2016 2 Poligrafo Controle de processos na indústria química URI

Prévia do material em texto

Controle de Processos na 
Indústria Química 
 
Professor Ederson R. Abaide 
 
2016/II 
 
 Engenharia Química 
Prof. Ederson Abaide 2 
 
 
Universidade regional integrada 
do alto Uruguai e das missões 
Engenharia química 
Controle de processos na indústria química 
I. 1. Motivação para controle de processos........................................3 
2. Equipamentos de um sistema de controle.....................................7 
3. Representação de malhas e instrumentação de controle..........9 
4. Estratégias de controle e Fluxogramas....................................14 
 
II. Análise e Descrição de sistemas dinâmicos lineares; 
Transformada de la place; 
Funções de transferência; 
Respostas dos sistemas dinâmicos; 
Zeros e pólos de uma função de transferência. 
 
III. Sistemas em malha fechada; 
Representação em diagrama de blocos; 
Dinâmica dos sistemas com controladores PID; 
Análise de estabilidade em malha fechada. 
 
IV. Ajuste dos controladores PID por resposta em transiente. 
 
V. Resposta de sistemas em frequência. 
 
VI. Análise de estabilidade no domínio de frequência (nyquist e bode); 
Ajuste dos controladores PID por resposta à frequência. 
 
VII. Técnicas de controle: controle antecipatório e controle em 
razão. 
 
VIII. Técnicas de controle: controle em cascata, controle interfacial, 
controle seletivo e controle parcial. 
IX. Introdução ao sistema multivariável. Controle em multimalha. 
 Engenharia Química 
Prof. Ederson Abaide 3 
 
Controle de processos na indústria química 
 
I. Motivação para controle de processos; 
Equipamentos de um sistema de controle; 
Representação de malhas e instrumentação de controle; 
Estratégias de controle e Fluxogramas. 
 
1. Motivação para controle de processos 
A formação de um engenheiro químico tem como base o conhecimento 
de processos industriais, onde há a manipulação da matéria-prima para 
obtenção de produtos de interesse. Esses processos, na área de 
engenharia química, são divididos em operações unitárias, como por 
exemplo, destilação, filtração, purificação, extração e demais operações. 
Na indústria é importante controlar a qualidade dos materiais 
produzidos através de variáveis de processo, como por exemplo: pressão, 
temperatura, vazão, nível, densidade, umidade, peso e outras variáveis. É 
papel importante para um engenheiro químico interpretar essas variáveis 
e ter o conhecimento de como utilizar os diversos sistemas de controle 
encontrados no chão de fabrica para manipula-los com critério. 
Vários são os tipos de indústrias existentes nos diversos ramos da 
atividade industrial. Em geral podemos, distinguir indústrias de duas 
naturezas: 
 Indústria de processamento contínuo: 
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________ 
 Indústrias de processamento discreto, ou manufaturas: 
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________ 
 
Com relação a sistemas de controle, podemos também encontrar 
situações que nos deparamos com os mesmos na rotina comum. 
 
 
 
 Engenharia Química 
Prof. Ederson Abaide 4 
 
Controle de processos na indústria química 
Exemplo de um cenário onde há necessidade de controle na rotina das 
pessoas: 
 
Figura I.1. Cenário onde há necessidade de controle. Em (a) Aquecedor elétrico e (b) 
Banho (chuveiro elétrico). 
Discutindo sobre esses cenários: 
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________ 
Assim pode-se representar o sistema de controle de duas maneiras. 
 
Figura I.2. Sistemas de Controle; em malha aberta e em malha fechada. 
 
 Engenharia Química 
Prof. Ederson Abaide 5 
 
Controle de processos na indústria química 
1. (a) Necessidade de sistemas de controle em processos industriais 
 
Para entender um pouco da utilidade de sistemas de controle na 
indústria de uma maneira geral, é possível expor o primeiro trabalho 
significativo de controle automático da história, que foi o regulador 
centrífugo construído por James Watt para o controle de velocidade de 
uma máquina a vapor, no século XVIII. 
 
 
Figura I.3. Regulador centrifugo de Watt; esquema à esquerda e montagem do mesmo a 
direita. 
 
OBS: Ver vídeos mostrados em aula. 
 
Explicar o funcionamento do regulador centrífugo de watt 
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________ 
 
Com o passar dos anos surgiu uma maior necessidade de 
implementação de sistemas de controle automático para diversos 
processos industriais. Pois o homem não estava sendo capaz de manter 
um controle satisfatório dos processos, devido: 
 
 Precisão requerida; 
 Ritmo acelerado de produção; 
 Produção elevada dos sistemas; 
 Confiabilidade; 
 Aumento do grau exigido de segurança; 
 Impacto ambiental. 
 
 
 Engenharia Química 
Prof. Ederson Abaide 6 
 
 
ANOTAÇÕES 
Controle de processos na indústria química 
Exemplos de processos industriais onde há necessidade de sistemas de 
controle. 
 
Em Aula: Produção de cerveja artesanal. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Equipamentos que necessitam de um sistema de controle. 
 
Figura I.4. Exemplos de equipamentos encontrados na indústria que necessitam de 
sistemas de controle. (a) trocador de calor, (b) reator Batelada com serpentina, (c) 
reator CSTR com serpentina, (d) tanque de mistura (medição nível) e (e) caldeira (medição 
pressão). 
 Engenharia Química 
Prof. Ederson Abaide 7 
 
Controle de processos na indústria química 
2. Equipamentos de um sistema de controle 
Quando se deseja utilizar um sistema de controle em determinado 
processo industrial para controlar uma variável específica de saída é 
importante conhecer a maneira como esse sistema se interconecta com os 
equipamentos do processo. Uma maneira de representar os equipamentos 
e o sistema de controle utilizado é através de uma malha de controle. 
Uma malha de controle consiste em um conjunto de equipamentos e 
instrumentos utilizados para controlar uma determinada variável de 
processo (saída). De acordo com o tipo de controle, a malha pode ser 
definida como aberta ou fechada. O controle em malha aberta é aquele no 
qual a informação sobre a variável de saída não é utilizadapara ajustar 
quaisquer umas das demais variáveis de entrada. Já um controle em malha 
fechada, é aquele que utiliza da informação da variável de saída para 
ajustar as variáveis de entrada de acordo com um valor desejado 
(setpoint). 
Um exemplo pode ilustrar uma malha de controle. 
Imaginamos um processo, onde há um operador humano que é responsável 
por controlar a temperatura na saída de um tanque. Como pode ser visto 
na Figura I.5. 
 
Figura I.5. Controle manual da temperatura da água que sai do tanque através de uma 
corrente de vapor. 
OBS: copiar os destaques que o professor colocou na figura. 
O que ocorre no sistema de controle acima, é 
 a temperatura da água que sai do tanque deve ser fixada em um valor 
desejado (setpoint). 
Mas devido a oscilações na corrente da água fria que entra no 
tanque, essa temperatura pode variar. 
Logo o operador, observa a temperatura indicada pelo termômetro 
(elemento primário ou sensor e indicador), 
 Engenharia Química 
Prof. Ederson Abaide 8 
 
Controle de processos na indústria química 
 a partir da informação que seus olhos coletam, a informação é 
transferida (transmisssão) dos olhos para o cérebro do operador 
(controlador), 
que decide se deve aumentar a vazão do vapor ou diminuir, para 
manter o valor do setpoint (temperatura de saída de água do tanque). 
Quando o operador gira a válvula, aumentando ou diminuindo a vazão 
ele esta atuando no sistema (atuador). 
Essa operação de controle é realizada manualmente, mas e se fosse 
automática como seria? 
 
Assim pode-se expor a malha de controle através da Figura 6. 
 
 
Figura I.6. Sistema de controle automático da temperatura da água que sai do tanque 
através de uma corrente de vapor. simbologia utilizada é padronizada e segue normas 
ASTM; 
Como vimos há equipamentos que “sentem” uma determinada variável 
do processo, outros transmitem a informação coletadas por eles, há os 
que controlam e os que atuam na manipulação do sistema. Pode-se 
colocar assim algumas definições de equipamentos utilizados em sistemas 
de controle. 
Elemento primário ou sensor: 
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________ 
Indicador: 
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________ 
Transmissor: 
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________ 
 Engenharia Química 
Prof. Ederson Abaide 9 
 
Controle de processos na indústria química 
Controlador: 
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________ 
Registrador: 
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________ 
Conversor: 
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________ 
Atuador (Válvula de controle): 
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________ 
Conforme sua função, os instrumentos podem estar localizados no 
campo ou em um painel dentro de uma sala de controle. Os instrumentos 
recebem o nome correspondente à variável de processo sob controle. 
Assim pode-se ter um transmissor de nível, um indicador e controlador de 
temperatura, entre outras combinações de funções e variáveis de 
processo. 
É importante entender que tais definições vão sendo assimiladas à 
medida que os sistemas de controle são colocados em situações práticas 
(exemplos). Logo é possível entender melhor as mesmas ao estudar a 
representação de malhas e instrumentação de controle. 
3. Representação de malhas e instrumentação de controle 
 
Para o entendimento da representação de malhas de controle são 
colocados três exemplos que ajudam na compreensão. 
Exemplo 1: Tanque de fluxo por gravidade 
Em muitos processos produtivos, são utilizados tanques onde 
líquidos são bombeados para dentro de tanques, onde têm um tempo de 
residência no interior dos mesmos e saem deles para seguir em outras 
etapas do processo. Em diversas indústriais como, por exemplo, metal 
mecânica (tanques de limpeza de peças), em sistemas de tratamentos de 
efluentes, indústria de alimentos, etc. 
Aqui, a mérito de entendimento, vamos considerar o tanque de fluxo que é 
exposto na Figura I.7 abaixo. 
 
 
 Engenharia Química 
Prof. Ederson Abaide 
 10 
 
Controle de processos na indústria química 
 
Figura I.7. Tanque de fluxo por gravidade. 
A Figura I.7 mostra um tanque aberto para a atmosfera onde um 
líquido incompressível (densidade constante), que é bombeado a uma vazão 
m (m³/s), variante no tempo de acordo com as condições de alimentação. A 
altura do líquido na vertical do tanque é chamada de nível, sendo 
representada por h (m). A vazão de saída do tanque é q (m³/s), que escoa 
através de uma tubulação. A pergunta é como manter a variável de saída 
em um valor desejado? 
a resposta: através de um sistema de malha de controle 
 
Figura I.8. Tanque de fluxo por gravidade, com malha de controle de nível. 
 
 Engenharia Química 
Prof. Ederson Abaide 
 11 
 
Controle de processos na indústria química 
A malha de controle aqui é composta por um sensor, para detectar a 
variável do processo, que se quer controlar, no caso a altura (h) do 
líquido; um transmissor (LT), para converter o sinal do sensor em um 
sinal elétrico equivalente, e transmitir uma corrente que varia de 4 a 20 
mA (corrente padronizada) para o indicador/controlador (LIC), que 
compara o sinal do processo com o set point e produz um sinal 
apropriado de controle a um elemento final de controle (válvula com 
atuador pneumático de diafragma)(LV), que altera a variável manipulada. 
Exemplo 2 
Considere o tanque de fluxo continuo agitado e aquecido (Figura I.9), 
que é muito semelhante do tanque do exemplo anterior, só que agora com 
um aquecedor e um sistema de agitação. O objetivo do controle é manter 
a temperatura T na temperatura desejada TR pelo ajuste da taxa de 
aquecimento Q do aquecedor elétrico. O sensor de Temperatura 
(termopar,TE) envia um sinal para o transmissor(TT), onde esse sinal é 
amplificado antes de ser transmitido para o controlador (TC). O 
controlador compara o valor que chega com o valor desejado e envia um 
sinal para o aquecedor para desligar ou ligar o aquecimento. Observe 
que ele realiza a medição da variável de saída do processo T e controla a 
quantidade de calor Q a ser fornecido. 
 
Figura I.9. Malha de controle de temperatura para o tanque continuo aquecido e 
agitado. 
 
 
 
 Engenharia Química 
Prof. Ederson Abaide 
 12 
 
 
Controle de processos na indústriaquímica 
Exemplo 3 (Exercício) 
Observe o trocador de calor, de acordo com a Figura I.10. 
 
Figura I.10 Diagrama esquemático de um trocador de calor. 
Nesse trocador, o líquido (w) passa por dentro dos tubos do 
trocador de calor casco-tubo e o vapor (ws) passa por dentro do casco 
do equipamento, assim há troca de calor entre ambos, e o líquido é 
aquecido. O objetivo do controle aqui é manter a Temperatura de saída 
do líquido (T2) no valor desejado (set point, Tap), apesar das variações 
da vazão de entrada do líquido w. Como isso pode ser realizado? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Engenharia Química 
Prof. Ederson Abaide 
 13 
 
Controle de processos na indústria química 
A partir dos 3 exemplos pode-se expor 3 aplicações industriais onde 
se utilizam sistemas de controle, e suas respectivas malhas. É importante 
notar as denominações dadas aos equipamentos com relação às siglas. A 
norma que regula esse assunto é a norma ISA S5.1 (Instrumentation 
Symbols and Identification). Segue abaixo alguns exemplos de siglas. 
PIC – controlador e indicador de pressão 
TC- controlador de Tempertatura 
PE- sensor de pressão 
PT- transmissor de pressão 
TT- transmissor de temperatura 
LT- transmissor de nível 
FC- controlador de vazão 
LG- visor de nível 
PV- válvula de pressão 
Observem que a primeira letra representa sempre a variável medida e 
as últimas representam a função passiva ou de informação. 
Curiosidade: Abaixo estão representados alguns dos símbolos de 
instrumentos utilizados em uma malha de controle e a maneira como o 
sinal é transmitido. 
 
 
 
 Engenharia Química 
Prof. Ederson Abaide 
 14 
 
Controle de processos na indústria química 
 
4. Estratégias de controle e Fluxogramas (diagrama de blocos) 
4.1 Estratégias de controle 
Para entendimento de maneira introdutória das estratégias de 
controle em um processo vamos utilizar o exemplo dado anteriormente do 
tanque de fluxo continuo agitado e aquecido que pode ser representado 
(sem a malha de controle) através da Figura I.12. 
 
 
Figura I.12. Tanque continuo agitado e aquecido. 
A corrente de entrada tem vazão mássica w e temperata Ti. O 
conteúdo no interior do tanque é agitado e aquecido pelo resistor 
elétrico, que fornece Q watts. É importante assumir que a corrente de 
entrada e de saída tem a mesma densidade, e que, as variações de ... 
 Engenharia Química 
Prof. Ederson Abaide 
 15 
 
Controle de processos na indústria química 
temperatura em função da densidade são suficientemente pequenas, sendo 
possível negligencia-las. Sob essas condições o volume V do tanque 
permanece constante. 
O objetivo de controle para o esse tanque é manter a temperatura 
de saída T em um valor de referencia TR. Esse valor de referencia é 
conhecido como set point. Assim, devemos considerar um questionamento. 
Questão 1. Quanto deve ser fornecido/ou removido de calor ao tanque 
para aquecer/resfriar o líquido que entra no mesmo sob a temperatura Ti 
para obter-se uma temperatura de saída de acordo com o set point TR. 
Para determinar a quantidade de calor que deve ser 
fornecida/removida para as condições de projeto, é preciso escrever um 
balanço de energia em estado estacionário para o líquido que entra no 
tanque. É importante neste ao escrever esse balanço, assumir algumas 
hipóteses: 
 O fluido no interior do tanque é perfeitamente misturado; 
 A perda de calor é negligenciada; 
Sob essas condições, não há gradiente de temperatura no interior do 
tanque, e consequentemente a temperatura de saída é igual a temperatura 
do líquido no interior do tanque. Um balanço de energia em estado 
estacionário indica que o calor adicionado (atenção) é igual variação de 
entalpia entre as duas correntes. 
�̅� = �̅�𝐶[�̅� − �̅�𝑖] (1) 
Onde: �̅�𝑖, �̅�, �̅� e �̅� são os valores nominais de projeto de Ti, T, w e Q, 
respectivamente, e C é o calor específico do líquido. Aqui, assumimos que 
C é constante. Nas condições de projeto , �̅� = �̅�𝑅 (o set point). Fazendo 
essa substituição na equação 1, temos a expressão para a entrada de 
calor nominal �̅�. 
�̅� = �̅�𝐶[𝑇𝑅 − �̅�𝑖] (2) 
A equação 2 é a equação de projeto para o aquecedor. Se o que 
assumimos está correto e a temperatura e a vazão das correntes de 
entrada e de saída são iguais aos valores nominais, então o aquecimento 
de “entrada” dado pela equação 2 fará com que a temperatura de saída 
permaneça no valor desejado 𝑇𝑅. Mas e se a condição mudar? Isso traz a 
questão 2: 
 
 
 Engenharia Química 
Prof. Ederson Abaide 
 16 
 
Controle de processos na indústria química 
Questão 2. Supondo que a temperatura Ti muda com o tempo. Como 
podemos nos assegurar que T permanecerá ou ficara próximo do set point 
𝑇𝑅. 
Para lidar com essa situação, há um número possível de estratégias 
para controlar a temperatura de saída T. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Engenharia Química 
Prof. Ederson Abaide 
 17 
 
Controle de processos na indústria química 
4.2 Fluxogramas de controle (diagrama de blocos) 
Para o entendimento de o que são, de como utilizar e quando utilizar 
fluxogramas de engenharia para sistemas de controle em diversos 
processos pode ser analisado o exemplo a seguir. 
Vamos considerar um processo no qual há um tanque de fluxo 
continuo aquecido e agitado (Figura I.12). Nesse processo é necessário 
manter-se uma temperatura desejada na corrente de saída desse tanque. 
Para isso, mede-se a temperatura T e ajusta-se a quantidade de calor 
fornecido pelo aquecedor elétrico, para que a temperatura de saída 
retorne ao valor desejado, TR (Temperatura de referência ou de 
setpoint). Um tipo de estratégia de controle é a lei de controle 
proporcional. 
𝑄(𝑡) = �̅� + 𝐾𝐶[𝑇𝑅 − 𝑇(𝑡)] (3) 
onde K
c
 é chamado de ganho do controlador e Q(t) e T(t) são as variáveis 
que variam com o tempo. Esta lei de controle é uma lei de controle 
proporcional se a mudança na entrada calor, 𝑄(𝑡) − �̅�, é proporcional ao 
desvio do set point, [𝑇𝑅 − 𝑇(𝑡)]. Assim, um desvio grande produz uma ação de 
correção grande. 
Tendo especificado a forma da lei de controle, nós podemos discutir 
como implementar a estratégia de controle. Assim utiliza-se os 
fluxogramas de engenharia. A Figura I.13 mostra um fluxograma 
conhecido como diagrama de blocos. 
 
Figura I.13. Diagrama de blocos para o sistema de controle de temperatura. 
 Engenharia Química 
Prof. Ederson Abaide 
 18 
 
Controle de processos na indústria química 
Os componentes de hardware na Figura I.13, são representados por 
um diagrama de blocos, que fornece um ponto de começo para a analise 
do problema de controle de processo. Note que o diagrama (fluxograma) 
da Figura I.3 mostra o fluxo de informação através do sistema de 
controle. 
O bloco denominado aquecedor tem p(t) como sinal de entrada e Q(t) como 
sinal de saída. É importante notar que o sinal Q(t) representa uma 
variável física e o sinal p(t) um sinal instrumental p. O fluxo de 
informações representado pelo diagrama de blocos pode ser explicado da 
seguinte maneira. 
1. A temperatura de saída do tanque é medida por um termopar o qual gera um sinal correspondente em 
milvolts,V(t). Esse sinal é captado por um transmissor,que no diagrama aparece em um bloco único 
sensor/transmissor, e dele, transmite o sinal para sistema de controle (quadro com linha pontilhada). 
2. O controlador realiza três cálculos distintos. 
Primeiro calculo: converte o setpoint, TR, em sinal de tensão VR através da calibração de temperatura. 
Segundo calculo: calcula o sinal de erro, e(t), pela subtração da entrada V(t) no controlador pelo sinal 
VR (setpoint). Assim, e(t) = VR – V(t). Na Figura I.3 o comparador representa a operação de subtração. 
Terceiro calculo: A taxa de calor Q(t) é calculada da lei proporcional (eq.3). 
A linha pontilhada ao redor dos dois blocos e o comparador é para enfatizar que os cálculos são 
realizados fisicamente no controlador. 
3. A saída do controlador p(t) é um sinal de voltagem dc, que é enviado ao aquecedor elétrico para gerar 
Q(t). Aqui se assume que o aquecedor elétrico contenha um retificador controlado de silício que converte 
o sinal de voltagem dc para um sinal de corrente alternada compatível com o elemento de aquecimento. 
4. Em resposta ao sinal de entrada p(t) o calor é gerado com uma entrada Q(t) para o tanque. Q(t), é 
proporcional a p(t). 
Assim cada bloco no fluxograma da Figura I.3 representa um 
elemento dinâmico ou estático do processo do qual seu comportamento 
pode ser descrito por uma equação diferencial ou algébrica. Uma tarefa 
para engenharia de controle é desenvolver uma descrição matemática 
adequada para cada bloco. É importante destacar que não existe 
necessariamente uma correspondência única entre a quantidade de 
instrumentos do sistema e o blocos do diagrama de blocos. 
 
 
 
 Engenharia Química 
Prof. Ederson Abaide 
 19 
 
Controle de processos na indústria química 
Anexo I 
Planta: Uma planta é uma parte de um equipamento, eventualmente um conjunto de itens de uma 
máquina, que funciona conjuntamente, cuja finalidade é desenvolver uma dada operação. 
_____________________________________________________________________________________ 
Processo: Qualquer operação ou sequência de operações, envolvendo uma mudança de estado, de 
composição, de dimensão ou outras propriedades que possam ser definidas relativamente a um padrão. 
Pode ser contínuo ou em batelada. 
_____________________________________________________________________________________ 
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. 
_____________________________________________________________________________________ 
Distúrbio (Ruído): É um sinal que tende a afetar adversamente o valor da variável controlada. 
_____________________________________________________________________________________ 
Desvio: Representa o valor resultante da diferença entre o valor desejado e o valor da variável 
controlada. 
_____________________________________________________________________________________ 
Ganho: Representa o valor resultante do quociente entre a taxa de mudança na saída e a taxa de 
mudança na entrada que a causou. Ambas, a entrada e a saída devem ser expressas na mesma unidade. 
_____________________________________________________________________________________