Malhas de Pressão e Temperatura

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Medição e Controle: Malhas de Controle de Pressão e Temperatura
Alberto
Bárbara Leitão
Bruno Motta
Camila Bicalho
Daniel Neto
Mateus Sancler
Raquel
Malhas de Controle
Qual é o objetivo de um sistema de controle?
Manter as características importantes no processo nos valores desejados (setpoints), apesar dos efeitos de perturbações externas.
PLANTA
CONTROLE
PERTUBAÇÕES:
Merdado, Economia, Variações Climáticas...
PERTUBAÇÕES:
Merdado, Economia, Variações Climáticas...
São estruturas utilizadas para realizar o controle de um dado sistema que necessita ser observado para medir as variáveis de saída. Para que o sistema tenha uma maior precisão e fazer com que ele reaja à perturbações externas, o sinal de saída é comparado com um sinal de referência, gerando assim uma diferença que será usada para determinar o sinal de controle. 
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Conceitos Básicos
PLANTA: Parte ou conjunto de equipamentos que funcionam integrados como um sistema.
PROCESSO: Conjunto de equipamentos interligados e procedimentos usado para converter matéria-prima em produto acabado através de mudanças químicas, físicas, mecânicas ou térmicas.
PERTURBAÇÃO: Sinal que tende a afetar adversamente o comportamento da saída do sistema. Uma perturbação pode ser externa ,funcionando como uma entrada, ou interna ao sistema.
VARIÁVEIS: Em cada processo temos variáveis (T, F, x, P, etc.) que indicam o ESTADO do processo, em cada instante (comportamento dinâmico).
Conceitos Básicos
SISTEMAS: É uma combinação de componentes que atuam conjuntamente e realizam um certo objetivo.
VARIÁVEL DO PROCESSO (PV): Qualquer quantidade, propriedade ou condição física medida a fim de que se possa efetuar a indicação e/ou controle do processo (neste caso, também chamada de variável controlada).
VARIÁVEL MANIPULADA (MV): É a grandeza que é operada com a finalidade de manter a variável controlada no valor desejado.
SET POINT (SP): É um valor desejado estabelecido previamente como referência de ponto de controle no qual o valor controlado deve permanecer.
Malhas de Controle
Com um controle mais eficiente tem-se:
menor desvio padrão na saída
maior proximidade entre o set-point e a especificação
maior otimização
Tipos de Malha
Sistema de Controle em Malha Aberta: utiliza um dispositivo atuador para controlar o processo diretamente. 
 
Tipos de Malha
Sistema de Controle em Malha Fechada: usa uma medida da saída e uma realimentação deste sinal para uma comparação com a saída desejada (resposta de referência). 
No sistema clássico de controle em malha fechada, sua forma mais usual é constituído por componentes contínuos ou analógicos, o sinal de saída possui um efeito direto na ação de controle. O sinal de erro corresponde à diferença entre valores de referência e de realimentação, é introduzido no controlador de modo a reduzir o erro e manter a saída do sistema num valor pretendido pelo operador. 
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Estratégias de Controle
Controle Realimentado (Feedback Control)
- A correção é feita pelo aparecimento de um erro (desvio) da variável de processo.
Controle Antecipatório (Feedforward control)
- Tomada de decisão da correção pelo aparecimento de um desvio em outras variáveis de operação (que não seja a variável controlada).
OBS: O CONTROLE REALIMENTADO É O COM MALHA FECHADA.
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Estratégias de Controle
Controle Cascata
- Baseia-se no conceito de realimentação atuando em cascata via instrumentação adequada.
Controle por Razão;
Controle Seletivo e Override;
Controle por Faixa Dividida (Split Range);
Controle Adaptativo;
Controle Neural;
Controle Nebuloso (Fuzzy).
Componentes da Malha
O que constitui um sistema de controle?
Sensores: Instrumentos de medição que informam de modo contínuo os valores das variáveis de processo.
Controladores: Instrumentos de controle que fazem a tomada de decisão e ação de atuação sobre o 
processo.
Atuadores: Permitem implementar a ação de correção.
Controle de Temperatura 
É composta de um medidor de temperatura, um controlador e um aquecedor. Esses instrumentos são dedicados em sua função e podem enviar dados diversos para outros dispositivos ou outras malhas no processo. 
Na figura 1, o controlador basicamente mede a saída do processo (neste caso, a temperatura), compara com o valor desejado (setpoint), encontra o erro, e calcula uma saída de controle para modificar a posição da válvula de controle até que o erro seja eliminado ou permaneça dentro de limites considerados como nulos.
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Controle de Temperatura
Como veremos mais tarde, estamos diante de uma malha de controle do tipo ON-OFF. O sinal
de controle apenas pode assumir dois valores. Na maior parte dos casos , como se verá, a
função que relaciona o sinal de controle com o desvio é muito mais elaborada. Podemos agora
representar um diagrama simbólico das várias funções e variáveis encontradas (fig.2.2). Alguns
dos elementos de medida e os elementos de comparação e de computação fazem
normalmente parte do instrumento chamado de “CONTROLADOR”.
Fig.2.2 - Diagrama das funções e variáveis envolvidas no controle de temperatura.
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Controle de Temperatura
O TT fornece o sinal (PV), que representa o estado do processo. Os TIC compara o PV com o SP e abre e fecha o EFC para manter o processo estável.
Observa-se que, para a correção da variável controlada (temperatura), deve-se atuar sobreoutra variável ( quantidade de calor fornecida através do trocador de calor). 
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Controle de Temperatura Manual
O operador é que está efetuando o controle através de sua observação e de sua ação manual, sendo portanto, um caso de “Controle Manual”
Inicialmente considere o caso em que um operador
detém a função de manter a temperatura da água quente em um dado valor. Neste caso, um
termômetro está instalado na saída do sistema , medindo a temperatura da água quente. O
operador observa a indicação do termômetro e baseado nela, efetua o fechamento ou abertura
da válvula de controle de vapor para que a temperatura desejada seja mantida.
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Controle de Temperatura Automático
Neste caso, este sistema atua de modo similar ao operador, tendo então um detector de erro, uma unidade de controle e um atuador junto à válvula, que substituem respectivamente os olhos do operador, seu cérebro e seus músculos.
Considere agora o caso da figura 2.4, onde no lugar do operador foi instalado um instrumento
capaz de substituí-lo no trabalho de manter a temperatura da água quente em um valor
desejado. Neste caso, este sistema atua de modo similar ao operador, tendo então um detector
de erro, uma unidade de controle e um atuador junto à válvula, que substituem respectivamente
os olhos do operador, seu cérebro e seus músculos. Desse modo, o controle da temperatura da
água quente é feito sem a interferência direta do homem, atuando então de maneira
automática, sendo portanto um caso de “Controle Automático”.
F.1 - Malha de controle com um controlador
Infelizmente, na prática, não é bem assim que as coisas funcionam. Existem limites. As válvulas de controle se saturam. É impossível abrir uma válvula mais que 100%. Inclusive, há casos onde a própria dinâmica do processo faz com que variações muito bruscas ocorram, seja por alteração de carga, ou mesmo por modificação no valor do setpoint. E por vezes, tal distúrbio acontece em tamanha magnitude, ou dura tanto, que um único controlador convencional PID não é capaz de atuar a tempo, e o “controle” é então perdido. 
Para contornar este tipo de problema, algumas estratégias de controle podem ser utilizadas. Uma delas consiste em associar controladores PID de maneira tal, que de acordo com a sua configuração, conseguem solucionar este tipo de problema. Dentre elas, destacamos: Controle em Cascata, Controle de Relação (ou Razão), Split-range e Feedforward. 
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Controle de Temperatura Malha Fechada (Feedback)
Variações na temperatura de saída são detectados pelo sensor do transmissor e enviada para o controlador fazendo com que o sinal
de saída do controlador varie. Isto é, por sua vez faz com que a posição da válvula de controle e, consequentemente, o fluxo de vapor mude. As variações no fluxo de vapor faz variar a temperatura de saída, completando assim o ciclo.
Controle de Temperatura Cascata
A malha de controle possui um controlador de vazão exclusivo para manter a vazão de óleo combustível independentemente das variações de pressão encontradas em sua tubulação. 
A malha de controle possui um controlador de vazão exclusivo para manter a vazão de óleo combustível independentemente das variações de pressão encontradas em sua tubulação. Quem define o valor de vazão é o controlador de Temperatura (TIC), e uma vez ajustado este valor, que é em função do setpoint e/ou da demanda de fluido a ser aquecido, “qualquer” variação da pressão Pe sensibilizará o controlador de vazão (FIC) através da sua medição (por FE) que, por sua vez, irá agir alterando a abertura da válvula TCV para que o valor de vazão Qc determinado pelo TIC seja constante.
Desta forma, mantém-se o valor da vazão de óleo combustível dependente somente do sinal de controle enviado pelo controlador indicador de temperatura (TIC). Conseqüentemente nota-se que a temperatura Ts tem pouca variação, pois sempre que houver uma oscilação de pressão em Pe não será mais preciso esperar o controlador de temperatura perceber a alteração do valor de Ts, para daí então agir sobre a TCV. Mas sim, o controlador de vazão (FIC) é que se responsabilizará por manter a vazão constante “independente” do valor da pressão Pe. Neste contexto, podemos definir que em uma malha de controle do tipo cascata existem no mínimo dois controladores: o controlador mestre, neste caso o TIC, e o controlador escravo, que neste exemplo é o FIC. 
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Controle de Pressão
No processo abaixo um fluido é adicionado a um vaso de processo. Se o sistema de controle falhar por uma condição de pressão muito alta, ocorre um alívio de segurança, 
A figura 5 mostra um processo simples onde um fluido é adicionado continua e automaticamente a um vaso de processo. Se o sistema de controle falhar por uma condição de pressão muito alta, ocorre um alívio de segurança, produzindo um odor indesejável fora da planta.
Os Sistemas de Seguranças Instrumentados (SIS) são utilizados para monitorar a condição de valores e parâmetros de uma planta dentro dos limites operacionais e quando houver condições de riscos devem gerar alarmes e colocar a planta em uma condição segura ou mesmo na condição de shutdown.
As condições de segurança devem ser sempre seguidas e adotadas em plantas e as melhores práticas operacionais e de instalação são deveres dos empregadores e empregados. Vale lembrar ainda que o primeiro conceito em relação à legislação de segurança é garantir que todos os sistemas sejam instalados e operados de forma segura e o segundo é que instrumentos e alarmes envolvidos com segurança sejam operados com confiabilidade e eficiência.
Os Sistemas Instrumentados de Segurança (SIS) são os sistemas responsáveis pela segurança operacional e que garantem a parada de emergência dentro dos limites considerados seguros, sempre que a operação ultrapassar estes limites. O objetivo principal é se evitar acidentes dentro e fora das fábricas, como incêndios, explosões, danos aos equipamentos, proteção da produção e da propriedade e mais do que isto, evitar riscos de vidas ou danos à saúde pessoal e impactos catastróficos para a comunidade. Deve-se ter de forma clara que nenhum sistema é totalmente imune a falhas e sempre deve proporcionar mesmo em caso de falha, uma condição segura.
Durante muitos anos os sistemas de segurança foram projetados de acordo com os padrões alemães (DIN V VDE 0801 e DIN V 19250) que foram bem aceitos durante anos pela comunidade mundial de segurança e que culminou com os esforços para um padrão mundial, a IEC 61508, que serve hoje de guarda-chuva em seguranças operacionais envolvendo sistemas elétricos, eletrônicos, dispositivos programáveis para qualquer tipo de indústria. Este padrão cobre todos os sistemas de segurança que têm natureza eletromecânica.
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Controle de Pressão
PSV
São aplicadas aliviando o excesso de pressão de forma rápida e instantânea com têm abertura proporcional ao aumento de pressão ao qual ela está instalada e após ser atingida a pressão de ajuste. 
Válvula de Segurança e Alívio, ou mais comumente chamada de PSV (do inglês Pressure
Safety Valve), ou ainda PRV (do ingles Pressure Relief Valve) é um dispositivo automático
de alívio de pressão que pode ser usado como uma válvula de alívio ou de segurança,
dependendo da aplicação. Uma válvula de segurança é usada para proteger o pessoal do
entorno (operadores, manutentores e publico em geral) e equipamentos, impedindo o
acúmulo excessivo de pressão, com um possivel explosão.
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Controle de Pressão
Malha de controle de pressão
Estudar a malha pra explicar, essa é bem completa e interessante!!
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Controle de Pressão Split-Range
Na figura abaixo, observamos um processo onde o objetivo é controlar a pressão no interior do tanque. A lógica de controle consiste em regular o percentual de abertura das duas válvulas de forma que a pressão fique constante dentro do reservatório
Quando uma válvula de controle sozinha não é capaz de controlar o valor de vazão necessária para o processo, podemos recorrer à técnica de “Split-Range”, traduzindo: “Range dividido”, onde, através de duas ou mais válvulas de controle, neste caso duas, a FCV-1A e FCV-1B, é possível contornar este problema. Para isso, basta ajustar o range de atuação (0 a 100% de abertura) de cada válvula para 50% do sinal de saída do controlador (FIC). Desta forma, de 4 até 12 mA, ou seja, de 0 a 50% do sinal de controle (saída do FIC) a FCV-1A abre de 0 a 100%; caso isto não seja suficiente, e por sua vez o erro ainda persistir, obviamente o sinal de saída do controlador (FIC) aumentará, neste caso, a FCV-1B começará a abrir acima de 12 mA, e atingirá 100% de abertura com 20 mA. 2) Quando é necessário utilizar dois elementos finais de controle indiferente da situação (figura 11).
No exemplo da figura 12, observamos um processo onde o objetivo é controlar a pressão no interior do tanque. Temos dois elementos finais de controle, a válvula FCV-1A (que é responsável pela admissão de gás) e a FCV-1B, que é responsável pela exaustão de gás. A lógica de controle consiste em regular o percentual de abertura das duas válvulas de forma que a pressão fique constante dentro do reservatório: abre-se a FCV-1A e fecha-se a FCV1-B para aumentar o valor da pressão, e fecha-se FCV-1A e abre-se a FCV-1B para diminuir.
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Controle de Pressão Auto-operado
O controle obtém toda a energia necessária ao seu funcionamento do próprio meio controlado.
Controle em que a energia necessária para movimentar a parte operacional pode ser obtida
diretamente, através da região de detecção, do sistema controlado. Deste modo, este controle
obtém toda a energia necessária ao seu funcionamento do próprio meio controlado. Este
controle é largamente utilizado em aplicações de controle de pressão e menos comumente no
controle de temperatura, nível, etc. A figura 2.5 mostra um exemplo típico de sistema de
controle de pressão, utilizando uma válvula auto-operada.
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Referências
http://sistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5817066/157/Controle.pdf
file:///C:/Users/Barbara/Downloads/Aula12_Introd_Malhas_Fev2013.pdf