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A evolução das tecnologias, equipamentos e sistemas de controle de processos industriais, sempre objetivam a eliminação ou minimização de algum problema gerado pela implementação anterior, entretanto sempre que se desenvolve uma nova solução buscando a obtenção de maiores vantagens, a mesma traz consigo, algumas desvantagens intrínsecas. A definição pela utilização ou não da nova solução é sempre baseada em uma análise da relação custo x benefício disponibilizada. As alternativas desenvolvidas durante o desenrolar da historia da automação e controle de processos foram sendo consolidadas ou invalidadas por essa metodologia a qual confronta as vantagens e as desvantagens de cada implementação, considerando sempre os aspectos particulares de cada processo específico. As plantas de processo antigas possuíam seus controladores e registradores instalados diretamente no campo, fisicamente muito próximos aos sensores e elementos finais de controle, o que garantia simplicidade e velocidade de comunicação entre esses elementos. Com o crescimento do número de processos gerenciados nas plantas, necessitou-se implementar as salas de controle centralizadas, perdendo-se as vantagens geradas pela referida proximidade entre os equipamentos. Isso gerou atrasos e dificuldades de manutenção na planta, entretanto, as vantagens geradas compensavam essas desvantagens. Com a evolução dos sistemas eletrônicos, os quais ficaram mais robustos, assim como, com o desenvolvimento das comunicações digitais, pode-se retornar os elementos controladores para o campo, diminuindo o atraso e a dificuldade de manutenção, sem contudo perder-se as funcionalidades de monitoramento, ajuste e configuração a partir de uma localização remota, podendo-se, em alguns casos, efetua-los via internet, inclusive utilizando-se sistemas wire- less. A implementação que permitiu essa evolução foi denominada Rede de Chão de Fábrica, sendo inicialmente uma tecnologia proprietárias. A tecnologia atual evoluiu dessas implementações, concretizando os chamados Protocolos Abertos de Comunicação Digital, os quais possuem normas bem definidas e de domínio público, que se seguidas, garantem a intercomunicação entre equipamentos certificados, os quais podem ser fornecidos por vários fabricantes diferentes. Esses protocolos ficaram conhecidos como Barramentos de Campo ou Fieldbuses, sendo os mesmos, classificados quanto ao tipo de dispositivo que comunicam e quanto ao formato dos dados que transportam. Esta classificação abrange as redes Sensorbus, Devicebus e Fieldbus, sendo cada uma destas, mais vantajosa para uma determinada aplicação específica. A EVOLUÇÃO DAS TECNOLOGIAS E SISTEMAS DE CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS O controle de processos industriais, no início de sua implantação, era totalmente executado de forma manual, necessitando da interferência constante de um operador, o qual CONHECIMENTOS ESPECÍFICOS NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSOS Página 1 de 16 era responsável por monitorar suas variáveis e intervir de forma corretiva visando à manutenção dos valores das mesmas, dentro de limites pré-estabelecidos. (figura). Controle Executado de Forma Manual Muito rapidamente identificou-se que esse tipo de controle não era eficiente, pois existia um retardo muito grande na correção do valor da variável, resultando em amplitudes excessivamente grandes de variação. Isso demonstrou concretamente sua inviabilidade para o controle de processos que priorizavam a qualidade do produto e/ou a segurança em suas instalações. Ação do Controle Manual Página 2 de 16 A partir dessa conclusão, começaram os esforços para a automatização dos sistemas de controle, objetivando desenvolver dispositivos que pudessem governar a si próprios, com a mínima interferência humana. Este desenvolvimento baseou-se em uma ciência denominada Instrumentação, a qual se encarrega de desenvolver e aplicar técnicas para medição, indicação, registro e controle de processos de fabricação, visando a sua otimização. Estes sistemas de controle utilizavam equipamentos que realizavam a medição do valor da variável e transmitiam uma informação referente ao mesmo a um dispositivo controlador. Esse por sua vez, efetuava comparações entre esse valor e um valor de referencia, emitindo um comando de correção, caso os mesmos apresentassem alguma diferença. Este comando de correção era transmitido por um determinado meio de comunicação até um atuador, o qual se responsabilizaria pela ação de correção da variável, forçando-a a se aproximar cada vez mais do referido valor de referência. Com isso, foram desenvolvidas estratégias que, a exemplo do controle PID (Proporcional, Integral, Derivativo), possibilitaram a realização de um controle da variável do processo, diminuindo a amplitude de sua variação e estabilizando-a em um tempo suficientemente curto. Ação do Controle Automático Página 3 de 16 O desenvolvimento desse tipo de controle trouxe várias vantagens, a citar: • Aumento da produtividade; • Diminuição do gasto com remuneração de mão-de-obra, a partir da diminuição o número de operadores necessários para a manutenção do controle; • Diminuição dos acidentes de trabalho, a partir de uma menor presença humana em áreas insalubres e/ou perigosas; • Desenvolvimento de possibilidades para efetivação de controle em áreas inviáveis à presença humana; • Aumento da qualidade dos produtos, a partir da diminuição do tempo necessário à correção dos parâmetros e do aumento de precisão no ajuste dos mesmos. Os primeiros sistemas automáticos desenvolvidos foram implementados totalmente no campo, permitindo que os sensores, controladores e elementos finais de controle, fossem instalados bem perto uns dos outros. Esta implementação denominada de Controle Local, permitia uma boa velocidade de comunicação, considerando-se os padrões da época. A primeira metodologia de transmissão de informações entre os componentes dos sistemas de controle utilizava, a tecnologia pneumática, a qual funcionava através da emissão de um sinal analógico, modulado proporcionalmente ao valor da variável medida, sendo esta tecnologia a primeira a receber uma faixa padronizada de valores (3 e 15 psi), podendo ainda hoje se encontrar, em malhas de controle mais antigas, equipamentos funcionando perfeitamente com esse tipo de metodologia. Página 4 de 16 A segunda metodologia de transmissão já utilizava sinais de corrente elétrica, os quais também eram analógicos e modulados proporcionalmente ao valor da variável medida. Os mesmos foram padronizados na faixa de 4 a 20 mA, possuindo como vantagem, uma velocidade de comunicação maior que o da tecnologia anterior. Essas metodologias de controle situadas totalmente no campo possuíam, entre outras vantagens, um projeto simples, um custo reduzido e controle totalmente distribuído. Entretanto, tinham a grande desvantagem de necessitar que o operador se deslocasse ao campo sempre que o mesmo tinha de efetuar algum ajuste nos equipamentos. Com o passar do tempo, as dificuldades no gerenciamento das plantas de processo foram gradativamente aumentando, conforme aumentavam o tamanho e a complexidade dessas instalações. O desenvolvimento de processo evolutivo moveu os controladores do campo para um local remoto ao processo, centralizando-os em uma sala de controle. Essa nova disposição das instalações permitiu a execução da configuração de vários controladores do processo a partir de um único ponto, sem a necessidade do operador deslocar-se até o campo. Isso também possibilitou a implementação de um ambiente protegido, tanto para os operadores quanto para os dispositivos controladores. (figura abaixo). Sala de Controle Remota ao Processo Página 5 de 16 Foram as características do ambiente da sala de controle que possibilitaram a implantação dos primeiros equipamentos eletrônicos no controle deprocessos, pois a tecnologia eletrônica da época, ainda não era capaz de conviver com os níveis de umidade e temperatura característicos do campo. Entretanto a sala de controle poderia abrigá-los e mantê-los em perfeitas condições de operação. Apesar de todas as vantagens obtidas com a implantação das salas de controle, a mesma também possuía suas desvantagens, como por exemplo: O grande número e comprimento dos cabos de interligação, os quais acarretavam um aumento tanto na dificuldade quanto nos custos de instalação e manutenção, aumentando também, a possibilidade de falha de comunicação devido ao rompimento de algum desses condutores. Outra desvantagem foi o aumento do atraso na comunicação, gerado pelo distanciamento entre os controladores instalados no interior da sala e os demais dispositivos que continuavam instalados no campo. Outro aspecto a se considerar é que o operador, apesar da possibilidade de configuração dos controladores sem sair da sala de controle, acabava tendo que se deslocar ao campo sempre que precisava efetuar algum ajuste nos transmissores ou posicionadores de válvula lá instalados. Com a continuidade do processo evolutivo, foram ocorrendo muitos avanços na tecnologia de semicondutores e de microprocessadores, tornando os componentes eletrônicos menos suscetíveis aos problemas de mudança de temperatura, aumentando sua confiabilidade e robustez e permitindo, aos mesmos, serem incorporados aos transmissores que operam diretamente no campo. Com essa incorporação os transmissores de campo começaram a poder contar com algum processamento digital e com uma certa inteligência, a qual era utilizada para melhorar e garantir o desempenho do transmissor. Entretanto, toda comunicação entre os dispositivos continuava seguindo o padrão de 4 a 20 mA, ou seja continuava sendo realizada analogicamente. Um próximo passo na evolução foi a criação dos chamados SDCD (Sistemas Digitais de Controle Distribuído) os quais se apresentaram como um dos primeiros sistemas utilizados na automação, a possuir comunicação digital. (figura abaixo). Página 6 de 16 Arquitetura de um Sistema Digital de Controle Distribuído As vantagens desses sistemas estavam em sua grande eficiência, robustez e na possibilidade de distribuição do controle em diversas placas eletrônicas interligadas pela rede, de forma que se uma placa apresentasse defeito e não fosse redundante perder-se-ia somente uma parte do controle da planta. Entretanto, os mesmos apresentaram-se como uma solução proprietária, onde cada fabricante de SDCD disponibilizava toda a instalação. A desvantagem dessa alternativa e que os equipamentos utilizados só possuíam compatibilidade de comunicação entre si mesmos, impossibilitando a instalação de instrumentos fornecidos por outros fabricantes na planta. Outra desvantagem é que estes sistemas possuíam preços muito elevados e exigiam mão-de-obra extremamente especializada, o que deixava a empresa compradora em uma condição de dependência em relação ao fabricante do sistema, implicando em um risco econômico muito grande para a compradora. Página 7 de 16 Outro dado importante a ser considerado e que, apesar de já se utilizar a tecnologia de redes digitais para a interligação das placas do SDCD, a comunicação com os instrumentos de campo continuava sendo analógica (4-20 mA), utilizando um par de fios para cada instrumento. Uma outra inovação foi a criação dos CLP´s (Controladores Lógicos Programáveis), os quais, inicialmente, se dispunham a trabalhar somente com variáveis do tipo on/off tendo pó isso, uma grande aceitação no mercado como uma alternativa de substituição dos controladores baseados em relés eletromecânicos. Posteriormente, foi implementada a capacidade de se efetuar controle de variáveis analógicas, entretanto, esse desenvolvimento de sua capacidade impôs um aumento considerável em sua complexidade e, conseqüentemente, em seu custo. Controladores Lógicos Programáveis, com Cartões de Entrada e Saída Os fabricantes dos CLP´s seguiram os mesmos passos dos fabricantes de SDCD´s, também procurando desenvolver métodos de comunicação digital entre seus dispositivos. Dessa forma, cada um criou um protocolo próprio para intercomunicação entre seus controladores, desenvolvendo paralelamente a isso, o conceito dos módulos remotos de entrada e saída de dados (Módulos de I/O), os quais também utilizavam protocolos proprietários para troca de informações, e por conseguinte, possuíam as mesmas desvantagens dos SDCD’s quanto à questão da interoperabilidade com equipamentos de outros fabricantes. Página 8 de 16 Redes Digitais de Comunicação entre CLP´s e Módulos Remotos de I/O Os fabricantes dos CLP´s seguiram os mesmos passos dos fabricantes de SDCD´s, também procurando desenvolver métodos de comunicação digital entre seus dispositivos. Dessa forma, cada um criou um protocolo próprio para intercomunicação entre seus controladores, desenvolvendo paralelamente a isso, o conceito dos módulos remotos de entrada e saída de dados (Módulos de I/O), os quais também utilizavam protocolos proprietários para troca de informações, e por conseguinte, possuíam as mesmas desvantagens dos SDCD’s quanto à questão da interoperabilidade com equipamentos de outros fabricantes. A mesma tendência evolutiva incidiu sobre os transmissores de campo. A partir da incorporação gradativa de circuitos eletrônicos, os mesmos migraram da classificação de transmissores convencionais, nos quais todos os ajustes eram feitos através de jumper’s, micro- switch’s ou potenciômetros, diretamente na parte físicas do equipamento instalado no campo; Página 9 de 16 passando em um segundo momento, a permitir configuração remota através de um protocolo de comunicação digital, podendo então se classificar como transmissores Smart. A implementação deste tipo de transmissor, constituiu um importante avanço no controle de processos, pois o operador não necessitava mais ir ao campo para efetuar ajustes e configurações. Entretanto, apesar da efetivação da comunicação digital, ela se restringia a transmissão de dados de configuração, não contemplando ainda, os valores das variáveis de processo, que continuavam sendo transmitidos na forma de um sinal analógico de 4 a 20 mA. Inicialmente, os referidos protocolos de comunicação erram proprietários, mas no decorrer dos anos, acabaram culminando na elaboração do Protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer), o primeiro padrão onde equipamentos de vários fabricantes diferentes foram capazes de se comunicar entre si. Segundo FAYAD; BIONDO & SOUZA (2001, p. 31), o Protocolo Hart, apesar de possibilitar inúmeras inovações, ainda não era o ideal para a troca de dados de controle entre inúmeros equipamentos em um mesmo par de fios, tanto pela sua velocidade, quanto pela sua implementação de mensagens. Os próximos estudos evolutivos visaram à eliminação das desvantagens geradas pela implementação das salas de controle, partindo de duas diretrizes principais: a diminuição do número de cabos de interligação, o que aumentaria a confiabilidade do sistema e facilitaria a identificação e correção dos pontos de falha; e da re-aproximação física entre elemento controlador e os demais dispositivos de controle, o que diminuiria o tempo gasto durante a comunicação entre os mesmos. A conclusão obtida nesses estudos e que a solução ideal seria o retorno dos dispositivos controladores ao campo, desde que se pudesse continuar efetuando seus ajustes e configurações remotamente, mantendo-se a capacidade de intercomunicação entre dispositivos disponibilizados por fabricantes distintos. A obtenção real dessa solução começou a ser permitida quando do desenvolvimento dos Transmissores Inteligentes e dos Protocolos Abertos de Comunicação Digitais de Dados para Página 10 de 16 Controle de Processos,também conhecidos como Barramentos de Campo, Fieldbuses ou Redes de Chão de Fábrica. Os Transmissores Inteligentes, por serem micro-processados, fornecem a possibilidade de realização de processamento on-board, podendo executar no próprio campo, as funções do controlador, ou seja, podendo efetuar o chamado controle local. Outra vantagem obtida com a utilização de Transmissores Inteligentes conjuntamente com um sistema Fieldbus é que toda a comunicação realizada é digital, incluindo a transmissão dos valores relativos às variáveis de processo. Isso repercute em uma maior imunidade aos campos magnéticos existentes nas proximidades do processo controlado, assim como, na possibilidade de se ter um maior número de informações de diagnóstico circulando na rede, o que aumenta ainda mais a confiabilidade da mesma. Um outro aspecto importantíssimo a ser considerado é o ganho de precisão e de desempenho obtido com a comunicação digital. Para esclarecer isso, faz-se necessário uma análise comparativa entre um sistema com comunicação analógica e um com comunicação digital: Conforme pode ser observado na figura 2.11, em um sistema com comunicação analógica, existe um grande número de conversões de dados analógicos para digitais (A/D) e de digitais para analógico (D/A). A variável controlada, vazão no caso do exemplo, possui um valor essencialmente analógico, o qual necessita ser convertido para um valor digital (conversão A/D) de forma a ser processado pelo transmissor, pois o mesmo funciona digitalmente. Entretanto, depois de processado pelo transmissor, necessita ser re-convertido para um valor analógico (conversão D/A), para poder ser transmitido ao controlador, pois o método de transmissão utilizado funciona analogicamente (4 a 20 mA). Ao chegar ao controlador, a informação relativa ao valor da variável de processo precisa passar novamente por uma conversão A/D, antes de ser processada, passando por outra conversão D/A para poder, finalmente, ser enviada ao posicionador da válvula de controle. Neste ponto o sinal, que agora representa um comando para a válvula de controle, e Página 11 de 16 novamente convertido para digital, sendo processado de forma a produzir um valor analógico de deslocamento da haste da referida válvula. Sistema com Comunicação Analógica Pode-se observar que ocorreram 3 (três) conversões A/D e 3 (três) conversões D/A, totalizando 6 (seis). Considerando-se que, a cada conversão perde-se, um pouco da precisão do valor e necessita-se de um tempo a mais para a realização das mesmas, pode-se concluir que o processo seria muito mais eficiente caso se minimizasse esse número de conversões. No caso de um sistema com comunicação digital, somente duas conversões serão executadas, uma do valor analógico da variável controlada para um valor digital na entrada do transmissor, sendo, esse valor, porcessado digitalmente, enviado neste mesmo formato pelo meio de comunicação digital, reprocessado no posicionador da válvula e somente aí será re- convertido de digital para um valor análogico de deslocamento da haste da válvula. Perceba que em um sistema Fieldbus, como os elementos de campo podem executar a função de controlador, tanto é possível se realizar o processamento do PID no transmissor quanto no posicionador da válvula, eliminando-se assim, a necessidade de se ter um elemento a mais, única e exclusivamente para a realização das funções de controle. Página 12 de 16 Entretanto, tendo em vista que tanto o processamento quanto à transmissão do sinal são digitais, mesmo que existisse um ou mais controladores intermediários no sistema, nenhuma outra conversão seria realizada. Sistema com Comunicação Digital SISTEMAS DE CONTROLE E REALIMENTAÇÃO Controle em Malha Aberta São sistemas de controle em que a saída não tem efeito algum sobre a ação de controle. Em outras palavras, a saída do sistema não é nem medida nem realimentada para comparação com a entrada de referência. Assim, cada entrada de referência está associada a uma condição de operação fixa. Na presença de distúrbios, um sistema de controle de malha aberta não terá um desempenho satisfatório. Portanto, na prática, um sistema em malha aberta sópode ser utilizado se a relação entre entrada e saída for conhecida e se não há distúrbios internos nem externos. O controle em malha aberta consiste em aplicar um sinal de controle pré-determinado, esperando-se que ao final de um determinado tempo a variável controlada atinja um determinado valor ou apresente um determinado comportamento. Neste tipo de sistema de controle não são utilizadas informações sobre evolução do processo para a determinar o sinal de controle a ser aplicado em um determinado instante. Mais Página 13 de 16 especificamente, o sinal de controle não é calculado a partir de uma medição do sinal de saída. Controle em malha aberta Exemplo: Imagine um automóvel sem velocimetro. Deseja-se manter a velocidade constante em um determinado valor: 80 Km\h por exemplo. O motorista estima então com qual pressão ele deverá pisar no acelerador e mantém o acelerador com esta pressão. Dependendo da experiência do motorista a velocidade final se mantera' próxima de 80 Km\h, mas somente com muita sorte ele conseguirá manter a velocidade em 80 Km\h. Por outro lado, se ele precisar subir (descer) uma lomba, a velocidade irá diminuir (aumentar). Exemplo: Considere o controle de um forno onde um operador com uma determinada experiência, estima o tempo que o forno deve ficar ligado a plena potência para que a temperatura chegue a um determinado valor. Obviamente, apenas com muita sorte, a temperatura do forno ao final do tempo pré-determinado será exatamente a desejada. De uma maneira geral, a temperatura ficará um pouco acima ou um pouco abaixo do valor desejado. Além disto, a temperatura final do forno provavelmente irá variar dependendo de variações temperatura ambiente, ou seja, a temperatura interna final do forno será diferente se a temperatura externa for de 5 C (inverno) ou 30 C (verão). Os exemplos acima ilustra as características básicas de um sistema de controle que opera em malha aberta: imprecisão, nenhuma adaptação a variações externas (perturbações), dependência do julgamento e da estimativa humana. Por outro lado, este tipo de sistemas são em geral simples e baratos, pois não envolvem equipamentos sofisticados para a medição e/ou determinação do sinal de controle. Controle em Malha Fechada No controle em malha fechada, informações sobre como a saída de controle está evoluindo são utilizadas para determinar o sinal de controle que deve ser aplicado ao processo em um instante específico. Isto é feito a partir de uma realimentação da saída para a entrada. Em geral, a fim de tornar o sistema mais preciso e de fazer com que ele reaja a perturbações externas, o sinal de saída é comparado com um sinal de referência (chamado no jargão industrial de set-point) e o desvio (erro) entre estes dois sinais é utilizado para determinar o sinal de controle que deve efetivamente ser aplicado ao processo. Assim, o sinal de controle é determinado de forma a corrigir este desvio entre a saída e o sinal de referência. O dispositivo que utiliza o sinal de erro para determinar ou calcular o sinal de controle a ser aplicado à planta é chamado de controlador ou compensador. O diagrama básico de um sistema de controle em malha-fechada é mostrado na figura abaixo. Página 14 de 16 Controle em malha fechada Vantagens: O uso de realimentação torna o sistema relativamente insensível a distúrbios externos e variações internas de parâmetros do sistema. Esta característica permite que se utilize componentes relativamente menos precisos e mais baratos para se obter um controle satisfatório de uma dada planta, o que não épossível em malha aberta. Em termos de estabilidade: Um sistema de controle em malha aberta costumaser mais simples de se implementar, uma vez que a estabilidade do sistema não éa maior preocupação. Exemplo: Considere o mesmo exemplo do automóvel. Suponha agora que o carro possui um velocímetro. O motorista pode então monitorar a velocidade e variar a pressão com que ele pisa no pedal de forma a manter a velocidade no valor desejado. Se a velocidade passar do valor desejado ele "alivia o pé", e, se a velocidade cair um pouco do valor desejado ele "pisa" um pouco mais forte no acelerador. O mesmo tipo de controle ele fará quando estiver subindo ou descendo uma lomba. Exemplo: Considere o mesmo exemplo do forno. Suponha agora que a temperatura interna do forno é medida e o seu valor é comparado com uma referência pré- estabelecida. Se a temperatura dentro do forno é menor que a referência, então aplica-se ao forno uma potência proporcional a esta diferença. Neste sentido, a temperatura dentro do forno tenderá a crescer diminuindo a diferença com relação a referência. No caso do erro ser negativo (temperatura do forno maior que o valor de referência) acionaria-se um sistema de resfriamento do forno com potência proporcinal a este erro, ou, simplesmente, se desligaria o aquecimento do mesmo. Desta maneira, a temperatura do forno tenderia sempre a estabilizar no valor de referência ou em um valor muito próximo desta, garantindo ao sistema de controle uma boa precisão. Além disto, variações da temperatura externa (que fariam variar a temperatura dentro do forno) seriam compensadas pelo efeito da realimentação, garantindo ao sistema capacidade de adaptação a perturbações externas. Página 15 de 16 Em resumo, a utilização da realimentação e, portanto, do controle em malha fechada, permite entre outros: • aumentar a precisão do sistema. • rejeitar o efeito de perturbações externas. • melhorar a dinâmica do sistema e, eventualmente, estabilizar um sistema naturalmente instável em malha aberta. • diminuir a sensibilidade do sistema a variações dos parâmetros do processo, ou seja, tornar o sistema robusto Observações: Para sistemas em que as entradas são conhecidas a priori e nos quais não hádistúrbios é aconselhável o uso de controle em malha aberta. O uso de sistemas de controle em malha fechada évantajoso basicamente quando estão presentes distúrbios imprevisíveis e/ou variações imprevisíveis nos componentes do sistema. Página 16 de 16
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