151515Instrumentação e medição de processos

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Controle
de 
 Processos 
Objetivo
A disciplina de Controle de Processos tem como objetivo munir os alunos com conceitos e tecnologias normalmente encontradas em ambientes fabris. Serão discutidos conceitos de projeto relativos à automação industrial e as tecnologias atualmente utilizadas na solução de problemas de controle na indústria, tendências para o futuro, vantagens e desvantagens relacionadas à implantação e operação de processos automatizados.
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Ementa
Conceitos de regulagem automática, ações de controle, análise e projeto de sistemas de controle. 
Aplicação dos sistemas de controle em plantas industriais: objetivos, instrumentação e malhas de controle.
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Bibliografia
Livro ENGENHARIA DE CONTROLE MODERNO
Autor(es).: OGATA, KATSUHIKO ; 
Editora.: PEARSON MAKRON BOOKS
 
Livro ENGENHARIA DE SISTEMA DE CONTROLE
Autor(es).: NISE, NORMAN S. ; 
Editora.:  LTC - LIVROS TECNICOS E CIENTIFICOS
Livro  SISTEMAS DE CONTROLE MODERNOS
Autor(es).: DORF, RICHARD C. (OUTROS) ; 
Editora.: LTC - LIVROS TECNICOS E CIENTIFICOS
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Introdução
Os sistemas de controle são uma parte integrante da sociedade moderna. Diversas aplicações nos rodeiam: 
Foguetes e naves espaciais; 
Refrigeração em usinagem automática; 
Veículos autônomos; 
Aeronáutica; 
Eletrodomésticos; 
Mecatrônica; 
Processos químicos; 
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Introdução
Os sistemas controlados automaticamente não são criados apenas pelos seres humanos; eles também existem na natureza. 
Pâncreas – regula o açúcar no sangue; 
Adrenalina – instinto de subrevivência; 
Visão – orientação e mapeamento. 
 Definições:
	“Um Sistema de Controle consiste em subsistemas e processos construídos com o objetivo de se obter uma saída desejada, com desempenho desejado para uma entrada específica fornecida.”
		N. S. Nise – Engenharia de Sistemas de Controle 
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Introdução
Definições:
	“Um sistema que estabeleça uma relação de comparação entre uma saída e uma entrada de referência, utilizando a diferença como meio de controle, é denominado Sistema de Controle com Realimentação.”
		K. Ogata – Engenharia de Controle Moderno
	“Um Sistema de Controle é uma interconexão de componentes formando uma configuração de sistema que produzirá uma resposta desejada do sistema.”
		R.C. Dorf e R.H. Bishop – Sistemas de Controle Moderno 
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Introdução
Processo Industrial
	Do ponto de vista de produção, o processo é geralmente tomado como o lugar onde os materiais e a energia se juntam para fazer um produto desejado.
	Do ponto de vista de controle, o processo é identificado como tendo uma ou mais variáveis associadas a ele e que são importantes o suficiente para que seus valores sejam conhecidos e controlados pelo processo.
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Introdução
Processo Contínuo
	 O processo é contínuo quando a matéria prima entra num lado do sistema e o produto final sai do outro lado continuamente.
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Introdução
Processo Discreto
	 O processo discreto envolve muitas operações de liga-desliga. O seu controle se baseia no mundo binário (digital), onde os estados de um equipamento ou instrumento só podem assumir as condições de ligado ou desligado, energizado ou desenergizado, aceso ou apagado, alto ou baixo, 1 ou 0. O processo discreto requer controle lógico.
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Introdução
Variáveis do Processo (PV)
	 A variável do processo é qualquer quantidade física que possui o valor alterável com o tempo e com o espaço.
	 Controlar uma variável significa manter constante a grandeza que tenderia a variar.
	 As variáveis do processo geralmente são interdependentes entre si.
	 Para se controlar uma variável, é preciso fazer medições.
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Introdução
Variáveis do Processo (PV)
	 Uma variável de processo pode ser considerada, dentro de determinada tolerância e intervalo de tempo, como constante.
	 Em controle, uma alteração brusca da variável é anormal e geralmente um indicativo de quebras ou problemas.
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Introdução
Variáveis do Processo (PV)
	A partir destas premissas, serão definidas, agora, as variáveis envolvidas na malha de controle:
 
1. controlada 
2. manipulada 
3. de carga ou secundária
4. distúrbio
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Introdução
Variáveis Controlada (CV)
	 A variável controlada é aquela que se quer manter constante, mesmo que haja influência de outras variáveis que tenderiam modificar o seu valor.
Variável Manipulada (MV)
	A variável manipulada é aquela que é monitorada pelo controlador para influir no valor da variável controlada.
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Introdução
Variável de Carga ou Secundária
	São todas as outras variáveis independentes do processo; 
	Impõem flutuações no processo que devem ser absorvidos pelos controladores a fim de manter a variável controlada no valor desejado;
Exemplo: Temperatura da água de entrada do aquecedor;
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Introdução
Distúrbios
	Além das variáveis controlada e manipulada, de interesse direto para o controle do processo, existem outras variáveis que influem no processo. 
	Essas variáveis, que afetam o desempenho do processo, podem ser chamadas, de um modo genérico, de distúrbios.
	Como o seu controle direto é muito difícil, deve-se aprender a conviver com elas e ajustar o sistema para compensar a sua influência.
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Introdução
Distúrbios
	Na análise de um processo do ponto de vista do controle automático é bom dar particular atenção a três tipos de distúrbios de processo que podem ocorrer:
Distúrbio de Alimentação 
Distúrbios de Demanda
Distúrbios de Set-Point
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Introdução
Tempo Morto
	O tempo morto é chamado de tempo de transporte ou atraso de transporte.
	O tempo morto invariavelmente ocorre quando se tem o transporte ou a transferência de massa, de energia ou de informação entre dois pontos do sistema.
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	Os primeiros sistemas de controle de processo eram totalmente analógicos.
	Os instrumentos eram analógicos e faziam a medição de cada variável e o observador processava os dados.
Instrumentação Pneumática
	O primeiro tipo de instrumentação que surgiu foi a pneumática, em 1940. Nesse tipo de instrumentação os instrumentos eram de uso local, ligados diretamente ao processo e serviam apenas para fornecer indicações e registros locais para a (difícil) monitoração do processo, pelos operadores espalhados por toda a área da planta.
	
Evolução
Instrumentação Pneumática
	Com a criação do sinal padrão de 20 a 100 kPa (0,2 a 1,0 kgf/cm2 ou 3 a 15 psi), foi possível a centralização do controle, em salas específicas. Todas as funções necessárias para o operador eram facilmente disponíveis, tais como indicação, registro, transmissão, computação analógica, alarme e controle.
Evolução
Instrumentação Pneumática
	As distâncias envolvidas tipicamente não excediam a 300 metros, porém se obteve o controle satisfatório para as exigências da época da maioria absoluta dos processos industriais.
Evolução
Instrumentação Eletrônica Analógica
	O segundo tipo de instrumentação que surgiu foi a eletrônica analógica, em 1945, com o desenvolvimento do sinal padrão eletrônico de 4 a 20mA (o primeiro sinal de 10 a 50mA teve vida curta) e ao aparecimento dos instrumentos eletrônicos analógicos miniaturizados, que efetivamente possibilitaram o uso definitivo da sala de controle centralizada, com grande densidade de instrumentos.
Evolução
Instrumentação Eletrônica Analógica
	Todas as funções necessárias de indicação, registro, transmissão, computação analógica, alarme e controle foram aperfeiçoadas, o tempo de resposta diminuiu sensivelmente, a flexibilidade aumentou, a distância de transmissão passou para até 3.000 m.
	Embora seja tecnicamente possível distâncias maiores, na prática, esta é a máxima distância para transmissão com fio; distâncias maiores envolvem a técnica de telemetria. Com o sinal padrão eletrônico tornou-se possível a manipulação de até quatro ou cinco
sinais simultâneos, quando no pneumático só se manipulavam dois sinais de cada vez.
Evolução
Instrumentação Eletrônica Analógica
	Sob o ponto de vista de controle,as instrumentações analógicas pneumática e eletrônica foram caracterizadas pela analise do comportamento dinâmico da malha de controle, cujo principal objetivo era a determinação das condições de estabilidade e a implementação dos algoritmos de controle, como o clássico PID.
	Os resultados obtidos eram satisfatórios e estes tipos de instrumentação, analógica pneumática e eletrônica, foram aplicados intensivamente na indústria petroquímica, nas refinarias de petróleo e nas plantas de
papel e celulose.
Evolução
Instrumentação Eletrônica Analógica
	 Porém, alguns limites foram também reconhecidos:
1. a precisão e os recursos dos equipamentos analógicos são limitados;
2. a instrumentação analógica é pouco flexível; sua reconfiguração requer mudança de fiação (hardwire) ou de equipamento (hardware), de engenharia (mindware), leva tempo e custa caro;
3. há problemas com a estabilidade do sistema, quando existem perturbações ou variações de carga freqüentes no sistema controlado;
Evolução
Instrumentação Eletrônica Analógica
4. há problemas com a linearidade dos sistemas de controle; a maioria dos processos apresenta ganhos variáveis com a carga e com o ponto de trabalho.
	Todos os problemas e dificuldades referentes ao controle implicaram no desenvolvimento de teorias matemáticas para diminui-los ou elimina-los, como os critérios de estabilidade de Routh, Hurwitz, Liapunov, transformada de Laplace e transformada Z.
Evolução
	Os últimos tipos de instrumentação são inteligentes, usando um sistema de medição para avaliar a variável e simultaneamente executando todos (ou quase todos) processamentos da informação através de técnicas digitais.
	As redes de automação foram introduzidas em 1970 através dos DDC (Direct Digital Control) e logo em seguida também em DCS (Distributed Control Systems) e PLC(Programmable Logic Controller);
	Os equipamentos de campo (transmissores) digitais surgiram em 1980.
	Porém as redes fieldbus FCS(Field Control Systems), que interligam os equipamentos de campo, só vieram a surgir em1990.
Evolução
DDC
	A função de controle DDC (Digital Direct Control), é um sistema de supervisão que possui uma linguagem tal, que permite definir diretamente ações de controle sem depender de um nível intermediário representados por remotas inteligentes, já nas operações de entrada e saída, são usadas remotas mais simples ou são executadas através de cartões de I/O ligados diretamente no barramento do micro.
Evolução
SDCD
	 A filosofia do “sistema de controle digital distribuído” é a de dividir os equipamentos em vários módulos funcionalmente distintos: processo, controle, operação, gerenciamento e comunicação.
	A arquitetura SDCD, caracteriza-se por um elevado nível de redundância:
redundância de servidores,
redundância de rede de comunicação de dados, de cartões de entrada e saída, etc.
	Ex: Rede Hart 4-20 mA
Evolução
FCS
	A arquitetura enxuta de um FCS (Field Control Systems), eliminou vários níveis hierárquicos, inclusive a dos caros controladores e subsistemas de E/S, resultando em uma arquitetura com apenas dois níveis: industrial e comercial.
Evolução
Definições
Instrumento: Dispositivo usado para medir e/ou controlar uma variavel de processo.
Malha: Combinação de 2 ou mais instrumentos ou funções de controle, arranjadas de tal forma a medir e/ou controlar uma variavel de processo.
Elemento Final de Controle: Dispositivo que controla/
modica diretamente a variavel manipulada.
Instrumentação Industrial - Simbologia
Definições
Instrumento: Dispositivo usado para medir e/ou controlar uma variavel de processo.
Malha: Combinação de 2 ou mais instrumentos ou funções de controle, arranjadas de tal forma a medir e/ou controlar uma variavel de processo.
Elemento Final de Controle: Dispositivo que controla/
modica diretamente a variavel manipulada.
Instrumentação Industrial - Simbologia
As normas de instrumentação estabelecem símbolos, gráficos e codificação para identificação alfanumérica de instrumentos ou funções programadas, que deverão ser utilizadas nos diagramas (PNI) e malhas de controle de projetos de instrumentação.
Instrumentação Industrial - Simbologia
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De acordo com a norma ISA-S5, cada instrumento ou função programada será identificado por um conjunto de letras que o classifica funcionalmente e um conjunto de algarismos que indica a malha à qual o instrumento ou função programada pertence.
Instrumentação Industrial - Simbologia
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 Exemplo
Identificação Funcional de um Instrumento
Identificação funcional: TIC-34
Identificação da Malha: T 34
Número da malha: 34
TIC
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Simplificado
Somente as letras indicadoras das funções básicas dos principais instrumentos. O número de malha é omitido. Visão geral da planta.
Conceitual
Identificação abreviada de funções de instrumentos. Usado para desenvolver conceitos de controle sem se importar com detalhes de implementação física do sistema de instrumentação. Visão geral da planta, destacando estratégias de controle.
Detalhado
Usado para indicar detalhadamente a implementação física do sistema de instrumentação, após terem sido escolhidos o tipo de equipamento a ser instalado, e os sinais de comunicação a serem utilizados.
Instrumentação Industrial - Simbologia
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Diagrama Simplificado
Instrumentação Industrial - Simbologia
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Diagrama Simplificado
A
Análise (instrumento usado para analisar alguma propriedade química e/ou física do fluido. Ex.: PH do fluido)
LC
Controlador de nível
FC
Controlador de vazão
PC
Controlador de pressão
F
Medidor de vazão.
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Diagrama Conceitual
Instrumentação Industrial - Simbologia
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Diagrama Conceitual
AT
Transmissor de resultado de análise do fluido.
AC
Controlador de análise (mantém as propriedades físicas-químicas desejadas).
TDT
Transmissor de temperatura diferencial (dif. de temperatura entre 2 pontos).
FT, PT e LT
Transmissores de vazão, pressão e nível, respectivamente.
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Diagrama Detalhado
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Diagrama Detalhado
AE
Elemento sensor de análise (sensor primário que é afetado pela propriedade químico-física de interesse).
AIC
Controlador e indicador da propriedade de interesse.
FY
Conversão ou cálculo sobre um dado valor de vazão. O tipo de conversão/cálculo é indicado do lado direito superior do símbolo.
FYC
Controlador de vazão que também realiza algum cálculo.
FIC e LIC
Controladores e indicadores de vazão e de nível, respectivamente.
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Exemplos de Vazão
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Exemplos de Vazão
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Exemplos de Vazão
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Exemplos de Pressão
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Exemplos de Pressão
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Exemplos de Pressão
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Exemplos de Pressão
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Exemplos de Temperatura
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Exemplos de Temperatura
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Exemplos de Temperatura
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Exemplos de Temperatura
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Exemplos de Nível
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Exemplos de Nível
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Exemplos de Nível
Instrumentação Industrial - Simbologia61
EXERCÍCIO
 
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