Instrumentação Parte 1

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UNIVERSIDADE PAULISTA – UNIP
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
ENGENHARIA MECATRÔNICA / ELÉTRICA
Instrumentação - Profº Ademir 
Instrumentação 
& 
Controle de Processos
Parte 1
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Instrumentação - Profº Ademir 
Definição => é a ciência que aplica e desenvolve técnicas para adequação de instrumentos de medição, transmissão, indicação, registro e controle de variáveis físicas em equipamentos nos processos industriais.
A instrumentação é responsável pelo rendimento máximo de um processo, fazendo com que toda energia cedida, seja transformada em trabalho na elaboração do produto desejado.
As principais grandezas que traduzem transferências de energia nos processos são: PRESSÃO, NÍVEL, VAZÃO e TEMPERATURA as quais denominamos de variáveis de um processo.
 
Instrumentação
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Processo Industrial
é definido como um conjunto de operações onde se varia uma ou mais características física ou química de um determinado material. 
Exemplos:
destilação, filtração ou aquecimento (operação unitária) pode ser considerado uma etapa de um processo;
uma tubulação por onde escoa um fluído, um reservatório contendo água, um aquecedor ou um equipamento qualquer (controle) é denominado de processo.
Na grande parte dos processos industriais é exigido um alto nível de controle e monitoração na fabricação de seus produtos. Os processos são muito variados e abrangem muitos tipos de produtos como por exemplo: a fabricação dos derivados do petróleo, produtos alimentícios, indústria de papel e celulose, hidroelétricas, termoelétricas, etc....
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Variáveis de um Processo
Um processo pode ser controlado através de medição de variáveis que representam o estado atual deste e ajustado automaticamente através de outras variáveis, de maneira a se conseguir um valor desejado para a variável controlada.
Temos então as variáveis de um processo que são as condições internas ou externas que afetam o desempenho de um processo.
Em processos industriais é absolutamente necessário controlar e manter constantes algumas variáveis de processo, tais como pressão, vazão, temperatura, nível, pH, condutividade, velocidade, umidade, etc..... 
Essas variáveis são denominadas de variáveis de processo.
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A variável controlada de um processo é aquela que mais diretamente, indica a forma ou o estado desejado de um produto. Considerando por exemplo, um sistema de aquecimento de água mostrado na figura abaixo, neste caso a temperatura da água é a variável controlada.
Variável Controlada
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Variável Manipulada
A variável manipulada de um processo é aquela sobre a qual o controlador automático atua, no sentido de manter a variável controlada no valor desejado. A variável manipulada pode ser qualquer variável de um processo que cause uma variação na variável controlada e que seja fácil de se manipular. Para o aquecedor da figura abaixo, a variável manipulada pelo controlador será a vazão de vapor.
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Meio Controlado - É a energia ou material do processo no qual a variável é medida e controlada. No exemplo anterior a água é o meio controlado.
Agente de Controle - É a energia ou material de processo do qual a variável manipulada é uma condição ou uma característica. No exemplo anterior a temperatura do vapor é o agente de controle.
Elemento primário ou sensor - São dispositivos com os quais conseguimos detectar alterações na variável de processo (variável controlada).
Elemento final de controle (EFC) - Dispositivo cuja função é modificar o valor de uma variável de processo (variável manipulada) que leve o processo ao valor desejado (set-point).
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Outros termos e dispositivos associados aos processos
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Exemplo Processo Industrial (Controle Temperatura) 
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Processo ou Sistema Produtivo: é um conjunto de operações onde se varia uma ou mais características física ou química de um determinado material.
Variáveis de processo: todas as variáveis envolvidas em um processo de controle
Variável Manipulada: vazão de vapor
Variável Controlada: temperatura da água
Set-Point: valor desejado de temperatura
Controlador: elemento responsável pelo controle do processo
Meio Controlado: água
Agente de Controle: vapor
Elemento Final de Controle (EFC): válvula de controle de vazão de vapor
Elemento Primário de Controle: sensor de temperatura
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Exemplo Processo/Sistema Produtivo 
Aplicação Industrial – Refino de Petróleo
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Exemplo Processo/Sistema Produtivo 
Aplicação Industrial – Usinas Geração Energia
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Exemplo Processo/Sistema Produtivo 
Aplicação Residencial – Controle Temperatura (Calefação)
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Controle de Processos
Controle: define-se controle como sendo o objetivo de manter um comportamento desejado, em relação aos sinais de entrada em um sistema.
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Controle de Processos
Tipos de Variáveis de Processo
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Controle de Processos
Componentes de um Sistema de Controle
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Controle de Processos
Tipos Sistemas de Controle
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Controle de Processos
Tipos de Malhas de Controle
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Malha aberta (sem retroação) => utiliza um dispositivo de atuação para controlar diretamente o processo sem usar retroação.
Variáveis de entrada: pressões, temperaturas, vazões, composições químicas, entre outras, dos fluxos de entrada dos processos. Também serão utilizadas como variáveis manipuladas, isto é, aquelas que iremos variar para controlar o sistema. 
Variáveis de saída: por exemplo, pressões, temperaturas, vazões, composições químicas, dos fluxos de saída ou dentro dos processos. Serão as variáveis controladas, isto é, aquelas que queremos controlar. 
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Controle de Processos
Tipos de Malhas de Controle
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Controle de Processos
Tipos de Malhas de Controle
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Malha fechada (com retroação) => utiliza uma medida adicional da saída real para comparar com a resposta desejada, esta medida de saída é chamada retroação.
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Controle à Realimentação (feedback) - A maneira tradicional de se controlar um processo é medir a variável a ser controlada, comparar seu valor com o valor de referência, ou set point do controlador, e alimentar a diferença, o erro, em um controlador que mudará a variável manipulada de modo a levar a variável medida (controlada) ao valor desejado. Nesse caso, a informação foi realimentada da saída, subtraída do valor de referência para, então, alterar a variável manipulada de entrada, como mostrado na figura abaixo. 
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Tipos de Malhas de Controle
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Controle Antecipativo (feedforward) - Esta estratégia foi difundida posteriormente à realimentação negativa e se aplica a processos com grandes atrasos. A técnica, mostrada na figura abaixo, consiste em detectar o distúrbio assim que este ocorre no processo e realizar a alteração apropriada na variável manipulada, de modo a manter a saída igual ao valor desejado. Dessa forma, a ação corretiva tem início assim que o distúrbio na entrada do sistema for detectado, em vez de aguardar que o mesmo se propague por todo o processo antes de a correção ser feita, como ocorre na realimentação. 
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Tipos de Malhas de Controle
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Estabilidade - Um processo é instável se sua saída ficar cada vez maior. A figura abaixo mostra alguns exemplos. Num sistema real sempre haverá um limite para as oscilações, porque existirá alguma restrição física, como uma válvula que ficará totalmente aberta ou fechada. Um sistema linear estará exatamente no limite de estabilidade se oscilar, mesmo não havendo perturbação na entrada, e a amplitude da oscilação não decair. 
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