Automação de sistemas

Prévia do material em texto

Introdução à Automação de Sistemas e à
Instrumentação Industrial
● Conceitos Básicos de Sistemas Dinâmicos e Controle
● Instrumentação para Controle
● Controle Discreto
● Tecnologias Utilizadas na Automação
● Exemplos
1/17
Conceitos Básicos de Sistemas Dinâmicos e Controle
O Conceito de Sistema
[Figura]
“Uma agregação ou montagem de coisas de tal forma
combinada pela natureza ou pelo homem que forma um
todo integral ou complexo.” [Enciclopédia Americana]
“Um grupo de coisas interatuantes e interdependentes que
formam um todo unficado.” [Dicionário Webster's]
“Uma combinação de componentes que agem
conjuntamente para completar uma função não possível
para quaisquer das partes individuais.” [Dicionário Padrão da
IEEE de Termos Elétricos e Eletrônicos]
2/17
O processo de Modelagem de Entrada e Saída
[Figura]
● Modelo de um Sistema
● Um dispositivo que simplesmente duplica o
comportamento do sistema propriamente dito.
● Processo de Modelagem
● Começa por definir um conjunto de variáveis
mensuráveis associadas ao sistema.
● Definidas por funções temporais.
● O tempo é uma variável independente
● Variáveis de Entrada
● Subcojunto de variáveis que pode-se fazer variar ao
longo do tempo. 
● Variável de entrada: ui(t), 1 ≤ i ≤ m
● Entrada do sistema: u(t) = [u1(t) ... um(t)]T
● Variáveis de Saída
● Subconjunto de variáveis que podem-se medir
diretamente enquanto se variam as variáveis de
entrada.
● Variável de saída: yj(t), 1 ≤ j ≤ n
● Saída do sistema: y(t) = [y1(t) ... yn(t)]T
● Modelagem (matemática)
● Definição de funções que relacionem entradas e
3/17
saídas do sistema.
[Figura]
● Conceitos relacionados:
● Sistemas estáticos e dinâmicos
● Sistemas variantes no tempo e invariantes no tempo
4/17
O Conceito de Estado
[Figura]
● Estado de um sistema
● O estado de um sistema no tempo t0 é a informação
requerida em t0 tal que a saída y(t), para todo t ≥ t0, é
unicamente determinada a partir desta informação e
da entrada u(t), para t ≥ t0.
● Variáveis de Estado
● Subconjunto das variáveis associadas ao sistema que
definem seu estado.
● Variável de Estado: xk(t), 1 ≤ k ≤ p
● Estado do Sistema: x(t) = [x1(t) ... xp(t)]T
● Espaço de estados do sistema
● Conjunto de valores que o estado do sistema pode
atingir.
O Processo de Modelagem por Espaço de Estados
● Equações de Estado
● Equações requeridas para especificar o estado do
sistema x(t) para t ≥ t0, dados x(t0) e a função u(t)
para t ≥ t0.
● Equações de Saída
[Figura]
● Conceitos Relacionados
5/17
● Sistemas Lineares e Não Lineares
● Sistemas lineares e invariantes no tempo
● Sistemas a tempo contínuo e sistemas a tempo
discreto (sistemas amostrados/discretizados)
● Sistemas Determinstas e Aleatórios
6/17
O Conceito de Controle
[Figura]
● O sistema destina-se a cumprir a uma determinada função
● Controlador
● Aplica uma entrada ao sistema para que este cumpra
a sua função.
● Sinal de controle
● Saída do controlador, que é aplicada como entrada ao
sistema.
● Sinal de referência
● Entrada do controlador, que diz respeito à alguma
saída do sistema.
● Sistema em malha aberta.
7/17
O Conceito de Realimentação
[Figura]
● Realimentação
● Uso de qualquer informação disponível do
comportamento do sistema para continuamente
ajustar a entrada de controle.
● Sistema em malha fechada.
8/17
Instrumentação para Controle
[Figura]
● Necessária para implementação do controlador de um
sistema.
● Sensores
● Instrumentos primários
● Transmissores
● Registradores
● Instrumentos Primários
Medida Instrumentos
Posição Potenciômetro
Encoder
LVDT
Velocidade Tacômetro
Presença/Proximidade Chave-limite 
(chave de fim de curso)
Sensor ótico
Sensor magnético
Sensor capacitivo
Carga/Força Célula de carga 
(strain gauge)
Sensor piezoelétrico
Pressão Tubo de Burdon
Fole/Diafragma
Sensor piezoelétrico
9/17
Medida Instrumentos
Temperatura Sensor bimetálico
Termopar
RTD
Termistor
Pirômetro de radiação
Vazão Placa de orifício
Tubo Venturi
Tubo Pitot
Turbina
Sensor magnético
Nível (líquido, sólido) Mecanismo de bóia
Fotosensor
Haste resistiva
Dispositivo de pesagem
● Atuadores 
● Motores com transmissão
● Válvulas
● Bombas
● Aquecedores
● Relés, disjuntores e contatoras
● Diferentes princípios de funcionamento
● Pneumático s
● Hidráulicos
10/17
● Elétricos
● Simbologia padronizada para instrumentação
● Norma ISA e ABNT
● Diagramas P&I 
11/17
Controle Discreto
● Presente em quase todos os ambientes onde há
automação
● Sistemas de Estado Contínuo e Sistemas a Estado Discreto
X = R ou X = Q
versus
X = {parado, trabalhando, quebrado}
● Sistemas Dirigidos pelo Tempo e Sistemas Dirigidos a
Eventos
x(t) = A.eb.t 
versus
“Se caixa detectada à esquerda, parar a esteira da
esquerda, ligar válvula do silo e ligar esteira central para a
direita”.
● Sistemas Dinâmicos com Variáveis Contínuas
● As variáveis são funções contínuas do tempo
● A evolução do sistema é puramente regida pelo tempo
● Modelos matemáticos são equações diferenciais ou a
diferenças
● Controle clássico (em tempo contínuo ou tempo
discreto)
● Sistemas a Eventos Discretos
● Variáveis assumem valores discretos
● Evolução dirigida a eventos
12/17
● Modelos oriundos da ciência da computação 
● Linguagens formais
● Autômatos
● Redes de Petri
● Lógica Temporal
● Lógica Max-Plus
● Controle discreto
13/17
Tecnologias Utilizadas na Automação
● Controlador Lógico Programável (CLP)
● Cavalo de Batalha
● Sistemas Supervisórios
● Redes Industriais
14/17
 Exemplo - Trocador de Calor
15/17
Exemplo - Alimentador de Forno de Padaria
16/17
Exemplo - Sistema de Controle de Nível
17/17