AULA 2 rev 2018.1

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO
DEPARTAMENTO DE OPERAÇÕES E PROJETOS INDUSTRIAIS
INSTRUMENTAÇÃODE PROCESSO
PROF. MARCO ANTONIO GAYA DE FIGUEIREDO
AUL	A 2
NOÇÕES SOBRE ESTRATÉGIA DE CONTROLE
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL
MARCO GAYA
SETEMBRO / 18
INTRODUÇÃO
Apesar do foco da disciplina de instrumentação estar direcionada especificamente a sua adequação na seleção em função das características físico químicas do processo, existe uma forte ligação desta com a disciplina de controle. Como já comentado na primeira aula, seja por força da especificação do instrumento e suas diferentes funções que devem ser cobertas pelos sinais emitidos pelo instrumento, como a sua ação efetiva na malha de controle. Um exemplo está na identificação de instrumentos que contemplam, por exemplo, uma malha de controle de nível. Por ser um sistema que esta ligado a descarga de um equipamento, tem com variável manipulada a vazão de descarga. Imagine sendo um controle de nível de um reator. Como será informado na aula referente ao dimensionamento de válvula de controle. Considera-se que ela está bem dimensionada quanto, em condições normais de operação opera com uma abertura de 50% (a pratica operacional mostra que todos os controles devem operar numa faixa de 25 a 75%,) fora destes limites o sistema não responde adequadamente.
Imagine o caso de um controle de descarga de reator, a válvula de controle de nível, por uma razão qualquer fica operando com abertura entre 75 a 100%, o que deve qual devera ser a atuação do sistema. Em termos práticos a válvula ja está abrindo fora do especificado indicando de algum problema esta concorrendo para a elevação do nível, seja um aumento na vazão de alimentação como um entupimento da válvula. O que deve ser proposto em termos de atuação pela instrumentação? Alarmar ? atuar sobre outro controlador? Derrubar a unidade interrompendo o processo? Estas decisões devem ser consideradas na especificação do instrumento. Daí a importância seja no conhecimento do tipo de sistema a ser utilizado (se um sistema digital de controle distribuído, um sistema digital simples ou com um sistema supervisório com a aquisição de dados ou mesmo um programador lógico controlável) ou no conhecimento da estratégia de controle, identificando as causas que estão concorrendo para este súbito aumento de nível, as barreiras que existem no sistema de controle que permitem a percepção antecipada do problema e logicamente as ações decorrentes do problema. Com por exemplo o fechamento da uma válvula de admissão num valor proporcional ao aumento do nível.
Estas informações são diagnosticadas numa analise de risco, de fora se verificar se a instrumentação proposta possui todas as barreias de proteção auxiliando a operação e se prevê ações que contornem ou elimina o problema de modo a garantir o processo sempre estável .
As instrumentações típicas para as principais operações unitárias já forma apresentadas na primeira aula, não será foco da disciplina discutir se o sistema de controle proposto é por antecipação ou se foi colocado após o processo. Cabe sim a quem esta avaliando e especificando a instrumentação entender sua atuação e consequências, que estão interligadas a estratégia de controle.
Uma visão sobre o sistema de controle “simplificado”
Se formos falar em sistema de controle, primeiro temos que entender a sua finalidade e necessidade. As coisas mudam uma temperatura muda, uma pressão varia, em fim nada permanece constante. Diante disto, para garantir a estabilidade operacional de uma planta, evitando desde problemas na especificação do produto final até a garantia da segurança (do patrimônio, das pessoas, do meio ambiente), e economizando recursos naturais, torna-se necessária que se estabeleça um sistema de controle que anteveja as alterações e atua na manutenção da estabilidade operacional. Isto é controle, isto é o que o engenheiro químico deve fazer num processo.
 ELEMENTOS QUE CONSTITUEM O LAÇO DE CONTROLE (LOOP)
Quando falamos que necessitamos de realizar um controle, temos que nos lembrar de como um “laço” de controle é composto. De uma forma geral, em projetos II, adotamos sempre o tipo de controle por realimentação (a seguir será relembrado), assim, para controlarmos a variável, primeiro temos que ter uma forma de medir, assim temos (não limitado necessariamente a estes elementos):
	
	Variável a ser controlada
	Elemento de medição
	Temperatura
	Termopar
	Pressão
	Célula medidora de diferencial de pressão (DPCELL)
	Nível
	Célula medidora de diferencial de pressão (DPCELL)
	Vazão
	Célula medidora de diferencial de pressão (DPCELL)
Aqui vale uma recordação: 
Nível quase sempre está associado a uma altura de coluna de líquido, o que corresponde a uma pressão. A vazão, de uma forma bem geral está associada a uma determinada queda de pressão por um orifício, ou seja, por uma determinada área, em um diferencial de pressão determinado somente pode passar uma única vazão.
Atualmente todas estas medições podem ser transformadas em sinal de 4 a 20 mA e este sinal é que irá enviar a informação para um sistema que irá atuar na variável manipulada (ou seja a que comanda a variável controlada), assim temos no laço de controla o transmissor de sinal. Em termos de representação temos
Elementos de medição
TE – termopar, os elementos medidores de diferencial de Pressão utilizados para controle de vazão e nível nem sempre são identificados no fluxograma apenas os seus transmissores, ou seja: PT para pressão e LT para nível (não é usual utilizar-se PE e LE representando elemento de medição de pressão e nível pois em ambos os casos na maioria das vezes utilizamos células medidoras de pressão diferencial que já estão devidamente acopladas com os respectivos transmissores)
Elementos de controle.
Os sinais obtidos no campo (pressão, temperatura, etc) de uma forma geral são transmitidos para um sistema de controle (XIC) onde X é a variável controlada (Pressão -P, Temperatura - T , Nivel – L (level) ou Vazão – F (Flow)
Sistemas de atuação.
Tendo o sinal, de uma forma geral, vamos ter que atuar sob uma variável (a manipulada) para controlar o sistema, assim, podemos ter os seguintes tipos de elementos de atuação
Temperatura – TV (caso válvula) – também podemos atuar sobre um módulo de potência que ira alterar a temperatura de uma resistência elétrica
Nível – LV (válvula), Vazão (FV) e Pressão (PV)
Um exemplo de uma laço fechado de controle está mostrado na figura 1
Figura 
1
, Controle de temperatura
 (elemento sensor, transmissor, controlador e válvula de controle
TE
E
O exemplo acima apresentado mostram de forma clara a sistemática de representação de um laço de controle (a variável controlada temperatura e a manipulada, a vazão bem como os elementos que constituem a malha de controle). Apenas como exemplo, em casos críticos ou em especial em plantas muito grandes, a instrumentação e o controle são monitorados por computador (SDCD), por conveniência, segurança ou otimização.
Uma planta para produção de etileno com capacidade para 500.000 t/a tinha em média, 600 loops de controle (década de 80)
TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROLE
Figura 
2
 
Exemlpo
 de malha de 
control
 em trocador de calorO estabelecimento do tipo de controle que será adotado em um processo é muito dependente do conhecimento do processo e das utilidades que serão adotadas. Normalmente, iniciamos a colocação do sistema de controle na unidade adotando um controle simples, os seja, se estamos querendo controlar a temperatura de um trocador de calor, indicamos na representação o elemento de medição de temperatura (TE/TT), transmitimos este sinal para o controlador (TIC) e enviamos o sinal para a variável que identificamos como sendo a responsável pela alteração da temperatura, por exemplo, a vazão de vapor (TV). Assim temos a seguinte representação gráfica:Esta representação é a mais simples e este sistema pode operar tanto de forma manual como de forma automática. 
Em termos de tipos de atuação podemos, alem da atuação manual, onde o operador controla direto do instrumento a variável controlada, e da atuação automática onde estabelecemos um valor de ajuste para a variável controlada e, o instrumento efetua a atuação sobre a variável manipulada sem a interferência do operador. 
Um aspecto a ser lembrado refere-se a velocidade de resposta do sistema a qualquer perturbação da variável controlada, podemos ter as seguintes alternativas:
Principais problemas para o controle de processo
ATRASOS DECORRENTES DO PROCESSO
a. Demora decorrente a absorção de ou troca de energia
b. Atraso de medição (tempo morto)
Atrasos na medição
CONTROLE POR REALIMENTAÇÃO (FEEDBACK)
Quando um desvio da variável que está sendo controlada é detectado, o controlador atua de modo a eliminá-lo, baseado no valor desse desvio. De uma forma simplificada significa que sempre que medimos a variável que estamos querendo controlar estamos utilizando o controle por realimentação (este tipo como visto anteriormente é o tipo mais usual apresentado em uma proposta de projeto de processo)
Figura 
3
 Controle por realimentação
CONTROLE POR ANTECIPAÇÃO (FEEDFORWARD)
Este tipo responde diretamente aos distúrbios, proporcionando um controle “antecipado”
Figura 
4
 Controle por antecipação
Este caso de uma forma geral não é muito utilizado em projetos preliminares pois necessita um conhecimento mais específico e necessita de dados para estabelecer o sistema a ser adotado.
A REPRESENTAÇÃO DOS SISTEMAS DE CONTROLE
Como já largamente abordado esta apostila tem como finalidade apenas servir como um guia para facilitar a identificação da forma como os controles devem ser representados, logicamente que todos os conceitos relacionados a controles serão aprofundados na disciplina de controle, o propósito nesta apresentação é o de mostrar ao aluno algumas alternativas conforme já mostrado nos controles típicos de determinadas operações unitárias. 
O CONTROLE EM CASCATA
Normalmente a primeira representação que é colocada pelo grupo responsável pelo projeto de final de curso, é uma representação simples, ou seja os controles atuam diretamente sobre a variável manipulada. Nem sempre este controle é o mais indicado (note, não estamos afirmando que este controle está errado), se achamos que a variável manipulada pode sofre grandes perturbações, uma melhor forma de se efetuar o controle é colocando um sistema denominado CASCATA. 
Estas perturbações podem ser; variação de pressão de vapor, variação de tensão de corrente, etc.
Figura 
5
 Esquema típico de controle em cascataComo uma definição, podemos dizer que o sistema opera em cascata quando dois controladores trabalham em conjunto, sendo que o sinal de saída de um controla o set point do outro. A atuação de controladores em cascata é bem mais rápida do que o convencional. Um exemplo da representação é mostrado na figura 5
REGRAS
Identificar a variável que provoca a maioria dos distúrbios, ou seja, aquela que mais atrapalha a variável principal.
A malha secundária (vazão) deve possuir uma constante de tempo pequena, é desejável que seja 3 vezes menor que a constante de tempo da malha principal (temperatura).
É mais prático iniciar a sintonia pela malha secundária (vazão), colocando a primária temperatura) em manual.
Um exemplo
O CONTROLE DE RAZÃO
Outra representação que também é muito utilizada em sistemas de controle é o CONTROLE DE RAZÃO este sistema tem uma infinidade de aplicações, todas visando manter uma relação constante entre diversas correntes, por exemplo, podemos estar retornando com uma produto para reciclo direto na unidade e podemos estabelecer um controle entre esta corrente (de reciclo) e a corrente de produto novo. Conforme figura 6 a seguir mostrada.
Figura 
6
 Esquema típico de controle de razão
Como outras aplicações para a utilização de controle de razão temos; controle de adições em sistema reacional, controle da relação gás /ar em sistemas de queima entre outros.
Controle seletivo
IDENTIFICANDO OS CONTROLES EM EQUIPAMENTOS DE PROCESSOS
A implantação de um sistema de controle em um processo, naturalmente queira ser função do nível de conhecimento das variáveis controladas, assim se o processo envolve uma reação química, temos que saber se existe a liberação de calor, se precisamos ceder calor para iniciar a reação, se precisamos controlar a pressão (como esta pressão sofre variações). Se for um processo catalítico temos que conhecer o comportamento da reação, a geração de calor, em fim temos que saber no mínimo as condições de contorno do sistema para avaliar como será controlado.
Por outro lado, também temos que identificar como os insumos serão controlados, por exemplo em processos contínuos normalmente controlamos as vazões de entrada, em processo em batelada (lotes) apenas controlamos as quantidades carregadas no reator (além de controlar as condições da reação).
Em determinados casos, em reações em batelada, o tempo de elevação de temperatura de uma determinada massa reacional pode ser limitante o que nos leva a avaliar a necessidade de aquecer um dos insumos carregados no reator.
Além de conhecer as informações sobre o processo de obtenção do produto principal, temos que conhecer todas as operações que serão utilizadas nas etapas de separação e purificação do dele. O conhecimento das operações envolvidas basicamente define o controle a ser utilizado.
Por exemplo se estamos efetuando uma primeira purificação por decantação, temos que trabalhar com um controle de nível. Se a separação é precipitação partindo de uma solução insaturada, temos que saber que o processo envolve: evaporação para concentrar a solução até o nível de super saturação e uma refrigeração para precipitar todo o material, assim teremos que ter controle de temperatura.
Um aspecto deve, no entanto ser considerado, NÃO EXSITE UMA ÚNICA SISTEMÁTICA DE CONTROLE PARA UM PROCESSO, SEMPRE EXSTEM ALTERNATIVAS EM FUNÇÃO DO CONHECIMENTO DO PROCESSO.
A abordagem a ser adotada neste trabalho será a seguinte, inicialmente serão apresentados aspectos relacionados com a concepção do equipamento ou do processo unitário e considerando estes aspectos, mostrado um exemplo da instrumentação 
TANQUES E VASOS DE ARMAZENAMENTO
Como já apresentado na aula sobre dimensionamento de equipamentos, a diferença fundamental entre vasos e tanques está na pressão de armazenamento. TANQUES, identificamos como sendo os equipamentos de acúmulo que não estão sujeitos a pressão, são atmosféricos e não são relacionados na Norma reguladora 13. VASOS, equipamentos de acúmulo submetidos a pressão.
A instrumentação adotada para estes equipamentos está fortemente relacionada com a função exercida por eles no processo, assim temos:
TANQUES OU VASOS DE ARMAZENAMENTO (estocagem)
Estes equipamentos são responsáveis pelo recebimento e fornecimento de insumos para o processo ou para estocar os produtos e posterior fornecimento ao mercado. Logicamente estão fortemente associados as características dos produtos estocados (leves / pesados, etc.). De uma forma geral o critério de dimensionamento envolve a forma como o produto é recebido e, logicamente o tempo de residência daí, de uma forma geral, dimensionamos o equipamento para receber uma determinada carga (no mínimo equivalente a um caminha de fornecimento de produto que tem 5. 10, 15, 30 ou 45 m3) com uma folga que deixe sempre o tanque com espaço para receber um caminhão (não é usual deixar um caminhão parado esperando espaço no tanque) desta forma os equipamentos adotados são. Nível com vários níveis de alarme (alto e altíssimo, operação, baixo e muito baixo) Pressão (a depender do produto estocado) e temperatura conforme mostrado na figura7.
Figura 
7
 Esquema típico de controle em vaso de armazenamento aquecido
No exemplo acima identificamos um tanque de armazenamento de um produto que flui a temperatura acima da ambiente, verificamos que neste caso temos o sistema de controle de temperatura e o sistema de indicação de nível com os alarmes de nível alto e baixo
TANQUES OU VASO DE ARMAZENAMENTO (processo)
Para fins de separação, podemos identificar tanques ou vasos de armazenamento usados para processo, como sendo equipamentos que operam em armazenamento intermediários, ou seja, são dimensionados com um tempo de residência pequeno (10 a 15 minutos) ou em caso de unidades pequenas, com um tempo de residência de até 8 horas.
Nestes equipamentos, usualmente temos uma bomba retirando material deste equipamento e transferindo para outra seção. Desta forma. A preocupação está fundamentalmente em não ter um nível alto para evitar transbordamentos e nível baixo para evitar a cavitação da bomba. Em certos serviços podem apenas servir como um sistema intermediário e alimentam outra área (por gravidade ou mesmo por bombeamento), neste caso podemos ter um controle de nível atuando na válvula de descarga.
A figura 8 mostra um tanque de armazenamento intermediário que alimenta a matéria prima para outra seção, Neste sistema identificamos o sistema de controle de nível atuando na válvula colocada na descarga da bomba. A alimentação do tanque é proveniente de outra seção não representada no sistema.. Os controles típicos das diferentes operações unitárias já foram apresentados junto com as operações unitárias na primeira aula.
Figura 
8
 Esquema típico de instrumentação em vaso de processo
ESTRATÉGIA DE CONTROLE
Considerando que o objetivo deste trabalho é o de apresentar ao aluno de instrumentação informações básicas para poder elaborar um fluxograma de processo e um P&I, neste item será abordado não apenas informações gerais sobre os diferentes tipos de sistemas de controle como também aspectos relacionados com as atuações relacionadas com ao sistema proposto para o processo.
Para fins de padronização, a estratégia de controle será definida como sendo constituída dos seguintes itens:
Definição preliminar do tipo de sistema de controle que será proposto no projeto (se multi loop (com ou sem supervisão, ou seja micro computador acoplado ao sistema) SDCD ou FieldBus – sistemas independentes)
Atuações de segurança realizadas pelos controladores (Intertravamento e Sistema de segurança)
Conforme já apresentado no início do curso, o projeto de processo é o primeiro passo para o estudo da viabilidade técnica e econômica do projeto. Sendo viável, a ordem natural seria do projeto de processo ser enviado para a elaboração da engenharia básica e desta para o detalhamento. Na engenharia básica, todos os aspectos considerados no projeto são revisados, porém sob a ótica da especialidade ou seja, o processo é revisto por equipe especializada em processo, os vasos avaliados pelo pessoal de mecânica, os equipamentos rotativos (bombas compressores, etc) pelos técnicos especialistas, a instrumentação pelo pessoal de instrumentação em fim cada segmento analisa uma determinada operação unitária.
No detalhamento, as informações fornecidas pela engenharia de básica são revisadas passando para especificações técnicas de aquisição, fabricação, etc. O engenheiro responsável pela elaboração do processo normalmente acompanha todas estas etapas pois ele é o responsável pela concepção do processo e naturalmente cada alteração poderá alterar a qualidade final do produto ou mesmo criar problemas de operação.
Tomando como base o acima exposto iniciamos, a abordagem sobre “Estratégia de Controle” falando um pouco sobre a “FORMA” como a instrumentação que propomos no fluxograma de instrumentação e tubulação (P&I) é implementada na unidade.
Não vamos aqui entrar na disciplina de instrumentação nem relembrar o passado, nesta apostila somente falaremos em sistemas digitais (apenas fábricas antigas utilizam sistemas analógicos e registradores), vamos partir da identificação dos controladores. 
Quando colocamos controladores (PIC , LIC, FIC, etc.) estamos recebendo, normalmente um sinal de 4 a 20 mA, o instrumento processa este sinal (na calibração 4 A implica no menor valor e 20 A no maior) o compara com o valor ajustado “Set Point” e envia um outro sinal que irá atuar sobre a variável manipulada. Toda esta operação atualmente é realizada por um controlador ‘Multi-Loop”. Estes controladores permitem a comunicação com um micro computador.
Fisicamente estes equipamentos são montados em um painel de controle e possuem embutido no seu interior programas que são acessados de forma a possibilitar uma série de acertos e ajustes no sistema de controle (linerização, rampas etc.)
Desta forma, se no P&I encontramos por exemplo 04 controladores, estes controles podem ser realizados por um único instrumento. Quanto aos gráficos, todos estes controladores possuem saídas que podem ser ligadas aos registradores digitais mostrando o comportamento da variável controlada.
Logicamente que estes controladores também tem saídas que podem ser ligadas a um anunciador de alarmes, informando quando um parâmetro está fora de controle.
Aqui vale ressaltar que não estamos propriamente falando da estratégia de controle, estamos apenas informando como o controle é montado fisicamente (existem outras formas de controle que serão sumariamente abordadas neste trabalho).
De uma forma bastante simplificada, a utilização destes controladores é grande, logicamente que existem prós e contras, seja sob a ótica de gasto com mão de obra como o gasto com manutenção. Um controlador destes exige, de uma forma simplificada, um operador atuando.
Quando temos uma grande quantidade de laços de controle, implicando numa quantidade significativa de controladores, temos uma série de alternativas que podem ser escolhidas, naturalmente cada uma delas com a sua vantagem e desvantagem. Podemos por exemplo utilizar um software que se comunica com todos estes controladores, elabora os gráficos e permite a atuação nos set points via teclado, entre outras facilidades, por exemplo o FIX.
Como uma evolução dos sistemas de controle, na busca da “minimização” dos gastos e numa maior flexibilidade operacional, foi desenvolvido o sistema digital de controle distribuído ou SDCD. De uma forma bastante simplificada podemos dizer que estes sistemas são dotados de cartões que executam diversas funções de controle. Estes cartões substituem os controladores multi loop e no caso de problemas podem ser rapidamente substituídos sem perda de controle da unidade. São sistemas caros e adotados em processos que utilizam uma grande quantidade de controladores. Os SDCD´s são sistemas “cativos”, ou seja, operam diretamente interligados a uma estação de controle (semelhante a um PC).
Como uma alternativa ao SDCD, estão sendo introduzidos nas unidades industriais os sistemas de controle tipo FieldBus. Estes sistemas, também de uma forma simplificada são dotados de Hardwares que executam os mais diversos tipos de controles, com uma grande flexibilidade tanto na montagem como na operação. Operam ligados diretamente a um PC.
Uma das vantagens da utilização do sistema FieldBus em substituição aos SDCD´s está na forma de interligação entre o painel e o campo. Tanto nos sistemas multi-loop como no SDCD são necessários pares de fios para a transmissão do sinal. No caso do sistema Fielbus apenas um cabo efetua a comunicação entre uma determinada quantidade de instrumentos, facilitando a montagem e manutenção.
Para fins do projeto de processo, definido os controladores necessários, deve-se definir qual o sistema será adotado (na prática esta definição é feita inicialmente pelo engenheiro de processo, passando, posteriormente, na etapa de engenharia básica ou mesmo no detalhamento uma avaliação econômica para verificar qual a mais viável).