global, facilidade de rearranjo remoto, possibilidade de diagnostico e redução de custos de compra e calibração dos instrumentos.

A alta densidade de dos módulos de entrada e saída (I/O) pode economizar painéis e espaço em grandes sistemas de SDCD. Também há economia na fiação entre os equipamentos de campo e o SDCD, mesmo quando se tem redundâncias de comunicação, pois uma linha de comunicação redundante através de toda a planta custa muito menos do que centenas ou até milhares de fios individuais entre o campo e a sala de controle central.

Atualmente, no Brasil, os SDCDs mais usados são da Emerson, Foxboro (Invensys) e Yokogawa. Alguns sistemas antigos foram construídos por fabricantes que agora pertencem a uma destas três grandes

Sistemas Digitais

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empresas. Por exemplo, o SDCD da Fisher Controls, Provox, agora é fabricado pela Emerson, que também fabrica o DeltaV. Outros sistemas menos usados são da Bailey (Infi90), Taylor (Mod300), Fischer & Porter (DCI F&P), Measurex (Vision) e Honeywell (TDC 3000).

Atualmente, todos os sistemas digitais apresentam aproximadamente as mesmas características e capacidades e estão sempre evoluindo, para tirar as vantagens da eletrônica, comunicação digital e informática. Os detalhes e especificações de cada sistema podem ser obtidos facilmente dos fabricantes, inclusive pela internet.

Fig. 4.1. Filosofia do SDCD Fig. 4.2. SDCD com Fieldbus Foundation

2.2. Emerson

O SDCD da Fisher Controls é o Provox©. Os consoles de operação Provue permitem alarme, gerenciamento, controle da variável, opção de tela com toque (touch screen) e interface do operador com os circuitos da área local da planta através da Janela de Aplicação.

A estação de trabalho de engenharia Proflex fornece um método de entrada de formulários de banco de dados relacional implementado em uma Unidade de Aplicação de desktop da Fisher ou de qualquer

computador da DEC VAX/VMS. Depois que a Fisher Controls foi comprada

pela Emerson, um novo sistema digital foi lançado no mercado, chamado DeltaV, que é considerado um sistema híbrido intermediário entre um SDCD e CLP. Aplicação típica de DeltaV é em controle de Unidade de Produção de Gás Natural (UPGN), anteriormente feito com o sistema SCADA, baseado em CLP. Embora mais simples que um SDCD convencional, o DeltaV é também um sistema poderoso e caro. O DeltaV veio para substituir o Provox e é também considerado parte da arquitetura PlantWeb, da Emerson, que apresentou resultados revolucionários nas várias aplicações no mundo.

O DeltaV é um sistema de automação da Emerson Process Managements, que tem o nome derivado da equação de engenharia para aceleração: dv/dt, a mudança da velocidade por mudança de tempo. O sistema DeltaV faz planejamento, engenharia, instalação, comisssionamento, treinamento, operação e manutenção do processo, de modo fácil e acelera o sucesso do usuário, ao melhorar o desempenho de sua planta.

O sistema DeltaV possui barramentos digitais de comunicação e controle avançado incorporado, para facilitar a integração e otimização e aumentar a produtividade da planta. Os protocolos de comunicação podem ser Hart, Fieldbus Foundation e pode também incluir o AMS para facilitar e apressar a calibração, configuração e diagnostico e para oferecer flexibilidade de integração com suporte para outros protocolos como AS-i, DeviceNet e Profibus.

O sistema DeltaV oferece capacidade de acessar a informação através de toda a empresa, com suas tecnologias embutidas de OLE para Controle de Processo (OPC) e XML.Com as ferramentas avançadas de controle embutidas, o DeltaV pode reduzir facilmente a variabilidade do processo e pode oferecer sintonia fácil e sofisticada para calcular e controlar os parâmetros do processo para malhas de controle regulatório PID, lógica Fuzzy e redes neurais.

O DeltaV pode ser usado para fazer o controle do processo e também pode ser o sistema instrumentado de segurança (SIS) para fazer a proteção de outros sistemas digitais de controle. SIS é um sistema composto de sensores, circuitos lógicos e atuadores que opera para levar o sistema para uma condição segura, quando ocorrem determinadas condições previstas. Um SIS com DeltaV é inteligente e pode fazer continuamente o diagnóstico de sensores, sistemas lógicos e elementos finais de controle.

Sistemas Digitais

123

Fig. 7.3. DeltaV usado como SIS Fig.7.4. Sistema DeltaV simples Fig.7.5. Sistema Delta V mais complexo

2.3. Foxboro

Nos equipamentos da série I/A, Inteliggent Automation, tais como medidores de vazão e sistemas de indicação de nível, estão uma parte integral do sistema, permitindo a verificação da manutenção, capacidade de diagnostico e a configurabilidade através do console do sistema. Mais ainda, a comunicação digital continua entre os transmissores e o sistema prove acesso para tal informação como as medições primarias, medições de temperatura por transmissor, diagnósticos, salvo de falha, ajustes de amortecimento, unidades de engenharia, localização física e data da ultima calibração.

Pela integração dos três domínios do controle - continuo, seqüencial e lógico - em um único sistema operacional, a série I/A permite as opções de desempenho, tais como partida e desligamento automáticos de unidades continuas e intertravamento integrados em sistemas de batelada.

A série I/A oferece um sistema de gerenciamento da informação do tipo relacional projetado para ser capaz de tratar com informação de tempo real da planta. Esta base de informação, junto com ferramentas de aplicação de alto nível, fornece capacidade de solução de tempo real.

Fig. 7.6. Sistema IA da Foxboro (Invensys)

Armários cegos do sistema IA

Estação de operação do sistema IA

Sistemas Digitais

124

2.4. Yokogawa

O SDCD da Yokogawa é o Centum, que é disponível em dois modelos diferentes em função do tamanho da aplicação:

CS1000 – para sistema pequeno CS3000 – para sistema grande. Um dos conceitos básicos do Centum

CS1000 é o controle eficiente através de simples operação, combinando a funcionalidade do DCS com a simplicidade de operacional um PC. Ele possui uma poderosa interface com controles amigáveis para operação, controle e manutenção de plantas industriais de médio e pequeno porte

Fig.7.7. Centum CS1000 O CS 3000 é o SDCD da Yokogawa de

grande porte. Ele integra a versatilidade e confiabilidade de seu predecessor série Centum com o ambiente aberto de um computador pessoal. O sistema é de fácil operação, possui mais funções de controle, engenharia eficiente e excelente relação de custo e beneficio.

Suas interfaces abertas permitem a troca de informação com Softwares de Supervisão de Recursos Empresariais (ERP) e Sistemas de Produção (MES), criando um estratégico sistema de informação e administração para sua planta.

Fig. 7.8. Sistema Yokogawa CS3000

3. Controlador Lógico Programável (CLP)

3.1. Conceito

O controlador lógico programável (CLP) é um equipamento eletrônico, digital, baseado em microprocessador, que pode

1. Controlar um processo ou uma máquina

2. Ser programado e reprogramado rapidamente

3. Ter memória para guardar o programa. O programa do usuário (e.g., diagrama

ladder) é inserido no CLP através de microcomputador, teclado numérico portátil ou programador dedicado. Depois de carregado o programa, o programador é desconectado do CLP.

Como o CLP é fácil de projetar e instalar e relativamente barato, quando comparado a um SDCD, ele é o sistema digital default para coletar dados de processo.

O CLP foi projetado para uso em automação de fabrica, quando a operação requeria tarefas muito rápidas, repetitivas, como em linhas de montagem. Estas exigências não são típicas de uma planta de processo, mas há algumas operações que podem usar as capacidades poderosas de um CLP, principalmente as de alarme e intertravamento. O CLP de hoje pode ser muito mais eficiente para executar sequenciamento, operações de alarme e de intertravamento. O controle em tempo real para intertravar motores e equipamentos relativos se tornou muito prático dentro do CLP usado no mundo do controle de processo. Um bom exemplo disto é o controle de processo de batelada com funções de gerenciamento do processo configurado através de um computador pessoal ou estação de trabalho de operação do tipo PC.

O controlador lógico programável varia na complexidade da operação que ele pode controlar, mas ele pode ser integrado em redes de comunicação digitalcom outros CLPs, computadores pessoais, sistemas de analise, sistemas de monitoração de maquinas rotativas e SDCDs, Geralmente, mas nem sempre, estas redes são ponto a ponto, significando que um CLP pode falar com outro diretamente sem ir através de outro equipamento intermediário.

O CLP pode ser uma alternativa, econômica, do SDCD, onde não são envolvidas estratégias de controle de malha de processo sofisticadas. As aplicações típicas de CLP são:

1. Parada e partida de equipamentos 2. Alarme e intertravamento de segurança 3. Movimentação de óleo e gás 4. Engarrafamento e empacotamento

Sistemas Digitais

125

5. Processo de batelada simples As vantagens do CLP são: 1. Excelente capacidade de manipular

lógica, seqüencial e intertravamento 2. Programação ladder de fácil

entendimento 3. Custo baixo, permitindo a

personalização das funções do produto 4. Pode operar em ambiente hostil 5. Altíssima confiabilidade, sendo um

produto comprovadamente fácil de se manter

6. Oferece alto nível de flexibilidade e escalabilidade

7. Possui tamanho compacto e requer pouco espaço

As desvantagens do CLP no controle de processo são:

1. É não determinístico, ou seja, sem habilidade de prever o tempo de resposta, que é desastroso para o controle PID. O CLP é determinístico somente se a interrupção de tempo real for disponível e usada para PID.

2. Limitado em sua capacidade de fazer controle PID contínuo, principalmente em controle multivariável.

3. Dificuldade de implantar técnicas de otimização de controle, tipicamente disponíveis nos SDCDs.

4. Necessidade de computador pessoal para interfacear com os controles de processo e outras operações mais complexas.

5. Não possui interface homem-máquina, requerendo uso de um computador pessoal, quando for necessária esta interface.

6. Necessidade de configurar o CLP em separado da configuração do PC e do SDCD, em sistemas combinados.

7. Geralmente o fabricante de CLP não possui especialistas em controle de processo.

3.2. Construção

O CLP fica condicionado em gabinetes com dimensões adequadas para alojar os seus componentes. O arranjo interno deve permitir o acesso livre aos componentes substituíveis (tipo plug in) para facilitar a manutenção e expansão.

Cada gabinete deve ter uma placa de identificação de acrílico com o número do CLP e do gabinete, fixado por rebites ou parafusos em local visível.

Cada módulo I/O e a fiação interna de todos os módulos do sistema devem ser identificados pelo método padronizado. A

identificação pode fixada com arame, fitas adesivas ou qualquer outro modo aceitável.

Os gabinetes devem ser resistentes à corrosão. Eles devem ser tratados contra corrosão com pintura ou revestimento externo por um processo eletrostático.

A cor de acabamento dos gabinetes geralmente é cinza claro (Munsell 065).

Blocos terminais com fusíveis devem ser usados para sinais analógicos e solenóides.

A fita terminal deve ser separada de acordo com o tipo de sinal (4 a 20 mA, sensores de temperatura a resistência, termopares, sinais discretos de chaves). Os condutores com a alimentação de 127 V ca devem ser igualmente segregados.

A fita terminal deve ter classe de isolação adequada, típica de 750 V.

Os cabos internos devem ser do tipo à prova de chama e de acordo com as cores padronizadas.

3.3. Operação do CLP

Como todo sistema digital, o CLP opera de modo descontínuo, por ciclos de varredura. O CLP recebe sinais do processo através de seus módulos de entrada e atua nos elementos finais de controle através de seus módulos de saída. Esta atuação vai depender do status dos sinais de entrada, do programa (ladder) que o CLP executa e do status dos sinais de saída.

Fig. 7.9. Esquema de funcionamento do CLP

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126

3.4. Varredura do CLP

Embora possa haver pequenas diferenças entre CLPs, especialmente o que eles fazem durante a inicialização, o ciclo de varredura de três passos é sempre o mesmo: 1. Passo de inicialização preprogramado,

que é executado uma vez, sempre que o CLP é colocado em modo de operação (RUN), antes que o três passos do ciclo de varredura sejam executados pela primeira vez.

2. O ciclo de varredura de três passos consistem de: a) Uma varredura de entrada. O CLP lê

os dados de todos os módulos de entrada (adquirindo dados de sensores ligados aos módulos de entrada). Este dado de entrada é colocado em uma área da memória do módulo da CPU reservado para imagens dos dados de entrada

b) Varredura do programa do usuário. O programa de controle escrito pelo usuário é rodado uma vez, do inicio até o fim. O programa contém instruções para examinar dados da imagem de entrada e para determinar que valores o CLP deve colocar nas saídas que vão para os atuadores. O CLP não escreve os dados de saída nos módulos de saída ainda, mas os salva em uma área da memória RAM da CPU reservada para imagens dos dados de saída. O programa do usuário pode examinar e alterar todas as áreas endereçáveis da memória RAM. (Isto significa que os dados de imagem da entrada podem ser alterados pelo programa do usuário e os dados de saída podem ser examinados). Alguma memória RAM não é endereçável, de modo que ela não pode ser alterada pelo programa do usuário. O programa do usuário, por exemplo, não está em uma memória endereçável.

c) Uma varredura de saída. Durante este passo, o CLP copia todos os dados da área da imagem de saída da CPU para os módulos de saída.

Cada vez que o CLP termina um ciclo de varredura e começa outro, o sistema operacional também roda um timer watchdog. O timer watchdog roda enquanto é executado o ciclo de varredura. Se o timer watchdog atinge seu valor pré-ajustado antes de ser reiniciado (se um ciclo de varredura leva um tempo anormalmente grande para terminar), o CLP vai imediatamente para o modo de falha (fault) e

para de operar. Depois de falhar, o CLP geralmente requer a intervenção do operador para voltar a operar. A maioria dos CLPs possui programa operacional com diagnóstico de falhas.

Fig. 7.10. Ciclos da varredura do CLP

Fig. 7.11. Varredura e interrupção

3.5. Capacidade do CLP

Cada CLP deve apresentar a seguinte capacidade básica:

a) Coleta de sinais analógicos e discretos b) Saídas de sinais analógicos e discretos c) Execução de seqüências e controle PID d) Interfacear outros equipamentos digitais e) Capacidade de comunicação com a

Estação de Operação, quando houver SCADA.

3.6. Configuração de CLP

A configuração das seguintes funções mínimas deve ser possível:

a) Relé básico b) Temporização no ligamento,

desligamento, retentivo ou não, com base e tempo de 1 e 0,1 s.

c) Contador crescente ou decrescente d) Transferência de blocos e) Transmissão por exceção de mudança

de status f) Lógica booleana (AND, OR, NO) g) Operações matemáticas (soma,

subtração, multiplicação, divisão, raiz)

Sistemas Digitais

127

h) Seqüenciadores i) Comparadores (maior, menor, maior ou

igual, menor ou igual, igual, não igual) j) Linearizadores k) Controle PID l) Calculo matemático de ponto flutuante

para a correção da vazão devida a pressão e temperatura

m) Integração de vazão instantânea durante intervalo de tempo

n) Filtro de sinais analógicos Todo CLP deve ter um código de

identificação alfanumérico que deve registrar em sua memória e ser acessível tanto localmente pelo terminal de programação como remotamente pela Centro de Supervisão e Controle.

Os programas de operação devem ser armazenados em memória EPROM. AS memórias RAM de armazenamento devem ser protegidas por baterias.

Valores referentes à composição do gás devem ser localmente (manual ou por entrada analógica) ou remotamente carregados pelo Centro de Supervisão e Controle.

Todos os dados, parâmetros e versões de programa devem ser acessíveis do terminal de programação.

O CLP deve totalizar a medição de transferência de custódia. Esta totalização se refere à soma das vazões parciais em cada seção de medição e deve ter de 1 a 4 canais de medição.

Os controladores PID devem permitir, localmente, do terminal de programação ou, remotamente, pelo Centro de Supervisão e Controle, a determinação, entre outras coisas, do valor do ponto de ajuste, o modo de operação (automático ou manual), os parâmetros de ganho, os fatores derivativo e integral. O controlador deve também permitir o ajuste da banda morta do erro.

O CLP deve remotamente soar o alarme no Centro de Supervisão e Controle em cada ocorrência de falha.

O CLP deve permitir a programação através de programa configurável de alto nível.

O CLP deve ser capaz de executar a re-partida automática na volta da falha de alimentação.

O CLP foi criado para substituir relés eletromecânicos e por isso é programado usando lógica de relés. Quando o CLP começou a ser aplicado em controle PID de processo mais complexo, foi necessário criar linguagem de programação mais poderosa, como a de Blocos de Função.

Cada CLP deve ser configurado separadamente. É requerida disciplina para evitar duplicação de tags de processo.

Estratégias complexas são geralmente confinadas a CLPs individuais.

PC deve ser configurado para se comunicar com cada CLP para achar as variáveis específicas, depois configurado para telas e depois para histórico e depois para tendências.

Sistemas com CLP usualmente possuem bases de dados múltiplas para configurar e se manter casadas.

Fig. 7.12. Armário de um CLP Fig. 7.13. Diagrama de blocos do CLP

Sistemas Digitais

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3.7. Equipamentos associados

A instrumentação de campo (transmissores, chaves) ligada ao CLP deve ser alimentada pelo CLP

1. Através dos módulos de entrada e saída

2. Através de fonte externa de 24 V cc, mas disponível no CLP.

O CLP deve ter LEDs, na parte frontal dos módulos, fonte e CPU, para indicar suas condições de operação.

Todas as conexões do CLP (cada porta de comunicação I/O e conexão de fonte de alimentação) devem ter proteção contra transientes.

Cada CLP deve ter um clock interno permitindo o registro de ocorrências de alarme e de evento com tempo estampado.

O equipamento não deve gerar interferência que possa atrapalhar a operação de outros equipamentos eletrônicos, nem ter sua operação afetadas por estes equipamentos.

Todos os módulos de entrada e saída (I/O) devem trabalhar permanentemente energizados, nas condições normais de operação. Cada módulo I/O deve ter um fusível de proteção individual.

Cada módulo de entrada deve ter, no mínimo, as seguintes características:

1. Isolador óptico para os sinais de campo e circuitos internos lógicos (mínimo de isolação de 1 500 V). Esta isolação deve ser independente para cada módulo I/O.

2. Proteção contra transientes de tensão, picos de corrente, transitórios e interferência de 60 Hz, interferência de rádio freqüência e descarga atmosférica.

3. Proteção contra inversão de polaridade.

Os módulos de entradas discretas devem ter filtros e LEDs para indicar status da entrada (ligada ou desligada).

Os módulos de entradas analógicas devem ser capazes de operar com os sinais padrão de 4 a 20 mA, para transmissores de 2 ou 4 fios. O CLP também deve ter módulos de entrada para receber sinais de RTD (Pt 100) e termopares (com juntas de compensação).

As saídas discretas devem ter as seguintes características: 1. Contatos secos normalmente abertos 2. Capacidade de contato de 2 A, a 24 V cc, 1

A a 125 V cc ou 2 A a 127 V ca 3. Tipo relé. Quando a fonte de alimentação

não for interna ao CLP, este relé deve ser externo ao módulo de saída discreto.

4. Cada saída analógica deve ter as seguintes características:

5. Alimentar cargas com impedância de até 1 000 .

6. Ajuste independente de zero e de amplitude de faixa, para cada canal.

3.8. Dimensionamento do CLP

Cada CLP deve ser dimensionado (módulos eletrônicos, gabinetes de ligação, fiação, terminais) para o número total de entradas e saídas, especificadas na documentação.

O CLP e gabinete devem ser fornecidos com todo equipamento necessário para uma expansão futura de 15 % dos pontos totais, simplesmente pela inserção de novos módulos de I/O e cabos de instrumentos de campo, sem a necessidade de qualquer outro material.

A fonte de alimentação deve ser capaz de suportar transiente de até 30% das variações na tensão de entrada para um período de 10 segundos sem perturbar seu trabalho.

A fonte de alimentação deve ter suas saídas protegidas contra sobre tensão, sob tensão e sobre corrente e em qualquer um destes eventos, deve desligar automaticamente e se manter em seu estado até que o defeito seja corrigido.

Três saídas analógicas devem ser fornecidas para enviar informação para o comprador do gás.

3.9. Comunicação de dados

O CLP deve ter o equipamento e programa necessários para se comunicar com o Centro de Supervisão e Controle através de meios de comunicação.

O CLP deve ter o equipamento e programa necessários para se comunicar com o computador de vazão e Cromatógrafo, através de meios de comunicação serial. Esta comunicação deve ocorrer, preferivelmente, através do protocolo Modbus/RTU (da Modicon), embora outros protocolos digitais possam ser usados.

O CLP deve se comunicar com os Computadores de vazão e Cromatógrafos, acessando todos os valores coletados e calculados, bem como os valores internos e alarmes do estado da operação.

3.10. Terminal de programação

O Terminal de Programação adequado deve ser um notebook, compatível com a norma IBM PC, com as seguintes características:

1. Pentium IV, mínimo de 1,6 MHz

Sistemas Digitais

129

2. 256 MB RAM, expansível para 512 MB 3. Bateria de longa duração, com

capacidade mínima de 2 horas de operação sem recarga

4. Display LCD VGA, com tela de matriz ativa e com tela mínima de 10 “.

5. Drive de disco flexível de 3 1/2” (1,44 MB)

6. Disco rígido de 10 GB, quando formatado, interface IDE, tempo de acesso máximo de 12 ms

7. Unidade de leitura de CD-ROM, com uma velocidade de 52X ou maior

8. Trackball integrado 9. Slot de expansão PCM CIA tipo II 10. Porta paralela padrão Centronics, para

impressora 11. Porta serial 12. Conexões para teclado externo e

monitor externo VGA O notebook deve vir junto com uma fonte

de alimentação ac/dc, cabos, maleta e uma série de manuais do computador e acessórios.

Os seguintes programas devem estar instalados:

1. Windows 2000 2. Utilitários do CLP (para confecção de

diagrama ladder ou bloco de funções) 3. Aplicativo para operação e manutenção

de equipamentos em uso.

3.11. Sistema de Comunicação

A comunicação entre o CLP e o VSAT será feita por meio de um RTUfep, que terá:

1. Computador com um processador 386, RAM de 8 MB

2. Disco em um chip de 16 MB 3. 2 portas seriais 4. Porta Ethernet (10 base T) com

conector RJ 45 5. Tensão de operação 110/220 V ca

Para os equipamentos que requeiram comunicação através de links seriais, esta comunicação ocorre por meio de uma porta RS 485, usando o protocolo Modbus/RTU, da Modicon (Pimbus 300), com as seguintes características:

1. Velocidade de transmissão mínima de 9 600 baunds/segundo

2. Máster de comunicação a ser executado pelo CLP

O sistema de comunicação deve tornar um canal disponível para ligar o Centro de Supervisão e Controle e todas as Estações Remotas.

5.12. CLP de segurança

Uma classe especialmente projetada de CLP, chamada de CLP de segurança, fornece alta confiabilidade e alta segurança através de uso de projeto especial de circuitos, software especial e redundância preconfigurada. O CLP de segurança tem circuitos que são projetados para serem de falha segura com diagnostico embutido. O processador de um CLP de segurança tem diagnóstico embutido para memória, operação do processador, temporizados watchdog e todos os sistemas de comunicação. O endereçamento dos módulos I/O é feito através de mensagens seriais de comunicação que tem check automático e total de erro. A arquitetura 1oo1D (lê-se 1 out of 1 com diagnóstico) usa circuitos de diagnósticos específicos para converter falhas perigosas em falhas seguras através da desenergização da saída.

Muitos dos componentes usados nos circuitos do CLP convencional podem falhar de modo a energizar a chave de saída. Neste estado, o controlador não pode desenergizar a saída e fazer sua proteção funcionar. Este tipo de falha pode levar a uma condição que é perigosa para o equipamento e pessoal.

Fig. 8.23. Arquitetura com I/O dual e

diverso e com diagnóstico – 1oo1D Na arquitetura de CLP de segurança

1oo1D, mostrada na Fig. 8.18, a energia de saída flui através de chaves duais para a carga. Uma chave de estado sólido fornece a saída normal do controlador. Um relé, controlado por um diagnostico embutido, fornece a segunda chave através de um conjunto de contatos normalmente abertos. Se for detectada uma falha perigosa dentro do canal de saída, os contatos do rele são abertos. Esta ação

Sistemas Digitais

130

desenergiza a saída, garantindo que a saída falha em um modo seguro.

Quando é importante adicionar uma alta disponibilidade ao sistema, uma arquitetura de redundância é aplicada. Podem ser usados dois CLPs convencionais: 1oo2D (1 out of 2 com diagnóstico) e o 2oo3 (2 out of 3). O CLP de segurança equivalente usaria um 1oo1D e 1oo2D, respectivamente. O primeiro fornece segurança através do circuito de diagnóstico e uma série extra de chaves de saída . Alta disponibilidade é conseguida pela conexão paralela de dois conjuntos de circuitos eletrônicos. Se um falhar, o outro entra e mantem a carga. Dependendo da mistura de módulos I/O analógicos e discretos, o custo de um CLP de segurança é tipicamente não muito maior que as versões convencionais. Uma vantagem grande da arquitetura 1oo2D é a eliminação de qualquer engenharia especial, circuito externo e programação especial. O custo de um CLP de segurança pode ficar muito menor.

Fig. 8.24. Arquitetura com I/O serial

redundante e diverso com diagnóstico – 1oo1D Enquanto a primeira prioridade de um

sistema de controle crítico seja a segurança, o sistema deve também manter alta disponibilidade para evitar desligamentos desnecessários. Sistemas de segurança devem ter alta disponibilidade através de redundância extensiva que cubram características de redundância interna padrão até redundância de um módulo de controle.

Um sistema com CLP de segurança também oferece a opção de sistemas redundantes fisicamente separados em gabinetes diferentes. Isto minimiza a susceptibilidade do sistema à causa comum, como aquecimento do gabinete ou dano no gabinete.

Fig. 8.25. Arquitetura redundante – 1oo2D A Fig. 8.20 mostra uma comparação entre

uma redundância tripla de um CLP convencional usando um circuito de votação com um CLP de segurança usando circuito de diagnóstico completo através de cada par redundante de CLPs. Embora isto pareça seguro, a versão de tripla redundância não considera os efeitos da causa comum (pois estão todos no mesmo gabinete ou usando a mesma fonte de alimentação) nem a vulnerabilidade do circuito de votação em si. O que ocorre se os dois estiverem incorretos? Este circuito irá escolher um dos circuitos errados, evitando o correto.

Uma arquitetura de CLP seguro, mostrado na arquitetura de tripla redundância na Fig. 8.20, usa circuitos de diagnostico independentes, que garante diferenciação entre o controlador com defeito e o controlador bom. Cada um dos dois pode facilmente ser colocado sob fontes de alimentação separadas.

Fig. 8.26. Arquitetura lógica – 1oo2D

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131

4. SCADA

4.1. Introdução

Antigamente o termo controle supervisório significava o sistema onde o computador digital estabelecia o ponto de ajuste e outros parâmetros dos controladores analógicos. Atualmente, SCADA é o acróstico de Supervisory Control And Data Acquisition – Controle Supervisório e Aquisição de Dados. Aqui, o termo supervisório significa monitoração e acompanhamento.

SCADA é um sistema de controle tipicamente usado para monitorar e controlar processos que tenham muitas operações de liga e desliga e poucas malhas de controle analógico PID. O sistema SCADA é usado principalmente para partir e parar unidades remotas e não é usado para o controle do processos complexos.

Exemplos de processos simples:, 1. unidades de transferência de produtos

em tubulações por bombas (líquidos) ou compressores (gases),

2. distribuição de água e 3. distribuição de energia elétrica. Fig. 7.14. Funções do SCADA A tendência atual é utilizar sistemas com

protocolos e programas abertos, podendo utilizar equipamentos de diferentes fabricantes. Porém, há sistemas SCADA proprietários, de um único fabricante, que já está interligado com todas interfaces e drivers proprietários. São sistemas mais caros, menos flexíveis, porém já prontos para o uso. Exemplo: MOSCAD, da Motorola.

Os equipamentos básicos do SCADA são: 1. Controlador Lógico Programável (CLP)

para fazer a aquisição de dados 2. Computador Pessoal (PC) para rodar o

supervisório e constituir a estação de operação ou a interface humano-máquina.

4.2. Coleta de dados

No SCADA, tem-se vários fornecedores de CLP (Siemens, Modicon, Rockwell, GE Fanuc, Hitachi) e vários programas aplicativos (InTouch, IFix, VXL). Há maior flexibilidade, porém, há maior dificuldade de integração do sistema e casamento de protocolos digitais diferentes.

Um sistema de Controle Supervisório e Aquisição de Dados (SCADA) coleta e armazena dados para uso futuro. Os dados podem ser analógicos, discretos ou digitais. Os dados analógicos podem ser do tipo:

1. 4 a 20 mA cc, 2. tensão de mV de células de carga, 3. tensão de termopares dos tipos J, K, R,

S, T B e E, 4. resistências detectoras de temperatura, Os dados de pulsos podem ter diferentes

faixas de freqüência e são gerados por: 1. turbinas medidoras de vazão, 2. transmissores de vazão magnéticos, 3. medidores tipo vortex ou coriolis Fig. 7.15. Visão geral de um SCADA Dados discretos são as saídas de chave,

que podem ser 0 ou 1 (não chamar estes dados de digitais!). Estes sinais analógicos, discretos ou de pulso são convertidos para a forma digital conveniente para uso dentro do sistema digital de aquisição de dados.

Os sinais digitais, como protocolo HART, Fieldbus Foundation, Modbus e Profibus entram no sistema através da rede de comunicação digital. Estes sinais digitais entram no CLP através de sua CPU. Não há módulos de entrada ou de saída para sinais digitais. O sinal digital é bidirecional e portanto entra e sai na porta de comunicação.

Há uma distinção clara entre sinal digital e discreto (ou binário). O sinal ou protocolo digital é constituído de vários bits (p. ex.: 16, 32 ou 64) e tem muitos recursos. Exemplos de protocolos digitais: HART, Fieldbus Foundation, Modbus. O sinal discreto ou binário é aquele fornecido por uma chave elétrica e possui

Sistemas Digitais

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apenas um bit de informação: ligado ou desligado. Há autores e manuais que chamam o sinal discreto de digital, diferente das definições deste trabalho. Há ainda o sinal de pulso, cuja informação pode estar na amplitude, na freqüência, na duração ou na posição do pulso. Exemplos de sinais: saída de turbina medidora de vazão, saída de medidor magnético de vazão.

Fig. 7.16. Sistema SCADA tradicional Na maioria das aplicações industriais, a

aquisição de dados é feita por controladores lógico programáveis (CLP) que possuem as interfaces de entrada e saída padronizadas e com preço conveniente. Outra vantagem de se usar um CLP como sistema de coleta de dados é a facilidade de driver de comunicação entre ele e o microcomputador onde será rodado o programa aplicativo para realizar o controle supervisório do processo.

Quando os dados são coletados a grandes distâncias, eles são transferidos através de fios físicos, por uma onda de rádio freqüência portadora ou através de linha telefônica ou por uma combinação qualquer destas três técnicas.

4.3.Estação de Operação

Os dados do campo devem estar disponíveis em um único local centralizado e onde possam ser indicados, registrados, totalizados, analisados e alarmados. É também desejável que o operador, além de coletar os dados e saber os status dos dispositivos remotos, possa atuar no processo, abrindo e fechando válvulas motorizadas, ligando e desligando motores de bombas e compressores, enviando sinais analógicos para atuar em válvulas de controle. Nestas aplicações, os sinais digitais do sistema de aquisição de dados devem ser convertidos de volta para a forma analógica e aplicados a algum tipo de atuador no processo. Este local é a estação de operação.

A Estação de Operação é um computador pessoal (PC), de uso industrial, que roda um software aplicativo de Controle Supervisório.

Através de telas previamente configuradas e o sistema interligado, o operador pode selecionar através do teclado ou mouse do computador diferentes visões do processo, desde uma malha isolada, grupos de malhas até o processo completo.

Fig. 7.18. Telas do supervisório O monitor do computador irá substituir os

painéis convencionais com botoeiras, instrumentos de display, anunciador de alarme e painel sinóptico. As chaves liga e desliga e as botoeiras de partida e parada são substituídas por teclas ou são atuadas através da tela especial (touch screen). Têm-se agora chaves lógicas ou virtuais que funcionam exatamente como se fossem reais.

O monitor do computador substitui os instrumentos de display. Através do programa de configuração, o operador pode selecionar telas que apresentam os valores numéricos das variáveis de processo de diferentes modos, à sua escolha. Os valores podem aparecer ao

Sistemas Digitais

133

lado dos equipamentos associados. Por exemplo,

1. o nível do tanque pode ser apresentado em percentagem ao lado do desenho do tanque,

2. a vazão que passa por uma tubulação pode ter o valor instantâneo mostrado junto da tubulação,

3. a temperatura de um reator pode ser mostrada em diferentes posições, em valores digitais.

Através da configuração de tela, os instrumentos virtuais podem se parecer com instrumentos convencionais, com escala analógica (gráfico de barras simula a escala analógica), com botões, chaves seletoras e chaves de atuação.

A totalização da vazão ou de outra variável (por exemplo, tempo acumulado de operação de motor de bomba) pode ser apresentada na tela do monitor, em tamanho e cor definidos pelo usuário.

O anunciador de alarme é eliminado e agora os alarmes são listados pelo computador, mostrados na tela do monitor ou impressos em papel, se necessário. O alarme sonoro continua existindo. O usuário pode definir um código de cores para diferentes tipos de alarme. No diagrama do processo mostrado na tela do monitor do computador, as variáveis alarmadas podem assumir diferentes cores.

Também no sistema, os status dos equipamentos podem ser definidos e observados na tela do monitor. Assim, por exemplo, válvulas fechadas podem ser representadas em vermelho, abertas em verde e em posições intermediárias, em azul.

Tudo que era feito através da instrumentação convencional contínua sendo feito, porém, o operador vê o processo através de uma janela. Sua interface para ver o que está ocorrendo é a tela do monitor e sua interface para atuar no processo é o teclado do computador, mouse, trackball (mouse com esfera) ou a própria tela do monitor se ela for sensível ao toque (touch screen).

Este sistema supervisório facilita muito a vida do operador. Relatórios que anteriormente eram escritos à mão agora são impressos automaticamente. A partir do aperto de uma tecla, o operador pode ter uma lista de todos os pontos que foram alarmados nas últimas 24 horas de operação.

Um sistema SCADA pode possuir várias estações de operação do controle da unidade, estação de operação para desenvolvimento de telas, estação de operação para manutenção do sistema. Estas estações de operação possuem senhas de login com privilégios de

atuação diferentes e em função do nível e status do operador.

A Agência Nacional de Petróleo (ANP) permite que a medição de óleo e gás seja integrada com o SCADA do controle das Unidades de Produção, porém a estacao de operação da EMED deve ser independente das outras estações de operação.

Fig. 7.20. Interface Humano-Máquina

4.3. Programa Aplicativo (Software)

A operação de selecionar uma malha, iniciar uma entrada de dados, atuar em determinado dispositivo remoto, apresentar uma lista de alarmes não é feita milagrosamente, mas deve ser prevista e programada. Para facilitar as coisas, são disponíveis vários programas aplicativos no mercado, para que usuário realize seu controle, sendo os mais conhecidos:

1. Intouch, da Wonderware

2. IFix (FicsDmacs), da Intellution

3. VXL da VSM

4. Oasys, da Valmet

5. Wizcon, da Wizcon

6. Elipse, da Elipse Software

7. RSView, da Allen-Bradley

8. Aimax, da Smar Um programa aplicativo supervisório é

usado para confeccionar telas, animar objetos, permitir a monitoração e atuação do processo através da estação de controle. Os aplicativos possuem bibliotecas com figuras, imagens, símbolos e ícones já prontos e fáceis de serem usados, bastando ao programador apenas a sua configuração e endereçamento.

Depois de configurado, o supervisório possui dois modos de funcionamento:

1. operação ou run time 2. desenvolvimento ou engenharia

Sistemas Digitais

134

Em modo de operação, o controle supervisório cuida principalmente de monitorar o processo, ligar, desligar equipamentos e contornar unidades danificadas por acidente, estabelecer pontos de ajuste, alterar sintonia de controlador, alterar valores de alarme.

No modo de desenvolvimento, pode-se alterar telas, colocar ou retirar instrumentos, configurar novas estratégias, registrar senhas e alterar níveis de prioridade e outras funções de gerenciamento do sistema.

Fig. 7.21. Evolução das telas do SCADA

Fig. 7.22. Biblioteca de figuras do supervisório

135

8. Programação Objetivos de Ensino

1. Apresentar as definições básicas da Normas IEC 61 131-3. 2. Resumir os conceitos de programação de sistemas digitais: procedural e gráfica. 3. Definir as programações procedurais: Lista de Instruções e Texto Estruturado. 4. Descrever os componentes básicos, regras de composição, desenvolvimento e leitura de um

diagrama ladder. 5. Descrever, listar os parâmetros de entrada e saída e simbolizar principais blocos padrão e

mostrar blocos personalizados.

1. Introdução

As linguagens de programação estão tendo cada vez mais funções poderosas. Microprocessadores mais rápidos e poderosos e ambiente gráfico baseado em MS Windows têm sido combinados para permitir aos programadores obter tarefas complexas.

A programação de Controladores Lógico Programáveis (CLP) era originalmente apenas booleana. Um comando era mais ou menos assim: Se o contato da chave limite A estiver fechado E o contato da chave limite C estiver aberto, Então energizar a bobina C. Havia e ainda há linguagens baseadas em texto para acompanhar este programa. O diagrama lógico tipo ladder era considerado ideal para representar a lógica booleana. Este diagrama parece como diagramas lógicos de relés, familiares a eletricistas, enquanto representando a lógica digital, com contatos em série (AND) ou paralelos (OR).

Isto é conveniente para algumas funções de maquinas, mas é insuficiente quando se quer funções especiais, como matemática, tratamento de entradas e saídas analógicas e comunicação. Para estas exigências, os blocos funcionais são mais adequados. Os editores de programas de diagrama ladder começaram a incorporar uma biblioteca de blocos de função especiais para temporizadores, contadores, matemática, mensagem e outros mais complexos como controle Proporcional, Integral e Derivativo (PID) ou totalizadores de vazão (FQ).

A normal internacional IEC 61131 foi adotada para colocar ordem no caos resultante da proliferação de normas de programação de CLP. Esta norma tem duas partes:

1. Elementos comuns 2. Linguagens de programação A primeira parte da norma, Elementos

Comuns, define tipos de dados, variáveis,

configuração, fontes, tarefas e unidades de organização do programa. Definindo tipos de dados evita erros como dividir um Dado por um Inteiro. Variáveis são somente atribuídas para explicitar endereços de equipamentos em configurações, fontes ou programas para conseguir independência entre equipamento e o programa. Um programa é configurado para um sistema específico de controle e é considerado como uma rede de funções e blocos de função.

Programas, funções e blocos de função são chamados de Unidades de Organização do Programa. A norma IEC 1131-3 definiu funções padrão como: aritméticas (adição, subtração, multiplicação, divisão), seletoras, trigonométricas, condicionadoras de sinais, comparadoras e de tempo.

As linguagens definidas têm sintaxe e semântica definidas, deixando espaço para dialetos personalizados. Funções definidas pelo usuário são permitidas na norma. Uma vez definida, a função pode ser reusada. Blocos de função são equivalentes e circuitos integrados e representam uma função de controle especializada. Blocos de função podem conter dados e algoritmos. Eles têm uma interface bem definida. O programa pode ser escrito em qualquer linguagem definida.

Conforme a norma IEC 1131-3, há duas versões textuais e duas versões gráficas de programação. As textuais são:

1. Lista de Instruções, parecida com código assembler

2. Texto Estruturado, parecida com Pascal.

As linguagens gráficas são: 1. Diagrama Ladder, típico para controle

de maquinas e motores 2. Diagrama de Bloco de Funções, comum

a indústrias de processos contínuos.

Programação

136

2. Norma IEC 61 131

Em 1979, a IEC (International Electrotechnical Commission), um grupo associado a ISO (International Standards Organization), formou um comitê para desenvolver uma norma comum, IEC 61 131, para controladores programáveis. Em 1997, ela foi renumerada como IEC 6-61 131.

A norma IEC 61 131 consiste de oito partes sob o título geral: Controladores Programáveis:

1) Informação Geral 2) Exigências e testes do equipamento 3) Linguagens de programação 4) Guia do usuário 5) Comunicações 6) Reservada 7) Programação de controle fuzzy 8) Guia para a aplicação e implementação

de linguagens de programação para controladores programáveis.

A parte 1 da IEC 61 131 constitui uma parte de uma serie de normas sobre controladores programáveis e seus periféricos associados e deve ser lida em conjunto com outras partes da série.

Quando houver conflito entre esta e outras normas IEC, (exceto normas de segurança básicas), as provisões desta norma devem ser consideradas para governar na área de controladores programáveis e seus periféricos associados.

Os objetivos desta norma são: Parte 1 – estabelecer as definições e

identificar as características principais relevantes para a seleção e aplicação de controladores programáveis e seus periféricos associados.

Parte 2 – especificar exigências do equipamento e testes relacionados para controladores programáveis (CLP) e seus periféricos associados.

Parte 3 – definir, para cada uma das linguagens de programação mais comumente usadas, principais campos de aplicação, regras sintáticas e semânticas, conjuntos simples mas completos de elementos de programação, testes e meios aplicáveis para que os fabricantes possam expandir ou adaptar estes conjuntos básicos para suas implementações próprias de controlador programável.

Parte 4 – dar informação panorâmica geral e guias de aplicação da norma para o usuário final do CLP.

Parte 5 – definir a comunicação entre os controladores programáveis e outros sistemas eletrônicos.

Parte 6 – reservada. Parte 7 – definir a linguagem de

programação para controle fuzzy. Parte 8 – dar diretivas para a aplicação

e implementação de linguagens de programação definidas na parte 3.

Para satisfazer aos vários fabricantes, a norma IEC 61 131 inclui muitos compromissos e é voluntária. Mesmo que esta norma ainda não seja aceita universalmente (e várias normas não são aceitas), ela já é uma referência para futuros desenvolvimentos e é usada como parâmetro de especificação de sistemas digitais.

A estrutura geral com componentes funcionais em um sistema com controlador programável é ilustrada na figura. Estas funções se comunicam com cada outra e com os sinais da máquina ou processo a ser controlado.

Fig. 1. Estrutura funcional básica de um

sistema com CLP

Programação

137

3. Ferramentas auxiliares

Há duas ferramentas gráficas usadas para facilitar a execução de programas, tais como:

1. Fluxograma (flowchart) 2. Diagrama de função seqüencial

(Sequential Funcion Chart - SFC) Há ainda linguagens especializadas para

controle de movimento (robótica, controle numérico) e até a linguagem C é usada como linguagem de controle. Foram desenvolvidas outras linguagens para CLP, cada uma para determinada plataforma ou fabricante. Foram empregados diferentes enfoques para manipular as funções especiais, resultando em uma grande confusão quando se mudava de um fabricante para outro.

3.1 Fluxograma (Flowchart)

O fluxograma (flowchart) é um sistema gráfico usado como uma ferramenta de análise de programas e outros diagramas. O fluxograma contém blocos retangulares de ação, losangos para tomada de decisão, a partir de comparação ou verificação de atributos. O fluxograma de programação tem dois elementos básicos: Ação e Ramificação

Um bloco de ação (retângulo) representa uma operação em um dado do sistema. Um bloco de ação tem um ponto de entrada (superior) e uma saída (inferior). O bloco de encaminhamento, (losango) representa um caminho no circuito de controle baseado no resultado de uma decisão. A decisão poder ser

1. a comparação de duas variáveis 2. a comparação de uma variável com

uma constante O bloco de encaminhamento possui uma

entrada (superior) e duas saídas, uma lateral e outra inferior.

Os blocos de ação podem ter várias funções lógicas e de controle embutidas. Uma das vantagens da programação através do fluxograma é a disponibilidade de uma biblioteca com controles complexos (controle de movimento, algoritmo PID, comunicação rápida de dados através de Windows NT).

Outras operações disponíveis incluem controle I/O sobre redes da planta, funções booleanas, matemática de alto nível, manipulação de matrizes, funções string, movimento e cópia de dados. Os blocos de ação podem Chamar (Call) uma sub-rotina, executar uma malha (Do), ter funções temporizadas (Wait) e fazer comunicação.

Os blocos de encaminhamento são de comparação e decisão. Uma decisão depende de um Sim (Yes) ou Não (Not) a uma condição:

Chave A está fechada? A comparação olha em dois valores para verificar se são maiores que, menores que ou iguais e retorna ao Sim ou Não. A lógica If-Then-Else (Se-Então-Algo mais) pode ser feita facilmente com um bloco de decisão (If) com cada entrada indo para um bloco de ação. Assim, se a chave A estiver fechada, então ligar a bobina C, e além disso, ligar a lâmpada piloto 1. Depois, ligar os dois blocos de ação à próxima ação.

Se o programador de fluxograma conhece melhor o diagrama ladder, é útil fazer a seguinte analogia: bloco de decisão age como contato e bloco de ação age como bobina. Se o contato está fechado (bloco de decisão), então ligar a bobina (bloco de ação).

3.2. Diagrama de Função Seqüencial (SFC – Sequential Function Chart)

Conceito

O Diagrama de Função Seqüencial (Sequential Function Chart – SFC) não é considerado uma linguagem mas descreve graficamente o comportamento seqüencial de um programa de controle. Este diagrama é uma estrutura que organiza a utilização do programa de qualquer linguagem, dependendo do editor escolhido e por isso serve como ferramenta auxiliar para desenvolver as linguagens textuais e gráficas.

O Comitê Técnico IEC #3, Subcomitê 3B de Documentação, publicou um método de descrever a função e o comportamento dos sistemas de controle que contenham o projeto conceitual e a descrição da seqüência lógica (IEC Pub. 848-1988).

Desenvolvimento e componentes

O diagrama de função seqüencial é constituído de:

1. Passos, 2. Elos dirigidos (links) 3. Transições O passo descreve um estado permanente

(às vezes, momentânea) de um processo seqüencial. Cada passo representa um estado particular do sistema. Um passo é representado por um retângulo com passos anteriores ligados por uma linha formando um caminho. O primeiro passo tipicamente inicializa o sistema.

O elo dirigido mostra a direção do fluxo da lógica.

A transição é usada para mostrar a mudança condicional entre estados permanentes. Uma transição é uma condição, que, quando verdadeira, causa a desativado do passo anterior e ativa o passo seguinte. Uma linha cruzando a linha de ligação entre passos

Programação

138

representa uma transição. Há uma transição seguindo cada passo.

Os passos podem ser associados a: 1. Ações 2. Estados 3. Comandos O bloco de ação dentro de um passo e a

transição podem ser programados em qualquer linguagem padrão, ou outras linguagens suportadas pelo editor. Nem todos os editores suportam as quatro linguagens IEC, mas eles podem ser conformes com uma ou mais.

Condições ou comandos para a lógica são associados com transições. Comandos ou ações são qualificados pelas letras símbolo

S (stored – armazenado), D (delayed – atrasado), L (limited – limitado em tempo) P (pulsed – pulsado, menor que limitado). As letras podem ser combinadas.

Comandos ou ações podem ser condicionais (letra C),.

Condições transitórias podem ser representadas por afirmações textuais, expressões booleanas ou símbolos gráficos.

4. Linguagens Textuais

As linguagens textuais definidas na norma IEC 1131-3 são

1. Lista de Instruções (IL - Instruction List) 2. Texto Estruturado (ST – Structureted

Text). Os elementos do diagrama de função

seqüencial (SFC) da norma podem ser usados em conjunto com qualquer uma destas linguagens.

4.1. Elementos comuns

Os elementos textuais especificados na norma devem ser comuns com as linguagens textuais (IL e ST). Em particular, os seguintes elementos de estrutura de programa devem ser comuns com as linguagens textuais.

TYPE…END_TYPE (2.3.3)

VAR…END _VAR (2.4.3)

VAR_INPUT…END_VAR (2.4.3)

VAR_OUTPUT…END_VAR (2.4.3)

VAR_IN_OUT…END_VAR (2.4.3)

VAR_EXTERNAL…END_VAR (2.4.3)

FUNCTION…END_FUNCTION (2.5.1.3)

FUNCTION_BLOCK...END_FUNCTION_BLOCK (2.5.2.2)

PROGRAM…END_PROGRAM (2.5.3)

STEP…END_STEP (2.6.2)

TRANSITION…END_TRANSITION (2.6.3)

ACTION…END_ACTION (2.6.4)

4.2. Lista de Instruções

A norma define a semântica e sintaxe formal da linguagem Lista de Instruções de modo detalhado.

Instruções

Uma lista de instruções é composta de uma seqüência de instruções. Cada instrução deve começar em uma nova linha e deve conter um operador com modificadores opcionais e, se necessário para a operação particular, um ou mais operandos separados por vírgulas. Operandos podem ser qualquer representação de dados definida para literais e para variáveis.

A instrução pode ser precedida por uma etiqueta de identificação seguida por dois pontos (:). Um comentário, se necessário e presente, deve ser o último elemento na linha. Linhas vazias podem ser inseridas entre instruções.

Tab. 51 - Exemplos de campos de instrução Etiqueta Operador Operando

Comentário START LD %IX1 (*

PUSH BUTTON *)

ANDN %MX5 (* NOT INHIBITED *)

ST %QX2 (* FAN ON *)

Operadores, Modificadores e Operandos

Operadores padrão com seus modificadores permitidos e operandos estão listados na norma.

A não ser que seja definido diferente, a semântica do operador deve ser a seguinte:

result := result OP operando

Isto é, o valor da expressão sendo

calculada é substituído por seu valor corrente operado pelo operador com relação ao operando. Por exemplo, a instrução AND%IX1 é interpretada como:

result := result AND %IX1

Os operadores de comparação devem ser interpretados com o resultado corrente à esquerda da comparação e o operando à direita., com um resultado booleano. Por exemplo, a instrução GT %IW10 terá o

Programação

139

resultado booleano igual a 1, se o resultado corrente for maior do que o valor da palavra de entrada 10 e o resultado sejam zero, nos outros casos.

O modificador N indica a negação booleana do operando. Por exemplo, a instrução ANDN %IX2 é interpretada como

result := result AND NOT %IX2

O modificador abre parêntesis ou

parentização, “(“ indica que o cálculo do operador deve ser adiado até que o operador fecha parêntesis “)” seja encontrado, e.g., a seqüência de instruções

AND ( %IX1 OR %IX2 )

deve ser interpretada como result := result AND( %IX1 OR %IX2) O modificador C indica que a instrução

associada deve ser executada somente se o valor do resultado atualmente calculado seja o booleano 1 (ou booleano 0 se o operador é combinado com o modificador N)

Tab. 52 – Características de invocação do bloco de função para linguagem IL

No. Descrição – Exemplo 1 CAL com lista de entrada

CAL C10(CU := %IX10m PV :=15) CAL com carga ou entradas de

armazenagem: LD 15 ST C10 . PV LD %IX10 ST C10.CU

2

CAL C10 Uso de operadores de entrada LD 15 PV C10 LD %IX10

3

CU C10 Nota: Uma declaração como VAR C10 :

CTU ; END_VAR é assumida nos exemplos acima

Tab. 5 – Operadores de entrada padrão do bloco de função para linguagem IL

No. Operadores Tipo

FB 4 S1,R SR 5 S,R1 RS 6 CLK R

TRIG 7 CLK F

TRIG 8 CU,R,PV CTU 9 CD,LD.PV CTD 10 CU,CD,R,LD,PV CTUD 11 IN. PT TP 12 IN,PT TON 13 IN,PT TOF

Funções e blocos de função

Funções devem ser invocadas pela colocação do nome da função no campo do operador. O resultado corrente deve ser usado como o primeiro argumento da função. Argumentos adicionais, se requeridos, devem ser dados no campo do operando. O valor retornado pela função depois da execução bem sucedida de uma instrução RET ou depois de atingir o fim físico da função deve se tornar o resultado corrente.

Blocos de Função podem ser invocados condicional ou incondicionalmente via operador CAL (chamada – call).

Diagrama Ladder

140

Tab. 52 – Operadores da linguagem Lista de Instruções (IL)

Diagrama Ladder

141

4.3. Texto Estruturado

A norma define a semântica e sintaxe da linguagem Texto Estruturado. Nesta linguagem, o fim da linha de texto deve ser tratado do mesmo modo que o caractere espaço (SP – space).

Expressões

Uma expressão é uma construção que, quando executada, fornece um valor correspondente a um dos tipos de dados definidos na norma.

Expressões são compostas de operadores e operandos. Um operando pode ser

1. um literal 2. uma variável 3. uma invocação de função 4. outra expressão Os operadores da linguagem de Texto

Estruturado estão resumidos na norma. A avaliação de uma expressão consiste em aplicar o operador ao operando, em uma seqüência definida pela precedência do operador. O operador com precedência mais alta em uma expressão deve ser aplicado primeiro, seguido pelo operador da próxima precedência mais baixa, até completar a avaliação. Operadores de igual precedência devem ser aplicadas como escrito na expressão, da esquerda para a direita. Por exemplo, se A, B, C e D são do tipo INT com valores 1, 2, 3 e 4, respectivamente, então:

A+B-C*ABS(D)

deve ser avaliado como –9 e

(A+B-C)*ABS(D)

deve ser avaliado como 0. Quando um operador tem dois operandos,

o operando mais à esquerda deve ser avaliado primeiro. Por exemplo, na expressão

SIN(A)*COS(B) A expressão SIN(A) deve ser avaliada

primeira, seguida por COS(B), seguida pela avaliação do produto dos dois.

Expressões booleanas devem ser avaliadas somente para a extensão necessária para determinar o valor resultante. Por exemplo, se A<=B, então somente a expressão A>B seria avaliada para determinar que o valor da expressão

A>B)&(C<D)

é o booleano 0.

Funções devem ser invocadas como elementos de expressões consistindo do nome da função seguido pelo argumento entre parêntesis.

Quando um operador em uma expressão pode ser representado como uma das funções sobrecarregadas, a conversão dos operados e resultados devem ser as regras e exemplos dados na norma.

Comando (Statement)

Os tipos de comandos da linguagem de texto estruturado são sumarizados na Tab. 56. O comando deve ser terminado por ponto de virgula (;).

Comando de atribuição (assignment statement)

O comando de atribuição substitui o valor corrente de uma variável simples ou multi-elemento pelo resultado da avaliação de uma expressão. Ele consiste de uma variável de referência à esquerda, seguida pelo operador de atribuição “:=”, seguido pela expressão a ser avaliada. Por exemplo, o comando

A := B ; Deve ser usado para substituir o valor do

dado de uma variável A pelo valor corrente da variável B, se ambos forem do tipo INT. Porém, se ambos A e B forem do tipo ANALOG_CHANNEL_CONFIGURATION, então os valores de todos os elementos da variável estruturada A devem ser substituídos pelos valores correntes dos elementos correspondentes da variável B.

Como ilustrado na fig. 6, o comando atribuição pode ser também usado para atribuir o valor a ser retornado pela função, colocando nome da função para a esquerda de um operador de atribuição no corpo da declaração da função. O valor retornado pela função deve ser o resultado da avaliação mais recente de tal atribuição. É um erro retornar da avaliação de uma função com a saída ENO diferente de zero, a não ser que, no mínimo, tal atribuição tenha sido feita.

Comandos de controle de função e blocos de função

Comandos de controle de função e blocos de função consistem de mecanismos para invocar blocos de função e para controlar o retorno da entidade de invocação, antes do fim físico de uma função ou bloco de função.

A avaliação da função deve ser invocada como parte da avaliação de expressão.

Blocos de função devem ser invocados por um comando consistindo do nome do bloco de

Diagrama Ladder

142

função, seguido por uma lista de atribuições de valores de parâmetros de entrada entre parêntesis, como mostrado na Tab. 56. A ordem em que os parâmetros de entrada são listados em uma invocação de bloco de função não é importante. Não é necessário que todos os parâmetros de entrada tenham valores atribuídos em cada invocação de um bloco de função. Se um determinado parâmetro não tem atribuído um valor em uma invocação de bloco de função, será aplicado o valor atribuído anterior (ou o valor inicial, se não houver nenhum anterior definido).

O comando RETURN dá a saída de uma função ou bloco de função, e.g., como o resultado da avaliação de um comando IF.

Comando de Seleção

Os comandos de seleção incluem o IF e CASE. Um comando de seleção escolhe um ou um grupo de seus comandos componentes para execução, baseado em uma condição especificada. Exemplos de comandos de seleção são dados na Tab. 56.

O comando IF especifica que um grupo de comandos deve ser executado somente se a expressão booleana associada é verdadeira (resultado da avaliação é 1). Se a condição é falsa, então nenhum outro comando é executado ou o grupo de comando seguindo o ELSE (senão) é executado.

O comando CASE consiste de uma expressão que avalia variáveis do tipo INT e uma lista de grupos de comando, cada grupo sendo identificado por um ou mais inteiros ou faixas de valores inteiros. Ele especifica que o primeiro grupo de comandos, uma destas faixas contém o valor computado pelo seletor, deve ser executado. Se o valor do seletor não ocorre em uma fase de qualquer caso, a seqüência do comando seguindo a palavra chave ELSE, caso ela ocorra, deve ser executada. Nos outros casos, nenhuma das seqüências de comandos é executada.

Comandos interativos

Comandos iterativos especificam que o grupo de comandos associados deve ser executado repetidamente. O comando FOR é usado se o número de iterações pode ser determinado a priori, nos outros casos, as construções WHILE (enquanto) ou REPEAT (repetir) são usadas.

O comando EXIT (sair) deve ser usado para terminar iteacoes antes que a condição de terminação seja satisfeita.

Quando o comando EXIT é localizado dentro de construções iterativas encadeadas, a saída será da malha mais interna em que o EXIT esteja localizado, isto é, o controle passa

para o comando seguinte depois do terminados da primeira malha (END_FOR, END_WHILE ou END_REPEAT) seguindo o comando EXIT.

O comando FOR indica que a seqüência de comandos deve ser executada repetidamente, até a palavra chave END_FOR enquanto a progressão dos valores é atribuída para a variável de controle da malha FOR. A variável de controle, valor inicial e valor final devem ser expressões do mesmo tipo de inteiro (SINT, INT ou DINT) e não podem ser alteradas por qualquer um dos comandos repetidos. O comando FOR incrementa a variável de controle para cima ou para baixo de um valor inicial até um valor final, em incrementos determinados pelo valor de uma expressão; este valor default é 1. O teste para a condição de terminação é feito no início de cada iteração, de modo que a seqüência de comando não é executada se o valor inicial excede o valor final. O valor da variável de controle depois de terminar a malha FOR é dependente da implementação.

Um exemplo do uso do comando FOR é dado na característica 6 da Tab. 56. Neste exemplo, a amlha FOR é usada para detrminar o índice J da primeira ocorrência (se existir) do string KEY nos elementos de número impar de uma matriz de strings WORDS com uma faixa de índice de 1 a 100. Se nenhuma ocorrência é verificada, J terá o valor 101.

O comando WHILE causa a seuencia de comandos até a palavra chave END_WHILE ser executada repetidamente até a expressão booleana associada ser falsa. Se a expressão é inicialmente falsa, então o grupo de comandos não é executado. Por exemplo, FOR..._END_FOR pode ser reescrito usando o WHILE...END_WHILE, como mostrado em Tab. 56.

Os comandos WHILE e REPEAT não podem ser usados para conseguir a sincronização dentro do processo, por exemplo, como uma malha WAIT com uma condição de terminação determinada externamente. Os elementos do diagrama de função seqüencial são usados com este objetivo.

É um erro que viola a norma ter um comando WHILE ou REPEAT em um algoritmo para que a satisfação da condição de terminação da malha ou execução de um comando EXIT não possa ser garantida.

Diagrama Ladder

143

Tab. 55. Operadores da Linguagem de Texto Estruturado

Diagrama Ladder

144

Tab. 56 – Comandos da linguagem Texto Estruturado

Ladder

145

5. Linguagens Gráficas

5.1. Elementos comuns

Há elementos comuns aplicados às duas linguagens gráficas (Diagrama Ladder e Diagrama de Bloco de Função) e à representação de função seqüencial.

Representação de linhas e blocos

No Característica Exemplo 1 Linha

horizontal: caractere menos

------

2 Linha vertical: caractere linha vertical

|

3 Conexão horizontal-vertical: sinal mais

| ---+--- |

4 Cruzamento de linha sem conexão

| | ------- |---- | |

5 Cantos ligados e não ligados

| | ----+-----+---- | ----+-+ +---- | | |

6 Blocos com

linhas de conexão | +--------+ ---| | | |------| | +--------+ |

7 Conexão com caracteres:

Conector Continuação

da linha de um conector

-------->OTTO> >OTTO>--------

Direção do fluxo em circuitos

Um circuito é definido como um conjunto máximo de elementos gráficos interligados, excluindo as linhas verticais à esquerda e à direita no diagrama ladder.

Fluxo de potência – análogo ao fluxo de potência em um sistema com relés eletromagnéticos, tipicamente usado em diagramas ladder. O fluxo de potência em uma linguagem de diagrama ladder deve ser da esquerda para a direita.

Fluxo de sinal - análogo ao fluxo de sinais entre elementos de um sistema de

processamento de sinais, tipicamente usado em diagrama de bloco de função. O fluxo de sinal em uma linguagem de diagrama de bloco de função deve ser da saída (lado direito) de um bloco de função para a entrada (lado esquerdo) da função ou do bloco de função assim ligado.

Fluxo de atividade – usado em diagrama de função seqüencial. O fluxo de atividade dos elementos de diagrama de função seqüencial deve ser do fundo de um passo através da transição apropriada para o topo do passo sucessor correspondente.

Avaliação de circuitos

A ordem em que os circuitos e seus elementos são avaliados não é necessariamente a mesma ordem em que eles são identificados ou mostrados. Não é necessário que os circuitos sejam avaliados antes da avaliação de um dado circuito possa ser repetido. As seguintes regras devem ser obedecidas:

1. Nenhum elemento de um circuito deve ser avaliado até que os estados de todas as entradas tenham sido avaliados.

2. A avaliação de um elemento de circuito não é completada até que os estados de todas as suas saídas tenham sido avaliados.

3. A avaliação de um circuito não é completada até que as saídas de todos os seus elementos tenham sido avaliadas, mesmo se o circuito contenha um dos elementos de controle de execução definidos em 4.1.4.

Existe um caminho de realimentação em um circuito quando a saída de uma função ou bloco de função é usada como entrada para uma função ou bloco de função que o precede no circuito; a variável associada é chamada de variável de realimentação.

Elementos de controle de execução

Os elementos gráficos da transferência do controle do programa nas linguagens gráficas são definidos na norma. O jump (salto) deve ser mostrado por uma linha de sinal booleano terminada em uma dupla seta (>>). A linha de sinal para uma condição de jump deve originar em

1. variável booleana, 2. saída booleana de uma função ou bloco

de função 3. linha de fluxo de potência de um

diagrama ladder Uma transferência de controle de controle

para a identificação do circuito designado deve ocorrer quando o valor booleano da linha de

Diagrama Ladder

146

sinal for 1 (verdadeiro), assim, o jump incondicional é um caso especial do jump condicional.

O alvo de um jump deve ser uma etiqueta do circuito dentro da unidade de organização do programa, dentro da qual ocorre o jump. Se o jump ocorre dentro de uma construção ACTION...END_ACTION, o alvo do jump deve estar dentro da mesma construção.

Retornos condicionais de funções e blocos de função devem ser implementados usando uma construção RETURN. A execução do programa será transferida de volta para a entidade de invocação, quando a entrada booleana for 1 (verdadeiro) e deve continuar no modo normal quando a entrada booleana for 0 (falso). Retornos incondicionais devem ser fornecidos pelo fim físico da função ou bloco de função ou pelo elemento RETURN ligado ao lado esquerdo da linguagem ladder.

Serão vistas a seguir, com detalhes, as duas programações gráficas mais usadas na programação de CLP:

1. Diagrama Ladder 2. Diagrama de bloco funcional Tab. 5.2 – Características de invocação do

bloco de função para linguagem IL

5.2. Diagrama Ladder

Introdução

Diagrama ladder é uma representação ordenada em forma de escada de componentes e conexões de um circuito elétrico. O diagrama ladder é também chamado de diagrama elementar ou diagrama de linha. O termo ladder (escada) se aplica porque ele parece com uma escada, contendo degraus. É o diagrama básico associado com o controle lógico programado.

Componentes

Os elementos constituintes de um diagrama ladder podem ser divididos em componentes de entrada e de saída. O principal componente de entrada é o contato.

Quanto à operação o contato pode ser retentivo ou não retentivo. Quanto à lógica, o contato pode ser normalmente aberto (NA) ou normalmente fechado (NF). Quanto à operação, o contato pode ser de chave manual ou de automática, (pressostato, termostato, chaves automáticas de nível e de vazão, chave térmica de motor). . Quanto ao tempo, os contatos podem ser instantâneos ou temporizados para abrir ou fechar.

O principal componente de saída é a bobina, associada ao starter de motor, ao relé ou solenóide. Outros componentes incluem lâmpada piloto, sirene ou buzina.

Existem outros componentes, porém estes são os mais importantes e usados e são suficientes para o entendimento dos diagramas encontrados nas aplicações práticas.

Diagrama Ladder

147

Regras de composição

1. Há algumas práticas comuns a todos os diagramas ladder, como:

2. Entradas, chaves e contatos são colocados no início da linha, no lado esquerdo.

3. Saídas, bobinas e lâmpadas piloto são colocadas no fim da linha, no lado direito.

4. Uma linha de entrada pode alimentar mais de uma saída. Quando isso ocorre, as saídas estão ligadas em paralelo.

5. Chaves, contatos e entradas podem ter contatos múltiplos em série, paralelo ou combinação de série e paralelo.

6. As linhas são numeradas consecutivamente, à esquerda e de cima para baixo.

7. Dá-se um único número de identificação para cada nó de ligação.

8. As saídas podem ser identificadas por função, no lado direito, em notas.

9. Pode-se incluir um sistema de identificação de referência cruzada, no lado direito. Os contatos associados com a bobina ou saída da linha são identificados pelo número da linha.

10. Os contatos de relé são identificados pelo número da bobina do relé mais um número seqüencial consecutivo. Por exemplo, os três contatos do relé CR7 são CR7-1, CR7-2 e CR7-3.

Fig. 6.1. Diagrama ladder básico, para uma chave

manual que liga a saída de um relé: Na Fig. 6.1. tem-se: L1, L2 são as linhas que representam a

alimentação (110/220 V ca), SW1 é o contato de chave manual CR5 é a bobina do relé CR5 (não estão

mostrados os contatos do relé CR5)

Fig. 6.2. Duas chaves em paralelo (manual SW1 e automática de nível LS1) controlam a saída do relé CR5e uma lâmpada piloto PL1 vermelha (R).

Fig. 6.3. Diagrama ladder com duas funções

Exemplos

Exemplo 1

O diagrama ladder da Fig. 6.1, está associado a um sistema com uma chave que liga-desliga um relé de saída, CR5. A Fig. 6.2 mostra um sistema de controle com linhas paralelas na entrada e na saída. Qualquer uma das duas chaves liga-desliga a saída e a lâmpada piloto. O diagrama da figura possui duas linhas funcionais ativas.

O diagrama ladder da Fig. 6.3 tem a seguinte seqüência de operação:

1. No início, todas as chaves estão abertas, as bobinas estão desligadas

2. Fechando SW1 ou SW2 ou ambas, CR7 é energizada.

3. Na linha 3, o contato NA CR7-1 fecha, habilitando a linha 3 e CR8 ainda está desligada

4. Fechando a chave manual SW3, CR8 é energizada e a lâmpada piloto verde (G) é acesa

5. Abrindo as duas chaves SW1 e SW2, tudo é desligado

6. Em operação, desligando SW3, CR8 é desligado, PL1 é desligada mas CR7 contínua ligada.

Diagrama Ladder

148

Exemplo 2

As seguintes modificações podem ser feitas ao diagrama da Fig. 6. 3: SW4 deve estar ligada para CR7 ficar ligada CR7 deve estar desligada para CR8 estar

ligada CR9 é ligada por CR7, CR8 e SW3.

O diagrama completo é mostrado na Fig 5. Há uma linha pontilhada entre os dois contatos SW3, indicando uma única chave comum com dois contatos (Se SW3 estivesse na esquerda, somente um contato seria necessário para energizar as linhas 3, 4 e 5).

Uma linha adicional de operação poderia ser acrescentada ao diagrama ladder, como a linha 6 mostrada na figura 5. A seqüência adicionada seria a seguinte:

CR7 ou CR8 ou ambas, mais LS12 e CR9 ligam a saída do relé CR10.

Fig. 6.4. Ladder cmpleto

Diagrama errado

O diagrama da Fig. 6.4 é um diagrama ladder incorreto, que contem os mesmos componentes da figura, porém, nunca irá funcionar. Os erros são os seguintes:

1. Mesmo que houvesse potência entre as linhas, a tensão aplicada em cada elemento de saída seria dividida por 3 e nenhuma bobina teria a tensão correta de funcionamento e a lâmpada piloto ficaria só um pouco acesa. Mas, logicamente, as saídas nunca seriam ligadas.

2. Mesmo fechando todas as chaves, o contato CR7-1 ficaria sempre aberto. Para fechar o contato CR7-1 a bobina CR7 deve ser energizada e a bobina só seria energizada fechando-se CR7-1, que é impossível.

Fig. 6. 5. Diagrama ladder incorreto

Diagrama Ladder

149

Aplicações de Diagrama Ladder

Alarme de Alta Pressão

Descrição

O circuito faz soar uma buzina e acender uma lâmpada piloto quando a pressão atingir um valor alto perigoso. Depois que o alarme soa, o botão ACKN (conhecimento) desliga a buzina e deixa a lâmpada acesa. Quando a pressão baixar para um valor seguro, a lâmpada se apaga

Solução

Quando a pressão atinge valor alto perigoso, a chave PS atua, fechando o circuito e

1. soando a buzina 2. acendendo lâmpada R Quando operador toma conhecimento do

alarme e aperta a chave ACKN, a bobina S se energiza, trocando seus contatos S1 e S2

1. S1 abre, desligando a buzina 2. S2 fecha, mantendo bobina S

energizada A bobina S só é desligada quando a chave

PS abrir, ou seja, quando a pressão alta cair e ficar em valor seguro.

Condição normal: pressão não alta, PSH aberta, buzina calada, lâmpada apagada

Fig. 6.9. Condição normal:

Pressão normal, PSH aberta, Buzina silenciosa, Lâmpada apagada

Fig. 6.10. Condição anormal, antes de apertar a chave ACKN:

Pressão alta, PSH fechada, Buzina toca, Lâmpada acende

Fig. 6.11. Condição anormal, depois de

apertada a chave ACKN: S2 (selo) se mantém S energizada, Lâmpada R acesa e S1 aberta e a buzina silenciosa.

Diagrama Ladder

150

Controle de Bomba e duas lâmpadas piloto com chave de nível

Descrição

A chave de nível opera o starter do motor da bomba. A bomba enche um tanque com água. Enquanto o nível do tanque receptor estiver baixo, a chave liga o motor da bomba e acende a lâmpada R. Quando o nível atingir o nível máximo (tanque cheio), a chave desliga o motor e a lâmpada R e acende a lâmpada A. Se o motor se sobrecarregar, o motor é desligado, mas a lâmpada R contínua acesa.

Solução

Quando o nível estiver abaixo do máximo (normal), a chave LSH está aberta e

1. lâmpada R está acesa 2. motor está ligado, operando 3. lâmpada A está apagada

Quando o nível atingir o máximo, LSH fecha 1. apagando R 2. desligando motor M 3. acendendo A Quando motor ficar sobrecarregado, 1. OL abre 2. desligando motor e 3. mantendo R acesa

Fig. 6.12

Fig. 6.13.

Diagrama Ladder

151

Controle seqüencial de 3 motores

Descrição

Ligar três motores, isoladamente e um após o outro. A parada desliga todos os motores. Qualquer sobrecarga desliga todos os motores

Solução

Apertando a botoeira PARTIDA 1. M1 parte e fecha M1-1 e M1-2 2. M1-1 sela a partida de M1, mantendo

M1 ligado depois que a botoeira PARTIDA for solta

3. M1-2 liga M2, fechando M2-1 4. M2-1 liga M3

Qualquer sobrecarga em M1, M2 ou M3 desliga todos os três motores, pois OL1, OL2 e OL3 são contatos NF e estão em série

Fig. 6.14.

Fig. 6.15.

Fig. 6.16.

Contatos auxiliares (ou intertravamentos) para controle de seqüência automática:

Contato M1 energiza bobina M2 Contato M2 energiza bobinM3

Diagrama Ladder

152

Controle temporizado de motores

Descrição

Ligar três motores, isoladamente e um após o outro, com intervalos de 1 minuto. A parada desliga todos os motores. Qualquer sobrecarga desliga todos os motores

Solução

Apertando a botoeira PARTIDA 5. M1 parte e energiza T1 6. M1-1 sela a partida de M1, mantendo M1

ligado depois que botoeira PARTIDA é solta

7. T1 energizado fecha T1-1 depois de 1 min

8. T1-1 parte M2 e energiza T2, que fecha T2-1 depois de 1 min

9. T2-1 parte M3 Qualquer sobrecarga em M1, M2 ou M3

desliga todos os três motores, pois OL1, OL2 e OL3 são contatos NF e estão em série

Fig. 6.17.

Fig. 6.18. Fig. 6.19.

Diagrama Ladder

153

Controle seqüencial temporizado de motores

Descrição

Três motores 1. M1 – motor bomba de lubrificação 2. M2 – motor principal 3. M3 – motor de alimentação devem ser ligados em seqüência e em

intervalos de tempo determinados.

Solução

Apertando a botoeira PARTIDA 1. M1 parte e M1-1 sela a partida de M1. 2. A bomba faz a pressão subir e a alta

pressão faz chave PSH fechar e partir M2 e energizar T1.

3. T1 energizado fecha T1-1 depois de 10 s, partindo M3

Se M1 aquecer, OL1, abre, desligando M1 e a pressão cai.

A queda de pressão faz PSH abrir, desligando M2 e desenergizando T1.

Quanto T1 é desenergizada, T-1 abre, desligando M3

Fig. 6.20.

Fig. 6.21 Fig. 6.22

Diagrama Ladder

154

Controle de Velocidade de motores

Descrição

1. O motor tem três faixas de velocidades. 2. O motor acelera automaticamente para

a velocidade selecionada. 3. Uma botoeira pode parar o motor em

qualquer velocidade 4. O motor possui proteção de sobrecarga 5. Três botoeiras separadas selecionam

1a, 2a e 3a velocidade. 6. Há um atraso de 3 segundos para

passar de uma velocidade para outra

Solução

Apertando a botoeira 1a VELOCIDADE 1. M1 parte e M1-1 sela a partida de

M1,.mantendo-o na primeira velocidade depois que a chave PARTIDA é solta.

2. Quando a chave 2a VELOCIDADE for apertada,

T1 fica energizado (Atraso para Ligar) B1 –1 faz motor girar na 1a velocidade B1 –2 mantém B1 selado

3. Depois de 3 segundos, T1 –1 fecha, ligando S1. S1 faz motor operar na 2a velocidade

4. Quando a botoeira 3a VELOCIDADE for apertada,

C1 fica energizado C1 –1 faz motor girar na 1a velocidade C1 –2 faz motor girar na 2a velocidade C1 –3 faz motor girar na 3a velocidade C1 –4 faz operar T2 (falta S1 –1 fechar)

Depois de 3 segundos, T3 fecha e energiza S1 (motor fica na 2a velocidade).

S1 –1 fecha operando T2. Depois de 3 segundos T2 fecha e opera S2 , que coloca o motor na 3a velocidade.

Quando houver sobrecarga, OL1, abre, desligando M1.

Fig. 6.23. Primeira faixa de velocidade

Diagrama Ladder

155

Fig. 6.24. Segundaa faixa de velocidade

Fig. 6.25. Terceira faixa de velocidade

Blocos de Função

156

5.3. Blocos de função

Conceito

Bloco de função é uma unidade de organização de programa que, quando executa, gera um ou mais valores. Pode-se criar várias instancias nomeadas de um bloco de função. Cada instância deve ter um identificador associado (nome da instância) e uma estrutura de dados, contendo sua saída e variáveis internas e, dependendo da implementação, valores de ou referências para seus parâmetros de entrada. Todos os valores das variáveis de saída e as variáveis internas necessárias desta estrutura de dados devem persistir de uma execução do bloco de função para o próximo, de modo que a invocação do mesmo bloco de função com os mesmos argumentos não forneçam o mesmo valor de saída.

Somente os parâmetros de entrada e saída devem ser acessíveis do lado de fora de uma instância de um bloco de função, i.e., as variáveis internas do bloco de função devem ser ocultas do usuário do bloco de função.

Qualquer bloco de função que tenha sido declarado pode ser usado na declaração de outro bloco de função ou programa.

O escopo de uma instância de um bloco de função deve ser local à unidade de organização de programa em que ele é instanciado, a não ser que seja declarado global em um bloco VAR_GLOBAL.

O nome de instância de um bloco de função pode ser usado como a entrada para uma função ou bloco de função, se declarado como uma variável de entrada na declaração VAR_INPUT ou como uma variável de entrada/saída de um bloco de função em uma declaração VAR_IN_OUT

Parâmetros dos blocos

Variável INPUT

Entrada. Pode ser um valor físico de equipamento ou ainda um valor de memória.

Variável OUTPUT

Saída. Pode ser um valor físico de equipamento ou ainda um valor de memória. O seu valor pode ser usado como entrada, quando ligado ao terminal de direita.

Variável LOCAL

Esta variável é usada apenas quando se têm pontos de transferência de valores, não está associada ao equipamento ou memória, podendo ser utilizada como entrada ou resultado de uma operação lógica.

Constante

Possui valores que são utilizados para execução da lógica. Não possui TAG.

Formação de TAG

O hífen (“-“) dos Tags foi trocado por traço de sublinhar (underscore), “_” ou foi retirado.

Os Tags podem ter prefixos nos finais para identificar seus tipos. Por exemplo, tem-se:

ED Entrada digital do CLP EA Entrada analógica do CLP SD Saída digital do CLP As outras variáveis são internas e auxiliares

do programa (geralmente sem Alias) ou de comunicação com o supervisório (com Alias).

Variáveis com a indicação C ou _ são de comunicação escrita com o supervisório do CLP. Quando a variável contém R ou _R, ela é de retorno do comando enviado pelo supervisório, sendo então uma variável de leitura do CLPpara o supervisório.

Tipos de blocos de função

Os blocos de função podem ser 1. Padrão 2. Personalizado Bloco padrão é aquele elementar e

seminal, que é usado clonado em aplicações repetitivas, onde ele pode aparecer várias vezes. A partir dos blocos padrão, fabricantes de CLP, usuários e integradores de sistema desenvolveram os blocos personalizados ou compostos, para executar tarefas mais complexas.

Fazendo analogia com a eletrônica, um bloco padrão é análogo e a um componente discreto de circuito. O bloco personalizado é análogo a um circuito integrado, onde vários elementos discretos são combinados. O bloco personalizado é fechado e difícil para o seu usuário entender sua operação, a não ser que ele seja bem documentado.

Blocos Personalizados

A partir dos blocos padrão, é possível, desejável e se fazem blocos personalizados, que serão usados de modo repetitivo. Depois de construídos, estes blocos personalizados são armazenados no arquivo Biblioteca para serem usados. Também a partir de blocos personalizados, pode-se construir outros blocos personalizados mais complexos.

Alguns blocos personalizados podem, quando muito utilizados, ser tratados como padrão pelo fabricante de CLP ou desenvolvedor de sistemas.

Diagrama Ladder

157

Fig. 7.1. Bloco de função personalizado, para alarme e desarme de alta com bypass

Por exemplo, pode-se criar um bloco de

função personalizado para fazer alarme de alta de uma variável analógica com bypass.

As entradas deste bloco são: By_pass_M_ED – entrada digital Tag_EA – entrada analógica da variável a

ser alarmada Set_Point_EA_D – valor ajustado para

desarme (atuado no ponto muito alto, HH) Set_Point_EA_A – valor ajustado para

alarme (atuado no ponto de alta, H) As saídas do bloco são: By_pass_BYMR – retorno do bypass da

manutenção Tag_SH_INTLK – saída de alta do

intertravamento Tag_SH_COMP – comparador do sinal de

alarme de alto Tag_SHH_COMP – comparador do sinal de

desarme de muito alto Para construir este bloco personalizado,

foram utilizados: 1. duas portas de seleção GE (maior ou

igual) 2. uma porta MOVE, para levar um sinal

da entrada para a saída 3. uma porta OR

Fig. 7.2. Interior do bloco de função Alm_Alta_Bypass

Blocos Funcionais Padrão

ADD - Aritmética de Adição

ADD pode ser usado como um operador ou como uma função.

Operador ADD (+) é usado em Texto Estruturado para calcular a soma de dois operandos. As operações podem ser executadas como mostrado na tabela.

Em Linguatem Gráfica, a função extensiva ADD é usada em vez de um operador ADD. Funções extensivas podem operar com 2 até 50 parametros de entrada.

Há erro quando o resultado for infinito, o operando não for um número, a data e o tempo estiverem fora da faixa, o tempo estiver fora da faixa.

O bloco ADD é padrão e possui as seguintes características:

1. O valor da saída deste bloco de função é igual à soma dos valores de todas as entradas.

2. O bloco de adição é uma função extensível, ou seja, pode ter de 2 a 50 entradas.

3. Ele pode operar com variáveis numéricas, datas, tempos e horas do dia (TOD)

Pode ser usado em aplicação de segurança ou de controle.

Fig. 7.3. Bloco de função ADD

Diagrama Ladder

158

AIN – Bloco de entrada analógica

Bloco AIN recebe e transforma os valores das entradas analógicas em um número real, limitando-os entre MN e MX.

Sintaxe:

y := AIN ( MX, IN, MN )

Parâmetros de entrada:

MX – número real, limite superior do valor de volta

IN, valor a ser convertido para unidade de engeneharia

MN – número real, limite inferior do valor de retorno.

Característica:

A função AIN converte uma entrada analógica para um número real. A faixa de IN é 819 a 4095, que corresponde a 4 a 20 mA ou 1 a 5 V. O valor de retorno é um número real (em unidade de engenharia) escalonado para a faixa de MN a MX. MN é o valor da saída quando a entrada corresponde a 4 mA ou 1 V ou menor que 819. MX é o valor da saída quando o sinal corresponde a 10 mA ou 5 V ou for maior que ou igual a 4095.

A lógica do bloco AIND é: Se a entrada estiver entre 819 e 4095 contagens, Então o valor da saída varia entre MN e MX. Senão (a entrada é menor que 819 ou maior que 4095), a saída é limitada entre MN e MX, respectivamente.

Fig. 7.4. Bloco de função AIN

AND - Lógica booleana E

Executa uma lógica AND de duas ou mais operandos booleanos ou um bitwise AND de dois ou mais strings de bit.

Em Texto Estruturado, o operador AND é usado em vez da função AND:

Sintaxe

b := b1 AND b2 AND ... AND bn ;

Descrição

Este bloco faz a seguinte lógica booleana: 1. Se uma ou mais de suas entradas são

falsas (0), a sua saída é falsa(0). Senão, a saída é verdadeira (1).

2. A saída é verdadeira (1) somente se e somente se todas as entradas forem verdadeiras (1).

3. Este bloco é extensível, podendo ter de 2 a 50 entradas, com uma única saída ou valor de retorno.

4. Todos os operandos devem ser do mesmo tipo, como o valor de retorno, ou todas booleanas ou todas DWORD. Se os operandos forem BOOL, então o resultado é verdade se todos os operandos forem verdade. O resultado é falso se qualquer um operando for falso.

Fig. 11.5. Bloco de função AND

Diagrama Ladder

159

AOUT – Bloco de saída analogica

O bloco AOUT converte um número real para uma saída analógica.

Sintaxe

k := AOUT( MX, IN, MN )

Parâmetros

MX REAL – O valor de IN requerido para agerar 20 mA ou 5 V no campo.

IN REAL – O valor a ser convertido para uma saida analogical

MN REAL – o O valor de IN requerido para gerar 4 mA ou 1 V no campo.

Saída ou valor de retorno DINT – O valor de In convertido para

contagens de maquina.

Descrição

A funcao AOUT converte um número real para uma saída analógica, em contagens de maquina, ou seja, tipicamente na faixa de 819 a 4095.

MN é o valor de entrada requerido para gerar 4 mA ou 1 V no campo.

MX é o valor de entrada requerido para gerar 20 mA ou 5 V no campo.

AOUT não grampeia a saída analógica para a faixa de 819 a 4095.

Erro

Se MX for igual ou menor que MN, aparece a mensagem de erro: BADPARAM, ERROR

Fig. 11.6. Bloco de função AOUT

CTD - Contador Decrescente

O bloco de função CTD faz uma contagem decrescente e sinaliza quando um valor atinge zero ou enquanto contando para baixo de um valor predeterminado (PV).

Sintaxe CTD( CD:=b1, LD:=b2, PV:=m )

Parâmetros

Seus parâmetros de entrada são: CD – Entrada do pulso de contagem,

habilita a contagem decrescente (BOOL) LD – Carrega o valor predeterminado (PV)

(BOOL) PV – é um valor predeterminado, onde

contador inicia a contagem (INT) Os parâmetros de saída são: Q – Saída. Se CV <= PV, Então a saída Q

passa para 1, Senão (CV > PV), Q permanece em 0 (BOOL).

CV – é o valor atual do contador (INT).

Descrição

O bloco de função CTD decrementa um valor e sinaliza quando ele atinge zero ou menos. Ajustando a entrada LD faz o valor corrente do contador ser incializado pelo PV. Enquanto a entrada CD for verdade, o Compensação de Vazamento decrementa por um cada vez que o CTD é executado. A contagem decrescente pára quando CV atinge -32 768. A saída Q é verdade (1) quando CV for igual ou menor que zero.

Fig. 11.7. Bloco de função CTD

Diagrama Ladder

160

CTU - Contador Crescente (CTU)

O bloco de função CTU faz uma contagem crescente e sinaliza quando a contagem atinge um valor predeterminado (PV).

Sintaxe CTU( CU:=b1, R:=b2, PV:=m )

Parâmetros

Seus parâmetros de entrada são: CU – Habilita a contagem crescente

(BOOL) R – quando R = 1, CV é zerado (BOOL) PV – define um valor predeterminado para

o contador (INT) Os parâmetros de saída são: Q – Saída. Se CV PV, Então a saída Q

passa para 1, Senão (CV < PV), Q permanece em 0 (BOOL).

CV – é o valor atual do contador (NT).

Descrição

O bloco de função CTU faz uma contagem crescente e sinaliza quando a contagem atinge um valor predeterminado (PV). Ajustando a entrada R para verdade, reseta o valor contado (CV) para zero. Enquanto a entrada CU for verdade, o CV incrementa de um, cada vez que o CTU é executado. A contagem pára quando CV atinge 32 767.

A saída Q é verdade quando CV for igual ou maior que PV.

Fig. 7.8. Bloco de função CTU

CTDU - Contador Crescente e Decrescente

O bloco de função CTDU conta para cima e para baixo. Sinaliza quando uma contagem atinge ou zero ou um valor predeterminado (PV).

Sintaxe

CTUD( CU:=b1, CD:=b2, R:=b3, LD:=b4, PV:=m )

Parâmetros

Parâmetros de entrada: CU – Habilita contagem crescente, se CD

for falso (BOOL) CD – Habilita contagem decrescente, se

CU for falxo (BOOL) R – quando R = 1, CV do contador é

zerado (BOOL) LD – É colocado em verdade para carregar

o PV (BOOL) PV – define um valor predeterminado para

o contador (INT) Parâmetros de saída:

CV – é o valor atual do contador (INT) QU – Saída do contador crescente. Se CV

PV, Então a saída Q passa para 1, Senão (CV < PV), Q permanece em 0 (BOOL).

QD – Saída do contador decrescente. Se CV <= PV, Então a saída Q passa para 1, Senão (CV > PV), Q permanece em 0 (BOOL).

Fig. 7.9. Bloco de função CTUD

Diagrama Ladder

161

DIV - Aritmética de Divisão

O bloco de função DIV divide dois números.

Sintaxe

z := x / y ;

Descrição

1. O valor da saída deste bloco de função é igual à divisão do valor da entrada superior pelo valor da entrada inferior.

2. O bloco de Divisão só pode ter de duas entradas.

3. E le pode ser usado como um operador ou como uma função.

4. Pode dividir número por um número, resultando em um número ou pode dividir tempo por um número, resultando em tempo.

Exemplos

Dividir dois números: VAR x : DINT; END_VAR VAR x = 100 / 10; (* result is 10 *)

Erros

Aparecerá código de erro: 1. Se o numerador ou denominador não

for um número - NAN BADPARAM, ERROR

2. Se o denominador for 0,0 e o numerador for negativo, –INF DIVBYZERO, ERROR

3. Se o denominador for 0,0 e o numerador é zero, NAN DIVBYZERO, ERROR

4. Se o denominador for 0,0 e o numerador for positivo, +INF DIVBYZERO, ERROR

5. Se o denominador inteiro for zero, 0 DIVBYZERO, ERROR

Fig. 7.10. Bloco de função DIV

EQ - Comparador Igual a

O bloco de função EQ compara duas operandos quanto à igualdade.

Sintaxe b := x = y;

Descrição

A função EQ é usada em linguagens gráficas para determinar se dois operandos são iguais. Em Texto Estruturado, o operador = é usado para determinar igualdade. O resultado é verdade (1) se os dois operandos forem iguais, se não, o resultado é falso (0).

Os operandos podem ser quaisquer tipos de dado, porém os dois operandos devem ser do mesmo tipo de dado.

Para dados REAL ou LREAL, se algum dos operandos não for um número (NAN), o resultado é indefinido.

O bloco pode ser usado em aplicações de segurança ou de controle.

Fig. 7.11. Bloco de função EQ

Exemplo

Em Texto Estruturado:

VAR b : BOOL; END_VAR b := 10 = 11; (* result is FALSE *) b := 11 = 11; (* result is TRUE *) b := 'abd' = 'abd'; (* result is TRUE *)

Diagrama Ladder

162

EXPT – Aritmética de exponenciação

O bloco de função EXPT eleva um valor a um potência especificada.

Sintaxe

z := x ** y;

Descrição

A funcao EXPT eleva um valor a uma potencia especificada. EXPT é usado em linguagens gráficas para elevar um valor REAL para uma potencia especificada por um expoente.

Em Texto Estruturado, o operador ** é usado para expoenciação. Tanto o valor a ser elevado como o valor de retorno devem ser do mesmo tipo de dado ( (REAL ou LREAL). O expoente pode ser um dado do tipo REAL, LREAL, DINT, ou INT.

Fig. 7.12. Bloco de função EXPT

F_TRIG – Gatilho na descida

O bloco de função F-TRIG gera um gatilho na borda de descida da entrada CLK.

Sintaxe

F_TRIG(CLK:=b)

Descrição

O bloco de função F_TRIG detecta uma mudança de estado da entrada CLK, de verdade (1) para falso (0). Quando a mudança é detectada, a saída Q é colocada em verdadeiro durante um ciclo de execução do bloco de função.

Saída

Exemplo

Este exemplo mantem uma contagem de número de vezes que se perde a alimentação.

VAR POWER_OK, POWER_FAILED : BOOL; END_VAR VAR POWER_FAIL_COUNT : DINT; END_VAR VAR POWER_MONITOR : F_TRIG; END_VAR POWER_MONITOR( CLK:=POWER_OK ); IF ( POWER_MONITOR.Q = TRUE ) THEN POWER_FAIL_COUNT := POWER_FAIL_COUNT + 1; END_IF;

Fig. 7.13. Bloco de função EQ

Diagrama Ladder

163

GE - Comparador Maior ou Igual a

O bloco de função GE determina se um operando é igual a ou maior que outro operando.

Sintaxe b := x >= y ;

Descrição

A função GE é usada em linguagens gráficas para determinar se um operando é maior que ou igual a outro operando. O resultado é verdade (1), se o operando da entrada superior for igual a ou maior que o operando da entrada inferior, se não, o resultado é falso (0).

Em Texto Estruturado, o operador >= é usado. Os operandos podem ser do tipo:

BOOL • DATE • DINT • DT • DWORD • INT • LREAL • REAL • STRING • TIME • TOD Ambos os operandos devem ser do mesmo

tipo de dado. Se um dos operandos não for um número (NAN), o resultado é indefinido.

Exemplo


VAR b : BOOL; END_VAR b := 10 >= 11; (* result is FALSE*) b := 11 >= 11; (* result is TRUE *) b := 'abce' >= 'abcd';

(* result is TRUE *

Fig. 11.14. Bloco de função GE

GT - Comparador Maior que

O bloco de função GE determina se um operando é i maior que outro operando.

Sintaxe b := x > y ;

Descrição

A função GT é usada em linguagens gráficas para determinar se um operando é maior que que outro operando. O resultado é verdade (1), se o operando da entrada superior for ou maior que o operando da entrada inferior, se não, o resultado é falso (0).

Em Texto Estruturado, o operador > é usado.

Os operandos podem ser do tipo: BOOL • DATE • DINT • DT • DWORD • INT • LREAL • REAL • STRING • TIME • TOD Ambos os operandos devem ser do mesmo


Exemplo


VAR b : BOOL; END_VAR b := 10 > 11; (* result is FALSE *) b := 11 > 11; (* result is TRUE *) b := 'abce' > 'abcd';

(* result is TRUE *

Fig. 7.15. Bloco de função GT

Diagrama Ladder

164

LE - Comparador Menor ou Igual a

O bloco de função LE determina se um operando é igual a ou menor que outro operando.

Sintaxe b := x <= y ;

Descrição

A função LE é usada em linguagens gráficas para determinar se um operando é maior que ou igual a outro operando. O resultado é verdade (1), se o operando da entrada superior for menor que ou igual ao operando da entrada inferior, se não, o resultado é falso (0).

Em Texto Estruturado, o operador <= é usado.



Exemplo

Em Texto Estruturado: VAR b : BOOL; END_VAR b := 10 <= 11; (* result is FALSE*) b := 11 <= 11; (* result is TRUE *) b := 'abce' <= 'abcd';

(* result is TRUE *

Fig. 7.16. Bloco de função LE

LT - Comparador Menor que

O bloco de função LT determina se um operando é menor que outro operando.

Sintaxe b := x < y ;

Descrição

A função LT é usada em linguagens gráficas para determinar se um operando é maior que ou igual a outro operando. O resultado é verdade (1), se o operando da entrada superior for menor que o operando da entrada inferior, se não, o resultado é falso (0).

Em Texto Estruturado, o operador >= é usado.



Exemplo

Em Texto Estruturado: VAR b : BOOL; END_VAR b := 10 < 11; (* result is FALSE*) b := 11 < 11; (* result is TRUE *) b := 'abce' < 'abcd';

(* result is TRUE *

Fig. 7.17. Bloco de função LT

Diagrama Ladder

165

LEADLAG – Bloco compensador dinâmico

Fornece a compensação normal lead-lag (adianta-atrasa) comumente usada em controle avançado de processo.

Sintaxe MY_LEADLAG(CI:=b1, IN:=x1, GAIN:=x2, TAU1:=x3, TAU2:=x4, AUTO_MAN:=b2, DELTAT:=GetDeltaT() ) ; y := MY_LEADLAG.OUT ;

Parâmetros de entrada

CI BOOL - Habilita LEADLAG. IN REAL - Valor da entrada. GAIN REAL – Fator de ganho aplicado à

entrada. TAU1 REAL – Constante de tempo de

adiantamento, em segundos TAU2 REAL Constante de tempo de atraso,

em segundos AUTO_MAN BOOL - Controla o status auto/manual do LEADLAG (auto =1, manual = 0). DELTAT TIME - O tempo entre as

avaliações LEADLAG

Descrição

O bloco de funcao LEADLAG fornece a compensacao normal lead-lag (adianta-atrasa) comumente usada em controle avançado de processo. Se a entrada TAU1 for maior que a entrada TAU2, então OUT é um adiantamento (lead). Se a entrada TAU2 for maior que a entrada TAU1, então OUT é um atraso (lag). CI é a entrada de controle. CI habilita a avaliação. Se CI for falso (0), entao o degrau de integração não é executado. O valor inicial default de CI é verdade (1).

IN é o valor da entrada. GAIN é um fator de ganho. O valor de

entrada é multiplicado pelo fator de ganho. TAU1 é a constante de tempo de

adiantamento, em segundos. TAU2 é a constante de tempo de atraso,

em segundos. AUTO_MAN=0 controla se o modo de

operação é automático (AUTO_MAN=1) ou manual (AUTO_MAN=0). Em modo manual, o bloco de função copia o valor de entrada vezes o ganho para o valor de saída. Em modo automático, o bloco de função calcula o valor de saída ocmo uma função.

DELTAT é o tempo entre execuções. Para programar execucao, usar um bloco de funcao CSCHED ou TSCHED, conectado à entrada DELTAT para a saída ACTUAL dos blocos

CSCHED ou TSCHED e conectar a entrada CI para a saída Q do bloco CSCHED ou TSCHED.

Para programar a execucao em cada varredura, conectar a entrada DELTAT à saída de um bloco GetDeltaT e colocar CI=verdade.

CO é a saída de controle. CO segue CI. CO=verdade indica que a avaliação foi

habilitada. OUT é o resultado. A unidade do resultado é a unidade da entrada multiplicada pelo fator de ganho.

Se AUTO_MAN=0, então a equação para a saída é:

OUT := GAIN * IN ;

Se AUTO_MAN=1, então a equação para a saída é: OUT := (GAIN * (T1 * (IN - OLDX) + IN) + (T2 * OUT)) / (T2 + REAL#1.0) ;

onde: T1 é TAU1/DLT T2 é TAU2/DLT DLT é DELTAT convertida para segundos OLDX é o valor prévio da entrada

O bloco LEAD_LAG é aplicado tipicamente em controle avançado.

Diagrama Ladder

166

LIMIT – Limitador de sinal

O bloco de função LIMIT retorna um valor entre um limite minimo e um limite maximo.

Sintaxe

y := LIMIT( low, x, high ) ;

Descrição

A funcao LIMIT retorna um valor entre um limite minimo e um limite maximo.

Se o valor de entrada estiver entre o limite mínimo e o limite maximo, então o valor de retorno é igual ao valor de entrada.

Se o valor de entrada for menor ou igual ao limite mínimo, então o valor de retorno é igual ao limite mínimo.

Se o valor de entrada for maior ou igual ao limite máximo, então o valor de retorno é igual ao limite máximo.

A função LIMIT pode ser usada com os seguintes tipos de dados:

• BOOL • DATE • DINT • DT • DWORD • INT • LREAL • REAL • TIME • TOD Todos os operandos devem ser do mesmo

tipo de dado, que também ser o tipo de dado da saida. Para dados REAL ou LREAL, se algum operando não for um número (NAN), o resultado é NAN.

Dados do tipo STRING não são suportados por esta função.

Fig. 7. 18. Bloco de função LIMIT

MOVE - MOVE

Atribui um valor de entrada a um valor de saída.

Sintaxe

OUT := IN ;

Descrição

Em uma linguagem gráfica, a função MOVE atribui um valor da entrada para um valor da saída. O bloco de função MOVE transfere o valor de sua entrada para a sua saída, sem alteração. Este bloco possui apenas uma entrada e uma saída

Em Texto Estruturado, usar um comando de atribuição, em vez da função MOVE.

Exemplo

VAR OUT : DINT ; END_VAR OUT := 3 ; (* move 3 to variable OUT *)

Fig. 7.21. Bloco de função MOVE

Diagrama Ladder

167

MAX – Seletor de máximo

O bloco de função acha o máximo dos valores de entrada.

Sintaxe M := MAX( I1, I2, ..., In ) ;

Descrição

O bloco de função retorna o máximo dos valores de entrada. I1, I2, …, In.

O bloco MAX é extensível, podendo receber até 50 entradas.

A função MAX pode ser usada com os seguintes tipos de dados:


tipo de dado, que também ser o tipo de dado da saida. Para dados REAL ou LREAL, se algum operando não for um número (NAN), o resultado é NAN.


Exemplo:

VAR y : REAL ; END_VAR y := MAX( 10.0, 15.0, 20.0 ) ;

(* result is 20.0 *)

Fig. 7.19. Bloco de função MAX

MIN – Seletor de mínimo

O bloco de função acha o mínimo dos valores de entrada.

Sintaxe M := MIN( I1, I2, ..., In ) ;

Descrição

O bloco de função retorna o mínimo dos valores de entrada. I1, I2, …, In.

O bloco MIN é extensível, podendo receber até 50 entradas.

A função MIN pode ser usada com os seguintes tipos de dados:


tipo de dado, que também ser o tipo de dado da saída. Para dados REAL ou LREAL, se algum operando não for um número (NAN), o resultado é NAN.


Exemplo VAR m : DINT ; END_VAR m := MIN( 3, 1, 2 );

(* Result is 1 *)

Fig. 7.20. Bloco de função MIN

Diagrama Ladder

168

MUL – Aritmética de Multiplicação

O bloco de função MUL multiplica dois ou mais números ou multiplica um tempo por um número.

Sintaxe

P := I1 * I2 * ... * In ; T2 := T1 * N ;

Descrição

Em uma linguagem gráfica, o bloco de função MUL multiplica dois ou mais números, até um máximo de 50, ou multiplica um tempo por um número.

Em Texto Estruturado, o operador multiplicador multiplica dois números ou multiplica um tempo por um número.

O produto de dois ou mais números é um número. Os tipos de dados de todos os números devem ser o mesmo.

O produto de um tempo e um número é um tempo. O número pode ser qualquer tipo de dado numérico.

Exemplos

Calcular o produto de três números: VAR p : DINT; END_VAR p := 2 * 3 * 4 ; (* result is 24 *)

Calcular o produto de um tempo por um número: VAR t : TIME; END_VAR t := T#1s ; t := t * 2 ; (* result is T#2s *)

Erros de operação

Se o resultado for infinito: ±INF OVERFLOW, ERROR

Se um operando não for um número (NAN): NAN OVERFLOW, ERROR

If the time is out of range Invalid time BADPARAM, ERROR

Fig. 7.22. Bloco de função MUL

MUX - Multiplexador

O bloco de função MUX seleciona um valor de múltiplas entradas.

Sintaxe

v := MUX( K, I0, I1, ..., In-1 ) ;

Descrição

A função MUX seleciona um valor de multiplicas entradas, dependendo de um seletor de entrada (K).

O maximo número de valores de dados é 49. Normalmente, o valor de K deve ser de 0 a (n-1), onde n é o número de entradas de dados. Neste caso, a função retorna IK. Se K for menor que 0, a função retorn a I0. Se K for maior que n-1, a função retorna a In-1.

Os valores dos dados podem ser de qualquer tipo, mas todos os valores de dados devem ser do mesmo tipo, que será também o tipo do retorno.

Exemplo

VAR v : REAL ; END_VAR v := MUX( 2, 0.0, 1.0, 2.0, 3.0 ) (* result is 2.0 *)

Erros de operação

Se K for menor que 0, o retorno é I0 e há mensagem: BADPARAM, ERROR

Se K for maior que o número do indice da última entrada, o valor do retorno é a última In-1 e há mensagem: BADPARAM, ERROR.

Fig. 7.23. Bloco de função MUX

Diagrama Ladder

169

NE - Comparador Não Igual a

O bloco de função NE compara dois operandos quanto a desigualdade.

Sintaxe

b := x <> y;

Descrição

A função NE é usada em linguagens gráficas para determinar se dois operandos são não iguais.

Em Texto Estruturado, o operador <> é usado para determinar desigualdade. O resultado é verdade (1), se os operadores forem não iguais, se não, o resultado é falso (0).

Esta função ou bloco de função também pode ser chamado de Diferente de.

Os operandos podem ser de qualquer tipo de dados, mas ambos operandos devem ser do mesmo tipo. Para dados do tipo REAL ou LREAL, se um dos operandos não for um número (NAN), o resultado é indefinido.

Exemplo


VAR b : BOOL; END_VAR b := 10 <> 11; (* result is TRUE *) b := 11 <> 11; (* result is FALSE*) b := 'abcd' <> 'abcd';

(* result is FALSE *)

Fig. 11.24. Bloco de função NE

NOT – Lógica Não

O bloco de função NOT executa uma lógica de negação de um operando booleano ou um complemento de bitwise de um string de bits.

Este bloco é também chamado de Inversor.

Sintaxe

v := not b ;

Descrição

Em linguagem gráfica, a função NOT retorna a negação lógica de um operando booleano ou o complemento de um string de bits.

Em Texto Estruturado, o operador NOT é usado em vez da função NOT.

Se o operador é do tipo BOOL, então o resultado é verdade (1) se o operando for falso (0) e o resultado é falso (0), se o operando for verdade (1).

Se o operando é do tipo DWORD, entao cada bit da DWORD é invertido. Isto significa que se um bit operando é um 0, entao o resultado correspondente é um 1 e se o bit operando é um 1, então o resultado correspondnete é um 0.

O operando e o valor de retorno são do mesmo tipo de dado, ou seja, eles são ambos BOOL ou ambos DWORD.

Exemplos

Usandos operandos booleanas: VAR b, b1:=TRUE, b2:=FALSE : BOOL; END_VAR b := NOT b1; (* result is FALSE *) b := NOT b2; (* result is TRUE *)

Usando operandos Bit-String Operands VAR w, w1 : DWORD; END_VAR w1 := 2#10101010101010101010101010101010 ; w := NOT w1 ; (* result is 2#01010101010101010101010101010101 *)

Notar que no painel de controle, os valores do exemplo estão em hexadecimal. O valor do operando w1 é 16#AAAAAAAA, e o valor do resultado w é 16#55555555.

Diagrama Ladder

170

OR - Lógica booleana OU

Executa uma lógica AND de duas ou mais operandos booleanos ou um bitwise AND de dois ou mais strings de bit.

Em Texto Estruturado, o operador AND é usado em vez da função AND:

Sintaxe

b := b1 OR b2 OR ... OR bn ;

Descrição

Este bloco faz a seguinte lógica booleana: 1. Se uma ou mais de suas entradas são

verdade (1), a sua saída é verdade (1). Senão, a saída é falsa (0).

2. A saída é falsa (0) somente se e somente se todas as entradas forem falsas (0).

3. Este bloco é extensível, podendo ter de 2 a 50 entradas, com uma única saída ou valor de retorno.

4. Todos os operandos devem ser do mesmo tipo, como o valor de retorno, ou todas booleanas ou todas DWORD. Se os operandos forem BOOL, então o resultado é verdade se todos os operandos forem verdade. O resultado é falso se qualquer um operando for falso.

Exemplos

Usandos operandos booleanas: VAR b, b1:=FALSE, b2:=FALSE, b3:=TRUE : BOOL; END_VAR b := b1 OR b2 OR b3;

(* result is TRUE *) b := b1 OR b2; (* result is FALSE*)

Usandos operandos Bit-String VAR w, w1, w2, w3 : DWORD; END_VAR w1 := 2#00000000000000000000000000000001 ; w2 := 2#00000000000000000000000000000010 ; w3 := 2#00000000000000000000000000000100 ; w := w1 OR w2 OR w3; (* 2#00000000000000000000000000000111 *) w := w1 OR w3; (* 2#00000000000000000000000000000101 *)

Notar que no painel de controle, o valor do

operando w1=16#00000001, w2=16#00000002, w3=16#00000004, e os valores dos resultados em hexadecimais são 16#00000007 and 16#00000005.

PACK16

Empacota 16 bits em uma DWORD.

Descrição

A funcao PACK16 empacota 16 bits em uma DWORD. Os 16 bits sao empacotados no menos significativo 16 bits de uma palavras DWORD de 32 bits. Os valores para os 16 bits são dados em 16 parâmetros booleanos. O primeiro parâmetro, IN01, é empacotado no menos significativo bit do resultado.

Sintaxe

w := PACK16(IN01, IN02, .., IN16) ;


IN01 BOOL Entrada bit 01 (menos significativo). IN02 BOOL Entrada bit 02. IN03 BOOL Entrada bit 03. IN04 BOOL Entrada bit 04. INnn BOOL Entrada bit nn. IN16 BOOL Entrada bit 16 (mais significativo ).

Exemplo w := PACK16(0,0,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0); (* result is 2#00000000000000000000000000111100)

Notar que o resultado mostrado no painel do controlador é em hexadecimal, ou seja, 16#0000003C.

Fig. 7.25. Bloco de função PACK16

Diagrama Ladder

171

PACK32 -

Empacota 32 bits em um DWORD.

Descrição

A funcao PACK16 empacota 16 bits em uma DWORD. Os 16 bits sao empacotados no menos significativo 16 bits de uma palavras DWORD de 32 bits. Os valores para os 16 bits são dados em 16 parâmetros booleanos. O primeiro parâmetro, IN01, é empacotado no menos significativo bit do resultado.

Sintaxe

w := PACK32(IN01, IN02, ... , IN32)


IN01 BOOL Entrada bit 01 (menos significativo). IN02 BOOL Entrada bit 02. IN03 BOOL Entrada bit 03. IN04 BOOL Entrada bit 04. INnn BOOL Entrada bit nn. IN32 BOOL Entrada bit 16 (mais significativo ).

Exemplo w := PACK32(0,0,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0, 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0); (* result is 2#00000000000000000000000000111100) Notar que o resultado mostrado no painel do controlador é em hexadecimal, ou seja, 16#0000003C.

Fig. 7.26. Bloco de função PACK32

R_TRIG – Gatilho na subida

O bloco de função F-TRIG gera um gatilho na borda de subida da entrada CLK.

Sintaxe

MY_R_TRIG( CLK:=b1 ) ; b2 := MY_R_TRIG.Q ;

Descrição

O bloco de função F_TRIG detecta uma mudança de estado da entrada CLK, de falso(0) para verdadeiro (1). Quando a mudança é detectada, a saída Q é colocada em verdadeiro durante um ciclo de execução do bloco de função.

Saída

Exemplo

Fig. 7.28. Bloco de função R_TRIG

Diagrama Ladder

172

PID

Executa o algoritmo de controle Proporcional, Integral e Derivativa (PID).

Sintaxe MY_PID( SP:=x1, CV:=x2, CI:=b1, PV:=x3, AUTO_MAN:=b2, RATE:=x4, RESET:=x5, KPB:=x6, MAXCV:=x7, MINCV:=x8, MAXRATE:=x9, DELTAT:=t1 ) ;

Parâmetros VAR_IN_OUT

SP, REAL: ponto de ajuste (set point). CV, REAL : variável de controle.


CI BOOL Habilita PID. PV REAL Variável de processo AUTO_ MAN

BOOL Controla o status auto/manual do PID (auto = 1, manual = 0).

RATE REAL Constante de tempo derivativa, em segundos.

RESET REAL Constante de tempo intetral, em segundos.

KPB REAL Ganho proporcional. MAXCV REAL máximo valor CV MINCV REAL Mínimo valor CV. MAXRATE REAL Máxima variacao de CV

entre avaliações. DELTAT TIME Tempo entre

avaliações PID.

Descrição

O bloco de função PID executa o algoritmo de controle Proporcional, Integral e Derivativa (PID), com as opções de proteção contra saturação do modo integral, transferência suave sem bump e limitação da variação máxima da alteração da variável de controle. Transferência suave, sem bump, é manipulada na forma de rastreamento do ponto de ajuste.

Nem o argumento SP nem o PV é limitado em sua faixa dinâmica.

Para impor limitações, usar a função LIMIT antes de chamar o PID. A variável de controle CV é tipicamente escalonada para a faixa de 0 a 100 %.

KPB representa o ganho proporcional. Para ação direta de controle, o PID é

programado para KPB ser positivo (isto significa: aumento da variável de processo, aumento da saída do controlador). Para ação reversa de controle, o PID é programado para

KPB ser negativo (isto significa: aumento da variável de processo, diminuição da saída do controlador). Determina-se o valor de KPB provocando variações no controle e observando os efeitos na variável de processo sendo controlada.

Por exemplo, se uma variação de 5% na variável de controle causa uma variação de 150 unidades na variável de processo, então o ganho do processo é de 150/5 ou 30. KPB é tipicamente ajustado no inverso do ganho do processo (ou seja, o ajuste é em banda proporcional).

A constante de tempo RESET ajusta a acao integral do PID. Se o RESET é aumentado, a ação integral é diminuída, a resposta é mais lenta. Se RESET é diminuída, a ação integral é aumentada e a resposta é mais rápida. Para evitar excesso de ação integral, o RESET deve ser ajustado em poucos segundos. O ajuste do RESET é em tempo integral (e não em ação integral).

A constante de tempo derivativa é usada para fornecer amortecimento à resposta da malha de controle. Quando RATE é aumentada, a ação derivativa é aumentada e a ação de amortecimento é aplicada à resposta. Tipicamente, RATE é ajustada a um valor menor que 1 segundo. Em muitos casos, o RATE é ajustado em zero (sem ação).

Aplicação

O bloco de função é usado em aplicações de Controle e de Segurança.

Fig. 7.27. Bloco de função PID

Diagrama Ladder

173

Flip Flop RS (R dominante)

O bloco de função RS é um oscilador biestável (Reset dominante). Bloco é utilizado como memória ou selo.

Sintaxe

RS( S:=b1, R1:=b2 ) ; b3 := SR.Q1

Parâmetros

Os parâmetros de entrada e o retorno (saída) são booleanos.

Descrição

O bloco de função RS é um selo ou memória com a entrada Reset dominante sobre a entrada Set. A entrada R1 reseta Q1 para falso (0). A entrada S coloca Q1 em verdade (1), se R1 for falso (0). Se R1 é falso e S é falso, então Q1 não se altera.

Se entrada S passa de 0 para 1 (recebe um pulso), Então a saída Q passa de 0 para 1, e mantém-se em 1 até que exista um pulso de 0 para 1 em R1 (reset).

Se a saída Q está em 1 e a entrada R1 para de 0 para 1, Então a saída Q passa de 1 para 0.

Tabela verdade

S R1 Q F F Inalterado F T F T F T T T F

Fig. 7.29. Bloco de função RS

Flip Flop SR (S dominante)

O bloco de função RS é um oscilador biestável (Set dominante). Bloco é utilizado como memória ou selo.

Sintaxe

SR( S1:=b1, R:=b2 ) ; b3 := SR.Q1

Parâmetros

Os parâmetros de entrada e o retorno (saída) são booleanos.

Descrição

O bloco de função SR é um selo ou memória com a entrada Set dominante sobre a entrada Reset. A entrada R reseta Q1 para falso (0). A entrada S1 coloca Q1 em verdade (1), se R for falso (0). Se R é falso e S1 é falso, então Q1 não se altera.

Se entrada S1 passa de 0 para 1 (recebe um pulso), Então a saída Q passa de 0 para 1, e mantém-se em 1 até que exista um pulso de 0 para 1 em R (reset).

Se a saída Q está em 0 e a entrada S1 passa de 0 para 1, Então a saída Q passa de 0 para 1.

Tabela verdade

S1 R Q F F Inalterado F T F T F T T T T

Fig. 7.30. Bloco de função SR

Diagrama Ladder

174

SEL - Seletor de Sinais

Seleciona um de dois valores de sinais de entrada.

Sintaxe

v := SEL( G, IN0, IN1 ) ;

Parâmetros

Os parametros de entrada são: G BOOL Falso seleciona IN0

Verdade seleciona IN1 IN0 ANY Primeiro valor de dado IN1 ANY Segundo valor de dado

O parâmetro de saída ou o valor de retorno é também de qualquer tipo, porém do mesmo tipo que IN0 e IN1.

Descrição

A função SEL seleciona um de dois valores de dados, dependendo do seletor de entrada (G).

Se G for falso (0), o valor de retorno é o primeiro valor do dado (IN0)

Se G for verdade (1), o valor de retorno é o segundo valor do dado (IN1)

Os valores de dados podem ser de qualquer tipo, mas devem ser de tipos iguais, que será também o tipo da saída ou retorno.

Exemplo

v := SEL( G, IN0, IN1 ) ;

Fig. 7.31. Bloco de função SEL

SUB - Aritmética de Subtração

Calcula a diferença entre dois operandos.

Sintaxe

z := x - y ;

Parâmetros

Os parâmetros de entrada podem ser qualquer tipo de número ou tempo.

Descrição

O operador subtrator (-) é usado em Texto Estruturado para calcular a diferença entre dois operandos.

Nas linguagens gráficas, o bloco de função SUB é usado, em vez do operador subtrator.

A função do operador subtrator ou da função SUB é a seguinte:

Subrai um número de outro número. Subtrai um tempo de uma data e tempo. Subtrai um tempo de um tempo. Subtrai o tempo de um tempo de dia (TOD) No bloco de função SUB, o valor da saída

ou retorno é igual à subtração do valor da entrada superior menos o valor da entrada inferior.

O bloco de adição só pode ter de duas entradas.

É um bloco de função com entradas assimétricas, ou seja, se forem alteradas as entradas o resultado pode ser diferente.

Fig. 7.32. Bloco de função SUB

Diagrama Ladder

175

TMR – Temporizador

O bloco de função TMR é um temporizador.

Sintaxe MY_TMR( IN:=b1, RESET:=b2, PT:=t1, IT:=t2 ) ;

Parâmetros

Os parâmetros de entrada são: IN BOOL Habilita o TMR RESET BOOL Reseta o TMR PT TIME Tempo pré-ajustado IT TIME Tempo inicial

Os parâmetros de saída são: Q BOOL Mostra o status ET TIME Acumulador do tempo

que passou

Descrição

Enquanto a entrada IN for verdade, o temporizador incrementa o acumulaor do tempo transcorrido até seu valor for maior que ou igual ao tempo pré-ajustado (entrada PT). Depois que o tempo pré-ajustado é atingido, a saída Q permanece verdade até o reset. O RESET limpa Q e copia IT para ET.

A entrada IN soma o perido de varredura anterior para ET. Se IN é verdade e ET é maior que ou igual a PT, então o bloco de função copia PT para ET e liga Q. Se IN é falso, então ET mantém seu valor corrente até o reset.

PT é o tempo presente que significa que o temporizador expira quando ET for maior que ou itugal a PT.

IT é o tempo inicial que é carregado em ET. O valor inicial default é T#0s.

Q indica quando o temporizador expira. Q é ajustado para verdade (1) quando ET aumenta até PT ou além dele.

Reset limpa Q. ET é o tempo que passou durante o qual a

entrada IN é verdade (1).

Fig. 11.33. Bloco de função TMR

Temporizador TP

O bloco de função TP gera um pulso temporizado. É um temporizador comandado por pulso.

Sintaxe MY_TP( IN:=b1, PT:=t1 ) ;

Parâmetros

IN BOOL Pulso de entrada PT TIME Tempo pré-ajustado do pulso Q BOOL Pulso de saída ET TIME Tempo transcorrido

Descrição

O bloco de função TP gera um pulso de duração PT começando da borda de subida da entrada IN.

IN é um pulso de entrada. A borda de subida de IN dispara o temporizador, colocando Q em verdade (1). Enquanto Q for verdade (1), o temporizador ignora IN.

PT dá a duração desejada do pulso. Quando Q for verdade e ET for maior que ou igual a PT, o temporizador reseta Q para falso.

Q é o pulso de saída. O temporizador coloca Q verdade na borda de subida de IN. Q permanece verdade (1) pelo tempo PT e depois muda para falso (0).

ET é o tempo transcorrido da borda de subida de Q, enquanto Q for verdade (1). Depois da borda de descida de Q, ET é igual a PT, enquanto IN permanecer verdade (1). ET é zero se IN e Q forem ambos falso (0).

Exemplo VAR MY_TP : TP ; END_VAR VAR b1, b2 : BOOL ; END_VAR MY_TP( IN:=b1, PT:=T#10s ) ; b2 := MY_TP.Q ; (* O resultado b2 é um pulso de duracao aproximada de 10 segundos, seguindo a borda de subida de b1.*)

Fig. 7.34. Bloco de função TP

Diagrama Ladder

176

Temporizador TOF

Atrasa a borda de descida de um pulso. Temporizador para desligar.

Sintaxe MY_TOF( IN:=b1, PT:=t1 ) ;

Parâmetros

IN – entrada (BOOL) PT – tempo pré-ajustado (TIME) Q – saída (BOOL) ET – Tempo transcorrido (TIME)

Descrição

O bloco de função TOF fornece um atraso de duração PT da borda de descida da entrada IN para a borda da descida da saída Q.

IN é um pulso de entrada. A borda de descida de IN dispara o temporizador. Enquanto IN for falsa (0), após um atraso de duração PT, o temporizador muda a saída Q para falso (0). Se em qualquer momento, a entrada IN muda para verdade (1), o temporizador zera, mudando Q para verdade (1) e ET para para zero.

PT dá a duração do atraso. Q é o pulso de saída. Q é inicialmente

verdade (1). Q muda de verdade (1) para falso (0) após o atraso especificado. Q muda de falso (0) para verdade (1) imediatamente, quando a entrada muda de falso (0) para verdade (1).

Fig. 7.35. Bloco de função TOF

Fig. 7.36. Saída do bloco temporizador TOF

ET dá o tempo transcorrido da borda de

descida de IN, enquanto IN for falso e Q for verdade. Enquanto IN é falso e Q é falso, ET é igual a PT. Se IN for verdade, então ET é zero.

Se IN for verdade, então TOF leva a saída !

para verdade e o tempo transcorrido é zero. Se o comprimento da entrada IN for menor que PT, então a saída Q não se altera, mas enquanto IN for falso, a saída ET ainda dá o tempo transcorrido desde a borda de queda da entrada IN.

Se o valor inicial da entrada IN é falso,

então o temporizador não parte e Q permanece falso até que a entrada IN mude para verdade.

Diagrama Ladder

177

Temporizador TON

Atrasa a borda de subida de um pulso. Temporizador para ligar.

Sintaxe MY_TON( IN:=b1, PT:=t1 ) ;

Parâmetros

IN – entrada (BOOL) PT – tempo pré-ajustado (TIME) Q – saída (BOOL) ET – Tempo transcorrido (TIME)

Descrição

O bloco de função TON fornece um atraso de duração PT da borda de subida da entrada IN para a borda da subida da saída Q.

IN é um pulso de entrada. A borda de subida de IN dispara o temporizador. Enquanto IN for verdade (1), após um atraso de duração PT, o temporizador muda a saída Q para verdade (1). Se em qualquer momento, a entrada IN muda para falso (0), o temporizador zera, mudando Q para falso (0) e ET para para zero.

PT dá a duração do atraso. Q é o pulso de saída. Q é inicialmente falso

(0). Q muda de falso (0) para verdade (1) após o atraso especificado. Q muda de verdade (1) para falso (0) imediatamente, quando a entrada muda de verdade (1) para falso (0).

Fig. 11.41. Bloco de função TON

Fig. 7.42. Saída do bloco temporizador TOF

A saída ET (tempo transcorrido) dá o tempo

desde a borda de subida da entrada IN. O máximo valor de ET é PT.

ET dá o tempo transcorrido da borda de subida de IN, enquanto IN for verdade (1) e Q for falso (0). Enquanto IN for verdade (1) e Q for falso (0), ET é igual a PT. Se IN é falso (0), então ET é zero.

Se a duração da entrada IN é menor que

PT, então a saída Q não se altera.

Diagrama Ladder

178

179

9. Alarme Objetivos

1. Descrever os componentes de um sistema típico e os tipos de alarme. 2. Mostrar as diferentes prioridades do alarme de processo e os meios para realizar os alarmes. 3. Apresentar as correlações do alarme do processo e as cores utilizadas. 4. Estabelecer regras para realização segura, lógica e correta de alarmes e intertravamento. 5. Apresentar os princípios para projetar e realizar os vários tipos de alarme e intertravamento. 6. Analisar o fator humano no projeto do intertravamento.

1. Alarme do Processo

1.1. Introdução

Uma das aplicações mais comuns no controle de processo é a implementação de circuitos simples de alarme. O sistema de alarme é binário, pois o interesse é apenas se a variável está abaixo ou acima de determinado valor preestabelecido. No controle de processo, há muitas aplicações para detectar e alarmar variáveis acima e abaixo de valores seguros, que devem ser monitoradas.

Um sistema pode operar sem malha de controle de pressão, mas com alarme. Se a pressão exceder determinado limite predeterminado, pode-se gerar um alarme e prover uma atuação corretiva, para manter o sistema seguro ou dentro de limites de controle. As ações mais fáceis de implantar são as de ligar e desligar. Neste sentido, o alarme é similar ao controle liga-desliga ou de duas posições.

Os sistemas de alarme vivem no mundo binário. Como os sistemas binários de alarme são relativamente simples e não requerem qualquer teoria de controle, pensa-se que eles não precisem de nenhuma base teórica para especificação ou projeto. Mesmo sendo simples de implantar, há muitos aspectos de sistemas de alarme que devem ser considerados, para que eles façam o trabalho pretendido pelo projetista e usuário.

Os sistemas de alarme desempenham a importante função de proteção do processo e por isso não devem ser especificados indiscriminadamente. Muitos alarmes incompreendidos em um painel ou console de instrumentos inevitavelmente leva o operador a ignorá-los. Uma fraqueza dos sistemas digitais atuais é que a grande facilidade para gerar alarmes pode torná-los banais.

1.2. Componentes

Os sistemas de alarme de processo geralmente consistem de três componentes: 1. Chave automática de variável de processo,

que detecta o valor da variável, compara este valor com um ajuste e muda a sua saída quando o valor ultrapassa o ponto de ajuste. O sinal binário da saída da chave está associado a Liga-Desliga, Seguro-Inseguro, Pronto-Não pronto.

2. Circuito lógico que recebe o sinal de saída de uma ou mais chaves de alarmes e então decide, baseado em uma lógica preestabelecida, qual a saída que deve ser enviada ao anunciador e, se aplicável, qual o elemento final que deve ser automaticamente ligado ou desligado.

3. Anunciador de alarme, possivelmente um dispositivo final que irá produzir a ação apropriada em resposta às saídas da lógica. O anunciador de alarme geralmente tem lâmpadas atrás de placas gravadas. Em sistemas com monitor de vídeo, alarmes são mostrados através de mensagens em uma tela Quase sempre, usam-se alarmes visuais associados a sinais sonoros, como sirene, buzina e campainha.

Fig. 9.1. Diagrama de blocos de um alarme

Alarme

180

O alarme pode também incluir um dispositivo final para causar um desligamento automático do equipamento sob operação. Tipos comuns de dispositivo final incluem:

1. Relé elétrico agindo como um segundo botão de Liga-Desliga no circuito de controle da partida de um motor.

2. Válvula de emergência operada por solenóide

3. Válvula piloto operada por solenóide, que pode ligar ou desligar um atuador pneumático com mola e diafragma em uma válvula de emergência. A válvula piloto geralmente é de três vias e pequena; a válvula de emergência pode ter qualquer tamanho.

4. Válvula motorizada, damper ou porta. Estes dispositivos não são tão práticos como o relé e a válvula solenóide pois eles não tem posição segura em caso de falha. É necessária potência para acioná-los para seu estado seguro.

Fig. 9.2. Alarme e intertravamento

1.3. Realização do Alarme

O projeto e realização do alarme dependem principalmente de sua importância ou criticidade e por isso são disponíveis várias configurações, com diferentes graus de complexidade.

Os sistemas de alarme de processo podem ser de cinco tipos diferentes.

Alarme indicador de status

O alarme do tipo 1 é simplesmente um indicador de status do processo ou do equipamento. As combinações de status podem ser: Ligado ou Desligado, Aberto ou Fechado, Normal ou Anormal, Operando ou Parado, Pronto ou Não-pronto ou qualquer outra variedade binária.

Se este tipo de alarme é especificado, deve-se atribuir uma indicação positiva para cada estado. Uma lâmpada deve ser atribuída

ao estado Ligado e outra para o estado Desligado. É perigoso atribuir uma única lâmpada para indicar ambos os estados, por exemplo, ligada para o estado Ligado e apagada para o estado Desligado.

Atualmente quase todo equipamento eletrônico possui lâmpadas piloto ou LEDs para indicar seu estado de ligado ou em standby. Um computador pessoal, por exemplo, possui LED para indicar status de ligado, LED para mostrar que o disco rígido está sendo acessado, o monitor de vídeo possui um LED que fica aceso continuamente em condição normal e que fica piscando quando há houver sinal de vídeo.

Alarme com sensor compartilhado

Um alarme com sensor compartilhado chama a atenção do operador da planta para uma leitura anormal de um medidor acessível ao operador. O sensor (ou o transmissor) deste alarme é o mesmo sensor da malha de controle.

A Fig. 9.2 mostra um alarme com sensor compartilhado: um transmissor de nível (LT) mede o nível do tanque e envia um sinal de medição para um indicador e controlador de nível (LIC). Este mesmo sinal de medição do nível é também enviado para uma chave de alarme (LSL) que ativa um anunciador (LAL) se um ponto de nível baixo é atingido.

Fig. 9.3. Sistema de alarme tipo 2 A grande limitação deste tipo de alarme é

que o sensor compartilhado é uma causa comum da falha. Quando o sensor falha, perdem-se o controle e o alarme do controle. Mesmo assim, ele é usado porque é simples e fácil de ser implementado.

Alarme para mostrar anormalidade

O alarme pode ser utilizado para substituir o indicador da variável do processo. A

Alarme

181

justificativa é que não se precisa conhecer o valor real da variável, desde que ela permaneça entro dos limites seguros. Se a variável de processo cruza os limites de segurança, inferior ou superior, um sinal de alarme é enviado. Muitos alarmes de painel de automóvel são deste tipo. Quando a pressão de óleo do motor cai abaixo de um valor limite, acende-se uma lâmpada vermelha do painel.

Este tipo de alarme é o mais simples. Ele requer uma chave de alarme operada diretamente pela condição do processo e localizada no ponto de medição. A saída liga-desliga da chave de alarme ativa o anunciador diretamente, Nenhuma outra lógica é usada.

Fig. 9.4. Alarme da anormalidade

Alarme como backup do controle

Estes alarmes servem como uma reserva, no caso de uma falha de um instrumento que mede a mesma variável de processo. O transmissor de nível (LT) fornece o sinal de medição para um indicador e controlador de nível (LIC). Um outro sensor independente está ligado a uma chave de nível (LSL) que envia a sua saída binária para um alarme de nível (LAL) do anunciador. O sistema de medição é independente do sistema de alarme. Especificamente isto significa:

A chave de alarme (LSL) deve ter seu próprio sensor e não pode ser uma chave de alarme acionada pelo sinal como do tipo 2

A chave de alarme deve ser operada diretamente pela condição do processo

Como uma possível razão da falha de um instrumento é a sua conexão, a chave de alarme deve ser sua própria conexão no processo.

Fig. 9.5. Alarme com sensor independente

Alarme com atuação automática

O sistema de alarme que automaticamente faz as coisas acontecerem é mostrado na Fig. 4-. A chave de alarme de baixa pressão (PSL) detecta a condição de baixa pressão e envia o sinal para a lógica. A saída da lógica estabelece um alarme de baixa pressão (PAL). Uma segunda saída lógica é um sinal para o dispositivo final ser ativado, neste caso, uma válvula de desligamento que fecha. Um segundo alarme (SS e SA) avisa ao operador que o sinal de desligamento foi enviado para o equipamento final.

Fig. 9.6. Sistema de alarme com atuação Um sistema de alarme com atuação

automática envolve vários fatores importantes que devem ser entendidos. Em muitos casos, ação automática significa desligamento automático. Se uma máquina perdeu sua pressão de óleo lubrificante ou um reator está operando muito quente, é necessário um desligamento automático. Porém, há casos em que a ação apropriada deve estar na partida automática. Por exemplo, a partida de um gerador de emergência no caso de perda da

Alarme

182

energia elétrica principal ou partida de uma bomba reserva se a bomba principal falhar. Mesmo quando o tipo de sistema de alarme é referido como desligamento automático, o nome também é usado quando se tem ligamento automático.

1.4. Intertravamento do Processo

Hoje os processos químicos são mais complexos, maiores e operados mais próximos dos limites de segurança. Como resultado, há uma maior probabilidade de estas plantas se tornarem inseguras, tendo assim um maior potencial de causar grandes estragos, prejudicando ou matando pessoas, danificando propriedade e resultando em paradas custosas ou contaminando o meio ambiente.

Quando algo de errado acontece com o processo, o sistema deve se desligar rapidamente para proteger o pessoal e a planta do processo e o operador deve ter informação suficiente para tomar uma decisão inteligente acerca do que fazer imediatamente.

É extremamente importante projetar o sistema de segurança com os alarmes associados para proteger pessoal e equipamentos da planta de processo. Este sistema deve funcionar de modo que as condições de permissão existam antes da partida e a operação global permaneça segura, até quando aparecerem condições anormais e perigosas. Além disso, o sistema de alarme e de segurança deve servir para minimizar os erros de operação do pessoal em situações de emergência.

Fig. 9.7. Alarme e desligamento Um sistema de intertravamento consiste de

entradas e saídas que estão relacionadas e interligadas para desempenhar uma função definida, tal como ligamento ou desligamento de um equipamento, através de uma seqüência lógica de eventos, como os determinados por

certos dispositivos (tais como arranjos de contatos de relés em série, paralelo ou combinação de ambos) ou programa de CLP ou de PC. São entradas: chaves liga-desliga, botoeiras, chaves limite, chaves do processo e outros contatos externos. São saídas: motores, bobinas, lâmpadas piloto e buzinas.

O objetivo do sistema de intertravamento é o de causar um conjunto previsível automática ou manualmente de operações, quando os limites do processo forem excedidos, os equipamentos mecânicos e elétricos falharem, a energia faltar ou os componentes falharem, individualmente ou em combinação.

O sistema deve operar de modo a garantir a proteção da planta. O sistema de intertravamento e segurança não irá evitar os desvios perigosos do processo ou os acidentes catastróficos, mas irá reduzir os riscos de tais ocorrências a um nível aceitável. Como há sempre um elemento de riscos envolvido e deve ser definido um nível aceitável, deve se tratar da probabilidade de ocorrência de variáveis aleatórias e indeterminadas e distúrbios externos ao sistema. Todos estes fatores contribuem para diminuir a confiabilidade das condições de operação.

Mesmo com o mais completo sistema de intertravamento, mais cedo ou mais tarde algum ou todos dos seguintes fatos irão acontecer: 1. o processo estará fora dos limites de

segurança (os limites de inflamabilidade serão excedidos ou ocorrerão emissões tóxicas ou decomposições).

2. o equipamento irá falhar (o compressor entrará em surge ou o motor da bomba queimará).

3. o desempenho do equipamento irá decair (o trocador de calor entupirá ou a serpentina criará incrustação).

4. as utilidades serão interrompidas (faltará energia elétrica ou vapor).

5. o controle de processo e o sistema de intertravamento falharão ou ficarão sem confiabilidade. Assim, deve-se estar seguro que, se tudo o

mais falhar, a planta permanecerá no modo de operação mais seguro ou como ultima opção, a planta será desligada.

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183

2. Segurança da Planta

2.1. Projeto da planta

Toda planta deve ser projetada usando-se princípios de segurança baseados em praticas de engenharia estabelecidas. Procedimentos como Perigo e Operabilidade - Hazard and Operability (HAZOP), Análise de Perigo - Hazard Analysis (HAZAN) e Análise de Arvore de Falha – Fault Tree Analysis (FTA) podem revelar problemas potenciais de segurança e operação relacionados com o projeto.

Depois de projetada, instalada e dada a partida (start up) a planta entra em operação de regime. Há vários sistemas automáticos associados à planta, para garantir sua operação correta e eficiente e a segurança dos equipamentos envolvidos e dos operadores presentes. Pode-se perceber quatro níveis distintos de atividade da planta:

1. medição e controle regulatório do processo

2. alarme do processo 3. desligamento de emergência 4. monitoração e controle do fogo

2.2. Medição e Controle do processo

Os sistemas de medição e controle regulam os processamentos e fluxos de materiais e de energia. O desempenho dinâmico correto destes sistemas torna as falhas internas raras. Quando acontece uma falha, sua ocorrência é facilmente evidenciada para o operador, através das indicadores e registradores.

Quando o controle automático é insuficiente de fornecer o resultado desejado, (por falha da estação automática, má sintonia, carga diferente do processo), o operador transfere a operação de automática para manual. Isto não causa nenhum problema particular ao processo, que contínua operando com produtos dentro das especificações. Geralmente, o sistema de controle possui um sistema suplementar de alarme, que chama a atenção do operador para a perda do controle automático ou para a tendência do produto sair fora das especificações.

Porém, em condições mais graves, em que nem o controle manual consegue regular corretamente o sistema, e o produto final está fora das especificações, entra o sistema de alarme.

2.3. Alarme do processo

O ideal é que a planta trabalhe em automático todo o tempo. Os distúrbios normais

do processo são eliminados pelo controle automático. Quando houver uma anormalidade além da faixa de controle automático, o processo deve ser passado para a condição de manual. Para isso, deve haver sistema de alarme para chamar a atenção do operador, pois ele não está todo o tempo olhando os controladores e atualmente há tantas informações concentradas em tão pouco espaço que é impossível o operador perceber prontamente quando o controle automático é perdido.

Na maioria dos casos, a atuação manual do operador no processo é suficiente para trazer o processo para as condições ideais. Porém, em uma minoria dos casos, a atuação manual não consegue retornar a variável de processo para o ponto de ajuste e o processo tende para condições de perda de produto ou inseguras.

2.4. Desligamento de emergência

Quando os operadores podem entrar em pânico ou serem incapazes de tomar a decisão certa no momento certo, com o excesso de informações disponíveis, o sistema procura eliminar o julgamento humano das funções críticas de segurança. O sistema atua automaticamente no processo, desligando-o ordenadamente.

A proteção da planta independente da ação humana é implementada pelo sistema de desligamento, com suas entradas e saídas dedicadas e completamente separadas do sistema de controle do processo. Este sistema monitora as operações em uma condição estática, até ser ativado ou disparado por uma condição anormal prevista. O sistema requer um alto nível de diagnose, geralmente não existente nos equipamentos de controle do processo, para detectar falhas internas que podem não ser facilmente evidentes.

2.4. Monitoração do fogo e gás

Mesmo com o sistema de regulação, alarme e desligamento, ainda é possível haver fogo ou explosão no processo. Pode haver falhas no sistema de alarme e desligamento, que deixa de atuar em condição de perigo ou pode haver fogo provocados por outras fontes diferentes.

Os perigos devidos a gases combustíveis e tóxicos são manipulados por outro sistema. Este sistema além de detectar a presença de gases no local também pode ter condição de desligar equipamento do processo, ou seja, o sistema de detecção de gases pode inicializar o sistema de desligamento. Em plantas grandes e complexas, hoje a tendência é de integrar o projeto e suprimento do gás e fogo com o

Alarme

184

sistema de desligamento, ambos agrupados em um mesmo sistema de segurança.

3. Trabalhando com alarmes

O gerenciamento de alarme não é assunto apenas para displays do operador. Todo o sistema de controle está envolvido. Por causa da forte relação entre o modo que um display de operação está pesadamente ligado a tudo que acontece dentro do processo, principalmente durante as condições anormais e de emergência, o gerenciamento do alarme deve ser bem projetado, como será visto aqui.

3.1. Arquitetura do alarme

O papel da arquitetura é a de coletar os dados rapidamente para o operador e também rapidamente permitir a resposta do operador, sempre que houver alguma mudança de condição. Incluído nos parâmetros da estação de operação, está o desempenho do circuito microprocessador que traz os dados para a tela de vídeo. Este circuito inclui o tempo de confecção (build time), que é o tempo em que a tela leva para ser apresentada inicialmente e o tempo de atualização (refresh), que é o tempo em que a tela apresentada é atualizada. Por exemplo, pode levar alguns segundos para a tela aparecer pela primeira vez e a metade de um segundo entre as atualizações de dados nesta tela. A informação de alarme que o operador vê em uma tela não deve ser mais velha do que dois segundos.

A atualização da tela não é feita tão facilmente e há muitos sistemas incapazes de trazer informação atualizada do processo de modo tão rápido que a estação os apresenta. Geralmente, se a informação precisar ser armazenada e direcionada em diferentes esquemas de comunicação, ele fica lenta para ir para o operador. Alguns sistemas têm um equipamento de histórico próximo da interface de operação, de modo que o display da tela é constituído muito rapidamente, mas a informação mostrada pode ter idade de 15 a 60 segundos. Este atrasado está relacionado com a arquitetura da rede de comunicação, com o tipo de prioridade e listagem dos vários diferentes níveis de informação desta rede.

Este tipo de atraso não é critico na informação de negócios, em aplicações de vários computadores rodando em diferentes escritórios. Também não é problema em processos com grande tempo de atraso (e.g., processo com grande capacitância termal). O atraso torna-se inaceitável em processos rápidos, geralmente em plantas químicas e casas de força. A solução é separar as

arquiteturas em sub-redes ao lado da sala de controle para o gerenciamento das funções mais lentas, tais como tendência, histórico e relatórios.

O gerenciamento efetivo do alarmes é embutido na arquitetura do sistema de controle e suplementado pela implementação de outras ferramentas de configuração do sistema. O reconhecimento instantâneo do aparecimento do alarme pelo operador é conseguido tendo uma única tela ou uma janela dedicada aos alarmes localizada em somente uma posição que mostra os novos alarmes. Os alarmes devem ser filtrados, qualificados e priorizados, de modo que apenas aqueles que requerem a atenção imediata do operador interrompam a sua atividade normal. A atividade normal se deixada desatendida, também pode provocar alarme.

Fig. 9.8. Tela com alarme

3.2. Estado versus condição

Alarmes e eventos usados indistintamente na linguagem, embora sejam diferentes, mesmo que ambos sejam dinâmicos. Para saber o que fazer com eles e como gerenciá-los, é importante entender sua verdadeira natureza.

Um evento é alguma mudança de status no processo. Evento não é um alarme. Exemplos de eventos são:

o inicio ou o fim de uma operação, a passagem de uma estágio em uma

operação de batelada, o ligamento ou desligamento de uma

bomba ou motor, a chegada do valor de uma variável a

um limite alto ou baixo. Esta mudança pode ser usada para causar

uma ação de controle. Ela provavelmente deve

Alarme

185

ser registrada na base de dados histórica. Em termos de sinal, esta mudança significa um sinal discreto ou um bit de informação (0 ou 1). Este sinal deve viajar pela rede de comunicação e ser armazenado em uma função histórica que pode residir na estação de operação ou em uma estação dedicada. Os eventos não precisam ser mostrados em qualquer tela que o operador esteja vendo. Se o evento for importante, ele deve ser mostrado em alguma tela apropriada. A aparência de um evento pode não requerer qualquer ação, pois ele simplesmente deixa o operador saber do status do processo.

Fig. 9.9. Evento não é alarme Um alarme é algum status ou condição

existente ou nova. Alarme não é um evento. Alarme é uma condição que poderia causar uma ação de controle e poderia ser registrado no histórico do processo. Um novo alarme é uma condição que sempre deve ser apresentada na tela do operador, mesmo se ele ocorrer em uma área particular que não esteja sendo vista.

Este alarme pode resultar em uma faixa vermelha, um ícone piscando, aparecimento de uma linha de texto na tela. O alarme pode também soar um anunciador sonoro e mesmo criar alguma resposta corretiva automática ou até uma seqüência de desligamento.

Fig. 9.10. Alarme sempre deve aparecer na tela Alarme é uma condição corrente. Alarme

pode causar uma ação de controle. Alarme

deve ser registrado no histórico. Alarme deve sempre ser apresentado na tela, mesmo que não esteja na tela atualmente aberta.

O alarme mostrado na Fig. 9.7 é uma representação de um status discreto ou condição existente de um valor analógico, que esteja talvez ruim ou não reconhecida e deve chamar a atenção do operador.

A condição de alarme sempre tem dois eventos:

Entrando na condição de alarme Saindo da condição de alarme Por causa de o alarme ter sempre dois

eventos, alarme é confundido com evento. O evento é uma ocorrência, tal como algo indo de uma condição normal para anormal. Quando um sinal vai para uma condição anormal, o primeiro evento ocorre. Outro evento ocorrente quanto este mesmo sinal sai de uma condição de alarme, tal como quando o problema anormal desaparece e o processo volta para a condição normal.

3.3. Velocidade de resposta

O controlador responde a uma variação na variável de processo e causa uma variação na saída automaticamente, sem envolver o operador. Somente quando o controlador requerer uma ação manual, a rede de comunicação entre a estação de controle e a estação do operador toma parte. A habilidade de o sistema apresentar as condições de mudança impacta o tempo de resposta do operador, que depende de como ele é alertado.

Quando ocorre um distúrbio no processo, o controlador apropriado deve receber os dados, deve acessar a rede e deve transmitir a informação para a estação de operação. A estação de operação deve converter os dados da rede para a tela. Os dados também podem ser enviados para a base de dados históricos e geralmente chegam lá antes de aparecer na tela do operador. Assim que aparece na tela, o operador deve ser alertado do distúrbio, reconhece o significado do problema, determina o que deve ser feito e depois causa uma resposta, que pode ser acionar uma tecla, cuja ação vai através da estação do operador, acessa a rede, comunica através da rede e leva a resposta para o controlador. O controlador então faz a ação de correção, que deve ser transmitida de volta para o elemento final de controle.

A ação de controle automática normal, entrada para saída, pode levar somente um ou dois segundos. Além deste atraso, há o da comunicação sobre a rede para outra estação. Geralmente a parte mais lenta desta malha é a habilidade de o operador reconhecer,

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compreender, decidir e responder corretamente ao problema.

3.4. Gerenciamento de alarmes

Qual o tempo de resposta de um operador? Em alguns processos, pode-se ter de 100 a 300 alarmes em um segundo. Alguns outros processos podem ser mais rápidos. Certamente 1000 alarmes por segundo seria muito difícil para administrar individualmente e movimentar na rede. Geralmente se coloca um equipamento próximo ao processo, no módulo de entrada e saída ou de controle, para manipular o que é conhecido como seqüência de eventos. Esta é uma técnica para classificar os alarmes e as ações de resposta destes alarmes, listando-os e colocando uma etiqueta de tempo neles. Estes eventos são então empacotados e enviados através da rede principal para uma estação de operador, estação de histórico ou algum outro computador.

Fig. 9.11. Fluxo de um sinal de alarme Nenhum operador pode responder em um

milissegundo (1 ms) e nem uma lista repentina e sem significado de 100 alarmes que aparecem na tela. Seria inútil mesmo se existisse um sistema que pudesse comunicar estes alarmes rapidamente do módulo I/O para a tela (não há tal sistema). Há, porém técnicas de seqüência de eventos que podem ajudar o operador. Projeto apropriado envolvendo o módulo I/O, estação de controle e estação de operação pode ser usado para classificar, sumarizar, priorizar, filtrar, mostrar com significância e focalizar a ação direta. Este projeto deve acomodar o atraso natural humano, mas não o atraso de comunicação eletrônica.

Nos sistemas de controle atuais, as ações automáticas encontradas nos blocos de função são bem compreensivas, se o sistema de controle for baseado em controle de malha de processo, batelada, lógica ou mesmo de motor. Quando ocorrer um evento ou uma condição de alarme, geralmente, o algoritmo tem capacidade de causar uma resposta a esta ação e coloca uma ação corretiva para resolver o problema. Nem todas as condições devem ser corrigidas automaticamente. Às vezes, o operador precisa participar da ação corretiva apropriada, porque o processo é realmente uma arte e não uma condição automação que roda somente fórmulas.

Ações automáticas são mais facilmente executadas através de algoritmo compreensivo tendo a grande escolha de embutir seleções de alarme de vários tipos de sistemas de controle, como:

Controle da malha de processo Controle de batelada ou seqüencial Controle lógico Controle de motor Isto permite o desenvolvimento fácil das

estratégias de controle e alarme depois que o sistema é instalado.

O display de alarme deve mais que uma rápida e grande lista sem significado na tela. A notificação do alarme deve ser classificada, resumida, priorizada e mostrada de acordo com o significado e focalizada para ação direta. O desastre de Three Mille Island levou dois turnos para acontecer, semanas para ser conhecido de modo limitado, anos para ser entendido totalmente.

O alarme não deve ser apenas uma lista rápida, extensa e sem significado na tela! Mais que isso, a notificação de alarme deve ser

Classificada Resumida Priorizada Mostrada com significância Focalizada para ação direta

4. Escolha do alarme

Os tipos de alarmes são importantes para um sistema de controle. Cada indústria em seu enfoque próprio para a natureza de condições, que são importantes para a operação de seus tipos de processo. Esta flexibilidade é importante e é exigida de qualquer sistema de controle. Os vendedores se esforçam para atender estas exigências. O usuário deve olhar estas capacidades e entender também as necessidades do alarme de seu processo específico.

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4.1. Prioridade do alarme

Há cinco tipos de importância de alarmes incluídos em um sistema de monitoração e alarme da planta:

1. Muito crítico 2. Pouco crítico 3. Não crítico 4. Informação de status 5. Análise de desligamento Alarme muito crítico é aquele que requer

ação imediata do operador para manter a unidade operando, devido a condições que resultam em uma perda completa de carga, para a proteção de grandes equipamentos ou para segurança de pessoal.

Alarme menos crítico é que requer ação imediata do operador para manter a carga da unidade, devido a condições resultando em perda parcial da carga ou para proteger equipamento.

Alarme não crítico é o que requer ação corretiva mas não diretamente pelo operador.

Informação de Status é um display que inicia o status de eventos e que não requer ação corretiva.

Análise de Desligamento é uma condição diretamente relacionada com o desligamento ou que pode levar ao desligamento da unidade. Esta categoria pode incluir informação de desligamento prévio especial ou para determinar a causa principal ou primeiro evento do desligamento.

As observações adicionais de um sistema de alarme otimizado incluem:

Visual com lâmpadas piscando associado com sonoro para mostrar os alarmes de urgência ou críticos.

Os operadores requerem muito mais dados sobre eventos que indicam o status da planta do que os que podem ser mostrados no display com alarmes críticos.

Os alarmes e dados de eventos podem ser permanentemente coletados com o tempo exato e a seqüência para uma análise de evento de operações e revisão de segurança.

Status do hardware sempre prevalece sobre o status do valor do processo!

Tudo que afeta o sinal de entrada de um sistema deve ser anunciado antes (em prioridade) de qualquer alarme do processo. É perigoso deixar sem conhecimento os alarmes do processo, porque as falhas do equipamento e do sistema de controle podem causar um sentimento falso da segurança não vendo as falhas reais.

Fig. 9.12. Prioridades de alarme A ordem de prioridade dos alarmes deve

ser a seguinte: Alarmes de entrada 3. Instrumento fora da faixa 4. Termopar partido ou em curto 5. Falha de comunicação Status do controlador 6. Erro de comunicação 7. Fora da varredura 8. Defeito no alarme Valores do processo 9. Fora da faixa (abaixo ou acima) 10. Alto (H)/baixo (L) 11. Muito alto (HH)/muito baixo (LL) Os valores não são confiáveis se não se

pode verificar que o equipamento está operando corretamente. Os diagnósticos do sistema devem ter prioridade sobre os valores reais do processo na operação. Seguindo coisas como falhas de operação do sistema, a próxima prioridade inclui os alarmes de entrada fora da faixa, termopares quebrados ou em curto, transmissores com defeito e um link de comunicação de qualquer remota I/O ou equipamento externo ligado ao controlador. A perda de comunicação entre o controlador e qualquer equipamento na rede seria o próximo nível de importância.

Depois disto, vem a função de status do controlador e alguma monitoração da ação de controle. Isto é, o alarme não atuou porque as malhas estão desligadas para manutenção do equipamento? O alarme está fora da varredura por causa de uma recarga ou backup ou da partida do processo?

Somente depois de todas estas várias falhas do equipamento, são priorizados os valores do processo, como abaixo ou além da faixa, alto ou baixo, muito alto ou muito baixo.

4.2. Qualificador do alarme

As qualificações do alarme são tipicamente combinadas com vários tipos de alarme. Os qualificadores são usados para criar uma estratégia mais completa do gerenciamento do

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processo e podem ajudar na pesquisa de problemas e alertam o operador mais rapidamente que um alarme simples. O foco destes qualificadores requer um entendimento do processo, de modo que se conheçam as várias relações dos parâmetros e se possa antecipar aos problemas potenciais. Através do uso inteligente destes qualificadores, mensagens específicas e prompts podem ser compostos para ajudar a resposta mais consistente do operador aos problemas, independente da pessoa, turno ou outra circunstancia que possa impactar as ações necessárias.

Combinando as condições analógicas com os estados discretos, tem-se uma poderosa flexibilidade, podendo até conseguir implantar técnicas de inteligência artificial.

Para o sinal analógico, os qualificadores de alarme podem ser combinados com

Limites Funções Tempo Entrada

4.3. Cortes de alarme

O corte pode desabilitar o alarme por causa de um limite analógico ser atingido, por causa da mudança discreta em uma das funções ou por causa de alguma combinação lógica de ambos. O corte pode parar a geração de um alarme assim que ele começa ou pode apagar alarmes selecionados quando se detectar novos alarmes ocorridos.

O corte de alarmes pode ser usado para isolar seletivamente problemas. Por exemplo, um corte pode escolher desconsiderar um alarme de baixa temperatura durante uma parada parcial do processo, mas permite um alarme de termopar rompido de modo que se possa fazer o reparo antes de o processo ser colocado em operação. Isto pode economizar tempo e dinheiro durante a nova partida do processo.

4.4. Ações do alarme

Um alarme pode funcionar de vários modos diferentes. Além de haver alarme quando o valor de um sinal analógico atinge um determinado limite, pode-se fazer um alarme da continuação de subida do sinal, por exemplo, para cada 10% acima de determinado limite.

Pode-se alarmar a taxa de variação rápida, para cima ou para baixo, de um sinal analógico, em unidades por tempo ou por tempo absoluto, sem considerar o valor de algum limite. O alarme pode ser iniciado antes que o valor da variável atinja um determinado valor limite crítico.

Algumas variáveis de processo são relativamente instáveis ou flutuam continuamente, como a pressão e vazão. Geralmente, é útil colocar algum tempo de atraso nestes alarmes para agir como uma banda morta (Mamonas Assassinas?), de modo que um pico não dispare o alarme. Um alarme de histerese tem diferentes limites em cada direção, subindo ou descendo, é também uma banda morta que reduz os alarmes desnecessários em fluidos dinamicamente ativos.

Há ocasiões também onde o operador precisa ser notificado quando um parâmetro retorna ao normal e não apenas quando este parâmetro vai para o alarme. Há também um enfoque do cochilo do alarme, que re-alarme se a condição persiste alem de algum tempo selecionado após ser reconhecido. O operador pode tomar conhecimento do alarme e se ele não volta ao alarme dentro de cinco minutos, ele re-alarma.

5. Estruturas e hierarquias de alarme

Há hierarquias de alarme, que devem ser facilmente implementadas e modificadas dentro do sistema. Os agrupamentos de alarme podem ser arranjados pelas áreas da planta, funções, unidades do processo ou por equipamento. A apresentação deve permitir ao operador colocar o cursor em um objeto piscando para entrar diretamente com uma ação corretiva. Geralmente, quando vários alarmes são envolvidos, o operador deve acessar alguma tela que permita uma análise para determinar o melhor plano de ação. Ainda, isto deve ser feito de modo simples, não ambíguo e com um único toque de tecla.

5.1. Acesso ao alarme

O operador deve ser capaz de tomar conhecimento somente de um dos alarmes. Este conhecimento do alarme deve ser feito toda vez do mesmo modo. Qualquer botão virtual deve ser localizado na mesma região da tela, de modo que, em condição de stress de distúrbio, qualquer operador seja capaz de responder do mesmo modo que qualquer outro operador. O acesso ao alarme deve ser direto, sem a necessidade de ir através de tag, nome ou lista e quando ocorrer o alarme, a informação completa deve ser disponível para o operador tomar a decisão correta.

Esquemas de diagnóstico do sistema de controle devem ser criados, como para os alarmes. O usuário deve ser capaz de acessar diretamente a fonte de problema de um modo

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apropriado para o equipamento envolvido. O sistema de diagnóstico deve levar o operador para o problema sem a necessidade de códigos criptografados ou nomes, sem ter de procurar listas, assim como é feito com os alarmes.

5.2. Hierarquia de diagnóstico

A hierarquia de diagnósticos deve ser Igual à dos alarmes.

O usuário pode criar mapa dos equipamentos.

O usuário pode orientar o cursor através de camadas do equipamento

1) Redes 2) Gabinetes 3) Controladores 4) Módulos I/O

O operador deve seguir os ícones piscando sem a necessidade de códigos, nomes, tags ou listas para a procura.

5.3. Gerenciamento do alarme

Quando ocorre um alarme, o operador deve deixá-lo em um modo simples, rápido e decisivo que mostre o local deste alarme e a ação recomendada. A ação deve ser intuitiva, independente do operador, do que ele estiver fazendo ou do estiver acontecendo na planta. A manipulação dos alarmes deve ser fácil devido ao estabelecimento de prioridade e à técnica de anunciação e o ato de conhecimento deve dirigir o operador para esta ação corretiva.

As técnicas de configuração devem ser facilmente alteradas, quando se ganha experiência da planta. Quando mais se aprende do processo, mais fácil fica modificar as hierarquias de alarme, telas operacionais e qualquer apresentação da informação. O sumário de alarmes é bom, nas não deve ser usado ou requerido para localizar os alarmes. O sumário pode ser uma ferramenta para ajudar na análise de algum conjunto emergente de condições e serve como um caminho para resolver um problema.

As listas de sumário de alarmes é principalmente informativa, para mostrar a extensão das condições a qualquer momento. As informações devem incluir: hora (minuto e segundo) e data, identificação do ponto (tag), descrição, localização, status ou valor corrente, sinal de advertência, status ou valor que deveria estar. O objetivo do sumário é fornecer uma lista de pontos em ordem cronológica dentro da hierarquia de importância, agrupados por prioridade destes alarmes. Dependendo do tamanho da planta, complexidade e atividade esperada, pode ser útil utilizar monitores dedicados exclusivamente para o alarme.

5.4. Telas de alarme

Alem das áreas alarmadas do processo mostradas na tela ativa, as listas de sumários são valiosas para analisar as situações e indicar o status do processo sendo controlado. Estas telas não são operacionais que permitem a manipulação do processo, mas permitem ao operador atingir rapidamente a tela de operação apropriada, assim que a área for determinada. Há, no mínimo, dois tipos de displays de sumário para este processo:

1. Grupo de alarme, para focalizar todos os pontos alarmados em um grupo específico de instrumentos dentro de uma unidade do processo.

2. Seqüência de alarme, que rola a lista inteira de alarmes ativos correntes em ordem cronológica e alguma ordem de prioridade.

Grupo de alarme

Este grupo é uma melhoria em relação ao painel anunciador tradicional, pois ele funciona como uma tela de uma lista de anunciador de alarme. Isto é feito mostrando somente as funções dentro de um grupo particular que são usadas em uma unidade específica do processo. Como uma lista limitada, ela apresenta todos os parâmetros que tiveram alarme, estando ou não em condição de alarme. O objetivo deste display é o de permitir ao operador reconhecer rapidamente alguma referência do que está sendo alarmado versus o que não está. A lista é sempre apresentada na mesma ordem, pré-configurada de modo que a referência se torne óbvia.

Por exemplo, vendo todos os parâmetros importantes no grupo, se em alarme ou não, o operador pode ver qualquer alarme dentro do contexto dos alarmes possíveis relacionados. Se o operador vê três variáveis em alarme, isto pode sugerir uma resposta diferente se ele vê qualquer outra combinação com quatro alarmes.

O Grupo de Alarme contem um botão de Conhecimento do Grupo, que toma conhecimento de todos os alarmes não conhecidos nesta página. Ele também permite o operador invocar acesso a qualquer instrumento deste grupo, com um simples clic. Cada parâmetro na lista mostra o tag, descrição, status/valor, limite do ponto de alarme e fornece a habilidade de acessar este parâmetro especifico dentro deste grupo de operação escolhido.

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Fig. 9.13. Tela de processo antigo (década de 1990) Fig. 9. 14.. Tela típica de alarmes em monitor de vídeo da sala de controle.

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Lista de sumário de alarme

Esta lista de sumário de alarme é também uma melhoria em relação ao painel de anunciador convencional porque ela fornece o reconhecimento do primeiro evento (first-out), que é importante na análise e escolha da ação corretiva. Esta lista mostra os alarmes em sua ordem de prioridade e em sua ordem de ocorrência dentro de cada prioridade e pode ajudar o operador focalizar as atividades mais importantes necessárias para levar o processo para a operação normal.

Projetada para funcionar de modo consistente com o Grupo de Alarme, a lista de Sumário de Seqüência de Alarme permite o operador invocar acesso a qualquer instrumento neste grupo com um único clic. Como este instrumento virtual pode ser mostrado possivelmente em várias telas de operação, esta ação leva o operador para a tela especifica apropriada para esta circunstância. Cada parâmetro na lista mostra o tag, descrição, status/valor, limite do ponto de alarme e fornece a habilidade de acessar este parâmetro especifico dentro deste grupo de operação escolhido. Idealmente, ele também deve permitir ao operador acessar rapidamente o grupo de alarme do parâmetro alarmado selecionado para análise adicional, se necessário.

5.5. Ações do Operador

Tradicionalmente, as ações do operador foram colhidas em impressoras misturadas com os sumários de alarme. As listas de alarmes e todas as informações relativas devem ficar em arquivos de memória diferentes. Por exemplo, quando ocorrer um alarme, os eventos, alarmes, diagnósticos e ações do operador devem ser colocados em diferentes partes da memória. Não há necessidade de conectar estes vários arquivos de dados diferentes, pois geralmente são usadas táticas de linguagem estruturada (SQL – structured query language).

5.6. Estruturas de alarme

Assim que se estabelece a estrutura de alarme, deve-se verificar se todos os alarmes importantes estão incluídos e enfatizados. Quando ocorrer alarmes na planta, alguns alarmes mais importantes devem ser mostrados sobre os menos importantes, talvez sendo visíveis ao operador. Geralmente, quando um processo entra em alarme, há uma causa significativa que deve ser consertada e vários alarmes resultantes desta causa que se tornam sem importância uma vez que a causa tenha sido normalizada. Por exemplo, quando o

nível diminui, a temperatura aumenta ou talvez a pressão diminua. Se a pressão e temperatura variarem com a queda do nível, então os alarmes de nível devem estar adiante dos alarmes de temperatura ou pressão. Deve continuar havendo alarmes para temperatura e pressão, porque há outras causas além do nível que afetam estas variáveis.

Pode ser possível para o engenheiro da planta determinar quais combinações de temperatura, pressão, nível e vazão do processo irão dão ao operador razões diferentes para reação. Usando as tecnologias modernas, é fácil associar estas condições de alarme com uma estrutura IF THEN ELSE, de modo que pode determinar que tipo de informação deva ser apresentada ao operador, e provavelmente lhe dar alguma sugestão de como manter o processo normal. Por exemplo, se a temperatura começar a subir, a pressão cair e o chão ficar molhado, então é intuitivo concluir que o vaso se rompeu.

Outra questão a ser decidida é se o alarme deve ser limpo, quando a sua causa for eliminada, ou o operador deve rearmar (reset) todos os alarmes individuais, assim que o processo voltar ao normal. Isto depende do processo, da segurança, das condições ambientais. Certamente, uma caldeira não deve voltar a funcionar automaticamente na volta da alimentação elétrica que a desligou.

Deve-se verificar se a referência de alarme é corrente e esperada, considerando a interação entre unidades do processo. Por exemplo, uma unidade do processo pode ter problemas, causando problemas em algumas outras unidades. Por exemplo, se uma caldeira parar, todas as unidades que usam vapor vão ter problemas e podem também ser paradas. Para antecipar a estes problemas, deve-se construir uma estrutura de alarme de modo que o operador não se perca. Por causa da facilidade de coletar dados em sistemas digitais, atualmente é muito comum se ter muito mais alarme do que o necessário. Não se deve colocar alarme em tudo, indiscriminadamente, somente porque é possível. Logo vai se descobrir que o sistema ficará entupido com tanto alarme.

O sistema de alarme deve ter ferramenta que permita saber se todos os alarmes esperados estão realmente ativados. É útil ter algum tipo de sinal, avisando se um alarme está desativado por causa de manutenção ou por causa da parada parcial da planta. Alarmes e permissões de valor baixo de variável, geralmente são contornados (bypass) durante as partidas de plantas. O operador deve sempre saber que o alarme está desativado. O bypass de alarme só é permitido se for

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sinalizado e temporizado. Este alarme que não está atuando durante a partida, é inserido assim que a condição de partida passa para normal. Assim que o processo ficar anormal, o alarme atua.

Se a hierarquia do display do alarme for baseada no ciclo do processo, então o operador pode orientar a análise de uma operação. O operador pode seguir um distúrbio através de toda a planta se a estrutura de alarme inclui enfoque ou técnica usada pelo próprio processo. Em todas as telas, o objetivo da interface humano-máquina (IHM) é fornecer informação e não dados, para permitir ao usuário interagir com o processo, não apenas com o equipamento que está sendo usado para operar o processo.

5.7. Filosofia do alarme

Um aspecto crítico da interface de operação é a capacidade de alarme provida pelo sistema de controle. Em sistemas de painel convencional, o alarme era geralmente feito através de anunciador padrão, que usava um conjunto de lâmpadas que acendiam atrás de plaquetas com identificação para indicar o status do alarme de pontos individuais. A lógica para o acendimento destas lâmpadas era fornecida por um conjunto com muitos relés. Estes anunciadores eram montados no topo do painel de controle, de modo que eram facilmente vistos de qualquer local da sala de controle. Todos os pontos alarmados eram claramente visíveis para os operadores, todo o tempo.

Com a conversão para sistema de controle baseado em tela, os alarmes foram inseridos nestas telas de vídeo do sistema, através do uso de cores, listas, fundo de tela piscante, janelas pop-up. Nos primeiros sistemas de controle distribuídos, os anunciadores permaneciam como parte da sala de controle. Mais recentemente, a tendência é eliminar estes anunciadores e confiar exclusivamente nos displays de vídeo.

O operador não tem que gerenciar o alarme. Quem gerencia o alarme é o computador, que ajuda o operador a tomar as decisões certas!

Certamente há problemas em se usar e confiar apenas a tela para ver o alarme. Por isso, ainda há pessoas que defendem o uso do anunciador. Há pessoas que dizem ser difícil para o operador ver um alarme rapidamente na tela. O mais importante é entender totalmente que a tela é outro meio.

Na década de 1970, Marshall McLuhan, da Universidade de Toronto, criou uma curva do aprendizado da sociedade, mostrando como ela é adaptada a cada novo tipo de mídia para

transmitir a informação. Ele mostrou como o desenvolvimento da imprensa mudou dramaticamente a sociedade, que se móve da comunicação oral para a escrita (e visual). Mais mudança social ocorreu, quando se volta para a comunicação oral agora vinculada com o visual (radio, cinema, televisão). McLuhan descreveu o modo como a comunicação visual se envolveu com a indústria de entretenimento e propaganda. Seu lema era: o meio é a mensagem!

Os psicólogos dizem que não se pode prestar atenção a uma pequena tela, chamada monitor, mais do que alguns minutos. Por isso, deve-se fazer algo para manter a atenção do operador na sala de controle durante todo o turno.

É importante entender como as pessoas respondem aos diferentes meios usados para comunicar entre o processo e aqueles que tentam entender e controlar este processo. Nos últimos tempos, houve muitas mudanças radicais na sala de controle. Deve-se manter em mente a sala de controle e procurar todos os conceitos que estejam relacionados com o controle do processo.

A transição dos painéis convencionais para os sistemas com telas e gráficos deve ser totalmente entendida. Este meio totalmente diferente deve ser usado com todo seu potencial. Sempre lembrar que a tela deve fornecer informação e não dados.

Geralmente, quando há alarme, o operador recebe um sinal sonoro, depois seleciona um alvo ou um botão para trazer o display para ver este alarme. Quando vários alarmes ocorrem simultaneamente, que é o caso típico, o tempo requerido para ver todos os alarmes pode ser excessivo. Isto é diferente do anunciador de alarme, que é visível todo o tempo. Esta limitação pode ser superada com o estabelecimento de hierarquias de alarme e a apresentação criativa de alarmes na tela. Pode-se também mover o anunciador de alarme adjacente ao monitor que é dedicado somente para os alarmes. Tudo isso vai depender de cada aplicação e cada planta.

No caso de sistemas distribuídos com muitos alarmes configurados, no distúrbio do processo, o operador é apresentado a uma avalanche de alarmes. Esta grande quantidade de alarmes pode afogar o operador e ele deixa de ver os mais importantes. Para evitar isso, durante a configuração, o engenheiro de sistema deve escolher com critério os alarmes de cada malha. É necessário muito esforço psicológico para se deixar um alarme de fora. Eliminar alarme nem sempre é a resposta, a resposta é o gerenciamento correto dos alarmes.

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No sistema distribuído de controle baseado em microprocessador há muita facilidade e não há custo adicional para criar alarmes. É diferente de um painel anunciador, que requer a escolha cuidadosa de cada ponto a ser alarmado, que depende do espaço disponível, número de pontos, custo e dificuldade de adicionar pontos.

5.8. Escolha do Sistema

Parâmetros de escolha

Quando se projeta um sistema de segurança de alto risco, sempre se consideram os seguintes parâmetros: 1. filosofia do alarme:

a) individual em cada instrumento, b) agrupada em anunciador, c) feita por computador dedicado d) feita no sistema de controle digital

(SDCD, CLP com supervisório, SCADA)

1. tecnologia usada: a) relés eletromecânicos, b) lógica eletrônica c) microprocessador?

2. nível de redundância: a) simples, b) dual c) tripla?

3. administração de alarmes falsos: a) lógica supervisória b) sistema de votação

4. períodos de teste: a) mensalmente, b) anualmente c) somente quando há desligamento?

2. custo de propriedade a) custo de aquisição b) custo de engenharia c) custo de operação d) custo de modificações futuras

3. exigências do local a) área interna ou externa b) área classificada ou segura

Roteiro de seleção

Os passos necessários para selecionar o melhor sistema incluem: 1. Obter as estimativas de custo das soluções

técnicas disponíveis incluindo custos futuros de operação durante a vida útil do sistema

2. Analisar a possibilidade de falha do equipamento e da planta devido a falha do sistema, considerando os cenários de falha em segurança ou perigo em falha.

3. Estimar o custo da planta parada como resultado da falha do sistema de segurança.

4. Baseado neste procedimento e na análise da arvore de decisão, selecionar o melhor entre todos os candidatos. Uma solução não pode ser ótima para

todas as situações.

Ponto fraco do sistema

Muitas pessoas pensam em triplicar sistemas lógicos, pensando que se um é bom, dois é melhor e três o máximo. Mas, muitas instalações com sistemas lógicos dual ou triplo tem dispositivos de campo (sensores e válvulas) simplex, não redundantes.

A legislação exige que empregadores determinem e documentem que o equipamento do sistema de segurança seja conveniente para determinada aplicação e que a operação segura seja garantida. Normas para dispositivos elétricos, eletrônicos e de controle programável (ISA SP84 e IEC 65) estabelecem níveis de risco e fornecem números de desempenho requeridos para sistemas de segurança.

Estudos mostram que o gargalo do sistema ou o elo mais fraco da cadeia ou ainda, a menor confiabilidade do sistema está nos sensores e nos elementos finais de atuação (válvulas, solenóides, motores). Por isso, às vezes, é mais importante focalizar os dispositivos de campo do que os componentes do sistema de segurança.

Software

A confiabilidade dos sistemas envolvendo CP e CLP depende também da confiabilidade do programa associado. E ainda não há meios de avaliar a confiabilidade de programa de computador.

Há dois tipos de software: 1. software embutido que consiste do sistema

operacional e de funções de sistema como programação de tarefas, comunicação entre tarefas e manipulação de interrupções

2. software de aplicação que executa as funções lógicas específicas de acordo com as exigências do usuário. Diferente do hardware, a principal fonte de

falha em software é erro de projeto. Assim que um defeito de software é corrigido, ele permanece corrigido. A falha ocorre somente quando o software embutido é usado em um ambiente diferente daquele para o qual ele é projetado. Depois que um software é testado e carregado no hardware, o software tem uma altíssima confiabilidade. O software aplicativo, porém, depende muito da experiência do projetista, documentação de auditoria, desenvolvimento do sistema e procedimentos de teste.

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5.9. Circuitos de Intertravamentos

Os intertravamentos podem ser projetados de dois modos: ligando ou desligando. Geralmente, o sistema de referência básico assume que o processo é desligado, indo para o mínimo nível de energia, com os intertravamentos desenergizados. Os circuitos são assim projetados, usando a convenção da lógica positiva: contato fechado, lâmpada ligada e contato aberto, lâmpada desligada. Os contatos de relé de ligamento são mostrados em seu estado normal desenergizado e os de desligamento em seu estado normal energizado. Os circuitos são projetados para operar durante a partida do processo.

A lógica complementar é desenvolvida quando o processo é assumido estar operando em seu nível de energia mais elevado. Os circuitos de intertravamento são então projetados para operar enquanto o processo estiver desligado. Os sistemas de intertravamento podem ser projetados de ambos os modos.

Os circuitos de intertravamento são usualmente arranjados em três partes:

1. Entrada - consistindo de chaves no campo, chaves no painel, botoeiras, chaves seletoras.

2. Lógica - arranjo de contato de relé ou programas de controlador lógico programado que estabelecem a relação entre as entradas e as saídas.

3. Saída - dispositivos de atuação, válvulas solenóides, motores de partida, lâmpadas indicadoras e alarmes.

Os sistemas de intertravamentos são programados através de diagramas tipo ladder (escada), onde em cada degrau da escada tem-se contato normalmente aberto, contato normalmente fechado, contador e temporizador ligando ou desligando bobinas de relés ou de solenóides.

Intertravamento auto-cancelante

Este circuito se limpa quando a condição anormal volta para normal. Por exemplo, na Fig. 9.10, a válvula solenóide no circuito do controle de nível é energizada através de uma chave de nível ligada a linha fase L1 e ao neutro L2. Suponha que o solenóide energizada mantenha a válvula de entrada ar para fechar (falha aberta) fechada. Um nível baixo abre o contato da chave de nível. O solenóide é desenergizada e a válvula de vazão abre. O nível da vazão se corrige por si e o contato da chave de nível fecha. O solenóide é reenergizada e a entrada é fechada.

Este intertravamento é simples e pode não ser apropriado, por exemplo, se o nível está

oscilando em torno do ajuste da chave de nível. Isto pode causar uma oscilação indevida do processo e um dano possível ao equipamento.

Fig. 9.15. Intertravamento autocancelante

Intertravamento de reset manual.

Para evitar o problema associado com o intertravamento auto cancelante, que volta automaticamente ao normal quando desaparece a condição insegura, foi desenvolvido um circuito que requerer ação positiva do operador para cancelar o intertravamento, assim que as condições retornem ao normal.

Por exemplo, na Fig. 9.11, suponha que o solenóide normalmente energizada mantenha a válvula de alimentação aberta. Um sinal de alta pressão irá abrir a chave de alta pressão, desenergizando o relé de controle CR1. O contato CR1-2, mostrado no segundo nível, irá abrir, desenergizando o solenóide, fechando a válvula de alimentação e aliviando a pressão. Quando o operador verificar que tudo voltou normal, pressiona o botão de rearme momentâneo. A bobina do relé é energizada, fechando assim CR1-1 e CR1-2. O solenóide é reativada e a válvula de alimentação é reaberta. CR1-1 é um contato de selo, para manter o circuito quando o botão de reset é solto. Fig. 9.16. Após o desligamento, o operador rearma o

intertravamento manualmente, quando as condições voltarem às condições normais

Um procedimento rigoroso deve ser seguido quando um operador rearma manualmente um intertravamento. Seja um

Alarme

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reboiler com uma válvula de controle do vapor de entrada comandada pelo controlador do processo e com um intertravamento de desligamento de alta temperatura. Durante a operação normal, considere que houve um desligamento por causa da alta temperatura. Quando a temperatura cair, voltando para a faixa segura, o operador deve rearmar manualmente o intertravamento. Mas como a temperatura agora está baixa, o controlador de temperatura irá solicitar muito vapor e isto pode ser perigoso. Deve haver um modo seguro de partida, onde o vapor aumente gradualmente.

Neste caso, uma característica de lockout deve ser incorporada para evitar o rearme do intertravamento até que a saída do controlador satisfaça uma condição predeterminada. O operador rearma o controlador para manual, reduz a saída do controlador a algum valor baixo, manualmente rearma o intertravamento e o sistema está pronto para a partida.

Intertravamento com bypass

Os processos ou os equipamentos que são desligados em condições de mínima são geralmente muito difíceis de serem partidos, ou inicialmente ou após um desligamento. Para evitar esta dificuldade, um circuito é usado para bypassar o contato de desligamento baixo até que a unidade esteja operando e somente nesta condição o circuito irá desligar, se acontecer alguma condição anormal de valor baixo. Este tipo de circuito é muitas vezes usado em partida de compressor, quando a baixa velocidade irá desligar a unidade.

Na Fig. 9.12, considere que o compressor esteja desligado. O botão de bypass momentâneo é apertado, energizando o relé CR2. A luz acende para indicar que o bypass foi ativado. A bobina energizada do relé CR2 fecha CR2-1, o contato de selo através do botão, e o contato de bypass CR2-2. Este, por sua vez, energiza o relé CR3, que fecha o contato permissivo CR3-1 localizado no circuito de partida/parada do compressor.

Quando a velocidade do compressor aumentar acima do ajuste de velocidade mínima, o contato de velocidade mínima fecha, energizando o relé CR1. Este fecha o contato CR1-2 e abre CR1-1 em um arranjo fechar-antes-abrir (make-before-break), mantendo o contato permissivo CR3-1. O relé CR2 será então desenergizado e a luz de bypass irá apagar. Entretanto, o relé CR3 permanecerá energizado através do contato CR1-2.

O bypass foi então cancelado e o relé CR3 é mantido através da chave de baixa velocidade e o contato do relé CR1-1. Se a velocidade do compressor cair abaixo do ajuste de velocidade mínima, a chave de velocidade

mínima irá abrir, parando o compressor. O botão de parada é para o desligamento de emergência do compressor.

Fig. 9.17. Bypass auto-cancelante é usado para partir um compressor com um desligamento de baixa velocidade

Ação temporizada (time-delay)

A ação atrasada é usada quando é requerido um tempo predeterminado para permitir ao processo atingir seu ponto de operação, p. ex., para a pressão do óleo de lubrificação subir acima do nível de desligamento de baixa pressão.

Após a partida e quando a velocidade do compressor está aumentando, o contato de baixa velocidade fecha, energizando CR1 e TDR. CR1-1 fecha e TDR-1 abre após um segundo, garantindo uma superposição do contato que foi conseguido no circuito anterior.

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Fig. 9.18. Relé com tempo de atraso pode ser usado no lugar do relé ligar-antes-de-desligar

Cadeias de intertravamento

As cadeias de intertravamento podem ser de dois tipos: série ou paralelo.

Quando se tem muitos intertravamentos de segurança, qualquer um dos vários contatos de inicialização pode desligar o mesmo circuito. Os intertravamentos são colocados em configuração série (AND). Os contatos são também arranjados em série onde a redundância de desligamento é requerida, de modo que um contato atua o intertravamento se um outro falhar.

Quando se quer que mais de um contato possa atuar no circuito, eles são arranjados em redundância série para desligar (AND) ou redundância paralela para ligar (OR).

(a) Redundância série para desligar (b) Redundância paralela para ligar

Fig. 9.19. Circuitos redundantes

Fig. 9.20. Contatos em série: qualquer um pode desligar o

circuito, fornecendo redundância Legenda

PSL – Baixa pressão de N2 TSH – Alta temperatura do resfriamento FSL – Baixa vazão do O2 ASH – Alta concentração de CO2 SV - Bobina da válvula solenóide

5.10. Sistema de Votação

Quando um instrumento de processo falha, o produto fica fora de especificação, a produção pára e os engenheiros escrevem relatórios de investigação. Isto acontece principalmente durante as fases de partida e parada, quando os incidentes são anormalmente mais freqüentes.

Os sistemas de segurança tem progredido muito em confiabilidade, através de conceitos de Controlador Lógico Programável simples até os sistemas com tripla redundância. Porém, os sensores e instrumentos de campo não acompanharam o ritmo. Os instrumentos críticos de campo ainda são os controladores single loop e os pontos de desligamento. Os sistemas de desligamento de emergência aumentam a confiabilidade usando sensores independentes do sistema de medição e controle. Porém, a adição de mais componentes no sistema aumentam a probabilidade de ocorrência de alarmes falsos.

Peças e equipamentos falham. Por Murphy, geralmente falham nos piores momentos. Sempre há custos associados com desligamentos falsos ou verdadeiros, devidos a tais falhas. Porém, é fácil reduzir os custos associados aos desligamentos provocados por alarmes falsos, colocando redundância e circuitos de votação no sistema.

Um sistema de segurança pode ter dois tipos de falhas:

1. O processo é desligado pelo sistema de emergência, quando não há nenhuma causa válida

2. O processo não é desligado, quando há uma causa valida para ser desligado.

No sistema de segurança, 90% das falhas falsas são provocadas pelos dispositivos de campo (sensores de entrada e válvulas de saída).

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Há quase uma infinidade de circuitos de votação, porém serão vistos apenas os mais úteis como:

1. um de um 2. um de dois 3. dois de dois 4. dois de três Os esquemas de um de três, um de quatro,

um de cinco e um de x, não interessam pois a probabilidade de alarme falso sempre aumenta de 100%, de um esquema para outro. Somente aumentar o número de dispositivo aumenta a confiabilidade mas também aumenta a probabilidade de alarme falso.

Nos exemplos, cada um dos quatro sistemas de votação é descrito usando transmissores de 4 a 20 mA cc e um sensor de pressão com uma faixa de 1 a 100 kPa, desligando acima de 50 kPa. As chaves não são recomendadas para sistemas de desligamento, pois não existem diagnósticos. Transmissores trabalham melhor porque um CLP ou SDCD pode ser programado para detectar a operação anormal do transmissor e alarmar o operador para reparar o transmissor.

Sistema um de um

O sistema de votação um de um só atua quando o transmissor vota para desligar.

A votação um de um é o mais simples de instalar. Não são necessárias tomadas múltiplas, a programação é mais simples e a instalação de cabos e fios é mais barata. Ele pode ser programado para ser falha segura: para uma configuração de transmissor, se o sinal é abaixo de 3 mA ou acima de 21 mA, o sistema de desligamento de emergência deve ser programado para reconhecer isto como uma falha e votar um desligamento. Se o transmissor excede estes valores em uma entrada para um CLP, o CLP pode grampear a saída de qualquer malha de controle (não a malha do sistema de desligamento) que usa este sinal e alarmar a condição para o operador.

A desvantagem deste esquema, a longo prazo, é que o custo e perdas de produção são altos, pois ele não diminui a probabilidade de alarme falso.

Sistema um de dois

O sistema de votação um de dois só desliga quando um ou os dois transmissores votam para desligar o sistema.

O sistema de votação um de dois aumenta a flexibilidade. Ele usa dois transmissores, e como conseqüência há um aumento de módulos de entrada, carga do sistema, maior quantidade de cabos. Os dois transmissores

devem ser ligados a dois módulos de entrada separados do CLP.

No sistema de votação um de dois, o CLP deve ser programado para votar para um desligamento na falha de um transmissor ser seguro em falha. Porém, alguns sistemas requerem uma falha de sinal baixo nos dois transmissores ou uma única falha de sinal alto para um desligamento.

Em um sistema de controle com SDCD, o segundo transmissor adiciona uma ferramenta de detecção valiosa. Agora o SDCD pode detectar falha de um transmissor dentro da faixa de sinal de 4 a 20 mA, comparando as duas entradas e alarmando se elas de desviam de, por exemplo, mais de 5%. Quando o sistema de desligamento possui dois transmissores e o SDCD um transmissor dedicado, os dois transmissores do desligamento podem se comunicar com o SDCD e os três transmissores podem ser comparados.

No exemplo de um transmissor com um ponto de desligamento em 50 kPa, o instrumentista pode zerar o transmissor em linha sem afetar o sistema. Porém, o instrumentista não pode abrir a malha de 4 a 20 mA para calibrar o sinal de corrente, pois se o sinal vai para zero, é detectado como falha e desliga o processo.

Dois de dois

O sistema de votação dois de dois só desliga quando os dois transmissores votam para desligar o sistema. Quando apenas um vota, ele considera alarme falso e não desliga.

Neste esquema, os dois sensores devem reportar uma condição de desligamento, para haver desligamento. O esquema dois de dois não é considerado seguro em falha porque há muitas condições em que um transmissor pode estar fora de serviço e incapaz de desligar. Assim, mesmo que o transmissor transmita um voto para desligar, não ocorre o desligamento.

No exemplo do transmissor de pressão, há vários cenários em que não ocorre um desligamento quando deveria ocorrer. Se um transmissor é aberto para a atmosfera e lê 0 kPa G, ele envia um sinal de 4 mA para o sistema de desligamento e o outro transmissor está monitorando o processo, o desligamento nunca será possível, porque o primeiro transmissor nunca irá votar para desligar.

Em outro caso, se um instrumentista está fazendo o ajuste de zero do transmissor, em linha, este transmissor está efetivamente bypassado e incapaz de votar para o desligamento, e portanto nunca haverá desligamento.

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O sistema de votação dois de dois normalmente não é usado em processo ou segurança pessoal. Ele é muito usado em sistema de monitoração de equipamento rotativo (vibração e deslocamento axial), onde há problema de espaço para montar três sensores.

Dois de três

O sistema de votação dois de três só desliga quando dois transmissores ou os três transmissores votam para desligar o sistema. Quando apenas um vota, ele considera alarme falso e não desliga.

O esquema de votação dois de três é o mais caro de instalar e adquirir, mas é o mais fácil de manter e monitorar e provê o mais alto nível de confiabilidade para a operação correta da planta.

As duas primeiras linhas olham o sinal real do processo e votam para desligar se a pressão de 50 kPa é excedida. As duas linhas de baixo detectam falha na saída baixa do transmissor (i.e., abaixo de 3 mA). Neste exemplo, a falha de saída alta não é usada; em vez disso, qualquer sinal acima de 21 mA é detectado como desligamento pelo sinal do processo votante maior que 50 kPa. Se isto não aconteceu, mais linhas são necessárias para detectar falha de alta saída. Uma mensagem na impressora é parte da saída, de modo que o operador entende a causa da ocorrência do desligamento. Neste caso, o desligamento foi provocado por sobrepressão.

Alguns esquemas usam o meio de três para determinar um valor de processo e depois votar somente este valor. Esta é uma técnica valida, mas deve-se monitorar a falha dos transmissores.

Fig. 9.21. Lógica para votação de dois de três

Comunicando os valores do sistema de desligamento para o sistema de controle (SDCD) ou outro sistema digital para monitorar, comparar valores e alarmar quando houver discrepâncias entre eles maiores que 5%, permite o operador efetuar reparos no transmissor de campo. Para isso, as saídas dos três transmissores devem entrar em módulos de entrada separados, de modo que, se o instrumentista induz falha no módulo A, os módulos com os transmissores B e C continuam em linha e votando. Se os três transmissores estão montados no mesmo módulo de entrada, a falha deste módulo de entrada causa um desligamento.

Aplicação prática

Por exemplo, os termopares são pouco confiáveis quando se queimam freqüentemente, provocando desligamentos falsos, se cada termopar estiver ligado a um único intertravamento. Para garantir que foi um distúrbio do processo (elevação da temperatura) que iniciou o desligamento, e não apenas outra queima do termopar, um circuito de votação é usado, em que mais de um sensor medindo a mesma variável (p. ex., dois de três) sejam requeridos para detectar uma condição de alarme que irá acionar o desligamento.

Na Fig. 9.17, três termopares medem a mesma temperatura e são ligados através da bobina do relé ao sistema de intertravamento com sistema de votação de dois em três elementos: o sistema só é desligando quando dois de três termopares atuarem. Fig. 9..22. Circuito de votação onde dois de três

termopares devem atuar ou falhar para causar um desligamento

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Quando apenas um termopar atua, não há desligamento. Por exemplo, quando TS1 abre, CR1 é desativada, abrindo CR1-1 e CR1-2, mas CR4 não é desativa.

Quando dois termopares atuarem, há desligamento. Por exemplo, quando TS1 e TS2 abrem no mesmo período de tempo e o terceiro TS3 permanece operando, CR1 e CR2 são desativadas, abrindo CR1-1, CR1-2, CR2-2 e CR2-1. Agora, todos os três circuitos paralelos são desligados, embora TS3 esteja ainda operando. CR4 está desativada e o intertravamento de desligamento funciona.

Falha da fonte de alimentação

Embora a fonte de alimentação não faça parte do sistema de votação, ela tem um grande impacto na confiabilidade de um sistema de desligamento ou no CLP. Deve haver redundância de fonte, de modo que quando há falha em uma, a outra suporta a alimentação do sistema e não há desligamento do sistema. As fontes redundantes devem ser alimentadas de linhas independentes, de modo que a falta de alimentação de uma fonte não desliga também a outra.

5.11. Sistema de Falha Segura

Quem falha em planejar, planeja para falhar. Sempre é necessário identificar e analisar as falhas passadas para desenvolver um plano para evitar ou minimizar as falhas futuras ou para estabelecer uma plano que deve decidir primeiro que tipos e níveis de risco são aceitáveis ou inaceitáveis.

Um sistema é chamado de tolerante à falha quando tem a capacidade de operar de acordo com as especificações de projeto, mesmo quando ocorrem determinados tipos de falhas em sua estrutura interna ou no ambiente externo.

Projeto de sistema de shutdown

Há três razões para implantar um sistema de segurança altamente confiável:

1. salvaguardar vidas humanas próximas do processo

2. evitar poluição do ambiente 3. proteger investimento da instalação

física contra interrupções custosas No projeto de um sistema de alarme e

desligamento, há dois conceitos distintos de segurança:

1. seguro em falha ou estado parado 2. operacional em falha ou estado de não

parado. No estado de seguro em falha, um sistema

de segurança vai para uma condição segura predefinida (desenergizado para desligar) segundo uma falha. No estado de operacional

em falha, um sistema de controle de proteção contínua a executar suas funções de controle sem qualquer atraso (tempo real) em vista da falha do componente. Há ainda um terceiro estado que combina operacional em falha com seguro em falha, em que o processo total permanece energizado enquanto algum componente do processo é desligada ou desenergizada.

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10. IHM Objetivos de Ensino

1. Mostrar como os painéis convencionais foram substituídos pelo monitor de vídeo. 2. Identificar os elementos do display no monitor de vieo. 3. Apresentar os diferentes tipos de tela: visão geral, grupo e detalhes. 4. Mostar a dinâmica e filosofia das cores nas telas de operação. 5. Apresentar a hierarquias de telas.

1. Humanos no controle

Assim como a arquitetura cresceu de um simples controlador para sistemas de controle e depois para redes de controle abertas, as técnicas de interface humano-máquina (IHM) também evoluíram. Inicialmente os instrumentos eram montados no campo e o operador devia ir à área industrial. Depois os instrumentos foram colocados em grandes painéis pneumáticos centralizados e posteriormente, em pequenos painéis eletrônicos. Com o aumento do tamanho e complexidade das plantas, os painéis ficaram cada vez maiores, exigindo dos operadores uma navegação virtual entre os displays e chaves de atuação. Finalmente, a interface entre processo e operador migrou para o monitor do PC, onde o operador monitora e atua no processo através da tela, que constitui uma janela para o processo.

1.1. Sentindo a planta

No início, o operador utilizava os sentidos para determinar o progresso de qualquer processo industrial, geralmente requerendo alguém que fosse um especialista no assunto. Como mostrado na Fig. 9.1, o operador andava pela planta, olhando em todas as partes diferentes do processo, e sentindo quando algo era operando suavemente, baseado em sua experiência. O operador dava o giro pela planta para determinar se as condições estavam perfeitas. Ele poderia parar, escutar, cheirar, sentir, apalpar e ver o que havia mudado. Às vezes, isto não era tão óbvio. Com o tempo, ele desenvolveu a capacidade de fazer medições de diferentes parâmetros para sentir e mostrar pressão, temperatura, vazão, nível, análise e outras variáveis do processo.

Na realidade, isto era uma forma de controle distribuído. Estes sensores e

transmissores distribuídos enviavam os sinais para um painel centralizado na sala de controle. As distâncias eram limitadas pelos sinais padrão envolvidos; tipicamente uns 300 m para pneumático e 3 km para eletrônico.

Os instrumentos pneumáticos eram montados em grandes painéis, por causa de seus tamanhos grandes. Os instrumentos eletrônicos, que vieram depois e eram miniaturizados, ocupavam menos espaço e seus painéis eram menores. Agora, o operador lia os valores das variáveis no painel central, comparava estas leituras com os valores de referência e atuavam no processo, através do painel. O operador ainda ia à área industrial, porém mais raramente e apenas para ajustar alguma válvula e outro elemento final para modificar e alterar o processo, mas não mais para fazer medições no processo.

Fig. 10.1. Sentindo a planta na área O objetivo ainda era aumentar a

produtividade da planta. Melhor produtividade significava fazer mais produto, em tempo menor e dentro das especificações estabelecidas. Isto era conseguido quando o operador era capaz de observar a indicação correta da variável do processo e responder rapidamente a qualquer variação do processo.

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Quanto mais rápido fosse a resposta, mais confiante o operador operava o processo e mais rapidamente.

Sensores, transmissores e instrumentos eletrônicos apareceram, para levar a informação do campo para o painel de modo mais fácil e rápido. Como a eletrônica também aumentou os tipos de sensores, a informação aumentou muito e os painéis ficaram cada vez maiores, mesmo com os tamanhos menores dos instrumentos eletrônicos. A configuração (layout) do painel era crítica. Os vários tamanhos, cores, formatos, direções dos instrumentos eram limitados pela tecnologia.

1.2. Painéis da sala de controle

O layout e a organização de um painel de controle são essenciais para ajudar a entender as condições no processo. Como os instrumentos são agrupados e como estes agrupamentos são colocados no painel de controle dão um melhor entendimento do que está acontecendo dentro do processo. Geralmente, algumas linhas e diagramas de fluxo são também desenhados nos painéis, mas mesmo assim, os painéis ainda eram estáticos. Quando as plantas e processos ficaram maiores, também os painéis aumentaram. Os painéis ficaram tão grandes que os operadores literalmente navegavam neles em skates ou patins de roda.

Fig. 10.2. Painel pneumático Para entender o que estava acontecendo

nas extremidades (medições e atuações) do processo, foram criados os dispositivos e anunciadores de alarme. Bandeirolas, sirenes, buzinas, lâmpadas piloto foram colocados para alertar o operador e determinar se algo estava fora do normal. Isto limitava a operação de uma planta complexa e sua produtividade, embora aumentasse a segurança de operação. Quando se colocavam mais sensores, era necessário gerenciar todas as medições extras.

Isto levou, felizmente, ao advento do computador pessoal, que oferecia uma oportunidade para gerenciar todos os dados e apresentar ao operador o que fosse realmente importante. A introdução da tela de vídeo permitiu trazer todos os dados para o operador, em vez de levar o operador para ver os dados. Diferente do painel convencional, a tela de vídeo permitiu o painel de controle vir para o operador e tornou-o mais fácil para procurar alarmes, cadeias de eventos e todas as variáveis de processo. Porém, agora, o operador ficava isolado na sala de controle e não mais ia sentir a operação do processo, como quando dava sua volta pela planta. Qualquer interface de operação deve por isso substituir todas estas entradas.

Fig. 10.3. Painel eletrônico É e sempre foi responsabilidade do

engenheiro de sistema projetar todo o sistema de controle, especialmente o modo em que os operadores executam o plano de operação. No passado, havia pouca coisa para o engenheiro de sistema fazer, exceto colocar a maioria de instrumento no sistema. Não havia modo de alterar os frontais dos instrumentos. Hoje, com o uso de sistemas de vídeo, as possibilidades se expandiram tanto que podem provocar confusão. As interfaces de usuário são tão importantes quanto a estratégia de controle em melhorar a produtividade da planta.

2. Vídeo para interface

Os computadores invadiram todas as partes da planta de processo. Eles são usados para finanças, colocação de pedido, inventários, gerenciamento da produção, gerenciamento do produto, gerenciamento do processo e gerenciamento do equipamento. Todas estas funções são consideradas diferentes e independentes, e geralmente são

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rodadas em departamentos diferentes usando computadores diferentes.

Porém, hoje, os computadores estão se tornando mais de uso geral na construção de suas plataformas de sistema operacional. As diferenças entre sistemas é agora principalmente um resultado dos pacotes de aplicação que rodam neles. É necessário isolar funções do computador para tais necessidades como tendo controle de tempo real. O uso de vários microprocessadores e várias comunicações de rede torna possível o compartilhamento de dados entre os vários grupos diferentes. Mas, a apresentação dos dados, usualmente através de telas de estações de operação, varia dependendo da função destes grupos diferentes.

2.1. Estações de operação com vídeo

A interação com o controle de processo geralmente cai em estações proprietárias, estações de trabalho comerciais e computadores pessoais (PCs).

As estações de trabalho comerciais foram projetadas para transações de negócios que podem levar minutos, horas ou até dias. Elas não são práticas para rodar processos que precisam de interfaces para trabalhar dentro de minutos e segundos. Como resultado, os vendedores fizeram modificações para que elas tratassem dados em tempo real.

Fig. 10.4. Mudanças nas tecnologias A maioria dos computadores não pode

trabalhar com o mesmo tipo de processamento gráfico necessário em operação de processo típica. As estações do operador devem também ser capazes de receber dados em tempo real, quando eles acontecem e causar ações

exatamente quando necessário. A rede e as capacidades de display do PC médio nunca atende estas exigências. Esta limitação mudou rapidamente, nos anos 1990. Nesta época, viu-se a convergência da televisão, computador e publicação. Na passagem do milênio, tem-se computadores, televisão e publicação funcionando dentro do mesmo tipo de equipamento eletrônico. Este hardware também trata estas funções sem distinção.

Esta convergência tem um efeito muito importante nos sistemas de automação e nas interfaces humano-máquina (é considerado um machismo dizer homem-máquina e soa estranho dizer mulher-máquina, por isso o politicamente correto é dizer humano-máquina). Ela influenciou as capacidades da interface, sua comunicação, operação e negócios.

As estações de trabalho atuais fornecem uma incrível potência de processamento a baixo custo, com alta resolução gráfica, consistência e facilidade de uso. As estações podem ser colocadas em rede, facilmente. Sua expansão pode ser aumentada, simplesmente pela colocação de processador mais novo. Assim, o usuário pode fazer atualizações, sem substituir o computador inteiro ou toda a configuração. Estas estações de trabalho podem fazer multitarefa, ou seja, executar várias tarefas em um tempo muito curto no mesmo microprocessador. Elas tipicamente rodam em Unix ou alguma variante dele ou em Windows NT.

2.2. Desenvolvimento futuro

Quando os PCs desenvolveram mais potência de processamento, capacidades e memória, o cenário mudou de novo. Algumas estações de trabalho são constituídas de um conjunto de computadores pessoais para ajudar a superar a necessidade de manipulação de dados em tempo real. Isto de novo faz a estação de trabalho ser distribuída. Plataformas comerciais se tornam disponíveis para assegurar a expansão da capacidade e capabilidade, sem substituir o sistema. A capacidade de multitarefa de um único processador permite muitas funções serem executadas. As estações ficam cada vez mais baratas, tendo aproximadamente o preço de um PC. As estações permitem o usuário controlar e monitorar mais processos simultaneamente, brincar com “o que se” e fazer uma análise detalhada dos dados e fazer tudo isso simultaneamente.

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Fig. 10.5. Multitarefa de várias funções com

um único processador A demanda por mais capacidade e melhor

desempenho a baixo custo trouxe mudanças com o aumento do uso não industrial. O maior o volume de vendas no mercado geral justifica os vendedores de estações de trabalho em esforçarem para melhorar as funções e os preços.

As estações de trabalho também aumentam e melhoram a habilidade de o operador projetar a estratégia de controle e, na mesma máquina, projetar telas funcionais. Estas telas, dentro da mesma estação, podem ser separadas para a operação, engenharia, manutenção e negócios. As telas podem focalizar especificamente os trabalhos requeridos sem confundir o usuário com dados sem significado. Geralmente, muitos dados inexplicáveis podem causar uma ação bem definida, mas desastrosa. Códigos de segurança podem ser incorporados, como senhas, para garantir esta separação.

As principais vantagens de uma estação de operação são:

Aumento e melhora da habilidade do usuário

Projeto estratégico de controle Projeto de telas funcionais Operação mais eficiente Manutenção mais fácil Negócios mais rentaveis Entrega de projetos completos mais

rápida Atualização do desempenho do

processo Usadas corretamente, as estações de

trabalho podem ser projetadas para apresentar projetos completos, de modo rápido. A configuração do processo permite o rearranjo da estratégia do controle e ajuda o operador analisar as seleções de estratégia e oferece sugestões alternativas. Isto pode ser uma parte do “o que se” que pode ser incorporado na

operação do sistema de controle. A estação de trabalho pode também ser parte de teste de malhas, que pode ser feito antes do embarque, economizando tempo valioso.

As estações de trabalho, hoje, permitem a atualização do hardware, tal como o último microprocessador e tipo de memória. Isto pode melhorar o desempenho sem alterar o programa, geralmente com o processo em operação.

Fig. 10.6. Redes em torno de controladores

em uma arquitetura com grande sistema

2,3. Ver e sentir

Controles de processo tendem a tirar as vantagens do sistema gráfico nas seguintes áreas:

Display chama o tempo e atualiza o tempo

Atualização em tempo real de muitos pontos de dados, alarmes e objetos gráficos dinâmicos

Display de grande quantidade de informação gráfica e textual simultaneamente

Habilidade de chavear rapidamente entre displays de aplicações diferentes

Resolução de tela para apresentação clara de dados muito dinâmicos

Nem o tempo ou a resolução de tela são diretamente endereçáveis pelo X-Windows. Isto é assunto de hardware. É realmente o desenvolvimento de estações de trabalho poderosas, mas econômicas que permitiu o X-Windows ser conveniente para aplicações de controle de processo. Uma vantagem do X-Windows é que as aplicações podem ser independentes de plataformas. Como já dito, uma vez que uma aplicação é desenvolvida, ela pode rodar em plataformas diferentes, que podem ser selecionadas baseando no nível desejado de desempenho ou no orçamento.

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Para muitas aplicações, uma estação de trabalho mediana é suficiente. Se for desejado maior desempenho, a mesma aplicação pode ser usada em uma estação mais avançada. Se for desejado menor desempenho, como um terminal para monitorar um processo de uma estação remota, um terminal X-Windows de baixo custo é a melhor opção. Mesmo PC com software X-Windows pode ser instalado e usado.

Fig. 10.7. Interface humano maquina O controle de processo precisa ter a

habilidade de mostrar muita informação simultaneamente e chavear rapidamente entre diferentes displays. O X-Windows oferece janelas múltiplas simultâneas e a habilidade de rapidamente mover, redimensionar, converter para ícones e rearranjar as janelas. Com este tipo de funcionalidade, é possível ter um display gráfico do processo em uma janela e ter um display com gerenciamento de sistema em outro. Ao mesmo tempo, os alarmes podem ser mostrados em janelas pop-up e um aplicativo de configuração de tela pode estar em outra janela. Porém, deve-se lembrar que toda esta potência tem seu custo. Neste caso, o custo é a necessidade de melhor desempenho de carga e processamento da rede para todo este aumento de atividade.

Houve uma mudança de filosofia nas telas de vídeo:

Originalmente para ver cuidadosamente o processo em si

Depois, substituição dos painéis gráficos estáticos

Mais tarde, operação da planta através de teles com frontais de instrumentos, substituindo painéis de instrumentos convencionais, fornecendo

Telas gerais Grupos Detalhes (pontos) Listas de alarmes

2.4. Papel da estação de trabalho

Durante os anos 1950 e 1960, o vídeo foi usado na sala de controle para mostrar o processo em segurança intrínseca. Isto foi útil especialmente quando o processo era distante ou inacessível, como ver o interior de um forno. Depois, o uso do vídeo foi para construir e mostrar painéis gráficos durante os anos 1960 e 1970, onde era econômico na alteração do trabalho de arte necessário nos painéis tradicionais. Nesta época, ainda havia pouca vantagem na dinâmica, por causa da programação mássica e cara requerida. Porém, ninguém considerava usar técnicas de vídeo para o controle real da planta. Somente quando técnicas configuráveis (e não programáveis) se tornaram disponíveis, aplicaram-se gráficos interativos. Devia-se também aprender como usar as novas tecnologias.

Fig. 10.8. Tela interligada ao processo Quantos monitores de vídeo são

necessários na sala de controle? No final dos anos 1970, foi assumida a necessidade de um monitor para monitoração geral (overview) do processo, um para displays de trabalho (telas de grupo) e um para listas de alarmes. Com a emergência da técnica de janelas, no final dos anos 1980 e inicio dos anos 1990, estas funções poderiam ser facilmente feitas em um único monitor. Há, porém, a consideração da análise da tarefa. Quantos operadores são necessários para operar a planta ou processo e quais funções são executadas? A resposta dada a estas questões determina quantos monitores de vídeo são necessários na sala de controle.

Com o aparecimento e melhoria das técnicas de grandes telas e larga projeção, o uso de displays semi-permanentes para monitorar toda a planta pode reduzir a necessidade de hierarquia de telas. Este foi o

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objetivo do painel de operação dedicado tradicional e a instrumentação do painel de controle usado no passado. Novas descobertas envolvendo o modo das pessoas interagir com o processo têm uma grande influência no número e localização de monitores de vídeo.

3. Explorando displays

Navegar através de telas do monitor do processo requer algumas técnicas e layout de display de telas. As técnicas de display são mais ou menos padronizadas entre a maioria dos vendedores de sistema, baseados no sistema operacional do computador usado. A discussão aqui é o que é típico.

Outro arranjo de tela, porém, será baseado em como o vendedor do sistema de controle escolheu para retratar suas telas padrão de sua hierarquia de tela. Alguns vendedores com estações proprietárias fornecem um conjunto em pacote fechado retratando vista geral, grupos e detalhes. Alguns fornecem apenas o software HMI, se eles conectam com pacotes de estação de trabalho genéricos.

3.1. Janelas

Novas tecnologias oferecem aos usuários a dinâmica de usar janelas múltiplas e diferentes na mesma tela, permitindo acesso direto a diversas áreas da planta. A capacidade de criar janelas provê aos usuários um modo poderoso de obter detalhes selecionados e suportar informação no monitor principal sem perder a tela principal. A capacidade de criar janelas também dá ao usuário a habilidade de enfatizar a informação importante do processo de controle, enquanto desenfatiza a menos importante. Porém, ela mantêm a janela menos importante sempre disponível sob pedido. Enquanto é útil abrir várias janelas ao mesmo tempo para olhar as diferentes partes da plante de uma vez, esta característica também reduz a necessidade de acesso a ser feito somente de um modo na hierarquia das telas.

As janelas podem ser arranjadas de vários modos:

Superpostas Uma ao lado da outra Cascateadas Pop-up Das várias janelas superpostas, apenas a

da frente é vista e as outras ficam ocultas, atrás da primeira. Parece que há apenas uma janela, mas as outras, do mesmo tamanho, estão ocultas. Para selecionar uma janela oculta, pode-se usar a técnica de ALT + TAB ou então clicar em algum botão com o nome da janela oculta. Quanto maior o número de janelas

abertas (embora somente uma em uso), mais lento fica o processamento do computador.

As janelas azulejadas, são colocadas uma ao lado da outra, como azulejos em uma parede ou chão. Cada tela é vista totalmente, porém seus tamanhos são menores, para que todas sejam enquadradas em uma única tela.

As janelas cascateadas são dispostas uma atrás da outra, porém aparecendo os cantos de cada janela, geralmente com um título exposto e qualquer uma pode ser selecionada para ficar na frente.

A janela pop-up é aquela que aparece repentinamente e se sobrepõe à janela aberta em uso. É tipicamente usada para mostrar alarmes. Seu tamanho, cor e posição podem ser configurados.

Há várias considerações praticas, quando usando as técnicas de criar janelas:

Quantas janelas podem ser abertas antes de o usuário se perder? (Alguns sistemas colocam limite neste número de janelas).

Todas as janelas abertas continuam sendo atualizadas?

As janelas abertas continuam sendo atualizadas na mesma freqüência?

As janelas abertas continuam processando os dados nestas áreas que estão escondidas atrás de outras janelas abertas?

Em alguns sistemas, as janelas abertas continuam a processar os dados nestas áreas atrás de outras telas. Isto coloca muita pressão no gerador de display e pode tornar lento os tempos de atualização (refresh) para todas as telas. Se as camadas escondidas continuam ativas, os dados são mais facilmente disponíveis se estas telas forem rapidamente chaveadas.

Fig. 10.9. Exemplos de janelas

3.2. Fazendo zoom (zooming)

Fazer zoom permite ir para frente ou atrás do painel. Isto pode ser feito de um modo suave contínuo ou em estágios. Uma

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desvantagem possível da ação contínua de zoom é que quando se afasta de um display muito detalhado, todos os conjuntos de detalhe ficam confusos. Há mecanismos de desagrupamento que desliga certos símbolos ou mudam para um ícone mais simples, quando se diminui o zoom. Assim, quando se faz o zoom, mais detalhes são adicionados em incrementos.

Fig. 10.10. Aumentando e diminuindo as

telas Certa criatividade na construção da

ilustração pode ser necessária para evitar confundir o operador. Alguns preferem mudar através de uma série de estágios de perto para longe para controlar tamanhos de fontes e ícones dentro de uma faixa legível. Outros preferem mudar simplesmente as telas através de um botão de seleção embutido na tela.

3.3. Fazendo uma seleção (panning)

Pode-se andar em na área da janela e agir como tendo uma pequena janela aberta em uma grande tela. Coloca-se a janela em torno de áreas diferentes da tela para focalizar uma área especifica de interesse.

As tarefas de amplfiicadr (fazer zoom) e selecao (panning) envolvem temas similares ao de criar telas em geral:

A área escondida é atualizada? O operador pode se perder na

navegação?

Fig. 10.11. Andando pela planta através do foco

No início dos anos 1970, Renzo Dallimonti definiu três telas clássicas e padrão para a sala de controle típica:

Overview ou tela geral Grupo Ponto ou detalhe de ponto

3.4. Funções da tela geral

Quando o gerente de operações, engenheiro de processo ou alguém chega no turno e primeiro entra na sala de controle, ele não quer saber do valor de cada malha, mas a visão geral da operação da planta. Ficando defronte o painel, o operador quer ver as coisas importantes atuais da planta e do processo. É essencial destacar os problemas reais ou potenciais da planta. O operador está interessado na saúde total da planta.

A tela geral (overview) é uma das três telas clássicas (overview – grupo - detalhe) identificadas desde os anos 1970, como as três necessidades padrão da sala de controle típica.

Um conjunto geral de malhas irá mostrar apenas os desvios entre os pontos de ajuste e as variáveis de processo para umas 100 a 200 malhas. Os limites de desvio entre ponto de ajuste e variáveis de processo são geralmente estabelecidos individualmente.

Atualmente, esta tela de visão geral é certamente na forma de um gráfico dinâmico, mas os elementos são os mesmos.

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Fig. 10.12. Condições gerais da planta

3.5. Tela de grupo

Depois de ver a saúde geral do processo, o operador quer dar uma volta no painel de controle para fazer ajustes nos controladores. O operador irá prestar atenção a estes poucos instrumentos envolvidos nesta porção da planta de processo. Esta é a origem da tela de grupo.

A tela de grupo é a segunda das três clássicas sugeridas no inicio, nos anos 1970. Esta tela mostra um conjunto de malhas que juntas definem uma unidade do processo. É a tela de operação normal do “painel” e tipicamente possui não mais que 8 ou 16 instrumentos neste grupo. Como no painel convencional, o operador deve ser capaz de ver e manipular a variável de processo, ponto de ajuste e saída do controlador. Quando a malha apresentar problema, o operador quer ver os limites de alarme correspondentes e talvez o modo de operação do controlador: automático, manual ou computador. Também, o operador precisa ver o tag e nome da malha de controle.

Fig. 10.13. Funções no nível de operação

Quando o operador chamar um controlador

específico deste grupo na tela, o seu frontal deve ser destacado (por exemplo, ficar da cor vermelha), de modo a mostrar que está pronto para receber comandos. É útil também aparecer uma linha de texto para reforçar a informação acerca desta malha ou função, como o local onde estiver localizado na planta.

Como a tela de overview, a tela de grupo usualmente é equivalente ao gráfico da mesma função. Pode-se ter o frontal do controlador embutido na tela gráfica ou o frontal em uma janela pop-up, quando o cursor for colocado sobre a parte do processo necessitando de ajuste.

A grande diferença entre a tela de instrumentos e os instrumentos físicos convencionais é que a tela pode fornecer cursor dinâmico ao operador na mesma tela. Por exemplo, pode aparecer o comando “Deve entrar Manual”, se o operador tentar ajustar a saída com o controlador em modo automático. Muitos cursores diferentes e procedurais podem prover uma operação consistente e seguro para a equipe de operadores com uma grande variedade de experiências individuais.

3.6. Tela de detalhes do ponto

Agora, a outra ação do operador que acontece em uma sala de controle em um painel convencional é a habilidade de tirar um controlador do grupo, para fazer ajustes em seus parâmetros (sintonia, limites de alarme).

A tela de detalhes do ponto é a terceira tela clássica na sala de controle típica (overview, grupo e ponto). Esta tela é chamada de Display

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do Ponto ou Display do Detalhe do Ponto. Na forma de vídeo e com as várias características possíveis em controladores baseados em microprocessador, esta tela também pode ser usada para ajustar rampas de ponto de ajuste, pontos de alarme e de desligamento, valores seguros da saída, valores da sintonia do controlador (PID) e vários outros parâmetros que o vendedor fornece com os blocos de função para controle. Uma tela com tendência da variável de processo é útil para a sintonia. Fig. 10.14. Tela com detalhes de um ponto

Por sua natureza e aplicação, a tela de detalhes raramente é gráfica. Ela pode, porém, ser usada para invocar uma entrada de uma lista dentro da tela. A tela de detalhes do ponto é útil para verificar a condição da fonte de sinal (sensor ou transmissor). Clicando na seleção nesta lista de entrada e saída, uma tela adicional pode aparecer para mostrar as condições dos sinais que vem de um terminal. Desta tela vê mais detalhes acerca da entrada como faixa de sinal, ajustes do alarme e desarme, curvas de linearização configuradas.

3.7. Telas adicionais

Alem das três telas clássicas vistas (overview, grupo e ponto), pode-se criar outras telas para ajudar o usuário no controle do processo. Não há limite para a imaginação do projetista. Porém, deve-se evitar complicar e sufocar o operador que vai lidar com as telas. O critério para desenvolver as telas de operação é a funcionalidade. Outra coisa fundamental: deve haver a participação ativa do pessoal da operação no desenvolvimento das telas ... para operação. Aprender a usar a mídia vídeo leva tempo. Somente quando o pessoal percebe e experimenta as vantagens da mudança e das novas idéias é que ele as fixa.

Outras telas típicas são: Displays interativos e dinâmicos oferece

variações interessantes do tradicional

Conexões I/O em terminal mostram valores, limites, alarmes, condicionamento do sinal

Lista de alarme por vários critérios, filtros e prioridades

Lista de diagnóstico Mapa do equipamento para mostrar locais

de falhas Dados históricos incluindo gerenciadores

da base de dados relacional (RDBM) Cartas de controle estatístico de processo

Fig. 10.15. Tela para mostrar histórico e

tendência da variável do processo

4. Comunicação da Informação

A estação de trabalho é uma ferramenta para o humano se comunicar com o processo. Esta comunicação implica em como o processo fornece os dados e como o humano fornece dados para o processo. A comunicação entre pessoas no discurso normal ocorre de várias maneiras diferentes. O significado das palavras é apenas uma pequena parte de como é feita a comunicação. A comunicação pode envolver figuras, símbolos e objetos. Um presente é uma forma de comunicação. Dar um diamante tem um significado diferente de dar flores. Mesmo na conversa verbal, a informação é usualmente passada através da linguagem do corpo. Há grande diferença entre o significado das palavras, o modo como elas são ditas e o uso de ações ou figuras. A figura correta vale mais que mil palavras, segundo os chineses (cujas palavras são escritas de modo complicado, para nós). Todas estas implicações devem ser consideradas na sala de controle.

4.1. Interação com o processo

É necessário muito processamento de sinal para mostrar a interface humano-máquina com o processo por causa da grande sofisticação da estação de operação. Porém, uma estação de

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operação utiliza apenas 10% em apresentação gráfica. Os outros 90% envolvem o esforço computacional. Mesmo assim, a estação de operação é projetada para ajudar o operador entender o processo através de imagens. Às vezes, a imagem é único modo de se fazer entender.

Fig. 10.16. Monitor gráfico É um fato que os caminhos ópticos do

cérebro humano carregam cerca de 50 000 000 de palavras por minuto, que é 10 000 000 de vezes mais que o ouvido pode manipular. Aprende-se mais facilmente, rapidamente e exatamente com imagens. O desafio é satisfazer este potencial com realismo, velocidade, padronização e integração com outros meios.

Certamente, o monitor gráfico deve mostrar e fazer todas as funções originalmente incluídas no painel de controle tradicional, que são as seguintes:

Indicadores e medidores (condição instantânea)

Registradores (condição passada) Chaves manuais (ações e respostas

manuais) Controladores (ações e respostas

automáticas) Display mímico (guia gráfico para o

entendimento) Anunciadores (focos de atenção do

alarme) Outras funções Além destas funções típicas do painel de

controle, o monitor gráfico pode: Animar o processo

Mostrar as variáveis em formato analógico ou digital

Assinalar os alarmes e distúrbios do processo

Mostrar as alterações nos status e condições

Fornecer instruções e relatórios Apresentar análise para decisões mais

complexas

4.2. Analógico ou digital

Certas operações são intuitivas e sua aparência na tela deve ser consistente com a experiência do operador em sua vida. Por exemplo, seja o tempo. A maioria das pessoas convive atualmente com relógios analógicos e digitais. O relógio analógico mostra o tempo como um padrão em torno de uma face circular, com a progressão do tempo ocorrendo em incrementos de 60-60 segundos, 60 minutos, 12 horas. Como resultado, o display médio de um relógio analógico mostra as 12 horas igualmente espaçadas neste circulo.

Para ensinar uma criança a ler o relógio analógico, deve-se dizer que o número 11 pode significar 5, como em 5 minutos para a hora. Do mesmo modo, o número 2 pode significar 10, como em 10 minutos depois da hora. Depois, deve-se ensinar que a base de minutos é 60, ou seja, uma hora possui 60 minutos e um minuto possui 60 segundos.

A leitura de um relógio digital é mais simples, pois é direta. É fácil dizer que a hora é 13:54, pois o display mostra exatamente isso. Porém, neste caso, não é possível ver que a hora está mais próxima de 14 h do que de 13 h.

Outra dificuldade futura será explicar a alguém o que seja sentido horário ou anti-horário, quando existir apenas relógios digitais.

Agora, o tempo é uma medição absoluta ou relativa.. Diferente de todas as outras medições, pode-se dizer que é as duas coisas. Funcionalmente, o tempo serve para determinar o intervalo até algo acontecer ou o intervalo desde que algo aconteceu. Assim está se sempre procurando por algum local relativo dentro do tempo, que é um conceito analógico. Portanto, é natural pensar e usar o tempo com um display analógico, em vez de digital. Geralmente se tenta transladar muitas medições em algum sentido analógico porque a maioria dos parâmetros encontrados na natureza é analógica, não digital. A maioria das apresentações deve retratar a informação e não dados.

Se um valor absoluto está sendo usado, a representação digital é importante, principalmente quando se quer alta precisão com vários dígitos. Mas quando se quer olhar a

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direção ou ação aproximada com o tempo, o display analógico é mais conveniente.

Fig. 10.17. Display analógico ou digital?

4.3. Elementos do display

Os elementos do display consistem de letras, números, formatos e cores. No desenvolvimento dos elementos do display, é importante considerar o melhor método de codificar a comunicação apropriada com a audiência pretendida. A organização e código de comunicação do display estão descritos na norma ISA TR 77.70.04-1996, que incluem o seguinte:

Valor numérico

Uma leitura digital de um valor de parâmetro que usa a quantidade de dígitos dados para fornecer a precisão (valor exato) necessária. Ele requer uma etiqueta ou símbolo para identificar se significado, incluindo a unidade de medição.

Indicador analógico (gráfico de barra ou medidor)

Mostra o valor relativo do parâmetro, usando uma variação contínua no tamanho ou posição de um formato. Este elemento é mais bem usado para transmitir a informação qualitativa, como a direção de um movimento, relação entre valores e taxa de variação inferida. Gráfico de barras é o método usual para comparar leituras, mas alguns usuários podem ser mais familiarizados com o uso de ponteiro e escala. O ponteiro pode ser combinado com uma barra para mostrar um alvo (ponto de ajuste em relação à medição) ou limites de alarme, usados como marcas de escala e mesmo usados com valores numéricos, quando se quer precisão e comparação. Quando se usa ponteiro sobre uma escala graduada, não usar mais que a precisão da leitura pode suportar.

Geralmente, cinco marcadores de escala ao longo de 0 a 100 de um gráfico de barras é necessário para fornecer o balanço certo entre ter entendimento e confusão da tela.

Indicador discreto

Usado para mostrar o status de um equipamento que pode ter um, dois ou mais estados discretos. Cada estado deve ser facilmente distinguido. Estados são mostrados com etiquetas (liga-desliga), suplementada com código de cores (verde-vermelho) e possivelmente melhorado com código de forma (aberto-fechado). Etiquetar ou codificar é crítico, pois a má interpretação pelo usuário causa dedução das coisas ao contrário. Evitar usar somente código de cores para significar o status do equipamento.

Mímico (display gráfico do sistema)

Uma figura simbólica reflete o módulo do usuário (arquétipo) de um processo, incluindo as relações entre as variáveis. Para evitar má interpretação de qualquer confusão, deve-se ter cuidado de fazer o mímico de conformidade com este modelo.

Gráficos

Mostram um gráfico de parâmetro versus parâmetro e são úteis para diagnostico de processo, como marcando regiões de operação normal versus anormal.

Tendência (trend)

Mostra a historia de uma ou mais variáveis, incluindo a taxa de variação, a aproximação dos limites e o modo de comparar atividades atuais com operações similares passadas. O gráfico de tendência é chamado também de gráfico histórico.

Tabelas e listas

Usadas para mostrar grandes quantidades de informação, de modo que elas devem ser bem organizadas e codificadas para reduzir o tempo necessário para sua leitura ou interpretação. As recomendações para tabelas e listas incluem:

Titulo da linha na esquerda e da coluna no topo

Alinhar listas de dados verticalmente com títulos na esquerda e o tipo de fontes deixado justificado. Os dados numéricos correspondentes para estes títulos devem estar a direita e justificados à direita e se houver decimal, justificado à direita, de modo que o marcador decimal fique alinhado.

Separar linhas de mais de 3 a 5 itens de cada outra com espaço.

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Texto

É muito flexível, mas é provavelmente o display menos desejável, porque é lento para ler e interpretar. O texto deve ser limitado a títulos e mensagens breves, tais como avisos e mensagens de ajuda para o operador. As sugestões de cores incluem o seguinte:

Texto de cor escura (vermelho, azul, preto) deve ter uma tela de fundo de cor clara.

Texto de cor clara (branco, verde, amarelo) deve ter uma tela de fundo de cor escura.

Não é recomendável que a tela de fundo toda seja escura ou clara, geralmente é apropriado ter a banda imediatamente atrás dos caracteres de cor contrastante.

4.4. Criação de gráficos

Toda comunicação humana envolve um idioma ou um jargão local, que usa combinações de palavras diferentemente do esperado, pois as mesmas palavras podem significar coisas diferentes quando usadas em frases diferentes. Sem um entendimento do idioma, o que alguém fala pode conter todos os dados, mas nenhuma informação.

A idéia do monitor gráfico é a de mostrar mais do que as funções originais de um painel convencional. Havia no painel: indicadores, registradores, chaves manuais, controladores, anunciadores e algum display mímico estático (painel sinóptico). Hoje, há a oportunidade de considerar cuidadosamente a capacidade completa do monitor gráfico, que é a habilidade de criar figuras e animar a tela do processo para mostrar os efeitos das variáveis analógicas e discretas, para fornecer instruções e apresentar análise para decisões mais complexas. No desenvolvimento destes gráficos, deve se entender a transição do pessoal do uso de painéis tradicionais para o uso diferente das telas de vídeo e deve-se usar este meio diferente em todo seu potencial. O objetivo do gráfico é fornecer informação e não fornecer dados.

5. Animação de telas

A tela de vídeo fornece oportunidades únicas para comunicação das condições de processo com o operador. Esta comunicação deve ser biunívoca. Ela deve ser feita de modo a reduzir o esforço necessário para o operador compreender totalmente o significado de qualquer alteração, boa ou má. O potencial de animação das telas dá uma capacidade poderosa para estreitar o espaçamento entre eventos descobertos e o entendimento do

operador. É imperativo para o engenheiro de sistema entender o uso desta animação.

5.1. Displays dinâmicos

Quando se cria o display, pode-se atribuir objetos e campos de entrada em qualquer local na tela e pode-se ativa-los com o cursor. Quando se ativa um objeto, ele fornece mudanças de status e entradas de valor, mudanças de parâmetro, seleção de menu, mudanças de tela ou resposta guiada para distúrbios na planta. Quando se toca em um objeto animado, geralmente ele abre uma caixa de dialogo para alguma entrada apropriada, tais como valor, texto ou resposta a uma lista de escolha.

Barras de ferramenta podem também ser usadas com ícones para ações diferentes e são continuamente vistas na tela ou aparecem quando solicitado. Chave quente parece como botoeira na tela, que, quando se coloca o cursor e clica sobre ela, parece que foi acionada, como se apertasse um botão físico. Este movimento é importante porque é necessária alguma realimentação, visual ou sonora, para confirmar que a ação foi feita. Deste modo, quando se cria um botão virtual na tela, pode-se ter algum modo de saber que a ação começou, mesmo se a tela ainda não reflete a completude desta ação.

Linguagem natural

Sempre se deve fornecer ao operador uma linguagem natural, em qualquer tela ou dentro de uma caixa de dialogo. Esta é uma oportunidade de melhorar muito a produtividade. Deve-se evitar palavras especializadas (jargão) e deve-se promover o rápido entendimento com todos os usuários do sistema.

Dinâmica de tela com IF THEN ELSE

Uma característica interessante na animação de telas é o uso do comando lógico IF THEN ELSE com as equações matemáticas embutidas no pacote gráfico. Isto permite entradas, telas e animações especiais.

Por exemplo, se (IF) ocorrer determinado alarme e houver uma determinada condição em uma parte adjacente da planta e existir uma determinada faixa de valores em outra malha ou a operação estiver em determinado estagio, então (THEN) o operador deve ter a capacidade de fazer apenas uma seleção limitada de ações. Outras capacidades são bloqueadas ou mesmo ocultadas, mesmo quando disponíveis normalmente.

Esta característica de IF THEN ELSE é muito útil para apresentar um display

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apropriado para condições únicas. O objetivo do jogo aqui não é apresentar ao operador uma grande quantidade de dados, mas de apresentar ao operador apenas a informação que é apropriada para a condição atual da planta. O que é importante aqui é que esta característica de tela seja usada para a ação de animação e não para ação de controle. O que se quer é poder retratar a informação na tela, mas não se quer usar esta característica para criar ação automática no controlador. Apenas as características e processadores no controlador são usadas pra a ação de controle.

5.2. Displays mímicos

Recomendações para construir mímica, baseada na norma ISA TR 77.60.04-1996, incluem o seguinte: 1. Criar símbolos abstratos de conformidade

com as convenções dos símbolos elétricos ou mecânicos, sempre que possível.

2. Reduzir os detalhes dos dados de análise da função/tarefa/objetivo para apresentar apenas o conteúdo requerido de modo a evitar confusão.

3. Fornecer etiquetas dentro dos símbolos, sempre que possível.

4. Localizar dados dentro dos símbolos em posições consistentes (abaixo, à esquerda, à direita)

5. Localizar dados para linhas e símbolos mímicos próximos destes itens.

6. Distinguir símbolos do display dinâmicos dos estáticos. O usuário deve reconhecer estes símbolos que fornecem informação acerca de status e condição.

7. Usar código redundante de símbolos dinâmicos. Por exemplo, a válvula pode estar vermelha ou verde, mostrar etiquetas aberta ou fechada e preencher o símbolo para expressar seu status.

8. Usar linhas de fluxo mímicas dinâmicas para mostrar a operação do processo se esta informação for importante para entender as condições do processo. A presença de vazão ou pressão pode ser mostrada por cor de linha ou tubulação cheia. A direção da vazão pode ser mostrada por setas e também com segmentos de linha que piscam.

9. Usar mímica de linha elétrica dinâmica para mostrar linha energizada ou não. A presença de potência pode ser mostrada com cores ou símbolos.

10. Tornar as telas de toque (touch screen) ou alvos de mouse distinguíveis com relação ao tipo de informação acessada. Alvos que chamam controle devem ser diferenciados de alvos que acessam outros displays.

Controles analógicos devem ser diferenciados de controle discreto. Todos os alvos devem ser identificados.

Fig. 10.18. Dados para o operador Fig. 10.19. Tela para o operador

5.3. Cor como uma dinâmica

Parte da animação dos displays é o uso de cores condicionais para dois status discretos de posição. Os displays podem mostrar também uma série de cores, marcando a passagem de algum valor através de vários limites de indicação analógica, como temperatura, nível, vazão e pressão. Deste modo, o operador pode ver rapidamente o progresso da variação de temperatura dentro de um vaso, quando a leitura exata do valor não é necessária. Condicionais de cores podem ser usados para taxas de ação de piscar. Ações de piscar podem mostrar movimento ou mostrar a progressão de eventos através da tela.

Cores podem ser usadas para disparar eventos. Quando se clica no símbolo de uma

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bomba, ela pode ser ligada ou desligada. A bomba pode ficar vermelha quando desligada e verde quando ligada, ficando amarela durante a partida.

Em uma tela que esteja congestionada, as cores podem ajudar a destacar grupos especiais de informação. O agrupamento é talvez um dos usos mais eficientes de cor para telas.

5.4. Capacidades combinadas

Combinar as capacidades de animação dá uma dinâmica ótima e livra o operador de estudar detalhes desnecessários. Por exemplo, um tanque pode estar enchendo ou esvaziando automaticamente, talvez porque o produto está sendo consumido em outra parte da planta ou alimentando uma unidade do processo. Um gráfico de barra pode mostrar o nível. Mostrar o nível do tanque através de um gráfico de barra é útil, pois o tanque é apenas uma variação do gráfico de barra.

Pode-se usar o enchimento para determinar a composição química, por exemplo, pH ou condutividade. Mudança no padrão pode indicar limites de valores da composição. Ao mesmo tempo, pode haver uma temperatura. Assim, a temperatura poderia ser mostrada através da variação do padrão, o nível através da altura do gráfico de barra e a composição através da mudança do enchimento do padrão, tudo visto simultaneamente pelo operador, sem a necessidade de ler os números individuais ou os frontais dos instrumentos. Todos os parâmetros ocorrem concorrentemente.

5.5. Uso das cores

O uso de cores é suplementar. A cor deve ser usada apenas para melhorar a informação. A cor pode fornecer codificação redundante. Outra coisa importante: cores não funcionam para as pessoas daltônicas (10% dos homens e pouquíssimas mulheres). Pesquisas mostram que o processamento pelo cérebro das cores é feito em paralelo e dos formatos, em série. Faz-se também confusão quando se processam mais de quatro cores simultaneamente. Por isso, as cores devem ser usadas para ajudar o operador entender a mensagem desejada. As cores devem ser usadas para o operador reconhecer rápida e facilmente variações no processo.

O olho humano percebe a cor somente no centro da retina. A percepção real da cor depende dos diferentes comprimentos de onda da luz que estimula os olhos. Colocar duas cores com comprimentos de onda extremos (um muito grande e outro muito pequeno) afeta

os músculos dos olhos tentando focalizá-los e esta combinação deve ser evitada.

Escolher combinação de cores para a tela é diferente de escolher combinação de cores para uma sala. A cor possui muitos impactos psicológicos e eles devem ser considerados quando pintar as paredes de uma sala de controle e estabelecer sua atmosfera. Estes impactos não são tão críticos nos displays. Parte desta razão, é que um operador não fica todo o tempo diante de uma única tela.

Os benefícios da cor são: Melhora a visualização Fornece mais informação em menor

espaço Ajuda a criar prioridades em alarmes e

mensagens Reduz o tempo de resposta, pois dirige

a atenção para área especifica Cuidados que devem ser considerados com

a cor: A cor apenas melhora a informação A cor deve ser usada como

redundância com o formato O código de cores deve ser usado com dois

objetivos principais: Conter um significado Diferenciar itens Algumas recomendações do uso de cores

são as seguintes: 1. Definir o significado de cada cor de modo

consistente. 2. Usar de modo consistente o significado das

cores em todo o sistema. 3. Usar a cor como um indicador redundante. 4. Manter grandes áreas de fundo neutras,

como cinza ou preto e até o marrom (25 a 50%), para evitar ofuscamento.

5. Usar combinações compatíveis de cores (algumas combinações circenses distraem a atenção). Combinações compatíveis são aquelas agradáveis aos olhos.

6. Usar cor para indicar qualidade e não quantidade.

7. Adequar cores com as já existentes em uso em outros sistemas.

8. Usar cores brilhantes (branco, amarelo, verde claro) para valores e símbolos dinâmicos e dados importantes.

9. Usar cores escuras (vermelho, azul) para símbolos estáticos e pano de fundo.

10. Evitar vermelho escuro e azul escuro para símbolos ou caracteres alfanuméricos, especialmente contra pano de fundo escuro.

11. Colocar texto e valores numéricos contra fundos contrastantes (talvez pequenas janelas).

12. Não se deve usar mais que sete cores (recomendação varia de 4 a 11). Para ter

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algum significado, o limite de cores deve ser de quatro ou cinco. Quando o número de cores aumenta, a eficiência relativa do código de cores diminui. Cores demais atrapalham a informação.

13. Procurar cores com alto contraste, como azul e branco ou preto e branco.

5.6. Código de cores

O uso consistente de cores em toda a planta pode ser parte de um código global ou filosofia da planta ou da indústria. Por exemplo, um esquema típica de cores para linhas de texto e numerais pode ser:

Verde para normal Vermelho para anormal Amarelo para fora de varredura Lilás para a faixa do instrumento Azul para um sinal não tratado Magenta como apagado da base de

dados Branco para texto A convenção de cores para casas de força

(eletricista) é verde para desligado (seguro) e vermelho para ligado (quente, energizado). Na indústria de papel, com máquinas rotativas, vermelho significa desligado (parado) e verde significa ligado (rodando, em linha). Indústrias com fornos e aquecedores geralmente usam vermelho para quente e verde para frio. Na indústria química, cores são usadas para diferentes produtos e gases químicos. Em terminais de petróleo, onde há transferência de produtos através bombas e compressores o código é: vermelho para bomba ligada (requer a atenção do operador) e verde para bomba desligada (não requer atenção do operador).

Mais importante que a escolha da cor é a consistência da escolha, de modo que qualquer operador em qualquer parte da planta entenda fácil e rapidamente seu significado. Por exemplo, Petrobras possui várias refinarias e várias plantas de processamento de gases e vários terminais para transferência de fluidos através de dutos e por isso requer um código de cores de display consistente. Seus empregados migram de regiões para outras, mudam de plataformas, trocam refinarias por regiões de produção. Assim, cada operador ou instrumentista, técnico ou engenheiro, trabalhando em horário administrativo ou em turno, deve entender e usar o código de cores de modo consistente e coerente.

Quando se tem excesso de animação gráfica e combinação de cores, o desempenho das chamadas de telas e as taxas de atualização diminuem. Ou seja, o uso exagerado de figuras gráficas coloridas e animadas pode impactar seriamente o

desempenho da estação de operação. Além disso, o processador usado no display do operador deve ser reservado exclusivamente para a animação gráfica, para se obter um sistema seguro, sem problema de perda de comunicação.

6. Informação Humana

Com a automação, tenta-se emular todas as atividades das facilidades humanas. O cérebro é o processador de informação que diz aos humanos como fazer. O desafio é descobrir como aprender disso para realmente criar e usar interfaces de operação significativas.

6.1. Pensar e fazer

Olhando um ser humano como um computador, pode-se identificar ações diferentes dentro de seu cérebro, tais como:

Percepção Conhecimento Movimento Armazenamento da imagem visual Armazenamento da imagem auditiva Memória de trabalho Memória a longo prazo O processador de percepção do cérebro é

onde são reconhecidas as ações do que está ocorrendo em torno dele, através de várias entradas, tato, audição, visão e provavelmente várias freqüências sentem o que não foi já identificado. São projetados sensores de processo baseados em muitas capacidades humanas.

O processador do conhecimento é onde está a habilidade de definir a experiência ou aplicar a potência de raciocinar para aprender previamente a informação. Desta capacidade, se determina o significado de todas estas coisas percebidas através dos vários sentidos. Também se tentou tornar mímica esta função com os equipamentos de medição e controladores. Estão sendo desenvolvidas técnicas para formas práticas de lógica confusa (fuzzy logic), redes neurais, algoritmos genéticos e teoria do caos, todas aprendidas da natureza e outras formas de vida.

O processador do movimento ou motriz é a resposta de todas as capacidades de percepção e conhecimento, a conversão das decisões em ações. É onde se faz a resposta do que foi percebido e se computa na cabeça e transforma isso em alguma forma de decisão. Um exemplo é a escrita, que envolve a operação de várias ações motoras nos braços, mãos e dedos, usando a ferramenta de escrever para registrar os conceitos em

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símbolos. Todo o processo de escrever envolve a realimentação constante e otimização de controle.

Para que tudo aconteça certo, é preciso haver diferentes áreas de armazenamento, de onde se transferem os conceitos da percepção no processador do conhecimento. O cérebro deve armazenar a informação do processo. Há armazenagem da imagem visual e outra área para a imagem auditiva. Elas são depois combinadas com a memória de trabalho, que é o que se usa para processar a informação agora e uma memória de longo prazo, que é um local para armazenar todas as percepções, imagens, sons e conhecimento anteriores, que foram experimentadas no passado.

6.2. Interface

Como o operador interage diretamente com o processo? Tudo entre o operador e o processo deve ser muito transparente. Esta interface é realmente um indicador de como o operador interage com uma tecnologia mais sofisticada. Isto produz duas questões que devem ser feitas antes de projetar qualquer interface de operador:

Por que se quer esta interface? Qual é o objetivo fundamental para colocar esta interface aqui e tendo algo acontecendo através dela? Está se definindo o que é realmente suposto fazer.

Por que se quer livrar desta interface? Isto é realmente necessário. O que aconteceria se não houvesse isso. Deve-se penar sobre isso e listar todas as razoes que a justificam. Isto dá a primeira pista de quais funções devem ocorrer nesta interface.

O projetista desta interface deve pensar como o usuário que está indo usá-la e considerar todas as fases das funções do sistema. Deve-se projetar as telas e dinâmicas para atender todas as exigências de cada usuário. Quem irá trabalhar com este processo particular?

Operador da planta Técnico de manutenção Engenheiro do processo Engenheiro de automação Pessoal da garantia da qualidade Gerente de negócios Todas estas pessoas têm diferentes

funções e, portanto requerem informações diferentes do sistema de controle. A apresentação dos dados para sua conversão em informação vai ser provavelmente diferente para cada uma destas categorias. As ferramentas que cada uma destas pessoas necessita para executar suas funções no processo também são diferentes. Pode haver

algo em comum, mas mesmo estas coisas comuns são feitas em um contexto diferente.

6.3. Filosofia da operação

Há pouco trabalho nos princípios de projeto de uma interface de operador. Pesquisas têm sido feitas sobre a interação humano e computador, focalizando os aspectos individuais de formato, códigos, cores e menus. Para conseguir sucesso no projeto da interface, é necessário entender os modos em que os humanos pensam conceitualmente e entender como eles processam esta informação fisicamente. O físico e o conceitual estão intimamente relacionados quando trabalhando com qualquer tipo de interface. O que se procura é qual tipo de informação é útil ao operador de campo.

Os assuntos mais importantes envolvendo o projeto da interface de operador são:

Facilidade para navegar através de telas de vídeo

Redução das chances de enganos Representação exata do processo ou

funções Operação consistente e previsível Interface agradável e amigável que

esteja de conformidade com o entendimento do operador

Dois elementos principais determinam o tipo do display:

Conteúdo – estabelecido pelas funções do usuário (análise da tarefa)

Organização – deve ser lógica para o usuário.

Usuários com responsabilidades diferentes podem precisar do mesmo conteúdo, porém organizado de modo diferente. Os tipos de display fornecidos devem oferecer flexibilidade suficiente para isso, quando usados em conjunto com as capacidades do sistema de display, uma necessidade do usuário pode ser confortavelmente acomodada. Por exemplo, alguns operadores podem preferir operar de mímicas do processo, mas outros podem preferir operar com frontais da estação de controle. A quantidade de detalhes na tela em qualquer momento deve ser deixada para escolha do usuário.

No planejamento dos tipos de tela, é importante considerar várias técnicas para reconhecimento do display, incluindo o seguinte:

Reduzir os tipos do display, usando flexibilidade somente em resposta a preferências de usuário específico.

Melhorar o reconhecimento do usuário com formatos e métodos consistentes para mostrar a informação.

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Usar elementos padrão, como símbolos, cores, nomes e abreviaturas para todos os displays, mesmo com conteúdos e organizações diferentes.

Quando um formato padrão e especialmente um layout padrão for usado, os displays tendem a parecer iguais. Para evitar confusão e erro, é igualmente importante fazer cada display e layout diferente, usando títulos únicos e outra técnica de codificação.

Por exemplo, se várias unidades do mesmo processo são acessadas de um console comum, o número da unidade deve ser claramente mostrado. Pode-se usar junto com este número algum formato ou cor para esta unidade isolada e com tudo que é associado a ela.

6.4. Intuição e rotina

O comportamento do usuário para programação foi organizado por Schneiderman e Mayer, em 1979, em seu conhecimento sintático e semântico.

O conhecimento sintático é aprendido por rotina, envolve pouco entendimento do sistema e é apenas de curto prazo. Um exemplo de conhecimento sintático é usar combinação de teclas como CTRL + C para fazer cópia de uma seleção ou CTRl + S para salvar ou CTRL + ALT + DEL para fechar uma aplicação. Estas ações ou atribuições de teclas são frequentemente diferentes em cada sistema, de modo que o conhecimento não é transferível para outro sistema, mesmo na mesma planta.

O conhecimento semântico é adquirido através de conceitos, relações e analogias. O conhecimento semântico é geralmente transmitido por imagens, é baseado em tarefa e uma vez aprendido, é dificilmente esquecido. Um exemplo de conhecimento semântico é usar uma figura de uma pasta de arquivos ou ícones que parecem as funções executadas, como é feito nas aplicações gráficas do Windows.

6.5. Faixa e usos das interfaces

Atualmente, o foco não é apenas o gerenciamento e controle do processo, mas também o gerenciamento de equipamento, produção, pedidos, pessoal, financeiro; enfim tudo. Ou seja, é um planejamento de negócio. No futuro, o uso de uma interface de operador será muito diferente. Por exemplo, no gerenciamento do processo, monitoram-se os parâmetros do processo, a precisão dos sensores, a operação das válvulas. Hoje, além de controlar a recuperação das paradas do processo, há também monitoramente

ambiental, manutenção preditiva, rendimento do produto e muitas outras exigências.

O projetista do sistema deve fornecer ferramentas através dos displays que sejam capazes de navegação entre várias atividades diferentes. Deve haver facilidade de acesso a grande base de dados pelo operador e simplicidade na tomada de decisão através da apresentação, interação e análise do display. O operador deve também responder os distúrbios da planta, alarmes ou variações nas condições do processo. O operador deve seguir o cursor intuitivo da tela e deve navegar através dos displays e várias janelas para descobrir os aspectos diferentes da operação da planta.

Na área de atividade de negócios, há o gerenciamento financeiro e da produção. Gerenciar a produção inclui o uso de matérias primas, inventário, logística de compra de materiais, programação da produção, monitoração da produção, controle de qualidade do produto, movimentação e armazenamento de materiais, uso de energia, custos de produção, análise de laboratório.

6.6. Assuntos filosóficos

Um dilema interessante no desenvolvimento de qualquer sistema de controle é: os compradores e vendedores do sistema realmente conhecem as necessidades da aplicação? Geralmente, por causa da excitação frente a uma nova tecnologia estado da arte e as características operacionais que podem ser executadas por esta tecnologia obscurecem as exigências reais do processo. A tecnologia não é o tema. O tema é comercializar a tecnologia em produtos úteis. Na operação de uma planta, o humano é o gerente, enquanto o computador ou o sistema de controle opera as funções. Isto é diferente do que acontecia na sala de controle do passado. Todo controle de processo é uma arte, não é uma ciência. É a arte de fazer um produto (cimento, remédio, gasolina, gás natural, aço, cobre, papel, vidro). O computador simplesmente ajuda a arte sair melhor e mais repetitiva.

Fatores humanos envolvidos na apresentação da informaca:

Eliminar manipulação desnecessária de dados.

Usar um sistema de controle e aquisição de dados para converter, registrar, armazenar, alarmar, reportar e mostrar tendência de dados.

Minimizar o stress causado pela parada do processo.

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Usar um sistema de controle e aquisição de dados para ajudar a identificar o problema.

Apresentar a informação corrente. Os valores instantâneos devem estar

um a dois segundos velhos, no mínimo. Minimizar as interações do operador. Reduzir o acionamento de teclado,

chaves, botoeiras, paginação de telas, localizar e procurar.

Deve-se sempre ter em mente que: A forma de entrada mais rápida do

humano é a visual. Deve-se fornecer periodicamente

informação, não dados. Deve-se facilitar a interação do

operador com o equipamento de controle de processo, que deve ser transparente.

6.7. Fatores humanos

Um fator importante no desenvolvimento de telas são as ações que o operador precisa tomar em resposta à informação apresentada. A idéia é eliminar a manipulação desnecessária de dados. O dado deve ser convertido em informação de modo que o operador não precise processar o dado em sua cabeça e decidir o que fazer com ele. Esta é a função exata e admirável do computador. O operador deve usar o sistema de controle e aquisição de dados para converter, registrar, armazenar, reportar, alarmar e historiar os dados. Ele deve usar as funções do computador para minimizar o stress de uma parada de processo e usar este sistema de controle e aquisição de dados para ajudar a identificar o problema que parou o processo. O operador deve usar o sistema de computador para apresentar a informação corrente. Num sistema digital com processamento compartilhado de dados, um valor instantâneo está defasado, no mínimo, de um a dois segundos. O sistema deve minimizar o número de interações do operador, reduzindo o acionamento de teclado, a quantidade de paginação de telas e qualquer localização e procura de informação. Sempre lembrar que a entrada mais rápida dos humanos é a visão.

No projeto de telas de operação, quando se tem dados insuficientes, aumenta-se a necessidade de procurar por outras várias telas e quando se tem dDados demais, dilui-se o significado de qualquer informação específica.

6.8. Conflitos de projeto

O objetivo de um sistema ou computador de controle é o de fornecer informação periódica, (não é a de fornecer dados), facilitando a interação do operador com o

processo em si. O sistema de controle deve ser transparente, o que pode apresentar dilemas. O conflito do projeto de tela é que, quando se tem dados insuficientes, ele aumenta a necessidade de procurar várias telas destes dados. Se houver dados demais, ele dilui o significado de qualquer informação específica. Assim, deve-se decidir quanto um operador pode monitorar e quanto ele pode controlar. Há uma grande diferença. Um pastor pode monitorar 300 ovelhas, mas só pode tosquiar uma de cada vez.

6.9. Estrutura do menu

O objetivo e tarefa do operador não estão apenas no processo imediato mas também estende em coisas que acontecem adjacente a ele. O que está acontecendo a montante e a jusante deste ponto de operação? Como as ações que ocorrem neste local podem impactar outras partes da planta?

O projetista do sistema deve analisar a tarefa que é requerida e a informação necessária para fazer isto. Tendo feito isso, o projetista deve definir a estrutura que melhor provê as ferramentas para esta tarefa. Qual deve ser a hierarquia da estrutura do menu? Quais são as relações entre as tarefas e as funções executadas em cada tela? Qual é o movimento lógico entre estas telas (tarefas e funções)? Como impedir o operador de perder uma tela? Quando são necessários barras de ferramentas, pontos, botões, janelas pop-up, chaves quentes? Todas estas características diferentes, tecnicamente inteligentes devem ser feitas de modo consistente em todo o sistema, de modo que toda vez que uma operação específica for necessária, as ações para executá-las bem sejam consistente, independente de quem esteja operando.

Os principais erros que aparecem são: a ausência de identificações claras, layout inconsistente de todas as telas. Sempre que for feita qualquer ação, deve haver uma realimentação imediata, mostrando quando o pedido é feito e a ação realmente ocorre. Nunca o operador deve ver na tela uma resposta de uma ação que deriva de uma simulação desta ação, mas sim da ocorrência real do resultado desta ação. Deve haver a confirmação da ação e não se confiar apenas no comando. Por exemplo, quando se dá um comando para abrir uma válvula, deve haver uma confirmação da sua abertura, pois o sinal que saiu para abrir a válvula pode não ter chegado a ela ou o sinal do comando chegou à válvula, porém, por causa de um problema mecânico, ela não abriu.

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Deve-se ter um balanço estético na estrutura do menu e tela. Deve haver uma mistura apropriada de cores e uma aparência e uso de formatos que sejam agradáveis de se ver. Não basta apenas fazer figuras bonitas. Isto é mais como um bom layout na página em um documento. O layout contribui muito para transmitir a informação do conteúdo de uma página para o leitor. Layout pobre e má combinação de cores podem distrair o leitor da informação importante ou mesmo escondê-la totalmente.

6.10. Organização e conteúdo

Sempre baseado na ISA TR 77.60.04-1996, as seguintes considerações são oferecidas para o conteúdo geral e layout, enfatizando os itens importantes, fornecendo o reconhecimento fácil para o usuário e para agrupamentos, identificação e convenções de códigos. Porém, quando são estabelecidas regras, sempre há contradições em uso específico.

Deve-se considerar no conteúdo geral e layout:

Fornecer o conteúdo geral, mas somente o que for suficiente para suportar o objetivo do display.

Arranjar o conteúdo de modo que ele não fique muito denso.

Em display muito denso, é difícil localizar a informação. Uma recomendação é deixar de 25 a 40% de espaço vazio. Para sistemas com poucos monitores, pode ser necessário aumentar a densidade do display para evitar a necessidade de haver muitas paginas entre displays. Um display bom e efetivo permite haver mais informação em uma única página sem confusão. O uso cuidadoso de janelas também ajuda.

Os destaques e recomendações são: Mostrar os dados que sejam mais

importantes para o objetivo do display. Organizar os elementos pela ordem

que eles serão usados (e.g., de cima para baixo, da esquerda para a direita), com os elementos mais frequentemente usados com maior proeminência.

Tornar mais fáceis as comparações, colocando os elementos a serem comparados juntos.

O nível de abstração deve estar de conformidade com o objetivo do display, ou seja, as telas com detalhes devem ter valores concretos que não precisam aparecer em telas gerais.

Deve-se enfatizar os itens importantes:

Estabelecer um foco consistente para cada tela, como centralizando o titulo no topo da tela para servir como um ponto de partida para ver o display.

Colocar os itens com maior prioridade sobre outros em locais mais proeminentes.

Evitar mostras condições de alarme ou status que estejam em condição normal (não alarmada), ou seja, alarme não atuado, aviso não mostrado. Isto não quer dizer que não se deva mostrar o status normal do equipamento (ligado-desligado, cheio-vazio, aberto-fechado) que pode ser necessário para monitorar a operação da planta.

Evitar mostrar equipamento secundário se o status corrente é suficiente.

Mostrar indicações de limite somente quando o limite for atingido ou quando o conhecimento do limite for necessário como parte do desempenho do processo.

Deve-se fazer os displays fáceis para o usuário reconhecer:

Conformidade com o modo de pensar do usuário acerca do sistema.

Tirar vantagem da relação física do processo que seja conhecida pelo usuário, como o local do equipamento envolvido.

Manter consistência no projeto do display com os displays já em uso, como uma herança do sistema já instalado, especialmente se o usuário já rodou por vários sistemas. Isto não significa que se deva evitar o uso de características valiosas do novo sistema, mas fazer seu uso uma extensão intuitiva do que já é usado e foi aprendido.

Tirar vantagem de qualquer convenção ou prática, principalmente se elas já são bem conhecidas e aceitas. Isto é muito importante na área de abreviações, símbolos, códigos de cores. Ou seja, não mudar os paradigmas de operação já existentes.

Deve-se ter lógica no usa de agrupamento e identificação: Fazer o agrupamento reconhecível

imediatamente, sem a necessidade de ler os dados específicos.

Usar espaçamento em vez de linha para separar grupos de dados ou equipamentos, para reduzir a confusão.

Agrupar dados pelas relações funcionais. Considerar o usuário dos dados e considerar que ocasiões diferentes irão determinar se os dados devem ser

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agrupados por prioridade (importância), freqüência, seqüência de uso, localização ou ordem alfabética ou numérica ou cronológica.

Fazer agrupamentos consistentes com todos os tipos de displays similares.

Identificar todos os dados, a não ser que seja intuitivo e fácil de inferir do layout do display.

Fazer identificações curtas, únicas e distintivas.

Estabelecer convenções para identificação: tamanho, localização e fonte (maiúscula ou minúscula). O tamanho e localização devem ser consistentes. Deve-se usar letras maiúscula e minúscula; que é mais fácil de ler. Evitar usar tudo em maiúscula!

Não usar linhas grossas para fazer molduras, pois aumenta a complexidade das telas.

Colocar o texto de dados mais importantes em cores brilhantes (branco, amarelo, verde claro) para destaque.

Colocar os valores menos importantes em cores com menor intensidade, como a metade do brilho. Deve-se usar convenções de código

aceitos em todo a planta: Estabelecer convenção de código para

toda a planta, para manter consistência através das telas. A codificação deve enfatizar padrões e formas sobre as cores.

Ter lógica na codificação. Por exemplo, uma bomba maior deve ter um símbolo maior.

Empregar códigos já conhecidos pelos usuários (código de cor, abreviações, tags, símbolos de desenhos).

Usar códigos óbvios (seta para cima para simbolizar aumentar e seta para baixo para simbolizar diminuir). Evitar ambigüidade. Usar norma, quando existente e aplicável. Por exemplo, a identificação de instrumentos é definida pela norma ISA S5.1-1984.

Estabelecer biblioteca de formas para garantir uniformidade, usando símbolos padrão conhecidos do usuário.

Fazer formas claramente distintas. Usar espaço para garantir a legibilidade de

caracteres alfanuméricos quando usados em conjunto com formas. Deve-se colocar a identificação dentro da forma, sempre que possível.

Fornecer definições para códigos especiais ou pouco comuns. Usar telas de ajuda (help) para definições.

Evitar o excesso de códigos, que podem aumentar a confusão e requerem a

interpretação constante do usuário, que diminui seu foco na tarefa sendo executada.

Usar um fundo de tela escuro ou neutro. O fundo geral da tela deve combinar com as condições do ambiente, em que 25 a 50% de cinza é bom, porque mascara os reflexos.

Usar fundo diferente para janelas pop-up para distingui-las da tela principal e garantir que o fundo provê um bom contraste com o código de cores estabelecido.

Deve-se desenvolver um método para destacar as mudanças: Fazer destaque é um modo de codificar

pois ele chama a atenção do usuário. Devem ser destacados somente dois ou três itens em cada display, para serem efetivos. Fazer destaque inclui o seguinte:

Vídeo reverso: efetivo para alarmes, pois supera a baixa percepção de brilho do vermelho.

Aumento de brilho: aumenta a intensidade da cor ou muda para uma cor mais brilhante, quando invocado.

Piscamente: extremamente útil para chamar a atenção, mas para ser efetivo, não deve ser usado exageradamente. Deve ser reservado para alarmes importantes. O usuário deve ter meio de suprimir a ação de piscamento.

6.11. Hierarquias de telas

Em plantas muito grandes, nem tudo está indo para a mesma tela. A conexão entre telas é muito crítica, nestas aplicações. É imperativo que haja algum conceito de hierarquia de como as telas vão juntas, de modo que o operador possa navegar intuitivamente de uma para outra tela. As estruturas de display fornecidas pelos vendedores de sistemas de controle distribuídos em tempo real são geralmente organizadas em uma estrutura hierárquica. A estrutura agrupa os displays de acordo com o nível de detalhes, onde cada display serve como um menu de informação para cima ou para baixo deste nível.

O conceito de Renzo Dallimonti, do início dos anos 1970, se baseou no painel convencional de operação. O painel todo é o overview. Vai-se para um grupo de instrumentos deste painel para observar e manipular as ações de controle. Escolhendo e puxando um instrumento deste grupo da estante, é possível acessar os parâmetros de sintonia e limites de alarme do controlador. Estes conceitos foram utilizados para a criação das três telas clássicas na estação de

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operação do sistema distribuído de controle: overview, grupo e detalhe.

O desenvolvimento da estrutura, conteúdo, organização e hierarquia de telas se baseia também nesta idéia de vários níveis.

Seja o processo da Fig. 3-15. No topo da tela, tem-se um entendimento global das operações da planta, com o foco colocado na saúde geral de cada área abaixo dela. Ao lado, mostrando que as áreas têm condições de alarme, esta perspectiva ajuda o operador a aprender onde os problemas potenciais podem ocorrer. Algum tipo de lâmpada piloto ou mensagens de aviso é apropriado aqui. Em cada nível abaixo, deve haver alguma direção lógica para o próximo nível, talvez simplesmente clicando em uma área destacada. O padrão é repetido em cada nível. Se aparecer uma anormalidade na planta, o operador poderia descobri-la, através da hierarquia, seguinte os ícones piscantes.

Fig. 10.20. Hierarquia de telas Além de navegar entre os diferentes níveis

de hierarquia da planta, o operador deve também ter a capacidade de dar uma volta na planta, em cada nível. Geralmente, há várias unidades do mesmo processo. Assim, dar uma volta na planta é facilmente conseguido através da mudança de páginas através de telas, em qualquer nível. A navegação entre telas adjacentes pode ser feita com botões embutidos na tela (na parte superior ou inferior).

Geralmente, a vista geral nos níveis superiores da hierarquia é informal e torna possível a monitoração das condições gerais dos processos diferentes dentro da planta. Raramente se espera a ocorrência de uma função operacional neste nível. Nos níveis intermediários, têm-se telas mostrando como a planta está rodando. Nos níveis inferiores,

estão os detalhes dentro dos controladores e as telas de diagnósticos.

As telas com hierarquia direta não são os únicos modos de organizar as estruturas de tela. Os outros dois enfoques usados são:

Estrutura seqüencial Estrutura espacial

Estrutura seqüencial

Onde o movimento de uma tela para outra é governado por uma seqüência de procedimentos. Esta técnica é útil para gerenciar partidas, desligamento e mudanças. O bom uso deste enfoque tira vantagem das janelas pop-up, em um ambiente de janela.

Estrutura espacial

Onde a estrutura de telas simula um mapa mental do layout físico do processo. É uma expansão do conceito fundamental de andar pela planta de algum modo que é muito lógico e intuitivo para o operador.

6.12. Imitando vídeo game

Todo projetista de sistema deve ter uma boa imagem do processo em sua cabeça, funcionalmente e fisicamente. De algum modo, depois ele deve transmitir este mesmo entendimento para cada operador, independente de sua experiência ou estabilidade. Um bom modelo deste desafio é o vídeo game, que leva um jogador através de todos os tipos de perigos para um determinado objetivo. A diferença é que a operação da planta não é um jogo, e não se pode deixar para qualquer operador (jogador) a livre escolha de como ele vai resolver o problema.

Na tela de overview, o operador está na sala de controle principal. Tudo em torno dela deve permitir o operador entender as operações da planta. Isto pode também incluir um mapa físico ou funcional. Para começar qualquer passeio do operador, deve haver portas e direções. Deve haver portas normais, de emergência, de incêndio em cada tela para uma progressão lógica para uma eventualidade. O operador deve caminhar por corredores e caminhos para cada local de operação necessário. Deve haver avisos e marcações, principalmente quando houver mudanças, mesmo temporárias para manutenção e reparo. Exemplos de avisos: elevador, escada.

Dentro de qualquer uma destas salas de operação, deve haver outras portas para passar e cada porta deve levar o operador em mais detalhes do equipamento para esta operação. Ainda, o operador pode mover dentro desta área da planta, achando

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informação marcada claramente sobre esta área e o que pode acontecer ao processo quando ocorrerem ações de controle e correções.

Quando ocorrer qualquer anormalidade, sempre deve haver uma saída de emergência clara, para permitir o operador instantaneamente:

1. Ir diretamente para o local da anormalidade para fazer a ação corretiva ou

2. Ir diretamente para alguma sala de guerra, onde uma análise apropriada da situação permitir que ele determine o que precisa ser feito, em que ordem e como. Em qualquer caso, deve haver prompt,

sugestões e lista de coisas e muita informação para suportar a atividade.

O operador navega em várias partes diferentes da planta. Estas áreas possuem parâmetros e condições diferentes. Quanto mais diferente for uma área das outras, mais importante é dar ao operador as informações corretas desta área e as ferramentas para responder corretamente. A apresentação apropriada pode estar na forma de frontais de instrumentos, caixas de diálogo, prompts, mensagens, condições completas de alarme e bom visual. Igualmente importante, deve haver uma rota direta para retornar às tarefas interrompidas ou direções específicas para as próximas tarefas requeridas depois da ação corretiva.

6.13. Percepção do operador

Uma hierarquia de tela deve ser adotada muito cuidadosamente. A maioria dos sistemas tem uma técnica de manobrar entre telas. O projetista deve explorar isto. O projetista deve usar toda a sua criatividade para que o operador possa fazer suas atividades de modo intuitivo, sem ter de aprender alguma função estranha e crítica. Fazer isso significa que o projetista da planta deve entender a cultura dos operadores que estão rodando a planta. Considerando a cultura apropriada da sala de controle, o que ocorre se operadores de duas estações diferentes fizerem comandos conflitantes no mesmo processo? Isso pode ser a cultura de regiões diferentes ou a cultura de indústrias diferentes. A cultura do pessoal da indústria de petróleo é diferente da indústria farmacêutica, mineração, siderurgia. Uma tradição pode ter cem anos e deve ser seguida.

Isto não significa que não se deve introduzir idéias novas, mas as idéias devem ser introduzidas dentro dos conceitos destas tradições. Agora, realmente, rodar bem uma planta, sob condições normais, é relativamente

fácil. É como, tendo aprendido a dirigir um carro, rodar em um belo dia ensolarado em uma estrada em bom estado, com pouco trânsito, é relativamente fácil, mesmo que seja a primeira vez que se ande nela. O que é crítico, porém, é como responder quando acontece um sério acidente. O que o operador deve fazer em uma anormalidade critica da planta? Este é o ponto. Assim, devem ser olhadas todas as condições que podem acontecer em uma planta e pensar como o operador pensa dentro de sua cultura.

6.14. Sala de controle

Foi colocado ênfase principalmente na área muito ignorada e abusada dos displays das telas bons, trabalháveis e amigáveis. Esta é a área em que as pessoas têm menos experiência.

Mesmo assim, a sala de controle também é importante e também requer um bom planejamento. Recomenda-se que no layout da sala de controle, a porção superior da sala seja mais clara e a porção inferior mais escura.

Fig. 10.21. Sala de controle típica Fisicamente, a sala de controle deve ter

seu próprio layout ergonômico. Devem ser consideradas as alturas das cadeiras, se ajustável ou não, a posição dos braços do operador com relação ao teclado e a distância dos olhos do operador das telas. É importante considerar o modo como a sala de controle é usada, se o operador fica sentado continuamente em frente à tela, todo o dia, ou se ele vai à estação de operação somente para fazer ajustes no sistema de controle. Deve ser considerado se o operador anda em outras partes da sala, onde ele senta todo o dia, o

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layout da mobília e a colocação de telas e teclados.

6.15. Interfaces externas

Um sistema distribuído de controle distribui a computação e condicionamento de sinais e centraliza a informação que vai para a sala de controle. Geralmente, há bases de dados residentes em vários locais, como dentro de cada controlador. Os dados destes locais remotos, porém, são compartilhados, de modo que toda a informação é disponível em um local, onde o operador tem um entendimento de todas as operações na planta. Estes mesmos dados são usados no computador da planta. Em muitos sistemas, pode haver interfaces de operação locais, geralmente a base de vídeo. Os dados dentro destas interfaces eram apenas de uso local a esta operação especifica. Hoje, a tecnologia permite que eles também sejam enviados para outras partes do sistema.

Os operadores não estão mais limitados a algum console remoto mais é capaz de se mover para mais perto do processo. Ela pode ter a informação de toda a planta, não apenas no console central mas também de qualquer computador ligado ao sistema.

Técnicas de transmissão permitem telas de vídeo portáteis com teclado de operação portadas pelo operador. A tecnologia atual permite o operador andar pela planta, porém com acesso a tudo do console central. Como antigamente, o operador também pode escutar, cheirar, apalpar tudo que está acontecendo, porém com o conhecimento e ligado aos controles reais e toda a informação da planta. Estas conexões, fones e telas podem estar alojadas, inclusive, em seu capacete e um pequeno teclado em seu cinto ou ligado à sua camisa. O que era ficção cientifica e só aparecia em filme de Flash Gordon ou Guerra nas Estrelas agora é realidade e está no sistema de controle da planta.

Atualmente, já há interface de operação sem fio. O operador tem pequenos fones de ouvido, tela, mouse e teclado em sua frente.

6.16. Telas de negócios

A outra direção tomada pelos parâmetros de controle é na direção do escritório do diretor. Hoje, é possível mostrar os controles na tela de um computador no escritório dos diretores.

Embora seja possível, não é aconselhável usar estas telas para operar a planta. Elas são usadas apenas para serem vistas, propiciando uma discussão gerencial da operação da planta. A operação da planta continua sendo feita pelas mãos do operador. A tela de

gerenciamento do processo nunca pode permitir o acesso a alterações operacionais. O controle de processo nunca deve ser manipulado por diretores sentados em um escritório, a milhares de kilômetros de distância, sem contato com os eventos reais da planta. Esta tela no escritório deve ser usada apenas para ver o processo e pode ser útil como ferramenta para análise da planta em conjunto com as operações de negócios.

Outra vantagem da nova tecnologia pode estar no uso de computadores portáteis (notebooks) como interface. Assim como o notebook pode ser usado em negócio, ele pode ser uma interface de processo, na planta. Também, isto não deve ser para a manipulação dos processos da planta, mas apenas para a manipulação da informação que esteja na base de dados.

Fig. 10.22. Tela de Sistema de Gás Lift Fig. 10.24. Tela de operação e instrumentos de campo

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Fig. 10.26. Sala de controle e instrumentos de campo Fig.10.27. Instrumentos de campo e sala de controle

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11. Redes Industriais

3.1. Conceito

A rede de computadores é um conjunto de computadores autônomos interligados através de um meio físico de comunicação para o compartilhamento de recursos. Na rede, os computadores conectados são sistemas independentes, cada computador ou nó da rede, processa localmente suas informações, executa seus próprios programas e opera de maneira autônoma em relação aos demais. Uma rede industrial, além dos computadores pessoais e específicos como CLP e SDCD, ainda inclui transmissores, posicionadores de válvulas, módulos de entrada e saída, que são microprocessados.

Os principais motivos para se implantar uma rede de computadores são:

1. possibilitar o compartilhamento de informações (programas e dados) armazenadas nos computadores da rede;

2. permitir o compartilhamento de recursos associados aos sistemas interligados;

3. permitir a troca de informações entre os computadores e equipamentos interligados;

4. permitir a troca de informações entre usuários dos computadores interligados;

5. possibilitar a utilização de computadores localizados remotamente;

6. permitir o gerenciamento centralizado de recursos e dados;

7. melhorar a segurança de dados e recursos compartilhados.

A grande vantagem do uso da rede industrial é a grande economia de fiação. No sistema convencional sem rede, toda a fiação é feita individualmente entre instrumentos ou entre instrumentos e módulos de entrada e saída. Na rede, todos os instrumentos são ligados a uma única rede, cujo meio de transmissão pode ser um cabo coaxial ou até um par de fios trançados.

Fig. 11.1. Sistema com fiação aos módulos

i/o e com rede Na rede, o que mais importa, é a

informação e por isso ela deve ser confiável e disponível. Há dois parâmetros fundamentais na rede: confiabilidade e desempenho e infelizmente o produto destes fatores é constante. Isto significa, quando se aumenta a confiabilidade, o desempenho diminui e quando se aumenta o desempenho, a confiabilidade diminui.

Em redes industriais, com vários níveis de aplicação, as redes de chão de fábrica devem ter altíssima confiabilidade e por isso o seu desempenho é limitado. Nas redes industriais de alto nível, envolvendo negócios corporativos, o desempenho deve ser alto e por isso a confiabilidade é baixa. Em outras palavras, redes industriais a nível de sensor, campo e controle devem ser determinísticas (muito confiáveis).

Redes industriais

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4. Geografia

As redes de computadores podem ser classificadas de duas formas: pela sua dispersão geográfica e pelo seu tipo de topologia de interconexão. Em relação a dispersão geográfica podemos classificá-las como:

1) Local 2) Longa distância 3) Intranet 4) extranet 5) Internet

4.1. Rede Local

LAN (Local Area Network) é uma de pequeno tamanho ou de pequena dispersão geográfica dos computadores interligados. Uma rede local pode conectar computadores numa mesma sala, prédio, ou campus com a finalidade de compartilhar recursos associados aos computadores, ou permitir a comunicação entre os usuários destes equipamentos.

4.2. Rede de Longa Distância

WAN (Wide Area Network) é uma rede usada para interligação de computadores localizados em diferentes cidades, estados ou países. Geralmente a WAN utiliza linhas de comunicação das empresas de telecomunicação.

As vezes, uma WAN é chamada de MAN (Metropolitan Area Network). Em uma MAN, os computadores são interligados em uma região de uma cidade ou de cidades vizinhas próximas. A MAN é usada para interligação de computadores dispersos numa área geográfica mais ampla, onde não é possível ser interligada usando tecnologia para redes locais.

Podemos fazer interligações entre redes, de modo que uma rede possa se comunicar com uma outra rede. Exemplo: interligações de rede Intranet, Extranet e Internet,

4.3. lntranet

A Intranet é uma rede privada localizada numa empresa, constituída de uma ou mais redes locais interligadas e incluindo computadores ou redes remotas. Seu principal objetivo é o compartilhamento interno de informações e recursos de uma companhia, podendo ser usada para facilitar o trabalho em grupo e para permitir teleconferências. O uso de um ou mais roteadores pode permitir a ligação da rede interna com a Internet. Ela utiliza os protocolos TCP/IP, HTTP e os outros protocolos da Internet e é caracterizada pelo

uso da tecnologia WWW (World Wide Web) dentro de uma rede corporativa.

Fig. 11.2. Redes locais e de longa distância

4.5. Internet

A Internet é uma rede mundial de computadores, surgida a partir da Arpanet. Ela é uma interligação de mais de uma rede local ou remota, na qual é necessário a existência de um roteador na interface entre duas redes.

A transferência de dados ocorre de forma seletiva entre as redes, impedindo assim o tráfego desnecessário nas redes. A Internet tem por finalidade restringir o fluxo das comunicações locais ao âmbito de suas limitações físicas, permitindo o acesso a recursos remotos e o acesso de recursos locais por computadores remotos, quando necessário.

Topologia

6.1. Conceito

Arranjo físico ou topológico de estações em uma rede, tal como barramento (bus), estrela (star), anel (ring), ou arvore (tree) ou combinação destas configurações (mesh). A interligação de equipamentos individuais do modo mais expediente é o objetivo de qualquer tecnologia de rede. A rede deve ser considerada em termos de velocidade, custo, simplicidade e confiabilidade. Geralmente, nos sistemas de controle industrial são usadas com sucesso três topologias:

1. Barramento (bus) 2. Anel (ring) 3. Estrela (star)

Redes industriais

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6.2. Bus ou barramento (multidrop)

Barramento ou bus é o canal ou caminho da transmissão, com um ou mais conectores T através dos quais são anexados equipamentos para receber ou enviar todas as transmissões ao mesmo tempo. Na topologia de rede de barramento, tem-se os vários equipamentos de computação ligados a um par de fios ou cabo coaxial, usualmente através de conectores T. É uma topologia tipo varal de roupa, onde se tem um caminho principal, com todos os equipamentos dependurados nele.

Fig. 11.3. Topologia de rede bus Na topologia em barramento, todas as

estações (nós) se ligam ao mesmo meio de transmissão. Ao contrário das outras topologias que são configurações ponto a ponto (cada enlace físico de transmissão conecta apenas dois dispositivos), a topologia em barramento tem uma configuração multiponto.

Nas redes em barramento cada nó conectado à barra tem acesso a todas as informações transmitidas, similar às transmissões de radiodifusão. Esta característica vai facilitar as aplicações com mensagens do tipo difusão (mensagens globais) além de possibilitar que algumas estações possam trabalhar no chamado endereçamento promíscuo ou modo espião.

A ligação ao meio de transmissão é um ponto crítico no projeto de uma rede em barramento. A ligação deve ser feita de forma a alterar o mínimo possível as características elétricas do meio. O meio, por sua vez, deve terminar em seus dois extremos por uma carga igual a sua impedância características, chamada de terminador.

Fig. 2.8. Rede bus com terminadores e

interfaces

Há dois componentes básicos em uma rede

em barramento: a interface de rede e os terminadores, um em cada ponta. É na interface de rede que se conecta o cabo para conexão da rede.

A ligação das estações ao meio de comunicação é realizada através de um transceptor (transmissor/receptor) podendo ser a placa de rede ou um transceptor, que tem como funções básicas transmitir e receber sinais, bem como reconhecer a presença destes sinais no meio. O transceptor se liga à barra através de um conector, que é responsável pelo contato elétrico com os condutores da barra.

Fig. 11.4. Rede bus com transceptor A capacidade de crescimento, na distância

máxima entre dois nós da rede e no número de nós que a rede pode suportar, vai depender do meio de transmissão utilizado, da taxa de transmissão e da quantidade das ligações ao meio. Quando se quer distâncias maiores que a máxima permitida em um segmento de cabo, são usados repetidores de sinal para assegurar a qualidade do sinal. Tais repetidores, por serem ativos, apresentam um ponto de possível diminuição da confiabilidade da rede.

Características básicas da topologia em barramento: 1. Todas as estações são ligadas em paralelo

ao cabo; 2. A queda (desligamento) de uma estação

não causa, em princípio, a queda da rede; 3. O comprimento do cabo e o número

máximo de estações em uma rede é determinado, a princípio, pela atenuação do sinal no cabo e pela qualidade das placas de rede;

4. O fluxo de dados se dá saindo da estação que esta transmitindo em direção às extremidades. As extremidades do barramento são sorvedouros dos sinais;

5. Muito empregada em redes locais.

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228

Quando se têm vários barramentos em um mesmo sistema, esta topologia é chamada também de árvore (tree).

As vantagens da rede em barrramento: 1. Instalação simples. 2. A desconexão de um dispositivo não

afeta a rede. 3. Com poucos equipamentos tem-se uma

resposta excelente. A desvantagem é que o sinal fica atenuado

com a distância e por isso esta rede deve envolver pequenos comprimentos ou incluir repetidores, que aumentam custo e diminui velocidade.

6.3. Anel (ring)

Topologia de rede anel consiste de varios equipamentos distribuídos em torno de um meio de transmissão em forma de anel. Cada nó é conectado a dois nós adjacentes e a rede inteira formando um anel fechado. A comunicação entre quaisquer dois pontos deve incluir os pontos intermediários.

Na topologia anel procura-se diminuir o número de ligações no sistema e simplificar o tipo de ligação utilizada. Dessa forma, utilizam-se ligações ponto a ponto que operam num único sentido de transmissão (ligações simplex) fazendo com que o anel apresente uma orientação ou sentido único de transmissão. Uma mensagem deverá circular pelo anel até que chegue ao módulo de destino, sendo passada de estação em estação, obedecendo ao sentido definido pelo anel.

Fig. 11.5. Topologia de rede anel Uma rede em anel consiste em estações

conectadas através de um caminho fechado. Por motivos de confiabilidade, o anel não interliga as estações diretamente, mas consiste em uma série de repetidores ligados por um meio físico, sendo cada estação ligada a esses repetidores ou interfaces.

Fig. 11.6. Topologia de rede anel Redes em anel são, teoricamente, capazes

de transmitir e receber dados em qualquer direção. As configurações mais usuais, no entanto, são unidirecionais, de forma a simplificar o projeto dos repetidores e tornar menos sofisticados os protocolos de comunicação que asseguram a entrega da mensagem ao destino corretamente e em seqüência, pois sendo unidirecionais evitam o problema de roteamento. Os repetidores são em geral projetados de forma a transmitir e receber dados simultaneamente, diminuindo assim o retardo de transmissão.

Fig. 11.7. Topologia em anel com

repetidores ou interfaces Como características principais da

topologia podemos citar o seguinte: 1. A saída de cada estação está ligada na

entrada da estação seguinte: canal de transmissão fechado;

2. A confiabilidade da rede depende da confiabilidade de cada nó (estação);

3. Um grande comprimento total de cabo é permitido, pelo fato de cada estação ser um repetidor do sinal;

4. Fluxo de dados em uma única direção; 5. Usado como topologia lógica (fluxo de

dados) em redes locais. A principal vantagem da rede em anel é

sua transmissão excelente. Como

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inconveniente, a falha de um equipamento pode fazer toda a rede deixar de funcionar, embora este problema possa ser sanado com relés nos repetidores funcionando como ponte, aumentando o custo.

6.4. Estrela (star)

Na topologia de rede estrela cada equipamentos está conectado por links de comunicação a um ponto único central que manipula todas as comunicações. O ponto central geralmente é chamado de servidor (master) e os equipamentos periféricos são chamados de escravos (slave).

Fig. 11.8. Topologia de rede estrela Um exemplo, onde a ligação em estrela é

muito útil, está num laboratório de informática onde exista um servidor de dados e programas. Nesta caso fica claro que basicamente todas as estações desejam apenas se conectar ao servidor central.

Fig. 11.9. Topologia de rede estrela Redes em estrela podem atuar por difusão

(broadcasting) ou não. Em redes por difusão, que operem no modo ponto a ponto, todas as informações são enviadas ao nó central que é o responsável por distribuí-las a todos os nós da rede. Os nós aos quais as informações

estavam destinadas copiam-nas e os outros simplesmente as ignoram. Em redes que não operam por difusão, um nó pode apenas se comunicar com outro nó de cada vez, sempre sob controle do nó central.

No caso da rede estrela com difusão por broadcasting, C pode mandar uma mensagem para o servidor direcionada para B e D e este vai repassar para a estações. Porém caso não seja por broadcasting uma estação só pode falar com uma de cada vez. Assim no caso acima C só pode se comunicar com A, B ou D, no exemplo ela tinha algo para enviar para A.

Fig. 11.10. Rede difusão Redes em estrela não têm necessidade de

roteamento, uma vez que concentram todas as mensagens no nó central. O gerenciamento das comunicações por este nó pode ser por chaveamento de pacotes ou chaveamento de circuitos. Vantagens da rede estrela:

1. Possibilidade de diferentes meios e velocidades de transmissão.

2. Alto nível de segurança 3. Facilidade de detectar falhas.

As desvantagens são: 1. O servidor central para ser potente e

confiável, deve ser caro. 2. Servidor susceptível de falha,

derrubando toda a rede. 3. A velocidade de transmissão depende

do servidor. 4. Custo elevado de instalação da rede.

1. Redes de Sensor


No nível mais baixo da funcionalidade das redes estão as redes de sensor. Geralmente, os sensores e atuadores estão no chão de fabrica do sistema de automação industrial. Geralmente são numerosos, simples e baratos. Os sensores são a interface direta com o processo e fornecem o dado básico do sistema de controle, que é o valor da variável de

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processo medida. O sensor detecta a posição de um objeto ou a magnitude de uma propriedade física, tais como análise, pressão, nível, vazão e temperatura. Seus princípios de funcionamento dependem da variável, precisão e confiabilidade.

Exemplo de um sensor muito simples é a chave mecânica de posição usada para indicar a presença de um objeto ou a posição extrema de uma válvula liga-desliga. A chave limite pode detectar objeto em uma esteira quando ele passar em sua frente. A chave requer uma alimentação de tensão elétrica e requer dois fios para ser conectada a terminais I/O em um cartão de entrada discreto (não digital!) que é ligado a um multiplexador. Estes valores discretos são tipicamente relatadas ao controlador como um bit em um registro de entrada. Um sinal discreto é binário e só pode assumir dois status: 0 ou 1, ligado ou desligado, aberto ou fechado.

Outras tecnologias usadas para detectar posição são fotocélulas e detectores de proximidade. Estas tecnologias são mais complexas e caras do que uma chave de posição, mas também podem fornecer mais informação do que as duas posições liga-desliga. Geralmente não possuem peças móveis e possuem um ciclo de vida mais longo. Fotocélula requer uma fonte de luz além do detector sensível à luz. Detector de proximidade pode ser magnético e não requer alimentação para detectar objetos ferromagnéticos. Quando o objeto não possui material ferromagnético, como papel, plástico, alumínio, uma fonte de energia é usada para gerar um campo indutivo que será modificado pela massa do objeto que pode ser identificado.

Fig. 11.11. Níveis de redes industriais Redes de sensores são projetadas para

reduzir a fiação ponto a ponto para conectar chaves limites, sensores de proximidade,

válvulas solenóides ou fotocélulas para interfaces I/O. Isto pode ser feito de dois modos: 1. Colocar um driver de rede dentro do sensor

ou atuador em si. 2. Trazer a interface I/O próxima ao sensor ou

atuador, de modo que as conexões fiquem curtas. A interface I/O usualmente possui 4, 16 ou

32 pares de terminais ou pontos e é conectada ao CLP ou a outro tipo de controlador pela rede do sensor que transmite dados digitais para todos os pontos.

As redes de sensor operam realmente detectando o status do sensor e convertendo o status para 1 ou 0 em uma palavra status. A palavra status é assim transmitida através da rede para um equipamento terminal chamado scanner, que é geralmente um armário remoto I/O, um CLP ou um computador. O scanner é responsável de arrumar as palavras status de cada no da rede de sensor em um registro no equipamento. Cada rede de sensor tem seu próprio método para mapear o status do sensor para os registros I/O. A característica principal de uma rede de sensor é que o sensor, atuador e nó da rede não faz nada mais do que converter o status do sensor ou atuador para um status de palavra ou vice-versa. Não há nenhum condicionamento adicional de sinal, pois o sinal é muito simples e a informação também.

Fig. 11.12. Níveis de redes industriais Muitas redes de sensor são projetadas para

transmitir alimentação para os sensores, de modo que seus status presentes podem ser sentidos sem uma fonte separada de alimentação para cada equipamento. Em muitos casos, há um modulo no nó da rede que permite a terminação de mais de um ponto I/O compartilhar o custo do nó. Tipicamente isto é bom, desde que os sensores geralmente são agrupados juntos em torno uma peça comum do equipamento.

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Algumas redes de sensor são fiadas em multiponto (margarida) para reduzir a fiação do campo. Outras topologias incluem estrela para reduzir o tempo de atraso de detecção, anel para aumentar a confiabilidade.

1.3.Aplicações de rede de sensor

Uma rede de sensor precisa ser determinística. Rede de sensor é projetada para as aplicações mais simples. A rede de sensor serve para simplificar e reduzir os custos de instalação ou eliminar a fiação direta de chaves limites, válvulas solenóides, botoeiras, lâmpadas piloto e displays de alarme. Há quatro situações que devem ser tratadas de modo diferente:

1. Equipamentos que são agrupados em um único local

2. Equipamentos agrupados em vários locais em torno do processo ou máquina

3. Equipamentos distribuídos ao longo do comprimento do processo ou máquina

4. Equipamentos agrupados em vários locais ao longo do comprimento do processo ou máquina.

Fig. 11.13. Rede de sensores A fiação de equipamentos de chaveamento

simples ou com uma rede de sensor ou unidade remota I/O de um sistema de controle ainda requer fios de cobre. O custo do fio de cobre não fica só no custo do fio. A fiação deve ser puxada ou instalada entre o equipamento e a interface da rede em um conduíte ou bandeja, separada da fiação de alimentação, como requer a norma para evitar ruídos induzidos. Cada terminal do fio deve ser conectado ao equipamento projetado e ao ponto de interface da rede atribuído ou a uma terminação remota I/O. Há ainda o custo do projeto e desenho dos diagramas de conexão e listas de fios. Finalmente, cada ponto deve ser testado manualmente. Cada alteração no

processo que envolva mudanças nos equipamentos deve também ser documentada como parte da manutenção dinâmica da planta. Quando a fiação entre o equipamento e a interface da rede for muito pequena, há uma economia grande na fiação, instalação, teste e manutenção. Este é o custo beneficio de agrupar e usar uma rede de sensor.

Todas as redes de sensor operam do mesmo modo, fazendo os pontos I/O aparecer em uma série de registros em uma unidade I/O. Este mecanismo torna a presença da rede de sensor invisível para o CLP, não precisando de programa para operar. Quando a lógica de controle for implementada, os registros da rede de sensor são tratados como se fossem registro de um cartão I/O convencional com muito mais pontos. Por exemplo, um cartão I/O convencional pode conectar 8, 16, 32 ou 64 pontos. Quando este cartão for lido, os pontos I/O irão aparecer como mapeados para bits de um único registro de 16 bits, 2 registros ou 4 registros, como requerido. DO mesmo modo, quando uma rede de sensor conecta o mesmo numero de pontos I/O, ele é mapeado no scanner para a rede em 1, 2, ou 4 registros. Usando este esquema, a programação típica do CLP não precisa diferenciar entre o modulo I/O convencional com a rede de sensor, sob o ponto de vista de endereços.

Fig. 11.14. Equipamentos em módulos

entrada-saída (i/o) Uma diferença entre rede de sensor com

I/O e os módulos convencionais I/O permanece. Os cartões convencionais I/O são geralmente dedicados para uma única função, tal como entrada ou saída. A rede de sensor usualmente permite cada ponto I/O ser ou entrada ou saída ou permite alguma mistura

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dedicada de entradas e saídas em cada nó da rede. Isto não fará nenhuma diferença para o usuário quando ele programar a lógica, desde que ele note que pontos são para entradas e que são para saídas. Muitas redes de sensor e módulos convencionais I/O permitem que os estados das saídas sejam lidos como se fossem entradas. Isto torna o mapeamento de pontos I/O diferentes entre I/O fiados fisicamente e rede de sensor I/O.

O endereçamento dos pontos I/O depende primeiro do registro em que o cartão I/O está conectado e depois do numero do ponto neste cartão I/O. O endereçamento do hub que recebe os sinais depende do ponto I/O da terminação da rede de sensor em que o equipamento está conectado e o numero da I/O suportada pelo equipamento da rede de sensor. Não há vantagem particular de qualquer uma das escolhas, embora elas seja muito diferentes.

Fig. 11.15. Equipamentos de campo em rede As redes de sensor foram originalmente

criadas para automação de fabrica em que a maioria dos sensores e atuadores são equipamentos binários de dois estados, tais como chaves limite e válvulas solenóides. Em muitas destas aplicações, a velocidade de detecção é crítica, significando que uma mudança de estado deva ser detectada dentro de um ciclo de varredura do CLP. Na prática, isto significa algo em torno de 3 a 5 ms para uma aplicação de controle de máquina. A rede de sensor foi projetada para atender esta exigência de velocidade

O numero de pontos I/O discretos requeridos para um determinado elemento de controle (degrau de um diagrama ladder) é

tipicamente pequeno, mas o numero de elementos de controle relacionados para um dado processo de manufatura é geralmente muito grande, com centenas ou milhares de pontos I/O e com poucos pontos de medição analógica..

1.4. Aplicação de rede de sensor em controle de processo

Apenas recentemente a comunidade de controle de processo tem focado no uso de rede de sensor para atingir os objetivos de redução de custos de instalação para pontos I/O discretos. Em muitos casos, a exigência de velocidade para pontos I/O discretos tem sido muito menos aplicado do que para controle de máquina, porem é evidente que usar uma tecnologia de rede de sensor existente é mais conveniente do que adaptar um fieldbus orientado para controle de processo existente ou desenvolver uma nova rede de sensor somente para controle de processo. A rede de sensor é um método importante de redução de custo mesmo para controle de processo.

A primeira aplicação de controle de processo com rede de sensor é em processo de batelada que tipicamente possui um alto número de pontos discretos I/O com poucas medições analógicas. Somente recentemente o foco expandiu para controle de processo continuo quando se quer partida automática, manutenção de emergência e aplicações de desligamento. Antes, estas operações eram manuais e requeriam que o operador fosse ao campo para ligar ou desligar bombas ou abrir ou fechar válvulas de bloqueio. Considerações de segurança agora requerem que estas operações manuais sejam validadas pelo sistema de controle, bem como requerem operações automáticas para reduzir o tempo entre a decisão e a execução. Com partida automática, manutenção da emergência e desligamento, todos os processos se tornam de batelada.

Fig. 11.16. Rede de sensor AS-i

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1.5. Redes de sensor típicas

Há várias escolhas de rede de sensor. Não existe a correta. Há somente uma que é correta para sua aplicação. Para complicar, algumas redes fieldbus podem ter versões mais simples que podem ser usadas como rede de sensor. Quando se quer uma rede de sensor e uma rede fieldbus, a rede de sensor deve ser compatível com a rede fieldbus. Há também aplicações onde há superposição entre rede de sensor e rede fieldbus.

Principais redes de sensor: 1. AS-i (AS interface) 2. Seriplex

Redes fieldbus que podem ser usadas como rede de sensor:

1. CAN (Control Área Network) 2. DeviceNet 3. WorldFIP-I/O

1.6. CAN

CAN é acrônimo de Control Area Network. CAN é um protocolo de comunicação desenvolvido em 1989 pela Robert Bosch GmbH para uso em fiação simples de ponto a ponto a multiponto. CAN foi padronizada pela ISO 11 898 para aplicações de alta velocidade e ISO11 519 para aplicações em baixa velocidade.

CAN é um protocolo de comunicações serial utilizado de forma eficiente em aplicações onde se deseja controlar sistemas distribuídos em tempo real com um alto nível de confiabilidade das informações.

CAN é usada atualmente em um grande número de veículos e em uma variedade de outras aplicações. Como resultado, um grande número de diferentes chips e vendedores suportam CAN. O volume total do chip é grande e o custo das peças é pequeno (menor que US$q).

CAN foi desenvolvida para fornecer comunicação simples, altamente confiável e com prioridades entre equipamentos inteligentes, sensores e atuadores. Por causa de sua origem na indústria de veículos, a confiabilidade é primordial.

CAN define somente sinais básicos, baixo nível e especificações de meio acesso. Estes são simples e únicos. O meio de acesso CAN é tecnicamente o CSMA/CD.

Um dispositivo CAN geralmente suporta mais do que um tipo de mensagem e diferentes mensagens podem ter diferentes niveis de prioridade. A camada de aplicação CAN geralmente usa uma combinação de um grupo de mensagem e o endereço do nó para formar um identificador de mensagem. O campo de

dados CAN pode conter até 8 bytes de dados. Isto é consistente com os objetivos CAN para suportar transdutores discretos. CAN também permite a transferência de informação numérica simples. Dados maiores e mais complexos podem ser transportados usando transferência segmentada de dados. Os grandes volumes de chip e baixos custos resultaram em vários protocolos definindo camadas superiores que são baseada em CAN. Ests protocolos incluem CANOpen, J1929 (para caminhões e ônibus) e DeviceNet.

Vantagens da CAN; simples, rápida e confiável com único esquema de evitar colisão baseada em prioridade, alto volume resulta em chips de interface de baixo custo.

Desvantagens: possui somente as camadas física e de enlace (link), comprimento de mensagem limitado e não aplicável a equipamentos complexos.

Ao longo dos anos, CAN têm ganhado muita popularidade, e atualmente pode ser encontrada em muitos campos de aplicação. Dentre as principais, citamos:

1. veículos (marítimos, aéreos e terrestres)

2. carros de passeio, off-road, trens, sistemas de semáforo (trens e carros), eletrônica marítima, máquinas agrícolas, helicópteros, transporte público; sistemas de controle industrial.

3. controle de planta, de maquinário, de robôs, sistemas de supervisão; automação predial.

4. controle de elevadores, de ar condicionado, de iluminação; aplicações específicas [

5. sistemas médicos, telescópios, simuladores de vôo, satélites artificiais, no setor de transmissão de energia elétrica e outros.

6. sistema de produção submarina. Em geral, CAN é utilizado em aplicações

onde vários subsistemas inteligentes precisam se comunicar.

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2. Redes fieldbus


O fieldbus original foi padronizado pela ISA como ANSI ISA 50.02, em 1992, criando a Foundation Fieldbus e sua especificação H1.

A norma internacional ISO-IEC 61 158, (2000) define o termo fieldbus (literalmente barramento ou bus de campo): toda rede industrial projetada para instalação na planta de manufatura ou no chão de fábrica em que há inteligência distribuída e programável em cada nó da rede. Esta rede teria o significado de rede de equipamento (devicebus ou device net). Ela está acima da rede de sensor e abaixo da rede de controle.

As variáveis analógicas de processo, como análise, pressão, vazão, nível e temperatura são medidas por instrumentos analógicos. Medir é apresentar o valor escalar desta variável. Analógica porque o valor da variável se altera de 0 a 100%, assumindo os infinitos valores intermediários. Quando se usam instrumentos digitais para fazer esta medição analógica, os valores das unidades de engenharia podem assumir diferentes formas e devem ser convertidos. Instrumentos que fazem as medições de variáveis analógicas são mais complexos que aqueles que mostravam apenas os status de pontos discretos. Este instrumento associado à variável analógica requer muitos parâmetros para fazer o condicionamento do sinal. Há também a necessidade de comunicação bidirecional com estes instrumentos.

Algumas redes de sensor, projetadas para comunicação de sinais discretos digitais, podem ser adaptadas para transmitir e receber valores escalares de sensores e atuadores escalares. Obviamente, uma rede diferente é requerida para transmitir e receber dado de sensor discreto digital de tal dado requerido para trocar escalar paramétrico com sensores analógicos inteligentes. Para isso que as redes fieldbus foram criadas. O termo fieldbus é usado quando um equipamento programável está localizado no nó da rede e a capacidade existe para controlar sua execução por programas ou configuração de dados. Embora os programas possam ser armazenados permanentemente em memória PROM, eles podem também ser carregados e armazenados para execução. O dado para processar o sinal e talvez controlar (configuração) é também carregado de um computador host. Conjuntos de dados são transferidos para o computador host sob demanda, programados ou em condição de exceção. Comunicação com um

sensor inteligente é realmente uma troca de dado computador para computador através de uma rede de informação que é chamada de fieldbus.

A informação do sensor inteligente é usualmente transferida em termos de um conjunto de dados amostrado no mesmo tempo. A coerência do tempo é importante e não pode ser acompanhada por sucessivas perguntas. A sincronização do tempo é também importante para controle dinâmico e não pode ser conseguida sem a sincronismo da rede. O controle dinâmico, tal como o algoritmo PID (proporcional, integral e derivativo) usado em controle de processo, robótica, controle de movimento e posição são baseados em conjuntos de dados amostrados em intervalos de tempo exatos.

Fig. 11.18. Rede fieldbus Muitos dos sensores e transmissores

usados em controle de processo requerem a alimentação elétrica para sua operação. Esta potencia previamente era feita no mesmo par de fios que transportava o sinal analógico de 4 a 20 mA e agora deve ser feita através da rede fieldbus. Muitas vezes a instrumentação de campo do controle de processo é instalada em áreas contendo misturas de substâncias potencialmente explosivas (classificadas) e todo instrumento elétrico deve ter classificação elétrica especial, para evitar explosão ou incêndio nesta área. A técnica de proteção mais conveniente é a de segurança intrínseca, onde são usadas barreiras para limitar a energia entregue da área segura para a área perigosa. Algumas transmissões de dados são consideradas inerentemente seguras, tais como a pneumática, sem fio e fibra óptica energizada por fontes LED e não laser. Como os fieldbus pretendem substituir o sinal analógico de 4 a 20 mA que entregava o sinal e a alimentação em fiação a dois fios intrinsecamente seguros, eles também precisam operar com apenas dois condutores

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com cabos similares. A entrega da potência para sensores de campo com segurança intrínseca é uma das maiores dificuldades a ser superada pelo fieldbus.

Enquanto a rede de sensor com fio entrega a potência sensível para equipamentos simples conectados a ela, o fieldbus projetados para conexão de I/O discreto requer mais potência controlada para os microprocessadores nos nós da rede, bem como para a potência sensível. O ambiente da rede de sensor, indústria de manufatura, empacotamento, linha de montagem de peças raramente requer a aplicação de segurança intrínseca, diferente do ambiente de processos petroquímicos, indústria de petróleo e gás e siderúrgicos. No ambiente da rede de sensor, os sensores e atuadores podem ser agrupados juntos em um local, mas no processo convencional com variáveis analógicas, as interligações são feitas em locais muito mais amplos e distantes.

O uso de conexões sem fio para aquisição e controle de dados de processo já começou com equipamento proprietário e não padronizado. HART sem fio já é usado em aplicações de controle de processo e redes de conformidade com a norma ISA 100.11 também a ser empregadas em 2009.

Uma rede fieldbus precisa ser determinística.

2.2. Aplicações de fieldbus

Quando o fieldbus foi usado na indústria, o objetivo era reduzir os custos de instalação movendo a interface I/O do CLP para a unidade I/O remota, montada perto da máquina ou do chão de fábrica. Fieldbus para automação industrial deve ser rápido e determinístico. Neste caso, o determinismo significa que o tempo máximo do pior caso para obter o dado através do fieldbus pode ser exatamente previsto e não é sujeito à chance ou aleatório.

No passado, havia uma diferença entre fieldbus e devicebus, um nome foi atribuído a tecnologia de bus para aplicação de automação discreta. Porém, como um subproduto da guerra dos bus dos anos 1990s, vários devicebus (Profibus e Interbus) foram incluídos na norma de fieldbus IEC 61 158. Como a maioria dos primeiros devicebus são capazes de transportar dados analógicos, a diferença não é mais relevante. Todo a tecnologia de rede antes chamada de devicebus está incluída, neste trabalho, como fieldbus.

Fig. 11.19. Rede fieldbus em CCM Todo fieldbus usada para automação da

planta permite o equipamento remoto ou unidade I/O ser inteligente e capaz de executar programa. Todo fieldbus também pode ser usada para interligar CLPs e PCs em uma rede para compartilhar informação. Porém, não há programa específico para permitir a lógica de controle transpor a rede. Ou seja, a lógica em um CLP não pode ligar diretamente com a lógica em outro CLP da mesma rede. É possível conseguir estes mesmos objetivos, obter o status de um ponto I/O ou uma variável intermediaria através da rede para usar na lógica, mas o tempo de acesso à rede não está sincronizado com o tempo da lógica do CLP e é usualmente não determinístico.

Fieldbus usado para controle de processo foi explicitamente criado para ligar instrumentos inteligentes de campo entre si e com sistema de controle de mais alto nível. Enquanto as exigências de velocidade para controle de processo são muito menores do que para automação de fábrica ou manipulação de material, dentro desta velocidade as exigências não são menos que para o determinismo. De fato, controle de processo soma uma exigência adicional para sincronização de tempo mais exigente. Adicionalmente, a quantidade de dados trocados para controle de processo é muito maior do que na automação de fábrica ou manipulação de material e quase sempre envolve vários números de pontos flutuante e vários bits de status discreto.

Para muitas aplicações, fieldbus para controle de processo é também requerido para conduzir potência elétrica para os instrumentos de campo sobre os mesmos fios usados para comunicar os dados. Na indústria petroquímica e de petróleo, o fieldbus é usado em áreas classificadas e não devem provocar explosão ou incêndio.

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Fig.11.20. Rede fieldbus em controle de processo

2.3. Aplicação de fieldbus em controle de processo

As operações típicas de controle de processo são mais lentas do que as de aplicações de automação de manufatura, permitindo redes com velocidades mais lentas mas geralmente requerendo transferências de maior quantidade de dados. Enquanto a rede de automação de fábrica deve ser rápida, há pouca demanda para sincronização de tempo entre os nós da rede. O controle de processo, quando não demanda velocidade alta de rede, demanda uma exata sincronização do tempo entre os nós formando uma malha de controle de cascata.

Foundation Fieldbus é projetado para permitir que os dados de controle de malha fechada em tempo real sejam trocados em sua rede fieldbus. A arquitetura da Foundation Fieldbus é chamada de Controle de Campo, ou construção sem costura de uma malha de controle consistindo de um conjunto altamente interligado de blocos de função para fazer a função de controle de malha fechada com ou sem a participação de um controlador host. O controle de campo é considerado por alguns como sendo mais confiável, mais exato, mais econômico e com melhor resposta que o controle distribuído. Estas razoes são itemizadas na tabela.

Há muito debate sobre as virtudes do controle de campo versus controle distribuído, algumas sem significado se o sistema for bem projetado. Muitos SDCDs tem implementado controle com todas as cascatas limitadas a um único controlador, significando que os pontos de ajuste da cascata não se comunicam com a rede de controle. A maioria dos SDCDs permite muitos controladores existirem e compartilharem informação na rede de controle como se a informação de controle da malha fechada não fosse de tempo real.

Muitos dos benefícios do controle de campo são baseados em melhor controle, que

não é discutido nos livros textos de controle de processo. Melhor controle significa que a oscilação normal de uma malha de controle fechada em torno do ponto de ajuste é pequena. Geralmente, a remoção do tempo morto e histerese da malha de controle resulta em controle com menos e menor desvio do ponto de ajuste, se a malha estiver corretamente sintonizada. O controle de campo pode remover algum tempo morto e histerese da malha.

Outras pessoas preferem o controle distribuído ao controle de campo. Realmente, há duas partes da historia do controle: processamento de sinal e controle da malha fechada. Ambos os grupos preferem o processamento do sinal no equipamento de campo próximo do sensor real. O processamento do sinal consiste de conversão de dados do sensor para unidades de engenharia após remoção dos efeitos de ruído e desvio termal. Isto poderia ser feito no controlador, mas maior e mais alta freqüência na coleta dos dados seria requerido. Fazendo o processamento do sinal próximo do sensor elimina a necessidade de enviar volumes de dados em alta freqüência. Além disso, alarme e teste de limite poderiam também ser fornecidos no equipamento de campo, em qualquer arquitetura.

Os defensores do controle distribuído (onde o autor se inclui) defendem que é mais barato e mais simples fazer a função de controle em um equipamento confiável especialmente construído para este fim e compartilhar o custo entre muitas malhas de controle. Com o custo dos circuitos da sala de controle caindo constantemente, há algum mérito nesta preferência. É mais simples fazer todo o processamento de controle em poucos controladores multifunção. Também, há muitas malhas de controle que são muito complexas para o controle de campo.

Para muitos processos, uma combinação de controle de campo e controle distribuído é provavelmente o mais econômico, exato, confiável e eficiente. Foundation Fieldbus permite este tipo de combinação para todas as arquiteturas de SDCD. Profibus PA permite processamento de sinal no campo, mas não permite controle no campo. WorldFIP compartilha uma arquitetura comum com Foundation Fieldbus, mas não é comumente usada em aplicações de controle de processo. HART não permite controle de campo, mas é totalmente capaz de processar o sinal no campo, embora não seja muito usado com este objetivo.

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24. Redes fieldbus típicas

Há várias escolhas fieldbus. As principais redes fieldbus são:

1. HART 2. Foundation Fieldbus 3. Profibus PA 4. Modbus 5. WorldFIP 6. DeviceNet

3. Redes de controle

Redes de controle são aplicadas para permitir sistemas de controle conectar com outros, para servir como caminho para conexão de fieldbus para sistemas de controle e para sistemas de controle se conectarem com sistemas de negócios. Por causa da grande quantidade de dados que precisam ser passados através destas redes e por causa do longo comprimento das palavras, as taxas de transmissão tendem a ser mais rápidas do que as redes fieldbus. Porém, como elas podem passar ser usadas para passar dados críticos no tempo entre controladores, a rede de controle também deve ser determinística e atender as necessidades de tempo real de suas aplicações pretendidas. Determinismo em um contexto de rede é definido como: há um atraso de pior caso específico entre a detecção de um dado e sua entrega para o equipamento de controle. Tempo real neste contexto é definido como suficientemente rápido para atingir os objetivos da aplicação. Determinismo e tempo real são exigências separadas mas complementares.

Se a mesma rede de controle é usada para trocar dados de tempo real entre controladores e se a informação de negócios entre controladores e sistemas de negócios, claramente deve haver algum modo para evitar que a informação de negócios interfira com a resposta determinística de tempo real. Muitos protocolos complexos tem sido desenvolvidos para este objetivo, mas muitas redes de controle se baseiam apenas na natureza básica do protocolo de rede escolhido. Usualmente determinismo é conseguido evitando colisões de mensagens, limitando o máximo comprimento da mensagem e usando alta velocidade.

Tab. 11.2 Fig. 1.1. Rede de controle A vantagem de usar um protocolo de rede

padrão de baixo nível como TCP/IP sobre uma rede Ethernet é um menor custo. Pela seleção simples do cabeamento Ethernet padrão e usando chaves Ethernet duplex total em vez de hubs passivos, uma rede de controle construído sobre esta tecnologia pode garantir que não haverá colisões na rede, tornando tal rede determinística. Usando alta velocidade, como 100 ou 1000 Mb/s e o comprimento máximo do pacote Ethernet de 1500 bytes significa que se evitam transferências de dados em tempo real. O tempo real e o determinismo requerem que a rede deve fazer sua largura de banda disponível para transferências de dados críticos no tempo em menos tempo que o máximo período de tempo permitido para o sistema de controle. Por exemplo, se uma aplicação de negocio fosse transferir um máximo tamanho de mensagem Ethernet (1500 bytes) em 100 Mb/s, a rede seria bloqueada por um tempo máximo de cerca de 150 s. Normalmente este tamanho de atraso é perfeitamente aceitável para as necessidades de controle de processo e de automação da fábrica, mas pode não ser aceitável para controle de movimento ou controle de máquina.

Seria bonito se a rede de controle e a rede de fieldbus não pudessem ser usadas na mesma aplicação, mas elas podem. Seria também bonito se a rede de controle fosse sempre confinada para ambientes de negócios ou de sala de controle, mas cada vez mais ela está sendo estendida para o campo e o chão de fábrica. Em alguns casos, a rede de controle está sendo usada em aplicação normalmente requerendo um fieldbus. De fato, todas as redes de controle foram desenvolvidas de uma ou mais rede fieldbus e usam a mesma camada de aplicação e protocolos da camada de usuário. Como as redes de controle estão

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relacionadas com fieldbus, continuará havendo uma pequena diferença entre elas.

Redes de controle sem fio já estão em uso comum, quando a norma popular IEEE 802.11 a/b/g/n também conhecida como a Ethernet wireless é usada. Como a maioria das redes de controle são baseadas na Ethernet, a substituição de Wi-Fi por algum ou todos os segmentos é fácil e não requer qualquer alteração nas camadas de aplicação e do usuário. Geralmente, a substituição de Wi Fi por qualquer segmento de rede de controle é feita pelo usuário e irá trabalhar bem, mas não pode ser suportada por qualquer norma de rede de controle.

3.1. Aplicações de rede de controle

As redes de controle são geralmente diferenciadas das redes fieldbus. As redes de controle devem ter maior largura de faixa e não necessitam entregar alimentação nela e nem há aplicação com segurança intrínseca. O uso pretendido das redes de controle é conectar controladores ao equipamento host e controladores entre si. Outra aplicação da rede de controle é juntar segmentos da rede fieldbus e conectá-los ao host. Embora há várias camadas físicas para a rede de controle, a tendência é implantar a rede de controle usando componentes comerciais da Ethernet TCP/IP. O objetivo é tirar vantagem do baixo custo e do alto desempenho das redes comerciais, mesmo quando precisar usar componentes industrializados. Geralmente, as camadas de aplicação rodando acima da rede de controle são os mesmos usados para os segmentos fieldbus correspondentes para que eles conectam.

Fig. 11.21. Rede de controle Em alguns casos, rede de controle está

sendo estendida para equipamentos de campo,

tais como remota I/O, drivers de velocidade variável e CLPs montados no campo. Quando houver diferenças funcionais entre rede de controle e fieldbus, pode se esperar que o menor custo da rede de controle baseada em Ethernet será mais usada em aplicações fieldbus quando as características de um fieldbus específico, como segurança intrínseca ou a alimentação para o equipamento de campo não forem necessárias.

A maioria das redes de controle é baseada na Ethernet 10/100BaseTx com cabo EIA Categoria 5E, baseada na norma IEEE 802.3af. Esta norma define o modo de transmitir 48 V cc de alimentação sobre o par de sinais ou o par reserva do cabo Cat 5E. A norma permite o uso de equipamento construído antes desta norma ter sido retificada, que não sabe nada acerca de alimentação sobre Ethernet.

A rede de controle mais antiga é a Modbus. A Modbus original foi definida como EIA (ex RS) 485 multiponto sobre um simples cabo com um par de fio trançado usando modulação FSK (Frequency Shift Keying) com 9 600 baud. Modificações posteriores aumentaram a velocidade e especificaram níveis mais altos de correção de erro. Porém, a contribuição real da Modbus foram os comandos de aplicação que padronizaram as funções de ler e escrever registros, partindo e parando CLP, forçando saídas para teste e muitas outras manipulações de dado feitas do computador host. As especificações Modbus se tornaram públicas e se tornou muito usada por muitos equipamentos incluindo interfaces para todos os grandes SDCD e a maioria dos CLP. Existe também uma versão de Modbus chamada JBus, onde a numeração dos registros é diferente, Modbus começa com 0 e JBus começa com 1, mas os comandos são idênticos.

Mesmo que a rede Modbus em todas suas formas permaneça muito popular, a tendência é claramente migrar para Modbus/TCP para aplicações de rede de controle. Modbus/TCP permite qualquer host ou CLP trocar dados com qualquer outro nó na rede e não é confinada para a exigência do único máster do Modbus. Modbus/TCP abre o canal para permitir CLP trocar dados diretamente com outros CLP sem chaveamento através do sistema host. Ethernet fornece uma conexão de baixo custo, alta velocidade com muitas opções comerciais.

ControlNet foi desenvolvida muito depois da Modbus, para abrir a interface para os CLP da Allen Bradley que anteriormente usavam a rede proprietária Data Highway Plus (DH+). Atualmente ControlNet é uma especificação aberta e é uma rede mais rápida e mais segura

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e fornece transferências de dados síncrona. Porém, a nova Ethernet/IP é mais rápida e mais barata, para o mesmo número de equipamentos. As redes Ethernet/IP e ControlNet ambas usam a camada chamada CIP (Control and Information Protocol) , também compartilhado com a DeviceNet.

Profibus é também usada como uma rede de controle. O acesso aos dados contidos nos controladores e em outros equipamentos de campo se torna disponível quando usando a Profibus FMS Profile, que está contido na norma. Profibus pode operar sobre a rede padrão Profibus DP EIA 485 e também sobre a Ethernet TCP/IP comercial, quando é chamada de PROFInet. PROFInet faz Profibus FMS operar em uma rede Ethernet TCP/IP e também abre a troca de dados no nível de controle para uma tecnologia mais moderna chamada de OPC.

Foundation Fieldbus HSE (High Speed Ethernet) foi projetada para ser a rede de controle para a rede Foundation Fieldbus. Ela também é baseada no uso de uma fundação Ethernet UDP/IP, mas a camada de usuário é a mesma para todas as partes desta rede. Foundation Fieldbus foi projetada para uso em controle de controle e controle de batelada. Por isso, HSE fornece uma forte sincronização para toda a rede e quando acoplado com sua alta velocidade, permite malhas de controle cascata através de múltiplos segmentos de campo H1. Além disso, HSE fornece tolerância à falha para a rede usando redundância de vários níveis quando requerido por segurança (safety) e proteção (security).

A rede iDA (Interface for Discrete Automation) é uma tecnologia de rede emergente que também da prioridade à rígida sincronização entre os nós da rede. O método usado pela iDA para sincronização do tempo é chamado de Publish/Subscribe em tempo real e é muito similar ao usado na Foundation Fieldbus, mas é rápido suficiente para controle de movimento. iDA é baseada em objeto usando um modelo de bloco de função, também similar à Foundation Fieldbus, mas ainda orientada para automação discreta e controle de movimento. iDA também requer o uso da codificação XML e sua transferência de dados. Ainda não há redes comerciais com iDA.

WorldFIP é também disponível para uso como uma rede de controle mas tem poucas aplicações e poucos fornecedores. A tendência para usuários passados de WorldFIP é migrar para Foundation Fieldbus para controle de processo e para iDA para automação de fábrica.

3.2. Aplicações para controle de processo

O sistema de controle dominante para processos complexos e grandes é o SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído) ou DCS (Sistema de Controle Distribuído). A parte distribuída do titulo se refere à função de controle em si, que é usualmente realizada em vários controladores diferentes que podem estar localizados perto da porção do processo sob controle. SDCD é definido como um sistema digital integrado de controladores, Interface Humano Máquina (IHM), rede de comunicação e programas de aplicação. A rede de integração do SDCD é uma rede de controle, tradicionalmente proprietária do fornecedor do sistema.

Uma forma antiga de controle de processo usa controladores individuais com displays simples embutidos para uma ou duas malhas de controle continuo. Geralmente esta configuração é usada para controle de pequenas plantas e para fornecer controle PID em processos batelada controlados pela lógica de CLP.

A nova filosofia emergente é o sistema de controle de campo, que seria uma evolução natural do SDCD em função, mas com uma diferença radical na distribuição dos elementos de controle. A arquitetura do sistema de controle de campo coloca as funções de controle e processamento do sinal nos instrumentos de campo, em vez de usar controladores multifunção maiores típicos do SDCD. Usualmente, as funções de processamento de sinal são atribuídas aos transmissores inteligentes de campo e as funções de controle PID são atribuídas aos posicionadores inteligentes da válvula. Um sistema de controle de campo permite qualquer parte de uma malha de controle cascata ser localizada em um controlador multifunção ou em um instrumento de campo apropriado, quando necessário e permite a relocação destas funções entre equipamentos. Como a computação está largamente distribuída, um fieldbus é necessário para conectar a instrumentação de campo. Além disso, uma rede de controle é necessária para ligar os fieldbus juntos quando for necessário compartilhar dados entre segmentos fieldbus. Diferente do SDCD, um sistema de controle de campo usa fieldbus e rede de controle padrão.

Um sistema de controle de campo pode usar qualquer rede de controle mas tipicamente irá usar somente aquelas compatíveis com umas das redes fieldbus.

Qualquer rede fieldbus pode se conectar diretamente com os controladores ou suas

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unidades locais ou pontos I/O remotos, mas aparecem vários problemas quando segmentos de rede fieldbus são conectados através de um gateway ou bridge ou equipamento de interface. O gateway ou o equipamento de interface geralmente terminam um número de fieldbus e conecta-os a uma rede de controle.

Tab. 11.3. Aplicações de rede de controle

Esquemas de controle para processos complexos, como de uma refinaria ou uma central de matérias primas de uma indústria petroquímica, pode envolver milhares de malhas de controle e dezenas de milhares de pontos I/O. O tempo para desenvolver estes esquemas de controle é geralmente medido em homens-ano. Novos sistemas de controle são instalados quando novas plantas são construídas ou quando antigos sistemas de controle são modernizados (revamp). O sistema de controle para as plantas novas ou modernizadas geralmente são selecionados porque o esquema de controle já está desenvolvido para um processo similar, usando um particular sistema de controle. O esquema de controle pode então ser transferido para um novo sistema de controle compatível, talvez com poucos ajustes, mas economizando muitos homens-ano de desenvolvimento. Atualmente, não há normas para a troca de esquemas de controle entre SDCD, mas fornecedores de SDCD geralmente fornecem ferramentas migração entre sistemas antigos e novos de sua própria fabricação. Não há tais ferramentas para os sistemas de controle fieldbus.

As principais redes fieldbus são: Modbus/TCP, Foundation Fieldbus HSE (High Speed Ethernet) , EtherNet/IP. PROFInet e iDA (Interface for Discrete Automation)

HART

1. Conceito

O protocolo HART (acróstico de Highway Addressable Remote Transducer) foi criado pela Rosemount (Emerson), em 1986, como proprietário. Em 1992, ele se tornou aberto, com a constituição de uma corporação independente e sem fins lucrativos, a “HART Communication Foundation” (HCF).

HART fornece comunicação digital para instrumentos analógicos baseados em microprocessador de controle de processo. Originalmente, com o objetivo de permitir calibração, ajuste de faixa, ajuste de amortecimento de transmissores analógicos de processo, foi o primeiro esquema de comunicação digital bidirecional para transmissor de processo que podia ser superposto ao sinal analógico de 4 a 20 mA. Hart foi então estendido para receptores de processo e é também usado em aquisição de dados e controle.

Fig. 11.22. Logotipo HART

2.2. Protocolo Hart

O protocolo HART opera usando o princípio de Frequency Shift Keying (FSK), que é baseada na Norma de Comunicação Bell 202 (Bell, 1976). O sinal digital é constituído de duas freqüências:

1200 Hz para o bit 1 e 2200 Hz para o bit 0 Ondas senoidais destas freqüências são

superpostas sobre um sinal analógico de 4 a 20 mA cc, transmitido por dois fios trançados, para dar simultaneamente comunicações analógica e digital. Como o valor médio do sinal FSK é sempre zero, o sinal de 4 a 20 mA cc não é afetado pelo sinal digital. Isto produz comunicação simultânea genuína com um tempo de resposta de aproximadamente 500 ms para cada equipamento de campo, sem interromper qualquer sinal analógico de transmissão que possa estar ocorrendo.

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Fig. 11.23. Comunicações analógica e digital simultâneas

Fig. 11.24. Sinais analógico e digital e

alimentação na fiação do transmissor Está especificado no protocolo HART que

os mestres devem transmitir um sinal de tensão e o escravo deve transmitir um sinal de corrente. O sinal de corrente é convertido em tensão através de uma resistência de carga. Os níveis pico a pico de sinal são mostrados na Tabela 3. A forma de onda deve ser idealmente senoidal, entretanto a forma de onda trapezoidal é aceita (a forma de onda quadrada não pode ser utilizada).

Fig. 11.25. Rede HART


A transmissão de dados é feita através do sistema FSK - Frequency Shift Keying, com as seguintes características físicas:

1. bit 0 = 2200 Hz 2. bit 1 = 1200 Hz 3. A taxa de transferência é de 1200 b/s. 4. A taxa de transferência para variáveis

simples: 2 por segundo. 5. Segurança dos dados: checking de erro

bi dimensional. 6. Máximo número de dispositivos

secundários (slaves) em modo multidrop: 15.

7. Máximo número de dispositivos principais (masters): 2.

8. Máximo número de variáveis: 256 por secundário.

9. Máxima distância: típica de 1900 m, dependendo do tipo de cabo.

3.4. Modo Burst

Uma característica adicional em alguns instrumentos de campo é o modo Burst. Um instrumento de campo em modo Burst é capaz de repetidamente enviar um sinal HART em resposta sem um comando repetido. Isto é útil para se obter atualizações mais rápidas (cerca de 3 a 4 atualizações de dado por segundo) das variáveis de processo. Se for usar o modo Burst, só pode haver um único equipamento de campo em burst na rede. No modo burst, o mestre instrui o escravo para se fazer o broadcasting contínuo da resposta da mensagem (por exemplo, valor da variável do processo). O mestre recebe a mensagem em uma velocidade maior, até ele instruir o escravo para parar de operar em modo burst.

Um instrumento de campo lembra seu modo de operação durante a falta de alimentação e retorna ao seu modo anterior quando ligado. Assim, um instrumento de campo que tiver sido desligado em modo burst, começará a operar em modo burst quando ligado.

5. Terminal portátil

Há um único terminal portátil (hand held terminal) para todos os equipamentos, representando uma única interface para todos e com as seguintes características desejáveis:

1) pequeno e robusto, 2) alimentado por bateria, 3) podendo ser intrinsecamente seguro,

quando necessário uso em locais de Divisão 1 ou não incenditivo para locais

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de divisão 2, com aprovações do FM, CSA e CENELEC.

4) programa é atualizável (upgradeable) no campo, com módulo de memória reprogramável substituível.

O terminal universal é fácil de aprender e usar. Ele possui

1) um display com 8 linhas e 21 caracteres em cristal líquido (LCD)

2) chaves funcionais e 3) chaves de ação, para mover

através da estrutura do menu 4) um teclado alfanumérico.

Fig. 11.26. Comunicador portátil HART O primeiro modelo do comunicador HART

era o 268, que foi substituído pelo 275, que por sua vez, foi substituído pelo 375. Atualmente, o comunicador HART também pode ser usado com Foundation Fieldbus.

7 Principais Aplicações

A tecnologia HART tem sido usada principalmente para configuração e calibração de dispositivos de campo, entretanto, outras aplicações, como controle de processos, aplicações em sistemas de controle supervisório e aquisição de dados (SCADA, do inglês Supervisory Control and Data Acquisition) e gerenciamento de ativos estão sendo implementadas ultimamente, inclusive na indústria petroquímica.

7.1. Controle de Processos

Muitas plantas já têm uma grande quantidade de dispositivos de campo compatíveis com o HART, ou seja, um investimento significativo em tecnologia HART. Tradicionalmente, o cabeamento 4 a 20 mA é trazido para uma caixa de junção e então, um multicabo conecta a caixa de junção e as E/S localizadas na sala de controle local. Os dados do sistema de E/S se comunica com o controlador, localizado na sala de controle integrado, usando um barramento proprietário. O controlador provê os dados aos consoles de

operação, histórico de dados e terminais de engenharia. Nessa arquitetura tradicional, a única informação disponível do dispositivo de campo é o sinal 4 a 20 mA. Ultimamente, esta arquitetura vem sendo trocada por um sistema distribuído consistindo de E/S remota, controladores, console de operação e estações de engenharia –todos conectados utilizando protocolos de comunicação abertos. A unidade E/S remota é montada perto da unidade de processo com um cabo 4 a 20 mA curto conectando os dispositivos HART. O multicabo da caixa de junção é trocado por um cabo de rede, que conecta a E/S remota ao sistema de controle. Nessa arquitetura, a comunicação contínua da variável primária é enviada pelo sinal 4 a 20 mA e a comunicação digital HART é utilizada para aumentar a capacidade e a integridade do sistema. O status de cada dispositivo pode ser obtido nas mensagens de resposta HART. O conhecimento detalhado da integridade dos dispositivos trazidos pela comunicação HART podem ser introduzidos no sistema de controle. A monitoração do status dos dispositivos pode indicar falhas nos mesmos e paradas não programadas da planta podem ser reduzidas. A integridade e disponibilidade do sistema são melhoradas e efetividade do programa de manutenção preditiva pode ser significativamente aumentada.

Fig. 11.27. Sistema com HART Além disso, é possível obter outras

variáveis do processo, pois elas estão disponíveis em vários dispositivos de campo HART multi-variáveis. Essas variáveis podem ser atualizadas 2 ou 3 vezes por segundo, o que não é muito rápido, entretanto é muito mais

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rápido do que as constantes de tempo associadas a muitos processos.

8. Vantagens e limitações

Há muitas vantagens do fieldbus sobre os sistemas analógicos convencionais, como

As vantagens do HART incluem: 1. protocolo de comunicação com grande

base instalada por ter sido o primeiro e testado extensivamente.

2. possui a compatibilidade analógica, comunicando também com o sinal padrão de 4 a 20 mA cc, usando a instrumentação existente.

3. gerenciado pela Fundação de Comunicação HART

4. possui um terminal portátil universal para todos os equipamentos HART.

5. possui a capacidade digital de acessar todos os parâmetros do instrumento e fazer diagnóstico,

6. custo reduzido de instalação e manutenção,

7. aumento de flexibilidade 8. melhoria de funcionalidade, tais como

auto diagnose, monitoração da calibração e das condições

9. expansão do uso de sensores e dos sistemas de controle.

Uma reclamação comum relativa ao HART é sua relativamente lenta velocidade de 1200 baunds (bits por segundo). Deve-se considerar que o HART foi desenvolvido na década de 1980 e que há pouca potência desenvolvida em um instrumento analógico de 4 a 20 mA. A potência para operar um modem HART é de apenas 2 mW, enquanto a potência para opera modems de computadores foi muito maior.

Os principais problemas com o HART são: a baixa velocidade de transmissão. 1) Compatibilidade com equipamentos e

redes anteriores que operam na velocidade atual e usam a largura de faixa existente.

2) O custo de chip HART maiores e mais complexos.

3) A operação modo burst, que é usada em HART se torna difícil para conseguir em maior taxa de bit, por causa da necessidade de longos períodos de equalização e outras atividades de partida do receptor.

A HART Communication Foundation tem procurado e investido ativamente no desenvolvimento de equipamentos mais rápidos, mas estes equipamentos ainda não foram materializados.

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Foundation Fieldbus

1. Conceito

Fieldbus Foundation é um protocolo totalmente digital, multidrop, serial, bidirecional, que interliga sensores, atuadores, controladores e equipamentos da sala de controle em um rede de área local (LAN) para aplicacoes de controle de processo e outras aplicações de automação de manufatura.

A tecnologia Fieldbus Foundation (FF) incorpora blocos de função que distribuem o controle através da rede. Os blocos de função automaticamente suportam alarmes, tendências, relatórios de alarme, sem a necessidade de intervenção de nível mais alto e também fornece embutida uma base de dados de instrumentação na planta. A Fieldbus Foundation é baseado na norma ISA SP 50.

Fig. 11.28. Foundation Fieldbus Ela permite a comunicação e

interoperabilidade entre equipamentos inteligentes de campo e equipamentos do sistema de controle de vários vendedores. Há duas versões do Foundation Fieldbus:

1. H1 para ligar sensores e atuadores para equipamentos de controle, com taxa de comunicação de 32,25 kb/s.

2. H2 para funcionar como um highway de dados mais sofisticado, com taxa de comunicação de 1,0/2,5 Mb/s.

3. Interfaces com Dispositivos

Na sala de controle, os segmentos da Fieldbus Foundation podem interfacear com uma variedade de equipamentos mestres, como interfaces de operação com computador pessoal (PC) simples até sistemas de controle digital distribuído (SDCD) de qualquer tamanho e configuração. As comunicações acima do nível do mestre são tipicamente em HSE (Ethernet de alta velocidade).

A tecnologia Fieldbus Foundation foi projetada especificamente para satisfazer a missão crítica de controle e automação de

processos, incluindo a distribuição de muitas funções lógicas e controle para dispositivos de campo. Variáveis múltiplas de cada dispositivo de campo podem ser alimentadas para outros dispositivos e para sistemas de controle centrais para arquivar, analisar, registrar dados, otimizar processos e gerar relatórios.

Há diferenças funcionais significativas entre redes de Fieldbus Foundation e redes a nível de sensor e dispositivo. Por exemplo, uma camada de usuário específica é um elemento essencial da tecnologia Fieldbus Foundation e é chave para a interoperabilidade entre os equipamentos mestre e do campo de diferentes fabricantes no mesmo barramento de campo.

Além disso, a tecnologia de 31,25 kb/s (H1) permite os equipamentos do campo serem alimentados separadamente ou diretamente através do par de fio trançado existente, economizando a instalação.

A tecnologia Fieldbus Foundation permite o uso de barreira de segurança intrínseca entre a fonte de alimentação (local seguro) e o dispositivo da área classificada. O ênfase da Fieldbus Foundation em mensagem planejada é a chave em aplicações críticas de tempo. A arquitetura suporta controle distribuído através do barramento de campo sem a transmissão de dados entrar em conflito com muitos barramentos.

5. Interoperabilidade

A interoperabilidade permite ao usuário misturar e casar dispositivos de campo e mestres de vários fabricantes em um mesmo barramento de campo, mantendo as operações especificadas, com pequena reconfiguração. Ela também permite a adição ou substituição de dispositivos em uma rede de barramento de campo sem a necessidade de revisão do software do mestre.

Interoperabilidade não é intercambiabilidade. Com interoperabilidade, um dispositivo de campo pode ser substituído por um similar de diferente fornecedor e o sistema é capaz de operar com o novo dispositivo, com as funções básicas e estendidas. Intercambiabilidade é a habilidade de substituir exatamente um dispositivo de um fornecedor por outro, de outro fabricante.

Os benefícios da interoperabilidade são: 1. implantar estratégia de controle sobre o

barramento de campo, que permite as capacidades de controle serem migradas para um dispositivo de campo e ser executada nele.

2. Monitorar variáveis de controle e status periodicamente, armazenando a

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informação em uma base de dados para análise e relatório subsequentes.

3. Configurar e manter dispositivos no barramento de campo com capacidade de configuração e diagnose através do console de manutenção.

Dispositivos de campo interoperáveis permitem que o usuário selecione os melhores produtos e os combine para ter a melhor distribuição de estratégia de controle, monitoração e operação flexíveis e configuração e diagnose remotas.

A interoperabilidade do fieldbus é conseguida pela definição de: 1. Sinal elétrico 2. Protocolo de acesso ao meio 3. Protocolo de manipulação de comunicação 4. Tipos de dados suportados 5. Método de descrever o equipamento sobre

a fiação 6. Blocos de função compreensivos 7. Modos e status 8. Inicialização de cascata, propagação de

falha segura 9. Mecanismo de reportar alarme e evento

5.1. Compatibilidade

Os dispositivos fieldbus devem ser capazes de trabalhar juntos no mesmo fieldbus mesmo se eles são de fabricantes diferentes. Para conseguir este grau de interoperabilidade, algumas exigências chave são: 1. Teste de interoperabilidade das aplicações

do bloco de função dos dispositivos fieldbus por uma organização certificadora independente

2. Uma linguagem de descrição do dispositivo para descrever a aplicação do bloco de função padrão em um dispositivo fieldbus. Tal descrição pode ser usada por dispositivos de interface para acessar a informação no dispositivo fieldbus. A linguagem pode também ser usada para descrever características adicionais que um fabricante pode acrescentar para um bloco de função.

8. Blocos de função

Um bloco de função é: 1. Um algoritmo 2. Conjunto de entradas definidas,

conectáveis pelo usuário 3. Conjunto de saídas definidas,

conectáveis pelo usuário Um conjunto de atributos é:

1. Limites 2. Parâmetros de sintonia 3. Constantes

4. Especificações e parâmetros de miscelânea

Tipos de blocos básicos de função: 1. Entrada analógica 2. Saída analógica 3. Entrada discreta 4. Saída discreta 5. Entrada de pulso 6. Algoritmo PID

Fig. 11.29. Bloco de função

Blocos booleanos:

OR, AND, NAND, NOR, NOT

Blocos comparadores:

GT (maior que), GE (maior ou igual a), LT (menor que), LE (menor ou igual a), EQ (igual a), NE (não igual a)

Blocos aritméticos:

ADD (somador) SUB (subtrator) MUL (multiplicador) DIV (divisor) INT (Integrador)

Blocos seletores

> (seletor de alta) < (seletor de baixa)

Blocos temporizadores:

TON (temporizado para ligar) TOF (temporizado para desligar)

Compensador dinâmico (Lead/lag)

Bloco contador

Crescente, Decrescente

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Pode-se criar uma grande variedade de de blocos personalizados, através da combinação de blocos padrão e de blocos personalizados. Exemplos de blocos personalizados:

1. Alarme de alta ou baixa de variável 2. Alarme e desarme de alta ou baixa de

variável analógica ou discreta 3. Seletor de controle 4. Gerador de ponto de ajuste 5. Caracterizador de sinal 6. Interface Analógico-Humano 7. Interface Discreto-Humano O bloco de função de entrada analógico

inclui 1. Variável de processo e escala 2. Escala do sinal de saída 3. Linearização 4. Limites de alarme 5. Prioridades de alarme

Fig. 11.30. Bloco de função de entrada

analógica

O controlador PID virtual no Fieldbus através do dicionário do objeto dá acesso a:

1. Constantes de sintonia (ganho, integral, derivativo),

2. Ganho de feedforward 3. Modo 4. Limites de alarme 5. Descrição 6. Unidades de medição

Fig. 11.31. PID do controlador

Um elemento final de controle, como uma

válvula pode também ser apresentada para a rede Fieldbus através do dicionário do objeto e incluir:

1. Entrada em cascata 2. Limites da faixa de saída 3. Unidades da saída 4. Condição de falha segura 5. Ação Hoje, o controlador PID pode ser localizado

em qualquer equipamento de entrada ou saída, como transmissor ou válvula. A camada do usuário do Fieldbus já foi projetada para acomodar estes controladores de campo e especialmente para acoplá-los a outras partes da malha de controle. Isto pode alterar muito as possibilidades para usar estratégias de controle.

Fig. 11.32. Elemento final na rede Uma malha de controle pode ser

configurada diretamente sobre a rede fieldbus. Por exemplo, as ligações entre as entradas analógicas e o controlador PID é feita com atualizações automáticas e cíclicas de seus valores, incluindo o status da variável de entrada.

Equipamentos típicos de fieldbus incluem transmissores, atuadores, controladores, indicadores e registradores. Houve um grande impacto do Fieldbus no uso de equipamentos portáteis, interfaces gráficas de usuário (GUI) locais e na sala de controle, com PCs, SDCDs e CLPs.

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Fig. 11.33. Transmissor inteligente e atuador

Fig. 11.34. Malha de controle no Fieldbus

10. Vantagens do Fieldbus

Benefícios de instalação

1. Fieldbus é multidrop e por isso, reduz a fiação e os custos de fiação, terminações, testes, caixas de passagem.

2. Fieldbus fornece um método de acesso padronizado aos parâmetros do equipamento de sensores, transmissores, atuadores e controladores, permitindo configuração remota. Isto melhora a acessibilidade dos equipamentos remotos. O uso de sinais digitais melhora a exatidão da calibração.

3. A interoperabilidade do fieldbus permite a seleção de um equipamento entre vários vendedores.

Benefícios da operação

1. O uso de representação digital com ponto flutuante permite a transmissão de informação numérica sem degradação.

2. Não há erros introduzidos na transmissão. 3. A medição é mais repetitiva. 4. Há melhor controle, com economia de

energia e de produção. 5. Há maior quantidade de informação

disponível dos equipamentos de campo e possibilidade de transmissor multivariável

6. Sinais digitais são mais garantidos, seguros, no sentido que há salvaguardas para detectar erros e degradação do sinal.

Benefícios da manutenção

1. Menos manutenção por causa da maior confiabilidade da tecnologia digital.

2. Manutenção mais rápida por causa do diagnostico digital específico, levando a correção mais rápida e completa, documentação automática.

3. Acesso a vários parâmetros dentro de um equipamento inteligente torna possível o

diagnóstico remoto e até manutenção remota.

4. Norma aberta permite a interoperabilidade de produtos com mesma função, tornando a substituição de equipamentos simples e rápida. Fig. 11.35. Aplicações de FF em processo Fig. 11.36. Duas camadas do FF Fig. 11.37. Instalação típica de FF

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Profibus

1. Conceito

O protocolo Profibus (Process fieldbus) foi desenvolvido pelas empresas alemãs Siemens, Boch e Klockner-Moeller em 1987. Ele se baseava na norma DIN V19245 e EN 50170 e EN 50254. Em 2000 ele se tornou protocolo aberto e se baseia na IEC 61 158. Sua comunicação pode ser feita por conexão física, quando é mais confiável ou sem conexão física, sem fio, por broadcast ou multicast

Profibus é uma rede fieldbus que interopera automaticamente com uma grande base instalada de nós de campos. A interoperabilidade é conseguida pela definição dos parâmetros e do comportamento do instrumento de campo.

Fig. 11.38Protocolo Profibus Mundialmente, os usuários podem agora se

referenciar ao Profibus, cujo desenvolvimento procurou e procura a redução de custos, flexibilidade, confiança, orientação ao futuro, atendimento as mais diversas aplicações, interoperabilidade e múltiplos fornecedores.

O Profibus é um protocolo digital que tem algumas características comuns e outras diferentes do Fieldbus Foundation H1, para fazer o mesmo trabalho. Por isso, para um observador casual, o Profibus pode parecer igual ao protocolo Fieldbus Foundation H1.

As semelhanças incluem: 1. conformidade com a mesma norma de

comunicação, ambos com taxa de 31,25 kb/s.

2. arquitetura com blocos funcionais 3. linguagem de descrição de dispositivo

(DDL) 4. mesma camada física para transferência de

dados digitais. As diferenças estão no modo de

implementação dos protocolos, onde as camadas físicas podem ser fiadas juntas, porém as mensagens entregues por um não fazem sentido para o outro.

2. Tipos do Profibus

O protocolo Profibus pode ser considerado como três distintos: 1. FMS – Fieldbus Messaging System – para

comunicação ponto a ponto, usada para automação de uso geral

2. DP – Descentralized Periphery – troca de dados mais rápida, usada para automação de manufatura

3. PA – Process Automation – para automação de processo contínuo, mesmo em ambiente com segurança intrínseca em áreas classificadas.

Fig. 11.39. Profibus DP + PA

3. Profibus FMS

FMS (Fieldbus Message Specification) significa Especificação de Mensagem de Fieldbus.

Profibus começou como uma pilha de camadas de comunicação, que se tornou conhecida como Profibus FMS. FMS em si é um subconjunto da ISO 9506 sobre MMS (Manufacturing Message Specification), eliminando os comandos desnecessários para a comunicação dos CLPs. O modelo Profibus FMS, similar ao do Modbus, é uma rede multiponto que permite comunicação entre CLPs entre si, CLPs e IHM e outros equipamentos digitais.

FMS é uma camada de aplicação muito comum compartilhada com Foundation Fieldbus e WorldFIP. Profibus está incluído na norma ISO/IEC 61 158, porém a sua administração é de responsabilidade da Profibus International. O trabalho técnico da Profibus é de responsabilidade da PNO (Profibus Nutzerorganization eV), que suporta os comitês técnicos para teste e certificação, desenvolvimento de perfis e integração de sistemas.

Atualmente, Profibus FMS está sendo substituído pelo Profibus DP. FMS aparece principalmente como uma camada de aplicação usada com Profibus DP para aplicações

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antigas. Suas desvantagens são a baixa taxa de transmissão (9600 b/s) e a passagem de bastão na camada de enlace (data link). Com o advento do PROFINET, o FMS tem um papel menos importante.

4. Profibus DP

DP (Descentralized Periphery) significa Periferia Descentralizada.

O Profibus DP é o perfil mais freqüentemente utilizado. É um protocolo otimizado para alta velocidade e conexão de baixo custo, projetado especialmente para a comunicação entre sistemas de controle de automação e seus respectivos I/O distribuídos a nível de dispositivo. O Profibus-DP pode ser usado para substituir a transmissão de sinal em 24 V em sistemas de automação de manufatura assim como para a transmissão de sinais de 4 a 20 mA ou HART em sistemas de automação de processo.

Profibus DP é considerado uma rede de controle e de fieldbus. Ela substitui a antiga Profibus FMS, pois tem uma velocidade muito maior (12 Mb/s). A Profibus Internacional prefere o termo simples Profibus, sem modificador como FMS, DP ou PA, mas a indústria continua usando com os modificadores.

Muitas empresas suportam a comunicação Profibus para seus produtos. Embora tenha começado como uma norma alemã, hoje ela é totalmente internacional e aberta. Por ter origem alemã, sua integração e aplicação com CLPs da Siemens é muito mais fácil.

Em vez de usar a interface de programação FMS, foi criado um método orientado para objeto chamado de GSD (Geratestammdatem ou dado mestre do equipamento). O usuário pode acessar todos os dados disponíveis do equipamento que tiver um GSD. O GSD é muito parecido com a Descrição do Dispositivo (DD) do HART e da Foundation Fieldbus, mas não compartilha o mesmo formato. Estes três arquivos de definição dos protocolos HART, Profibus e Foundation Fieldbus foram harmonizados pela norma IEC 61 804 e também pela ISA 104.

Características

O principal protocolo usado para Profibus DP é mestre-escravo, em que a estação mestre do barramento pesquisa todos os equipamentos escravos em um programa cíclico de dados, garantindo tempo síncrono. Profibus DP não usa uma camada de aplicação, mas todos os programas trabalham diretamente com a camada de enlace (data

link) para máxima eficiência e mínimo atraso. Quando um equipamento escravo recebe um pedido de troca de dado cíclica, o escravo recebe o dado de saída enviado pelo mestre e então envia todos os buffers de dados configurados por atualização cíclica.

O dado transferido entre um mestre e escravo Profibus é formatado de acordo com o GSD para o equipamento remoto. GSDs são definidos para cada equipamento e são parte da certificação para um equipamento satisfazer a norma Profibus. A Profibus Internacional definiu GSDs para muitos equipamentos padrão, mas muitos fabricantes estenderam GSDs para seus equipamentos próprios.

Profibus DP opera sobre cabo blindado com fios trançados usando EIA-TIA 485. As velocidades podem variar com o comprimento do cabo mas são especificadas de 9 600 b/s a 12 Mb/s. Como pode haver somente um mestre por vez, todas as comunicações são meio-duplex (bidirecional, mas não simultânea. Quando um equipamento transmite, o outro não pode transmitir). As estações escravas são ligadas ao longo do cabo (multiponto ou multidrop).

Sistema típico de Profibus DP consiste de um conjunto CLP/PC como controlador central e vários periféricos como:

1. I/O analógicas, discretas ou digitais 2. Drivers AC ou DC 3. Válvulas com atuador pneumático ou

elétrico 4. IHM (Interface Humano Máquina)

Fig.11.40. Profibus PA + Foundation Fieldbus

Fig. 11.41. Profibus PA em controle de processo

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5. Profibus PA

Profibus PA é um protocolo híbrido usando estruturas de comando do Profibus DP mas a mesma camada física do Foundation Fieldbus H1. Profibus PA é aplicada em controle de processo convencional onde há alimentação para o instrumento de campo e suporta a segurança intrínseca, quando necessário. Diferente da Foundation Fieldbus, Profibus PA é uma rede Mestre-Escravo que é uma extensão do Modbus DP.

Normalmente, os instrumentos de campo são fiados para uma caixa de junção de campo, onde eles são terminados em um acoplador Profibus DP/PA. Profibus DP é usado como fieldbus da camada superior de controle para conectar segmentos PA ao mestre do sistema de controle. A alimentação dos instrumentos de campo é geralmente fornecida da caixa de junção. Como não existem barreiras de segurança intrínseca para Profibus DP, sistemas de segurança intrínseca requerem a caixa de junção com o acoplador DP/PA colocada na área não classificada e a barreira de segurança intrínseca é colocada em cada segmento Profibus PA. Os sistemas de segurança intrínseca geralmente evitam o uso do acoplador DP/PA e o segmento Profibus PA é diretamente fiado para um painel de interface no controlador. Um CLP típico pode terminar com até quatro segmentos PA por painel de interface.

Há muitos GSDs desenvolvidos para instrumentos de campo Profibus PA para fazer endereço da sintonia e ajuste dos parâmetros de modo fácil. Estes GSDs são definidos para tipos específicos de instrumentos de campo e dados para o usuário em um CD ROM. Eles são encontrados no web site da Profibus. O GSD é realmente o diretório do objeto para equipamentos Profibus. Há mais de 1000 GSDs listados para uso na configuração de sistemas de controle.

O protocolo Profibus PA usa a camada física IEC 61158-2, mesma que a Foundation Fieldbus H1, onde:

1. Substitui 4 a 20 mA 2. Velocidade de 3125 kb/s 3. Alimentação no barramento 4. Pode usar fiação existente 5. Suporta Segurança Intrínseca O Profibus PA é simplesmente um

barramento I/O, sem camada do usuário, sem controle no campo, todo controle feito no CLP e sem descrição de equipamento.

O protocolo Profibus PA é usado na indústria química ou naquelas que possuem áreas classificadas e requerem instrumentos intrinsecamente seguros. Processos que usam

PA para serviços H1 podem interoperar com locais Profibus FMS e Profibus DP. As comunicações entre redes H1 tipo PA e FMS e DP são manipuladas automaticamente por acopladores de segmento, escolhidos de um grande catalogo de produtos compatíveis. O acoplador de segmento tem as funções de:

1. alimentar os dispositivos PA 2. adaptar a camada física RS 485 para a

camada IEC 1158-2 do PA 3. adaptar a taxa de transmissão de 12

Mb/s no lado RS 485 para 31,25 kb/s no lado PA.

Um segmento FMS suporta automaticamente a taxa de dados de 12 Mb/s da rede DP na mesma fiação.

As redes Profibus de alta velocidade não requerem acopladores de segmento porque a camada física é a mesma para cada segmento.

As funções do protocolo Profibus PA são: 1. possibilita ler e escrever variáveis de

processo e status de dispositivos 2. permite sistemas com um ou vários

mestres (até 127 dispositivos) 3. permite controle, monitoração e

regulação sobre uma rede digital de barramento de campo

4. possibilita funcionalidade adicional para automação de processo.

As características físicas do Profibus PA são: 1. transmissão de baixa velocidade

intrinsecamente segura e não intrinsecamente segura (IEC 1158-2) e alta velocidade não intrinsecamente segura (RS 485 ou fibra óptica).

2. Como recomendado, par trançado blindado transporta dados e potência à taxa de 31,25 kb/s e cabo padrão Profibus e fibra óptica transporta dados à taxa de 12 Mb/s.

3. Estruturas em linha, arvore ou estrela podem ser acoplada ou não acopladas durante operação, com extensão de até 1 900 m e tronco de 120 m.

4. Intercambiabilidade de dispositivos de diferentes fabricantes. O protocolo Profibus fornece o backbone

de um sistema de execução de manufatura que entrega tudo de um comportamento determinístico (tempo real) para uma conectividade corporativa. Quando se escolhe o protocolo PA para processo químico, o processo inteiro é controlado em tempo real de um nó FMS. Se o sistema inclui um gateway Internet, este nó pode colher informação ou carregar código de qualquer lugar do mundo.

A conectividade entre Profibus e rede de automação corporativa (Ethernet, ATM ou TCP/IP) é conseguida através de vários produtos ponte.

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251

Um fator importante no desenvolvimento PA é o reconhecimento que redes intrinsecamente seguras são usadas em áreas classificadas. Este processo não é uma ilha. Seus produtos vão para sistemas que devem ser automatizados em rede de alta velocidade e com instrumentos de uso geral.

Para os usuários mundiais do Profibus, H2 é chamado de Profibus FMS e Profibus DP. Os protocolos FMS e DP interoperam em todas as taxas de dados na mesma rede.

Hoje há mais de 50 fabricantes participando do mercado Profibus PA (a maioria da Europa, como Siemens, Krohne, Pepperl+Fuchs, Samson, H&B).

A interoperabilidade entre Profibus PA e Fieldbus Foundation H1 é esperada, no futuro.

O Perfil da Aplicação (Application Profile) define as opções do protocolo e da tecnologia de transmissão requerida nas respectivas áreas de aplicação e para os vários tipos de dispositivos. Estes perfis também definem o comportamento do dispositivo. Profibus oferece diferente protocolos de comunicação (Communication Profile) que de acordo com a aplicação, pode-se utilizar como meio de transmissão (Physical Profile) qualquer um dos seguintes padrões: RS-485, IEC 61158-2 ou Fibra Ótica.

6.21 Desenvolvimento de dispositivos

Dispositivos Profibus possuem diferentes características de funcionalidade (p. ex.: número de I/O’s, funções de diagnósticos) ou de parametrização da comunicação, tais como taxa de transmissão e tempo de monitoração. Estes parâmetros variam individualmente para cada tipo de dispositivo e de fabricante e são normalmente documentados nos manuais técnicos. Apesar disto, a fim de tornar o Profibus um sistema configurável facilmente, tipo Plug and Play, definiu-se um Arquivo de Dados Eletrônicos do Dispositivo (Arquivo GSD), onde estas informações são armazenadas.

Existem as mais diversas ferramentas de configuração para a rede Profibus, contudo, baseado nestes arquivos GSD, é possível configurar mesmo uma rede Profibus complexa, com os mais diversos dispositivos de diferentes fabricantes, de uma maneira simples, rápida e intuitiva.

6.22. Arquivos “GSD”

As características de comunicação de um dispositivo Profibus são definidas na forma de uma folha de dados eletrônica do dispositivo

(“GSD”). Os arquivos GSD devem ser fornecidos pelo fabricante dos dispositivos.

Os arquivos GSD ampliam a característica de rede aberta, podendo ser carregado durante a configuração, utilizando qualquer ferramenta de configuração, tornando a integração de dispositivos de diversos fabricantes em um sistema Profibus simples e amigável.

Fig. 11.42. Arquivos GSD permitem

configuração aberta Os arquivos GSD fornecem uma descrição

clara e precisa das características de um dispositivo em um formato padronizado. Estes são preparados pelo fabricante para cada tipo de dispositivo e oferecido ao usuário na forma de um arquivo. Seu formato padronizado torna possível a utilização automática das suas informações no momento da configuração do sistema.

O arquivo GSD é dividido em três seções:

Especificações gerais

Esta seção contém informações sobre o fabricante e nome do dispositivo, revisão atual de hardware e software, taxas de transmissão suportadas e possibilidades para a definição do intervalo de tempo para monitoração

Especificações relacionadas ao Mestre

Esta seção contém todos parâmetros relacionados ao mestre, tais como: o número de máximo de escravos que podem ser conectados, ou opções de upload e download. Esta seção não existe para dispositivos escravo.

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Ethernet

A Ethernet é a tecnologia mais utilizada nas redes locais, tendo sido especificada pela norma IEEE 802.3, sendo desenvolvida inicialmente pela Xerox e, posteriormente, pela Xerox, DEC e Intel.

Uma rede Ethernet usa normalmente cabo coaxial ou par trançado, permitindo velocidades até 10Mbps (10Base-T). Os diversos dispositivos que estão ligados à rede competem pelo acesso a ela por meio do protocolo CSMA/CD (“Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection”). Os dispositivos Ethernet têm um endereço de 6 bytes (48 bits), que é atribuído por uma entidade central de forma a não haver endereços repetidos. Há a Ethernet rápida, a 100BASE-T, com transmissão em velocidades de até 100Mbps. É usada, principalmente, para sistemas de backbone que suportam estações de trabalho com acessos à rede de 10Mbps.

Como a 10Base-T, a Ethernet rápida utiliza também o protocolo CSMA/CD para acesso ao meio. O protocolo CSMA/CD permite que se aumente ou diminua o tamanho da rede, sem que a performance e confiabilidade dela se degradem, simplificando sua gestão. Está especificada na norma IEEE 802.4u. Atualmente, desenvolvem-se novas normas dentro desta tecnologia. A primeira é a Gigabit Ethernet (1000Base-T ou 802.3z), que permitirá aumentar a velocidade de transmissão para 1000 Mbps. Foi desenvolvida para funcionar com os mesmos cabos que a 100Base-T, a fim de que qualquer upgrade seja barato e fácil de se realizar. Até agora, a rede de 1000 Mbps é utilizada como backbone das redes de 100 Mbps, mas, à medida em que a tecnologia evolua, as redes de 1000 Mbps serão mais comuns.

Outro desenvolvimento é da norma 10 Gigabit Ethernet, que será baseada nas normas Ethernet precedentes. Serão necessários cabos de maior capacidade (fibra óptica e cabos coaxiais de elevada capacidade), o que irá permitir velocidades de 10000 Mbps.

A rede Ethernet passou por uma longa evolução nos últimos anos se constituindo na rede de melhor faixa e desempenho para uma variada gama de aplicações industriais. A Ethernet foi inicialmente concebida para ser uma rede de barramento multidrop (100Base-5) com conectores do tipo vampiro (piercing) , mas este sistema mostrou-se de baixa praticidade. A evolução se deu na direção de uma topologia estrela com par trançado. As velocidades da rede cresceram de 10 Mbps

para 100 Mbps e agora alcançam 1 Gbps (IEEE802.3z ou Gigabit Ethernet). A Gigabit Ethernet disputa com a tecnologia ATM o direito de ser a espinha dorsal (backbone) das redes na empresa. A outra evolução se dá no uso de hubs inteligentes com capacidade de comutação de mensagens e no uso de cabos full duplex em substituição aos cabos half duplex mais comumente utilizados. Isto faz com que a rede se torne determinística e reduzem a probabilidade de colisão de dados.

A Fieldbus Foundation incorporou a rede

Ethernet dentro de sua especificação H2. Esta rede não visa substituir a rede H1, mas estender seu espectro de aplicação para a interligação de dispositivos como CLPs e sistemas de supervisão. Esta rede usa UDP/IP sobre as camadas de enlace Ethernet. Existe um esforço em se buscar o acoplamento transparente entre as rede Profibus e Ethernet. O que se busca é uma redução dos custos de engenharia e promover uma comunicação mais uniforme entre aplicativos de alto nível e dispositivos de campo.

A rede Ethernet nasceu dos laboratórios Palo Alto Research Center (PARC) da Xerox nos anos 70, inicialmente como uma rede de 2.94 Mbps, utilizando uma linha troco com cabo grosso e tecnologia de derivações tipo piercing. Em 1980 a Intel, Digital e Xerox publicaram o padrão DIX V1.0, estabelecendo a velocidade de 10 Mbps. Em 1985 o comitê IEEE 802.3 publicou a norma IEEE802.3 Carrier Sense Multiple access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications. Esta tecnologia é chamada 802.3 CSMA/CD e não Ethernet. Na verdade os frames definidos pela norma 802.3 CSMA/CD e DIX V2.0 são diferentes.

1. Princípios básicos

Estas são algumas informações adicionais e os princípios básicos do protocolo Ethernet:

1. nos anos 70, a rede Ethernet nasceu dos laboratórios da empresa Xerox;

2. velocidade inicial: 2.94 Mbps; 3. utilização pelo comitê IEEE 802.3 da

norma IEEE802.3 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple access with Collision Detection Access Method and Physical Layer Specifications);

4. linha tronco com cabo grosso e tecnologia de derivações tipo piercing;

5. originou do padrão DIX V1.0 (Intel, Digital e Xerox), com a velocidade de 10 Mbps;

6. a tecnologia é denominada 802.3 e não Ethernet. Os quadros de informações definidos pela norma 802.3 CSMA/CD e DIX V2.0 são diferentes.

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Tab. 11.5. Tipos e normas Ethernet

2. Melhoramentos da rede Ethernet

A rede Ethernet teve que receber várias modificações para se tornar mais adaptada ao ambiente industrial, como:

a) foram criados diversos novos padrões, conforme tabela 1:

b) para reduzir o número de colisões e a conseqüente degradação de desempenho da rede Ethernet, o que a inviabilizava para algumas aplicações industriais, muitos melhoramentos foram realizados, tais como:

1) aumento da banda de 10 Mbps para 100 Mbps;

2) uso de switches: 3) ligar cada dispositivo a um port de um

switch; 4) armazenar a mensagem antes de

retransmití-la a outro nodo; 5) as colisões ficam reduzidas a um único

nodo para transmitir e receber uma mensagem; 6) ligação full duplex entre o dispositivo e

switch. Para que a rede Ethernet se torne um padrão

confiável também na área industrial, ainda existem algumas deficiências a serem vencidas, conforme listadas a seguir:

a) largura de banda é compartilhada e não dedicada: 1) compartilhamento necessita de

arbitragem do barramento sem o conceito de prioridade;

2) compartilhamento resulta em colisões quando 2 (ou mais) dispositivos desejam transmitir seus dados simultaneamente;

3) colisões bloqueiam a rede e impedem outros dispositivos de transmitir seus dados.

b) mais dispositivos em um segmento aumenta a probabilidade de colisão;

c) broadcast de mensagens consome grande banda;

d) não existe como diferenciar o tráfego de alta e de baixa prioridade;

e) não existe como assegurar um caminho de baixo atraso para o tráfego de tempo real. Finalizando este capítulo, pode-se concluir

que as tecnologias de redes industriais estão em contínua evolução, uma vez que as empresas buscam definir padrões com perfis de redes mais seguras e de alto desempenho. Neste contexto, verificou-se o avanço dos sistemas abertos, como é o caso da família de protocolos Fieldbus. Foi visto, também, o padrão Ethernet, largamente instalado em redes comerciais, sofrendo adaptações e melhorias para ser utilizado também em redes industriais. Fig. 11.43. Ethernet tradicional Fig. 11.44. Hubs permitem estações serem

isoladas da rede

Resumindo, a Ethernet tradicional tem as seguintes características:

Rede histórica Todas as estações escutam todas as

outras Há somente uma conversação por vez Podem ocorrer colisões (CSMA/CD)

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CS (Carrier Sense)

Equipamento escuta por canal livre antes de transmitir. Se o canal estiver em uso (um portador é sentido), o equipamento atrasa a transmissão.

MA (Multiple Access)

Muitos equipamentos podem se conectar a um cabo comum e ter acesso igual, quando o canal estiver livre.

CD (Collision Detection)

Dois equipamentos podem sentir um canal livre ao mesmo tempo e começar a transmissão. A colisão irá ocorrer e ambos os equipamentos param de transmitir, esperam algum tempo aleatório diferente entre si e cada um tenta a transmissão de novo.

CSMA/CD

Cada equipamento tem acesso (MA), sem necessidade de diretor de tráfico. Um equipamento que quer tempo na Ethernet primeiro escuta (CS) até que o barramento esteja disponível. O equipamento então tenta enviar seus dados. Se outro equipamento tenta simultaneamente enviar dados, ocorre uma colisão e ambos os equipamentos param (CD). Cada um deles tenta novamente enviar os dados, em tempos de atraso diferentes.

Fig. 11.45. Hub inteligente como roteador Fig. 11.46 Hub inteligente elimina

interferência

4. Vantagens da Ethernet

Redes de Ethernet são implementadas em grande volume, no mundo todo. Sua relação custo / benefício é excelente. Ela está continuamente sendo melhorada. Várias normas IEEE sobre a Ethernet e sua melhoria enfocam três principais áreas de desempenho: velocidade de transmissão, determinismo e confiabilidade.

A redução de colisões é o objetivo da IEEE 802.1p para expedição da classe de tráfego e prioridade da mensagem. A prioridade das mensagens garante a entrega dos dados de tempo critico com tempo de resposta determinístico e resultados repetitivos.

Confiabilidade é o objetivo da IEEE 802.12d para links redundantes. A redundância de links na rede permite a recuperação automática da conectividade da rede quando um link ou um repetidor falha em qualquer local da rede.

A emergência de 100 Mbps tem sido melhorada por duas especificações adicionais para melhorar o desempenho através da banda de passagem aumentada:

IEEE 802.3x para duplex total, permite a transmissão e recepção simultâneas, de modo bidirecional de estruturas Ethernet padrão, usando canais separados de transmissão e recepção.

IEEE 802.3z, para Ethernet Gigabit, que permite um fator de transferência dez vezes mais rápido que as estruturas de formato Ethernet, enquanto mantendo a máxima compatibilidade com a base instalada.

IEEE – Institute of Electrical and Electronics

Engineers IEEE 802.3 – Rede de area local (LAN)

Ethernet. Norma da camada física usando método de acesso CSMA/CD em topologia de bus LAN.

IEEE.802.4 – Norma da camada física usando topologia de bus de bastão (token). Quase idêntica à MAP (Manufacturing Automation Protocol). (MAP é uma especificação e não uma norma).

IEEE.802.5 – Norma da camada física usando topologia de bus de bastão (token).

IEEE.802.6 – Norma de rede para Área Metropolitana (MAN – Metropolitan Área Network) ou Rede Local de Alta Velocidade (HSLN – High Speed Local Network).

IEEE 802.11 – LAN de rádio ou sem fio. IEEE 802.12 – Norma em rascunho para

rede 100BASE VG

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Fig. 11.47. Diferentes redes em diferentes níveis e para diferentes processos Fig. 11.48. Diferentes níveis de redes e locais

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IHM

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12. Bibliografia (Todos estes livros pertencem à Biblioteca do autor e todos os livros, exceto os que os amigos tomaram emprestados e

esqueceram de devolver, foram e são continuamente consultados para a elaboração e atualização de seus trabalhos.)

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