Controle De Processos - Cefet-mg

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Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS DEPARTAMENTO DE ENSINO DE 2º GRAU COORDENAÇÃO DE ELETROTÉCNICA Prática de Automação Industrial Controle de Processos 1- Introdução Denomina-se Automação Industrial o conjunto de técnicas destinadas a tornar automáticos vários processos produtivos em uma indústria, de modo a eliminar ou reduzir bastante a intervenção humana nos mesmos. Os principais objetivos da Automação Industrial são: • • • Redução de custos; Aumento da Produtividade; Maior segurança na operação da unidade produtiva; Para a implementação da Automação Industrial existem várias técnicas e equipamentos que são aplicados conforme o sistema a se automatizar. Os principais equipamentos são: • PLC ! equipamentos eletrônicos, programados por software, que controlam e coordenam a seqüência de operação de diversas máquina e equipamentos em uma indústria. Os PLCs trabalham com variáveis digitais e analógicas. • SDCD ! Sistemas Digitais de Controle Distribuído: de tecnologia mais recente, são sistemas microprocessados que facilitam o controle e otimização dos processos por computador, diminuindo a interferência do operador durante a operação normal do processo e que passa a intervir somente durante instabilidades operacionais, paradas e partidas. • Controladores (single loop, multi loop) !são controladores baseados em microcontroladores de ultima geração, criados para efetuar controle de processos. Por ser microprocessado, seu sistema operacional permite que se adapte à maioria dos processos, bastando para tal a seleção correta dos parâmetros de PID. Os controladores trabalham com variáveis analógicas e, eventualmente, podem possuir saídas digitais de alarme. • CN (Comando Numérico) ! equipamentos utilizados na fabricação e montagem de peças mecânicas, através do controle de máquinas ferramenta, tais como tornos, fresas, furadeiras, etc. No CNC (comando numérico computadorizado), além das operações normais de um CN, realizada por computador, há às vezes o auxílio de programas CAD para se realizar o projeto gráfico das peças a serem produzidas. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 1 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS O Controle Contínuo de Processos ou Controle Automático de Processos ou, simplesmente, Controle de Processos, refere-se à Automação de sistemas que possuem grandezas físicas, como temperatura, vazão, pressão, nível, pH, etc., presentes em diversos processos industriais. Pela natureza das grandezas, os sistemas de Controle de Processos estão associados a sinais analógicos. Conforme visto anteriormente, pode-se criar um sistema de Controle de Processos utilizando-se PLC, SDCD ou Controladores. O Controle Automático de Processo é uma evolução do Controle manual. No controle manual operador é o elemento de definição e isso gera grandes desvantagens: - O operador atua continuamente no processo e um operador apenas pode cuidar de poucas variáveis ao mesmo tempo. Essa desvantagem leva à baixa produtividade. - O método utilizado pelo operador pode diferir de um para outro. Para se conseguir uma uniformidade na operação é preciso que todos tomem as mesmas ações no mesmo tempo para manter a qualidade e quantidade do produto. Isso é praticamente impossível e mais uma vez o operador fica limitado. - O aspecto da segurança fica comprometido quando for exigida rapidez e ações que possam evitar acidentes. Os processos evoluíram e também a forma de os controlar. Foram desenvolvidos sistemas de Controle Automático que possibilitaram ao homem controlar os processos com segurança, economia e liberá-lo para atividades não repetitivas e mais nobres. Em qualquer processo industrial, as condições de operação estão sujeitas a mudanças ao longo do tempo. O nível de líquido em um equipamento, a pressão em um vaso, a vazão de um reagente ou sua composição; todas estas condições podem (e costumam) variar. Mesmo os dados que consideramos constantes no projeto (por exemplo, a temperatura ambiente) têm o hábito de variar apesar de nossas premissas em contrário. Controlar um processo significa atuar sobre ele, ou sobre as condições a que o processo está sujeito, de modo a atingir algum objetivo. Por exemplo: podemos achar necessário ou desejável manter o processo sempre próximo de um determinado estado estacionário, mesmo que efeitos externos tentem desviá-lo desta condição. Este estado estacionário pode ter sido escolhido por atender melhor aos requisitos de qualidade e segurança do processo. Um sistema de controle confiável permite operar próximo aos limites impostos pela segurança, pelo meio-ambiente e pelo processo (temperatura máxima, pureza mínima), o que permite alterar as condições de operação Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 2 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS normais (linha tracejada na figura) para uma condição mais favorável (linha contínua). Os ganhos associados a uma menor variabilidade se tornam ainda maiores em processos onde existem transições entre produtos com diferentes graus ou especificações, como ocorre freqüentemente no refino do petróleo e em unidades de polimerização. Inevitavelmente, durante a transição, haverá um período em que será gerado um produto fora de especificação, que será reciclado (maior gasto de energia) ou vendido (a preços mais baixos). A seleção de uma boa estratégia de controle permite reduzir o tempo de produção fora da especificação, e consequentemente melhora o resultado econômico do processo. 2- Definições Preliminares 2.1- SISTEMA ou PROCESSO – Sistema físico destinado, simplificadamente, a transformar energia de um tipo em outro e que possui suas reações próprias devidas às interligações entre seus componentes e às leis físicas que regem seu funcionamento . Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 3 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS ex: Um forno elétrico transforma energia elétrica em energia calorífera e as relações entre a potência elétrica entregue aos resistores de aquecimento e a quantidade de calor ou temperatura interna do forno dependem das leis físicas de transferência de calor , eficiência do sistema , perdas internas , etc . 2.2- VARIÁVEL DE CONTROLE – Na malha aberta , é uma variável primária (de acesso direto do operador) e que atua sobre a variável manipulada segundo as reações do dispositivo de controle . ex: No forno , normalmente , o operador tem acesso a um resistor variável ou potenciômetro para ajustar o valor de temperatura desejado . 2.3- DISPOSITIVO DE CONTROLE – Sistema físico ou , mais comumente , eletrônico que é projetado para transferir ou adequar a variável de controle em variável manipulada . ex: No forno , uma placa eletrônica sente o valor do resistor variável e ajusta , por exemplo , o ângulo de disparo dos SCR’s ou triacs , de forma a alterar a quantidade de potência entregue aos resistores de aquecimento . 2.4- VARIÁVEL MANIPULADA – Variável ou grandeza física que tem ação de alterar ou interferir na variável controlada ou grandeza de saída , através de dispositivos intermediários de controle ou por interdependência física ou química entre elas . ex: No forno , a potência entregue aos resistores de aquecimento altera a temperatura interna . 2.5- VARIÁVEL CONTROLADA – Variável ou grandeza física que se deseja controlar ou manter dentro de certos limites para o perfeito funcionamento do sistema . Também chamada de variável do processo . ex: Todo o sistema acima tem a função de controlar a temperatura interna do forno . 2.6- DISTÚRBIO – Alteração ou mudança em uma ou mais variáveis físicas do sistema que provoca alteração na variável controlada . Pode ser uma alteração previsível em qualquer grandeza inerente ao processo ou uma interferência extra não prevista . ex: abrir , subitamente , a porta do forno , ou a queima de um dos resistores de aquecimento . 2.7- SET POINT - Valor desejado da variável controlada . Quase sempre é um valor ajustado na variável de controle e não na variável de processo , apesar de ser indicado como uma grandeza de processo . Pode ser ajustado manualmente por potenciômetro acessível ao operador ou vir fixado pelo fabricante ou ser alterado automaticamente . Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 4 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS ex: no forno , a temperatura pode ser ajustada manualmente para cada tipo de material a ser queimado , ou fixada em um valor único para qualquer material , ou ajustada automaticamente se houver algum dispositivo que reconheça qual material foi inserido nele e que possa enviar essa informação ao sistema de controle . 2.8- INSTRUMENTO: equipamento eletrônico que manipula sinais elétricos que representam grandezas físicas. Normalmente tem uma entrada de leitura de dados, que é um transdutor, a interface entre o mundo e o instrumento, urna parte que faz o processamento do sinal propriamente dito e urna saída de dados, o terminal que é urna outra interface entre o sistema e o ser humano. Os instrumentos medem, controlam, atuam, monitoram, transferem ou registram informações úteis relativamente a eventos naturais ou tecnológicos. Por instrumento podemos entender de voltímetros até analisadores digitais de espectro, desde computadores até robôs. 2.9- INSTRUMENTAÇÃO: conjunto de técnicas para o projeto desenvolvimento e construção de equipamentos eletrônicos. de 2.10- CONTROLE EM MALHA ABERTA – Tipo de controle no qual apenas a variável de controle altera a variável de saída, por simples relação matemática ou física . Não há nenhum tipo de correção automática na variável de saída e ela somente será alterada se houver alguma variação (intencional ou não) no processo ou na variável de controle . Exemplo: O circuito eletrônico recebe um sinal proveniente do potenciômetro e varia a potência entregue aos resistores. Se não houver nenhuma alteração no valor ajustado do potenciômetro , a potência entregue aos resistores e o calor Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 5 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS gerado por eles serão sempre os mesmos . Assim, se houver alguma alteração no sistema (ex: desregulagem no circuito eletrônico , queima de algum componente da placa , falha no controle, queima de algum dos resistores de aquecimento , etc.) ou a entrada de algum distúrbio (porta do forno aberta , defeito no isolamento térmico, etc.), não haverá correção, ficando o sistema comprometido , em função de não mais existir a relação que anteriormente havia entre o ajuste interno do circuito eletrônico ( ângulo de disparo ) e a temperatura interna do forno. Ex. Dimmer para ajuste de intensidade de iluminamento de uma lâmpada . Ajusta-se o valor do potenciômetro para o iluminamento desejado . Caso a tensão da rede diminua ou a lâmpada altere suas características ou algum componente do dimmer se danifique , o ajuste antigo será perdido porque não haverá correção . 2.11- CONTROLE EM MALHA FECHADA – Também chamado de Controle Realimentado. Tipo de controle em circuito fechado no qual a variável de saída altera a variável de controle, através do comparador, de forma a se conseguir uma correção automática na variável de saída ou variável controlada. No comparador é feita a detecção do erro entre o valor desejado e o valor verdadeiro da variável de saída. Se houver uma redução na variável de saída, a variável de controle irá sofrer uma alteração positiva, como se aumentasse para corrigir o erro. No caso do forno , o ajuste na temperatura desejada ( set point de temperatura ) é feito pelo potenciômetro. Caso haja alguma variação no valor da variável de saída (a temperatura interna do forno ficou diferente da desejada , por algum motivo), o sistema se auto corrigirá porque o comparador irá detectar uma diferença entre o valor desejado e o valor real. O comparador é , essencialmente, um subtrator. Evidentemente , ele não pode comparar sinal de resistência com sinal de temperatura. O comparador é também um circuito eletrônico que deve transformar os 02 sinais em grandezas equivalentes , tanto quanto à natureza como quanto aos seus valores relativos , já que apenas uma amostra da variável controlada somente é computada. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 6 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS Exemplo: Neste caso de malha fechada, enquanto a temperatura interna do forno estiver exatamente igual ao valor desejado, o comparador estará enviando um sinal = ZERO e o dispositivo de controle manterá seu ajuste anterior. Caso, por exemplo, a temperatura diminua , a entrada [ - ] do comparador terá seu valor reduzido, fazendo com que a saída aumente ( porque a saída do comparador é o resultado de uma subtração. Se o termo negativo diminuir , o resultado da operação aritmética será maior ). Com isso, a variável de controle terá um incremento em seu valor, fazendo com que o dispositivo de controle aumente o valor da potência entregue aos resistores de aquecimento, aumentando o calor gerado e compensando o evento que causou a diminuição da temperatura. Este sistema é auto controlado e não será necessária nenhuma intervenção externa do operador , a menos que se deseje outro ajuste . 3- Introdução à Instrumentação Industrial Instrumentação Industrial é a aplicação de Instrumentos especiais com funções específicas no controle automático de processos industriais. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 7 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS Para cada variável de um processo industrial, podemos utilizar um ou mais Instrumentos para executar funções como: - Transmitir - Registrar - Indicar - Controlar - Analisar A Instrumentação Industrial é a principal aplicação dos conceitos de regulação automática nos processos industriais. Através dos instrumentos e dispositivos automáticos podemos controlar as diversas variáveis físicas e químicas existentes nos processos industriais 3.1- Características Gerais dos Instrumentos Os instrumentos de controle empregados na indústria de processos, tais como: química, petroquímica, alimentícia, metalúrgica, têxtil, papel, etc., tem sua própria terminologia. Os termos empregados definem as características próprias de medida e de controle, bem como as características estáticas e dinâmicas dos diversos instrumentos utilizados. A terminologia empregada foi unificada com objetivo de os fabricantes, os usuários e os organismos ou entidades que atuam direta ou indiretamente no campo da Instrumentação Industrial utilizem a mesma linguagem. As definições dos termos empregados se relacionam com as normas estabelecidas pela SAMA (Scientific Apparatus Markers Association) em sua norma PMC 20, e que são abordadas a seguir: a) Faixa de medida [RANGE] Conjunto de valores que estão compreendidos dentro dos limites inferior e superior da capacidade de medida, ou de indicação do instrumento. É expressada estabelecendo-se os dois valores extremos. RANGE = Vi a Vs onde: Vi => Valor inferior da faixa. Vs => Valor superior da faixa. Por exemplo: a faixa, ou Range de medida do instrumento de temperatura da planta de Temperatura didática é de: RANGE = 30 A 800 C b) Alcance [SPAN] É a diferença algébrica entre os valores superior e inferior da faixa de medida, ou de indicação, ou de transmissão do instrumento. SPAN = Vs - vi Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 8 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS onde: Vi => Valor inferior da faixa. Vs => Valor superior da faixa. No instrumento de temperatura da nossa planta, o Span é de: SPAN = 800 C - 300 C = 500 C c) Erro [ERROR] É a diferença algébrica entre o valor medido, ou indicado ou transmitido e o valor real que deveria ser medido, ou indicado, ou transmitido pelo instrumento. Normalmente é calculado em porcentagem do Span. ERRO (em % do Span) = ((V-Vr)/Span) * 100% onde: V => Valor medido, ou indicado, ou transmitido. Vr => Valor real. Deve-se observar que se o processo está em condições de regime permanente, existe então o chamado ERRO ESTÁTICO. Em condições dinâmicas o erro varia consideravelmente devido aos instrumentos terem características comuns aos sistemas físicos: absorvem energia do processo e esta transferência requer um certo tempo para ser transmitida (TEMPO DE RESPOSTA DO INSTRUMENTO), o qual dá lugar a atrasos na leitura pelo dispositivo. Sempre que as condições forem dinâmicas, existirá um maior ou menor valor do chamado ERRO DINÂMICO (diferença entre o valor instantâneo da variável e o valor indicado ou transmitido pelo instrumento). Seu valor depende do tipo do fluído do processo, de viscosidade, do elemento primário (termopar, termoresistência), dos meios de proteção do instrumento, etc. O ERRO MÉDIO do instrumento é a média aritmética dos erros em cada ponto, determinados para todos os valores da variável medida. d) Precisão [ACCURACY] A precisão é a tolerância de medida ou indicação do instrumento, e define os limites dos erros cometidos quando o instrumento é empregado em condições normais de serviço. Existem várias formas para expressar a precisão: 1a) Em porcentagem do Span de calibração. Exemplo: em um instrumento, para uma indicação de 1500 C e uma precisão de ± 0,5% do Span, o valor real da temperatura estará compreendido entre 149 e 1510C ; 2a) Diretamente em unidades da variável medida. Exemplo: precisão de ±10 C; 3a) Em porcentagem da leitura efetuada. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 9 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS Exemplo: precisão de ±1% de 1500 C, quer dizer ±1,50 C; 4a) Em porcentagem do valor máximo da faixa de medida Exemplo: precisão de ±0,5% de 3000 C, isto é ±1,50 C 5a) Em porcentagem do tamanho da escala. Exemplo: se o tamanho da escala de indicação do instrumento é de 150 mm, a precisão de ±0,5% representará ±0,75% mm na mesma. A precisão varia em cada ponto da faixa de medida do instrumento, mas certos fabricantes à especificam para toda a faixa e às vezes dão a precisão para algumas zonas da escala. Por exemplo: um manômetro pode ter uma precisão de ±1% em toda a escala, e ±0,5% na zona central. Quando se deseja obter a máxima precisão do instrumento em um ponto determinado de trabalho de escala, pode-se calibrar o equipamento unicamente para este ponto sem considerar os valores restantes da faixa de medida. Exemplo: um termômetro de 0 a 1500 C e de ±1% de precisão situado em um banho de temperatura constante a 800 C, poderá ser calibrado neste valor, de modo que a sua precisão neste ponto de trabalho será a máxima que se pode obter. É claro que para os valores restantes, em particular os correspondentes aos extremos da escala, a precisão excederá os ±1%. e) Zona Morta [DEAD ZONE ou DEAD BAND] É uma pequena faixa de valores da variável medida que não faz variar a indicação ou sinal de saída do instrumento , ou seja, que não produz uma variação na resposta. É dada em porcentagem do Span de medida. Por exemplo: no instrumento da figura - 1, para um valor de zona morta de ±0,1% do Span de medida, a variável poderá alterar de até ±0,20 C, sem que o instrumento apresente uma mudança na sua saída. f) Sensibilidade [SENSITIVITY] É a relação entre o incremento de indicação ou do sinal de saída do instrumento e o incremento da variável medida que o ocasionou, depois de se ter alcançado o estado de repouso. É dada em porcentagem da faixa de medida. Não se deve confundir sensibilidade com zona morta. g) Repetibilidade [ REPEATABILITY] A repetibilidade é a capacidade da reprodução da indicação ou do sinal de transmissão de um instrumento ao se medir repetidamente valores idênticos da variável, nas mesmas condições de serviço e no mesmo sentido de variação. Considera-se em geral a diferença máxima encontrada e expressa-se em porcentagem da faixa. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 10 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS h) Rangebilidade [RANGEABILITY] É a capacidade que um dado instrumento apresenta de possibilitar a alteração continua de sua calibração para diferentes faixas. É definida através de uma relação (razão máxima) que diz o quanto se pode aumentar o Span de calibração do instrumento. Por exemplo: para transmissores eletrônicos analógicos a rangebilidade é por volta de 6:1 e para transmissores eletrônicos digitais de última geração a mesma é de aproximadamente 20:1. Vejamos em valores de variável de processo: para um certo transmissor eletrônico analógico de pressão com rangebilidade de 6:1, a menor faixa (Range) de calibração é de 0 a 10" de Hg e a máxima, para a dada rangebilidade, 0 a 60"de Hg. Agora para o transmissor eletrônico digital, a menor faixa (Range) é também de 0 a 10" de Hg, mas a maior faixa de calibração possível neste caso é de 0 a 200" de Hg. i) Linearidade [LINEARITY] É a capacidade de um instrumento ter a sua curva de resposta aproximada à uma curva de calibração ideal. j) Elevação de zero [ZERO ELEVATION] É a quantidade que o valor inferior da faixa de calibração de um instrumento é menor que o valor zero da variável medida. Pode-se representar em unidades da variável medida ou em porcentagem do Span de calibração. k) Supressão de zero [ZERO SUPRESSION] É a quantidade que o valor inferior da faixa de calibração de um instrumento é maior que o valor zero da variável medida. Pode-se representar em unidades da variável medida ou em porcentagem do Span de calibração. ! Outras terminologias utilizadas nas especificações dos instrumentos: - Deriva ou Desvio [DRIFT] É a variação no sinal de saída detectada em um período determinado de tempo, mesmo que se mantenham constantes a variável medida e todas as condições ambientais. Existem dois tipos de deriva: deriva de zero (variação no sinal de saída para o valor zero da medida, atribuível a qualquer causa interna) e a deriva térmica de zero (variação no sinal de saída devido aos efeitos da temperatura). A deriva é representada usualmente em porcentagem do sinal de saída da escala total, à temperatura ambiente, por unidade ou por intervalo de variação da temperatura. Por exemplo: a deriva térmica de zero de um instrumento em condições de temperatura ambiente durante 1 mês, foi de 0,2% da faixa de medição. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 11 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS - Ruído [NOISE] Qualquer perturbação elétrica ou sinal acidental não desejado que modifica a transmissão, indicação, ou registro dos dados desejados. - Estabilidade [ STABILITY] Capacidade de um instrumento manter seu comportamento o mais próximo do ideal durante sua vida útil e de armazenamento especificados. - Temperatura de serviço. Faixa de temperatura na qual se espera que o instrumento trabalhe dentro dos limites de erro especificado. - Vida útil de serviço Tempo mínimo especificado durante o qual se aplicam as características de serviço contínuo e intermitente do instrumento, sem que se observem mudanças em seu comportamento além das tolerâncias especificadas. 3.2- Calibração de Equipamentos para Instrumentação Industrial Foi visto que os instrumentos industriais podem medir, transmitir e controlar as variáveis que intervêm em um processo e que na realização de todas estas funções existe uma relação entre a variável de entrada e a saída do instrumento, representando esta última o valor da variável de entrada. Sempre que o valor representado corresponda exatamente à variável de entrada, o instrumento estará então efetuando uma medição correta. Mas na prática os instrumentos apresentam em geral valores inexatos na saída, os quais constituem o chamado erro de medição. Um dado instrumento se considera que está calibrado, quando em todos os pontos de sua faixa de medição a diferença entre o valor real da variável e o valor indicado, registrado ou transmitido está compreendido entre os limites determinados pela precisão do instrumento. Em um instrumento ideal (sem erro), a relação entre os valores reais da variável medida e os valores de indicação ou transmissão do instrumento é linear. - ERRO DE ZERO A curva de resposta do instrumento está deslocada de um certo valor com relação à curva de calibração ideal. - ERRO DE MULTIPLICAÇÃO OU ERRO DE SPAN A curva de resposta do instrumento aumenta progressivamente com relação à curva de calibração ideal. ou diminui - ERRO DE ANGULARIDADE A curva de resposta do instrumento coincide com os pontos 0 e 100% da curva de calibração ideal, mas se desvia da mesma nos pontos restantes. É Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 12 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS importante ressaltar que quando o erro de angularidade é inerente ao equipamento, é praticamente impossível a sua eliminação através da calibração, devendo portanto haver uma observação cuidadosa durante o projeto desse equipamento e a sua posterior aplicação. 3.3- Codificação para Instrumentos e Dispositivos de Controle Todos os equipamentos utilizados em instrumentação industrial são codificados segundo a Norma ISA S 5.1 ( Instrument Society of America ) e esse código que é associado à identificação do local e do número da malha de controle tem o nome de TAG ( rótulo ) do instrumento. Cada instrumento do sistema tem um TAG diferente, seja pela função, pela localização ou pela malha a que pertence. LETRA A B C D E F G H I J K CALIBRAÇÃO MANUAL CORRENTE POTÊNCIA TEMPO L M NÍVEL UMIDADE / MASSA N O P Q R S OPERADOR / ORIFÍCIO PONTO DE TESTE TOTALIZADOR REGISTRADOR CHAVE / SEGURANÇA TRANSMISSOR MULTIFUNÇÃO TRANSMISSOR MULTIFUNÇÃO V W X Y PRESSÃO QUANTIDADE RADIAÇÃO VELOCIDADE/FREQUÊNCIA TEMPERATURA VARIÁVEL OU MULTIPONTO VIBRAÇÃO PESO EIXO X EIXO Y BAIXO MÉDIO / INTERMEDIÁRIO REGISTRADOR CHAVE VÁLVULA PONTA DE PROVA ESPECIAL RELÉ / COMPUTADOR VÁLVULA ESPECIAL RELÉ / COMPUTADOR Z POSIÇÃO OU EIXO Z DAMPER T U 2ª LETRA FUNÇÃO ALARME CONTROLADOR DIFERENCIAL ELEMENTO PRIMÁRIO RELAÇAO/POLARIZAÇÃO VISOR/VIDRO INDICADOR VARREDURA ESTAÇÃO DE CONTROLE LÂMPADA PILOTO - 3ª LETRA OU SUBSEQUENTES MODIFICADORA ALARME CONTROLADOR RELAÇAO/POLARIZAÇÃO ALTO INDICADOR - 1ª LETRA VARIÁVEL ANÁLISE CHAMA/QUEIMADOR CONDUTIVIDADE DENSIDADE/DAMPER TENSÃO FLUXO A 1ª letra indica a variável que o instrumento manipula, a 2ª letra tem a função de completar a informação anterior. A 3ª letra indica a ação do instrumento (ativa para controlador / transmissor, etc., ou passiva para indicador / lâmpada / alarme / totalização, etc. ). Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 13 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS Neste grupo ainda pode haver outras letras adicionais para funções auxiliares como contatos de alta, de baixa, etc., num máximo de 6 letras, ao todo. 3.3.1- Simbologia de Representação de Conexões entre Instrumentos LOCALIZAÇÃO TIPO LOCALIZAÇÃO PRINCIPAL NORMALMENTE ACESSÍVEL AO OPERADOR MONTADO NO CAMPO LOCALIZAÇAO LOCALIZAÇÃO AUXILIAR AUXILIAR NORMALMENTE NORMALMENTE ACESSÍVEL AO INACESSÍVEL AO OPERADOR OPERADOR INSTRUMENTO DISCRETO INSTRUMENTO COMPARTILHADO COMPUTADOR DE PROCESSO CONTROLADOR PROGRAMÁVEL Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 14 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS Exemplos de TAG: - ZSL-03 12 ! Chave de posição indicativa de nível baixo – refere-se ao local 03 e pertence à malha de controle nº 12. - TRSH-11 04 ! Registrador de temperatura com chave com contato de alta – refere-se ao local 11 e pertencente à malha de controle nº 04. - EIC-04 14 ! Controlador e indicador de tensão do local 04 , malha nº 14. Exemplo de representação gráfica de uma malha de controle: Exemplo de uma malha de controle da temperatura de saída de vapor por variação no fluxo da água de entrada: A malha acima tem a função de ajustar a vazão de fluido que vai ao aquecedor para controle da temperatura do fluido. Essa malha possui um tipo de arranjo chamado de controle em cascata, de forma que a malha de temperatura (malha mestre) fornece o “set point” à malha de fluxo (malha escravo). Neste caso, a malha escravo atua em variáveis rápidas (fluxo) e tem ganho alto. A malha mestre atua em variáveis lentas (temperatura) e tem ganho baixo. Normalmente variáveis de fluxo são as mais rápidas, em seguida pressão, depois nível e por fim, temperatura que é a mais lenta. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 15 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS 3.3.2- Simbologia para Funções 4- Elementos das Malhas 4.1- Transdutores Transdutores são instrumentos de conversão de grandezas físicas de diferentes naturezas. Os transdutores de uso mais comum transformam grandezas físicas em sinais elétricos equivalentes. O processo de transdução nem sempre se dá de maneira ideal, ou seja, nem sempre é linear uma grandeza elétrica ao seu equivalente mecânico. Em regra, ao processo de transdução segue-se uma operação de condicionamento do sinal elétrico obtido, seja para amplificá-lo a níveis de utilização prática, filtrá-lo, limpando-o de ruídos introduzidos no processo de transdução, ou ainda realizando uma amostragem instantânea do mesmo com o objetivo de disponibilizá-lo para diferentes processos de visualização e análise. A visualização ou monitoramento do sinal tem a finalidade de acompanhar o processo físico em desenvolvimento. A amostragem do sinal tem a finalidade da realização do registro histórico do mesmo ou ainda o fornecimento de informações para sistemas de análise ou de controle do Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 16 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS processo associado ao sinal. A cadeia de aquisição de sinais pode ser representada pelo esquema da figura a seguir: O processo de transdução ideal, conforme dito, deve corresponder uma grandeza física a outra elétrica de forma unívoca e linear. Erros decorrentes da passagem do sinal pelos diferentes elementos da cadeia de aquisição entretanto fazem com que a leitura da grandeza elétrica esteja sempre dentro de certos limites de acurácia ou precisão. O limite de precisão de uma leitura no sistema de aquisição é definido em termos do desvio d, com relação a faixa de alcance ou “fundo de escala” da grandeza a ser monitorada. A figura a seguir ilustra o comportamento real dos sistemas de aquisição, comparado com a medida ideal.: Limites de precisão de leitura em um sistema de aquisição de sinais Os erros sistemáticos mais comuns associados ao processo de transdução podem ser resumidos pelos efeitos de imprecisão do ganho (calibração), desvio do zero, não linearidade e sensibilidade cruzada. A figura abaixo ilustra tais efeitos: Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 17 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS Erros mais comuns nos sistemas de aquisição de sinais Os transdutores podem ter qualquer faixa de medição (dentro dos limites físicos) e dar uma saída em um sinal de natureza elétrica de qualquer valor, uma vez que sua principal função é gerar um sinal proporcional à grandeza primária para que ela possa ser medida em instrumentos elétricos ou eletrônicos. As razões abaixo não permitem que os transdutores possam ser utilizados diretamente para enviar sinal a outros instrumentos: - seu sinal de saída , quase sempre , tem muito baixa potência; seu sinal de saída apresenta valores muito baixos ou incompatíveis c/ os demais da malha; seu sinal, quase sempre, não é linear em toda a faixa de medição; A função de ajustar os níveis desse sinal a valores normalizados para serem lidas pelos demais instrumentos e com potência suficiente para ser enviada à distância é feita pelos transmissores. 4.2- Transmissores Os transmissores são utilizados para enviar um sinal à distância, normalmente a registradores, indicadores ou controladores instalados em painel longe da planta / máquina. Os sinais de saída podem ser elétricos (analógicos em corrente ou tensão , ou digitais em saída serial tipo RS-232), pneumáticos, hidráulicos ou por ondas de rádio ou fibra ótica . O transmissor pode incluir outros dispositivos internos auxiliares , como extrator de raiz quadrada, indicador local, etc. A entrada pode ser por 01 ou vários sensores distintos. O ajuste da extensão da saída de um transmissor tem 02 pontos importantes: o zero e faixa. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 18 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS O zero do transmissor é representado pelo valor mínimo do sinal de entrada (1 atm, 50°C, 25 litros/s , etc.) e a saída é igual a 4 mA (se a saída for elétrica analógica em corrente). A linearização do sinal de saída é importante em transmissores que operam com sensores ou transdutores que apresentam sinal não linear , como os sensores de temperatura . 4.3- Sinais Analógicos Os sinais analógicos padronizados mais utilizados são sinais pneumáticos e elétricos. Atualmente os sinais pneumáticos (3 a 15 psi) praticamente não são mais usados devido às dificuldades de manutenção, os sinais elétricos dominam as aplicações. Os principais padrões elétricos para transmissão de medições no padrão analógico são os seguintes: a) TENSÃO: 0 a 10V, 1 a 10V, 0 a 5V ou 1 a 5V. b) CORRENTE: 0 a 20mA ou 4 a 20mA. Os sinais que possuem o limite inferior com valores diferentes de zero são vantajosos sobre os que possuem início de escala nulo, isso devido à facilidade de detecção de problemas na fiação de transmissão que, se por ventura interromper, possibilita uma imediata diagnose, enquanto que os sinais que possuem início de escala em zero podem ter esta situação mascarada pela coincidência de valores nulos. Os sinais em tensão são preferidos na transmissão de informações em pequenas distâncias com fiação blindada, já que não podem transmitir sinais a grandes distâncias em virtude da queda de tensão; estes sinais são muito susceptíveis à interferência de campos magnéticos externos. Já os sinais em corrente podem transmitir informações a longas distâncias sem sofrer interferências externas, porém os transmissores de corrente são de custos mais elevados e podem apresentar problemas caso o circuito fique aberto. 4.4- Conversores Normalmente utilizados em conjunto com sensores de temperatura do tipo termopar ou termoresistência (ou dentro deles), são necessários para transformar o pequeno sinal de tensão proveniente destes em valores de 4 a 20 mA porém não linearizados ou não normalizados. Há conversores de pressão para corrente (P/ I) ou inverso (I/ P). No conversor I/P ou eletro-pneumático, um sinal de corrente de 4 a 20 mA provoca uma saída proporcional pneumática, normalmente de 3 a 15 psi (libras/polegada2). 4.4.1- somadores / subtratores Utilizados para somar ou subtrair 02 ou mais valores de tensão 1 a 5V e apresentar saída de 1 a 5V conforme o resultado de uma expressão Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 19 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS matemática . A fórmula abaixo, como exemplo, permite determinar o valor do sinal de saída para 04 variáveis diferentes de entrada: E0 = N1 ( E1 – 1 ) – N2 ( E2 – 1 ) – N3 ( E3 – 1 ) – N4 ( E4 – 1 ) + K Onde : • E0 = valor de tensão do sinal de saída • N1 , N2 , N3 e N4 = coeficientes selecionáveis para cada entrada , podendo variar de 0 a 1 • E1 , E2 , E3 e E4 = tensão em cada entrada diferente • K = constante selecionável de 0 a 1 4.5 – Registradores São instrumentos que marcam em papel os diversos valores de uma grandeza ao longo de um período de tempo que pode ser dia, hora, mês, etc. São úteis para acompanhamento ou verificação futura do comportamento da variável, desde que sejam selecionados convenientemente a velocidade do papel e os valores máximo e mínimo. Podem ter mais de 01 canal e, nesse caso, as penas de registro são superpostas e marcam o papel com cores diferentes para diferenciação. Há também registradores de jato de tinta e por papel foto sensível. Adicionalmente, podem ter saída de alarmes de valor máximo ou mínimo de cada variável, saída para outro instrumento, etc. 4.6- Atuadores Válvula solenóide Elemento eletromecânico para atuação de uma válvula ou pistão em um circuito pneumático ou hidráulico. Composto por uma bobina que quando acionada altera o fluxo de ar ou óleo de uma passagem para outra. Representações: a – posição acionada: A P R R = orifício de retorno de ar ou de óleo P = orifício de pressão – entrada de ar comprimido ou de óleo A = orifício que se comunica ao cilindro pneumático ou hidráulico Representam-se todas as passagens que estão abertas ou fechadas. A representação acima mostra uma válvula de 3 vias. O orifício R está fechado. A seta indica o sentido da passagem do fluido quando a válvula for acionada, no caso de P para A. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 20 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS b – posição não acionada: Quando a válvula não esta acionada , a comunicação entre os orifícios é outra e deve também ser indicada. Neste caso, A P R Na posição não acionada, o orifício P está fechado e o orifício A se comunica com o orifício R. O óleo no interior do cilindro hidráulico volta para o retorno do circuito. Essa posição é mantida por uma mola que está representada por seu símbolo à direita. c – representação dos 02 estados: A P R Representação de uma válvula de 3 vias – fluxo de P para A ou de A para R e de 2 posições – Acionada e Não Acionada. Na posição acionada P se comunica com A e R está fechado. Na posição não acionada A se comunica com R e P está fechado. Necessário representar também o atuador da válvula que pode ser mecânico, mola, solenóide, etc. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 21 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS d – representação com os atuadores: A P R Válvula de 3 vias. Posição não acionada mantida por mola e posição acionada mantida por solenóide. A P R Válvula Normal Fechada – NF . Na posição não acionada o óleo não passa ao cilindro (P fechado) A P R Válvula Normal Aberta – NA . Na posição não acionada o fluido sempre vai para o cilindro ( P se comunica direto com A ) A P R Válvula Universal de 3 vias – O fluxo de fluido pode ser nos 2 sentidos A A P P Válvula de 2 vias NA Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG Válvula de 2 vias NF 22 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS A escolha de válvula NA ou NF deve ser feita considerando-se sua função no sistema e os requisitos de segurança de operação em caso de falta de energia elétrica. Se, caso falte energia, o fluxo de ar ou gás ou vapor deve ser interrompido, a válvula deve ser NF. Caso não possa interromper o fluxo, a válvula deve ser NA, quer dizer, com sinal = zero, a válvula abre. Alimentação elétrica: A bobina pode ser especificada para alimentação em tensão contínua por 12, 24 ou 110 VCC ou tensão alternada em 24, 110 ou 220 VCC com potência permanente entre 6 e 30 W. Para dimensionamento do alimentador deve-se atentar para a potência de partida ou de arranque da bobina, que pode ser entre 2 e 3 vezes maior do que o valor de serviço. Na especificação da bobina é necessário também especificar o seu código da classe de temperatura, que indica o máximo que o enrolamento pode suportar, por causa das elevações de temperatura devidas ao ambiente, ao aumento provocado pelas atuações da bobina e pela passagem do fluido. Classe A para 105ºC, classe B para 130ºC, classe F para 155ºC e classe H para 180ºC. Representação das diversas válvulas em esquemas de malhas: válvula de de 2 vias – reta válvula de 2 vias em L válvula de 3 vias válvula NF válvula válvula NA 2 vias NA ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS PARA PEDIDO: a – diâmetro da conexão – 1/8” , ¼” , 3/8” e tipo de rosca ( NPT ou gás ) b – função – 2, 3 ou 4 vias – NA ou NF c – diâmetro do orifício do corpo – 1,2 , 1,6 , 2,4 , 4,8 , 6,0mm , etc. d – material do corpo da válvula – latão, alumínio, aço inox, etc. e – demais dados – tipo de vedação, forma da bobina, etc. f – tensão e freqüência da alimentação elétrica e classe de temperatura Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 23 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS Representação dos demais elementos hidráulicos e pneumáticos : Diagrama de um circuito hidráulico: Seja o exemplo de um sistema composto por uma correia transportadora que carrega um lote de peças iguais. Para cada conjunto de 10 peças prontas deve-se retirar uma delas para avaliação da qualidade do lote. Será necessário instalar um contador de passagem de peças que pode ser por feixe de luz ou outro dispositivo similar interligado a um contador. Cada vez que for detectada a 10ª peça, o contador envia um sinal ao cilindro hidráulico para que pare a transportadora e se retire a peça. A pinça deve sempre estar recolhida para o alto, de forma a não interfira no caminho normal das peças. A chave limite LS1 tem a função de liberar a ligação do acionamento da transportadora. Se ele estiver acionado é sinal de que a pinça está recolhida. O solenóide S1 faz passar óleo ao cilindro que abaixa a pinça até que ela esteja em posição de prender a peça. Para que a pinça abaixe é necessário, primeiro, que ela esteja aberta para não derrubar a peça. Depois de aberta e posicionada, a pinça se fecha e é dado o comando para a pinça subir. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 24 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS Neste exemplo não está representado o passo seguinte, que seria a pinça levar a 10ª peça até outro local e voltar ao estado inicial. O sistema controlador (CLP) necessita receber informações sobre os estados das chavesfim-de-curso, de forma a poder desligar o acionamento de cada cilindro hidráulico quando for atingida sua extensão necessária. Cilindro Pode ser de acionamento hidráulico ou pneumático e tem a função de atuar uma haste simples ou dupla, em uma única direção e 01 ou 02 sentidos, a partir da entrada de óleo ou ar comprimido num lado do êmbolo e saída de fluido de outro. A ponta da haste pode ter uma rosca interna ou externa para o acoplamento a uma outra peça. O cilindro pode ter ação simples (apenas 01 entrada de fluido) ou ação dupla (entrada dupla de fluido). Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 25 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS PARA PEDIDO : a – função – ação simples ou dupla e haste simples ou dupla ou reforçada b – montagem – por flange , por articulação , por tirante , por pescoço , em cantoneiras , etc. – com ou sem amortecedores c – haste com rosca macho ou fêmea ( externa ou interna ) ou outra d – diâmetro do cilindro – de 1” até 12” e – curso da haste – de 25mm até 1000mm f – diâmetro da haste – de 5/8” até 1.1/2 ” Acessórios utilizados nas linhas de ar comprimido: – filtro de ar – em forma de copo e com dreno inferior – filtro removedor de óleo para linha de ar comprimido – regulador de pressão com ou sem manômetro – lubrificador para ar comprimido – purgador para retirar impurezas na linha – secador para retirada de vapor de água condensada nas linhas de ar comprimido 4.7- Sensores de Posição ou de Proximidade Sensores mecânicos Chaves-limite ou chaves fim-de-curso: Atuam por contato físico com uma peça ou parte de uma máquina que se move. Normalmente são utilizadas para desligamento da máquina ou de algum movimento, de forma que seu contato NF se abre quando a haste é tocada. Para cada tipo de movimento e posição da chave existe um tipo de acionamento que pode ser por passagem, toque tangencial em uma ou mais direções, toque frontal, etc. É composta por 03 peças: Corpo – normalmente em zamak, alumínio ou fibra para alojamento dos contatos Contatos – normalmente 1NA + 1NF para 4A ou 6A – 250 V Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 26 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS Cabeçote – elemento sensor de toque. Principais características que se devem observar para especificação são a velocidade de acionamento (em mm/min), curso total de acionamento e o ponto em que os contatos se abrem ou fecham. Chaves programadoras rotativas: Compostas por um disco de acionamento c/ cames circulares que atuam micro-interruptores quando o eixo é girado. O ponto de acionamento de cada came pode ser programado por deslizamento ou regulagem de suas posições. Normalmente as chaves programadoras podem ter de 2 a 20 micro-interruptores e são utilizadas em máquinas que realizam operações seqüenciais pré- definidas. Sensores indutivos: O sensor é composto por um gerador de campo magnético de alta freqüência obtida de um oscilador eletrônico. As linhas de fluxo percorrem uma região externa à cabeça sensora. Um metal ou peça metálica que esteja ou passe dentro dessa região altera o fluxo, fazendo atuar o sensor. A saída de informação é feita por um contato seco ( para CA ou CC ) ou por um transistor (para CC) . A distância sensora pode ser de 1mm a 15mm dependendo do tipo de cabeçote. Vantagens: não possuem peças móveis, não necessita de contato físico com a peça, o ponto de atuação é razoavelmente constante e são vedados internamente. Sensores capacitivos: Funcionam por campo elétrico que é alterado quando o dielétrico do meio varia. Assim, pode detectar quase qualquer material (madeira, vidro, plástico, papel, metal, material orgânico, etc.). A distância sensora não é fixa mas depende da forma, da massa e do material de que é feita a peça que entra no campo sensor. Sensor fotoelétrico: Operam por luz infra-vermenlha modulada e podem ser de vários tipos : a) Montagem separada – O transmissor e o receptor podem ficar em peças distintas, de forma que o receptor opera quando o feixe de luz é interrompido. b) Montagem conjunta - O transmissor e o receptor são montados juntos, de forma que a peça acionadora deverá refletir a luz recebida. O sensor é Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 27 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS especificado para um tipo de material refletor, por exemplo, papel branco. Se o material da peça for outro, a distância sensora será outra (maior ou menor), de acordo com a sua reflexão. 5- Medição de Grandezas Físicas A medição de uma grandeza física qualquer consiste, basicamente, na utilização de um conjunto transdutor + condicionador (transmissor), que seja capaz de relacionar, de forma conhecida, a grandeza física em questão com um sinal padronizado. Os trandustores baseiam-se, de forma geral, em leis físicas que associam a variação da grandeza a ser medida com a variação de algum outro tipo de grandeza de fácil medição. 5.1- Medição de Temperatura Temperatura é a média da energia cinética do corpos. Calor é energia que se transfere de um corpo para o outro por diferença de temperatura, isto é, variando o calor aumenta ou diminui a temperatura do corpo. As unidades de temperatura no Sistema Internacional: Celsius para temperaturas relativas e Kelvin para temperaturas absolutas. O zero absoluto é considerada a menor temperatura em que um elemento se encontra e seus átomos estão com energia cinética praticamente igual a zero. Essa temperatura é de aproximadamente –273,15 ºC. As unidades do sistema Inglês (Imperial): Farenheit para temperatura relativas e Rankine para temperaturas absolutas. 5.1- Termoresistência É um resistor especial cuja resistência não é fixa mas varia em função da sua temperatura. O corpo do sensor (também chamado de bulbo de resistência) pode ser vidro ou cerâmica. A relação entre a temperatura e a resistência pode ser resumida pela fórmula: R = R0 ( 1 + α . ∆ t + β . ∆ t2 ) onde: • • • • • R = resistência do sensor à temperatura t ( °C ) R0 = resistência do sensor à temperatura t0 ( °C ) = coeficiente de temperatura do material do sensor = coeficiente de correção do material do sensor t = diferença de temperatura t – t0 Para o sensor de platina, α = 0,00385 O mais comum é o chamado Pt100, formado por uma liga de platina e com valores de resistência normalizados: Para o Pt100w que mede de -250°C a +550°C, a tabela abaixo fornece o valor das resistências em Ω: Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 28 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS temperatura Resistência temperatura resistência temperatura resistência temperatura resistência -175°C -170°C -165°C -160°C -155°C -150°C -145°C -140°C -135°C -130°C -125°C -120°C -115°C -110°C -105°C -100°C -95°C -90°C -85°C -80°C -75°C -70°C -65°C -60°C 29,140 31,204 33,380 35,488 37,588 39,681 41,765 43,842 45,912 47,975 50,032 52,082 54,127 56,166 58,201 60,230 62,255 64,275 66,290 68,302 70,310 72,313 74,313 76,309 -5°C 0°C +5°C 0°C 15°C 20°C 25°C 30°C 35°C 40°C 45°C 50°C 55°C 60°C 65°C 70°C 75°C 80°C 85°C 90°C 95°C 100°C 105°C 110°C 98,043 100,000 101,953 103,904 105,851 107,795 109,737 111,675 113,611 115,543 117,472 119,399 121,322 123,243 125,160 127,075 128,966 130,895 132,801 134,703 136,603 138,500 140,394 142,173 165°C 170°C 175°C 180°C 185°C 190°C 195°C 200°C 105°C 210°C 215°C 220°C 225°C 230°C 235°C 240°C 245°C 250°C 255°C 260°C 265°C 270°C 275°C 280°C 162,894 164,750 166,604 168,454 170,302 172,146 173,988 175,827 177,663 179,496 181,326 183,154 184,978 186,800 188,617 190,435 192,248 194,058 195,865 197,669 199,471 201,270 203,066 204,859 335°C 340°C 345°C 350°C 355°C 360°C 365°C 370°C 375°C 380°C 385°C 390°C 395°C 400°C 405°C 410°C 415°C 420°C 425°C 430°C 435°C 440°C 445°C 450°C 224,392 226,151 227,907 229,659 231,409 233,156 234,901 236,642 238,380 240,116 241,849 243,578 245,305 247,029 248,750 250,469 252,184 253,896 255,605 257,313 259,016 260,717 262,415 264,110 temperatura Resistência temperatura resistência temperatura resistência temperatura resistência -55°C -50°C -45°C -40°C -35°C -30°C -25°C -20°C -15°C -10°C 78,302 80,291 82,276 84,259 86,237 88,213 90,185 92,154 94,120 96,083 115°C 120°C 125°C 130°C 135°C 140°C 145°C 150°C 155°C 160°C 144,173 146,058 147,941 149,820 151,696 153,570 155,440 157,308 159,173 161,035 285°C 290°C 295°C 300°C 305°C 310°C 315°C 320°C 325°C 330°C 206,649 208,436 210,220 212,002 213,781 215,556 217,329 219,099 220,866 222,631 455°C 460°C 465°C 470°C 475°C 480°C 485°C 490°C 495°C 500°C 265,802 267,491 269,176 270,861 272,541 274,219 275,893 277,565 279,234 280,899 O termoelemento é inserido no local de onde se deseja saber a temperatura . Para a medida do valor é necessário utilizar uma ponte de resistências – tipo Ponte de Wheatstone – conforme um dos diagramas abaixo: Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 29 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS LIGAÇÃO A 2 FIOS : • • • • • 01 ligação para cada extremidade do sensor medição de menor precisão a resistência do cabo pode ser considerada uma constante ativa no circuito e todas as medidas serão acrescidas desse valor eventuais mudanças de resistência devidas à temperatura devem ser desprezadas utilizado somente quando a distância do sensor ao instrumento for menor que 10m LIGAÇÃO A 3 FIOS : • • • • 01 ligação para uma extremidade do sensor e 02 para a outra conectado a uma ponte simétrica ou instrumento com entrada para 03 fios obtém-se uma compensação da resistência do cabo e dos efeitos da variação da temperatura sobre ele configuração mais utilizada Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 30 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS LIGAÇÃO A 4 FIOS : • • • • 02 ligações para cada extremidade do sensor medições de alta precisão requer 02 medições e um cálculo utilizada em laboratórios 5.2- Termopar É composto por uma junção de 02 fios de elementos químicos diferentes. Essa junção é chamada junção quente e produz uma força eletromotriz que depende das características termoelétricas dos 02 materiais e da diferença de temperatura entre essa junção e a do outro extremo dos fios que não tem junção (chamada de junção fria ou de referência). Apesar da tensão gerada ser proporcional à diferença de temperatura, essa tensão não é sempre linear e, por isso, será necessário inserir algum circuito extra para compensação. Todas as tabelas fornecem valores relativos à junção fria a 0°C. Se ela estiver a 25°C, será necessário subtrair a tensão gerada do valor relativo a 25°C e assim para outros valores. f.e.m. gerada = função da diferença de temperatura (junção quente – junção fria) Os materiais mais utilizados utilizam platina por ser mais linear, mas há termopares de ferro-constantan, cobre-constantan, cromel-alumel, platinaplatina/ródio, etc. constantan = 86% cobre + 13% níquel alumel = 95% níquel + alumínio + silício + magnésio cromel = 90% níquel + 10% cromo copel = 56% cobre + 44% níquel platina/ródio a 10% = 90% platina + 10% ródio Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 31 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS Faixas de aplicação recomendada para termopares: Ferro-constantan (código J) → - 200°C a + 600°C Cromel-alumel (código K) → 0°C a + 1200°C Platina – platina/ródio 10% (código S) → 0°C a + 1600°C Platina – platina/ródio 13% (código R) → 0°C a + 1600°C Sensibilidade dos termopares: Cromel-alumel (código K) → 0,039 mV /°C (cromel positivo) Ferro-constantan (código J) → 0,063 mV /°C (ferro positivo) Cobre-constantan → 0,059 mV /°C (cobre positivo) Platina – platina/ródio 10% (código S) → 0,011 mV /°C (platina-ródio positivo) SÉRIE TERMOELÉTRICA DOS ELEMENTOS material tensão [ mV ] material níquel - 1,5 ~ - 1,6 platina ferro + 1,8 cromo-níquel ródio + 0,65 constantan magnésio + 0,40 cobre alumínio + 0,40 silício tensão [ mV ] 0,0 + 2,2 - 3,4 ~ - 3,6 + 0,75 + 45 Nota: tensões com referência à platina, para uma diferença de temperatura de 100°C contra uma junção fria a 0°C. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 32 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 33 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS 5.3- Dilatação de bimetálico O princípio de funcionamento é a dilatação linear dos metais quando esses submetidos ao calor. Cada metal possui um determinado coeficiente de dilatação linear. O termômetro Bimetálico é formado por uma lâmina composta de dois metais diferentes. Os coeficientes de dilatação linear dos dois metais são diferentes e quando ocorre o aquecimento da barra, a dilatação linear dos metais não sendo iguais, faz com que a lâmina se curve. Esse encurvamento da lâmina é proporcional à temperatura aplicada na barra. Outras configurações: 5.4- Indicadores São indicadores simples de temperatura com elemento sensor por galvanômetro de bobina móvel ou ferro móvel. Possui contatos reversores para sinalização ou alarme remoto de máximo ou mínimo que são ajustados diretamente na escala. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 34 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS No exemplo acima, a escala vai de 0ºC até 90ºC, com sinalização de mínimo em 24ºC e máximo em 74ºC. Esse tipo de indicador também é chamado de controlador por possuir contatos, apesar de não ter circuitos internos para ajuste de variáveis. Para indicação de temperatura, normalmente possuem um amplificador interno para poder manipular as grandezas que recebe de termopares ou bulbos de resistência. Outras indicações podem ser tensão, corrente, pressão, freqüência, RPM, etc. Devem possuir alimentação auxiliar CA ou CC. 5.2- Medição de Pressão Pressão é a força exercida em uma determinada unidade de área. É a variável mais medida pois, através da pressão podemos medir outras variáveis como vazão, nível e temperatura. A vazão é medida pela pressão diferencial entre dois pontos de uma tubulação onde existe uma restrição. O nível pode ser medido pela pressão estática do fluido no fundo do tanque. Quanto maior a pressão, maior o nível. Deve ser levada em consideração o peso específico do fluido. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 35 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS A temperatura pode ser medida pela pressão interna de um bulbo e capilar inseridos em determinado produto. O aumento da temperatura ocasiona o aumento da pressão interna do bulbo e esta pressão pode ser relacionada com a temperatura do produto naquele instante. Tipos de pressão: - Pressão Atmosférica É a pressão exercida pelo peso da camada de ar existente na atmosfera terrestre. (Lembre-se que o ar é composto por Nitrogênio 79%, Oxigênio 20%, e 1% outros gases). - Pressão relativa ou manométrica É a pressão medida tomando-se como referência atmosférica local, isto é, onde se está. Por exemplo: A pressão do pneu de um automóvel que é de aproximadamente 26 psi, ou 1,9 bar. - Pressão absoluta É a pressão medida acima do vácuo absoluto, isto é, a soma da pressão atmosférica mais a pressão relativa. Quadro comparativo de Pressões: No Sistema Internacional teremos as seguintes unidades de pressão: Força: kg ⋅ m Área: m 2 Pressão: N s2 m2 =N ! Newton ! metro quadrado ! Pascal Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 36 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS Outras unidades usuais: Bar, kgf/cm2, atm, mmH20, mmHg, psi. Podemos utilizar tabelas de conversão para simplificar a transferência entre as diferentes unidades. kgf/cm2 1 ,0703 1,0332 0,09991 0,13596 lb/pol2 (psi) 14,22 1 14,696 1,421 1,933 atmosfera (atm) 0,9678 0,0680 1 0,0967 0,1316 coluna de água [m] 10,01 0,7037 10,34 1 1,361 coluna de mercúrio [mm] 735,5 51,71 760 73,49 100 Existem três tipos de sensores de pressão que são os transdutores utilizados nos instrumentos de pressão: • Medidores de coluna líquida • Medidores por deformação elástica • Medidores eletro-eletrônicos Manômetro O tipo de instrumento mais utilizado na indústria para indicar a pressão é o manômetro. O manômetro é um instrumento de baixo custo e pode trabalhar em várias faixas de pressão. O mais comum de todos é o tipo Bourdon tipo C. Refere-se ao tipo de construção como é mostrado na figura: Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 37 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS É formada por um tubo oco com seção transversal elíptica curvado como um círculo. Uma extremidade se comunica com a linha de pressão e a outra é fechada. Sob pressão externa, o tubo tem a tendência de se inflar e adquirir uma seção de forma circular. Isso provoca o aumento do raio do círculo, afastando a ponta fechada da sua posição de repouso. Um ponteiro ligado a essa extremidade fechada irá transmitir o movimento ao ponteiro, indicando o valor da pressão. Os materiais utilizados para confecção do tubo devem ter baixa variação da sua forma com o aumento da temperatura externa. Há diversas formas de curvatura que pode ser circular, como a figura, também chamado de curva C, ou espiral ou helicoidal, dependendo da pressão a ser medida. A forma C atende às faixas de até 100 kg/cm2 e a forma helicoidal para valores superiores. Os manômetros com tubo Bourdon são utilizados para indicação de pressão positiva, negativa (vácuo) ou ambas em meio de medição gasoso ou líquido isento de sólidos em suspensão, não muito viscoso ou cristalizante. Internamente há parafusos para ajuste do zero de escala ou multiplicação da faixa, esta por variação do comprimento da haste que liga o final do tubo à engrenagem do ponteiro. Transmissor de PRESSÃO O transmissor de pressão tem como função transmitir a pressão do processo para uma sala de controle ou sistema de controle. Exemplo: O instrumento está instalado no processo em uma linha de gás pressurizado que está em um prédio exatamente a 20 metros de altura. O operador não precisa ir até o local para efetuar a leitura. Transmissor envia um sinal padrão para a sala de controle que representa a pressão do gás no processo no local onde o transmissor está localizado. O transmissor envia um sinal padrão que é recebido em um painel ou em uma sala de controle. O transmissor de pressão mais antigo é mostrado aqui para com o objetivo de visualizar o princípio da medição nas câmaras de pressão separadas pelos diafragmas. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 38 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS Quando a pressão aumenta no lado do processo, faz com que haja uma deformação no diafragma e este por sua vez desloca a haste que está presa a ele. Na parte superior existe um transdutor que detecta o pequeno movimento e o transforma num sinal elétrico proporcional à pressão exercida na câmara. Atualmente os transmissores de pressão utilizam uma câmara com um capacitor. A pressão deforma o diafragma que transmite para uma das placas do capacitor na célula do transmissor. Essa deformação altera a capacitância e um circuito eletrônico detecta essa mudança. A pressão proporcional é transmitida pelo transmissor para a sala de controle através do sinal eletrônico ou digital. 5.3- Medição de Vazão Vazão é o deslocamento de volume ou massa de um fluido em uma determinada seção na unidade de tempo determinada. A vazão é considerada uma das variáveis mais complexas para se efetuar a sua medição e controle. As unidades de medição de vazão podem nos fornecer a vazão mássica ou a vazão volumétrica do fluido medido. Podemos trabalhar com unidades no sistema métrico ou Inglês. No sistema métrico temos: • • • lpm Tph m3/h ! litro por minuto: vazão volumétrica de líquidos, ! tonelada por hora: vazão de vapor, ! metro cúbico por hora: para gases. Podemos medir vazões tão pequenas quanto a vazão de veias e artérias ou Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 39 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS também medir vazões de rios e grandes canais. Existem instrumentos para medir vazões de diferentes magnitudes e cada um possui características especiais para tais medições. Tipos de Fluidos: - Líquidos - Gasosos Tipos de Vazão: - Volumétrica - Mássica Princípio Transdutor Pressão Diferencial Área Variável Velocidade Força Tensão Induzida Elemento Transdutor - Placa de Orifício - Bocal - Tubo Venturi - Tubo Pitot - Tubo Annubar - Rotâmetro - Vertedouro - Turbina - Sonda Ultrasônica - Placa de Impacto - Medidor Magnético 5.3.1- Instrumentos de Pressão diferencial Estes medidores tem o seu funcionamento baseado no Teorema de Bernouilli (Altura cinética + altura de Pressão + altura Potencial = cte.), que relacionam entre si pressão, vazão e velocidade. Uma restrição é instalada em uma linha e através da pressão diferencial podemos medir a vazão com uma boa precisão. O instrumento utilizado para medir a pressão diferencial é o transmissor de pressão diferencial. É um medidor de pressão como vimos anteriormente, só que as duas câmaras são utilizadas no processo. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 40 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS Q = K ⋅ A ⋅ ∆P • • • • Q = vazão do fluido no local de medição K = constante que depende do fluido e do processo A = área da restrição ∆P = P1 – P2 = diferença de pressões medidas antes e depois da restrição Os medidores de pressão devem ser instalados em trechos retos da tubulação a fim de se evitar as turbulências que irão fazer os manômetros indicar valores falsos. O orifício deve ser exatamente centrado na tubulação e seu diâmetro é calculado e se situa entre 0,30 e 0,60 D. As desvantagens do orifício são a grande perda de carga que ele impõe à tubulação devido ao seu Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 41 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS pequeno diâmetro e a falta de precisão nas medidas quando a tubulação tem grande diâmetro. Outros instrumentos também utilizam o princípio de medição por pressão diferencial. São eles: Tubo de Venturi - Perda de Carga de 10 a 20% da pressão diferencial associada, Grande Precisão: 0,75% Passagem de Líquidos com muitas partículas, Bocal - Vazão superior a 60% da Placa de Orifício, utilizado para materiais com pequena quantidade de sólidos, possui menor perda de carga, equipamento de Alto custo, precisão da ordem de 1,5% Tubo de Pitot Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 42 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS - Mede a diferença entre a pressão Total e a pressão estática, ou seja, a pressão dinâmica que é proporcional ao quadrado da velocidade. Baixa precisão Medição de grandes vazões de fluidos limpos com baixa perda de carga, 5.3.2- Medidor de Área Variável Rotâmetro É um medidor onde a perda de carga é constante e a área é variável. O rotâmetro permite somente leitura local: Neste equipamento, a medida em que a pressão aumenta, o flutuador de medida sofre um empuxo crescente e desloca-se para cima até entrar em condição de equilíbrio. Este equilíbrio é conseguido pelo aumento da área ao longo do tubo de vidro. Este sistema é muito utilizado para medições locais de vazão, os principais atrativos deste medidor são: baixo custo e facilidade de instalação. 5.3.3- Medidores de Velocidade Estes medidores realizam a medição de vazão em função da velocidade de escoamento do fluído ao longo de um trecho de dimensões conhecidas. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 43 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS Vertedouro A medição de vazão em condutos livres, particularmente em canais abertos, é um dos problemas mais importantes no estudo da hidráulica aplicada. Entre os inúmeros dispositivos propostos os mais utilizados são os medidores de regime crítico, entre eles as ditas calhas. Nas calhas de medição de vazão, a água é submetida a uma concentração produzida pelas laterais ou pela elevação do fundo do canal ou por ambas. Uma característica comum das calhas medidoras é a formação proposital de uma onda de refluxo próximo a sua saída, o que conduz a uma perda de carga correspondente três a quatro vezes menor que a que seria observada em um vertedouro de mesma capacidade. Entre estes dispositivos de medição um dos mais populares é o medidor Parshall ou vertedouro parshall, inventado pelo engenheiro americano do Serviço de Irrigação do Departamento de Agricultura dos Estados unidos, Ralph Leroy Parshall (1881-1960), que o criou com base nos estudos de Venturi. Desenvolvido em tamanhos padronizados de 3" até 10', largura nominal "W" de sua garganta (Tabela 1), hidraulicamente é um tipo de medidor Venturi. Inicialmente destinado a aplicações em canais de irrigação, este medidor de vazões passou a ser conhecido como Calha Parshall, em honra ao seu criador, e hoje é freqüentemente empregado além da função original, também como um efetivo misturador de soluções químicas nas estações de tratamento de água. Medidor Parshall A calha Parshall é um dispositivo de medição de vazão na forma de um canal aberto com dimensões padronizados. A água é forçada por uma garganta relativamente estreita, sendo que o nível da água à montante da garganta é o indicativo da vazão a ser medida, independendo do nível da água à jusante de tal garganta. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 44 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS Medidores Tipo Turbina: Nestes medidores o giro de uma turbina proporcionado pelo fluido em movimento gera uma velocidade rotacional proporcional à esta vazão. Medidor Ultra-sônicos Este medidor, originalmente utilizado para medição de nível, permite a medição de vazão de fluídos líquidos através do efeito de atraso de propagação de ondas eletromagnéticas de ultra-som, conhecido como efeito Doppler, em um canal de dimensões conhecidas. Os medidores ultra-sônicos possuem como principais vantagens: alta sensibilidade, alta precisão, medição sem contato com fluido. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 45 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 46 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS 5.3.4- Medidor por Tensão Induzida – Medidor Magnético O principio de medição baseia-se na lei da indução de Faraday, ou seja, quando um condutor elétrico se move num campo magnético cortando as linhas de campo forma-se uma F.E.M.(Força Eletro Motriz) no condutor proporcional a velocidade do condutor. O transmissor de vazão instalado na tubulação entre flanges é composto basicamente, do tubo cilíndrico, duas bobinas fixadas no tubo, face a face, para geração do campo magnético e dois eletrodos fixados perpendicularmente as bobinas. A F.E.M. induzida no líquido segundo a lei de Faraday pode ser expresso pela equação. U=K.B.v.D K = constante do instrumento B = intensidade do campo magnético v = velocidade média do fluxo D = Distância entre os eletrodos A tensão U induzida neste meio é diretamente proporcional à velocidade média do fluxo v. A indução magnética B ( intensidade de campo magnético) e a distancia entre os eletrodos D (diâmetro nominal do tubo) são constante. Logo a F.E.M induzida é função da vazão volumétrica de saída. Na medição indutiva de vazão o fluido em movimento constitui o condutor móvel. Sua condutibilidade precisa ser no mínimo 5microS/cm. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 47 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS 5.4- Medição de Nível Nível é a altura de um determinado fluido ou sólido acondicionado em tanques ou reservatórios (vasos pressurizados ou não). Para representar o nível, utilizamos unidades de comprimento (sistema métrico ou inglês) e indicamos a relação do nível com a capacidade de armazenamento do tanque, vaso ou recipiente indicando em uma escala de 0 a 100% da altura do elemento medido. O transmissor de NÍVEL tem como função transmitir o NÍVEL do processo para uma sala de controle ou sistema de controle. Os medidores de nível podem ser classificados em: Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 48 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS Medidores Diretos • • Visores de Nível Bóias Medidores Indiretos • • Através instrumentos pressão/pressão diferencial Por empuxo Medidores especiais de • de • • • • • Ultrasônicos Radar Radioativos Capacitivos Temperatura Foto-elétricos 5.4.1- Medidores Diretos Visores de Nível Indicam o nível através de um tubo de vidro ou através de placas de vidro em um invólucro especial que suporta altas pressões. É uma das formas mais simples de indicação de nível. Bóias Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 49 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS 5.4.2- Medidores Indiretos Os medidores Indiretos se caracterizam por utilizar características dos fluidos como a pressão hidrostática no fundo dos tanques para medir o nível. Medidores de Nível por pressão diferencial O transmissor de nível por pressão diferencial é o mesmo de pressão e vazão. No caso do nível, o instrumento mede a pressão hidrostática do fluido no fundo do tanque e o instrumento transmite um sinal proporcional ao nível em que o fluido se encontra no tanque. Esquema para tanques abertos Esquema para tanques fechados Medidores de Nível por Empuxo O medidor de nível por empuxo é constituído de um elemento flutuador que, com a variação do nível, o empuxo que o líquido exerce sobre o flutuador é transformado em um movimento rotativo que é detectado pelo transmissor que envia um sinal proporcional ao nível de fluido no tanque. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 50 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS 5.4.3- Medidores Especiais Medidores de Nível Ultrasônicos Os medidores de nível ultrasônicos medem o nível através da reflexão das ondas de ultrasom que são geradas e retornam para o detetor do instrumento. O instrumento detecta o atraso entre a transmissão e detecção , encontrando a distância da fonte até a superfície do líquido. Descontadas a cotas da altura da fonte geradora de ultrasom, o instrumento indica o nível que o fluido se encontra dentro do tanque. Medidores de Nível por Radar O funcionamento é análogo ao de ultrasom só que a grande diferença é que as ondas do radar podem medir interfaces de fluidos, mesmo que existam Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 51 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS sistemas de agitadores, o instrumento é desenvolvido para detectar somente o fluido especificado. Medidores de Nível Radioativo Consiste em colocar uma fonte radioativa no fundo ou no topo do tanque e um detetor que receberá radiação com uma intensidade proporcional ao nível do material estocado no tanque. Medidores de Nível Capacitivo O reservatório funciona como um capacitor e o nível é medido pela capacitância presente entre a estrutura do tanque e a haste do medidor, em contato com o fluido. Esta capacitância dependerá da altura do fluido no tanque. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 52 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS 5.5- Medição de Outras Grandezas Físicas As variáveis vistas até agora são as mais consideradas e as mais utilizadas nos processos industriais. Existem outras importantes variáveis monitoradas e controladas: Composição de materiais Fluidos podem ser analisados segundo sua composição, concentração ou mesmo características físico químicas. Para tal, existem instrumentos especiais e muito precisos que podem analisar tais características. Analisadores e detetores podem fornecer dados importantes sobre os elementos do processo. Propriedades Químicas - Turbidez - Viscosidade - Cor - Consistência Propriedades Físicas - pH - Condutividade - Capacidade de Redução (Redox) - densidade Variações - Velocidade - Freqüência - Tensão - Corrente Para cada variável podemos afirmar que existe um instrumento específico que possui capacidade para medir, indicar, transmitir ou registrar tal Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 53 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS variável. Atualmente com o avanço da tecnologia da informática, a evolução das tecnologias de novos materiais, os instrumentos de uma forma geral possuem grande precisão e podem oferecer muita funcionalidade para a medição na indústria. 6- Malhas de Controle de Processos 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. Exemplo: Imagine um automóvel sem velocímetro. Deseja-se manter a velocidade constante em um determinado valor: por exemplo 80 km/h. 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 manterá próxima de 80 km/h, mas somente com muita sorte ele conseguirá manter esta velocidade. Por outro lado, se ele precisar subir (descer) uma lombada, a velocidade irá diminuir (aumentar). Isto é malha aberta! Considere 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 lombada. Em resumo, a utilização da realimentação e, portanto, do controle em malha fechada, permite entre outros: • aumentar a precisão do sistema. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 54 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS • • • 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 Leis de Luyben: O autor do livro “Process Modeling, Simulation and Control for Chemical Engineers. 2nd ed 1990 - McGraw-Hill International Editions”, Luyben, W.L., propõe duas leis básicas para quem pretende trabalhar com controle de processo: • Primeira Lei: O sistema de controle mais simples que atende aos requisitos é o melhor. • Segunda Lei: Entender o processo é requisito para poder controlá-lo. 6.1- Controlador On-Off Neste tipo de controle o modo de ação aplicado na Variável Manipulada é do tipo On Off, portanto trata-se de um controle com característica digital para a saída. O sinal controlado (variável medida ou controlada) trabalho dentro (ou próximo) de uma faixa de valores denominada HISTERESE. Esta faixa é delimitada pelos valores máximo e mínimo cobertos pela ação de controle, conforme a figura abaixo: A variável manipulada é levada a nível alto quando a variável controlada possui valor inferior a faixa mínima e retorna a nível baixo quando a VM alcança a faixa máxima da histerese. Este controlador encontra aplicações em plantas onde a exigência de Set Point preciso não é fundamental. Pode-se citar como pontos positivos: a Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 55 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS facilidade de construção do sistema de controle e a eficiência dentro das condições propostas. 6.2- Modos Ativos de Ações de Controle Existem, para fins de controle dos sistemas, 3 tipos de modos de controle que podem ser feitos nas plantas industriais: proporcional (P), integral (I) e derivativa (D). Estes modos podem ser combinadas para formar as diversas estratégias de controle que serão adotadas de acordo com o tipo de controle desejado. a) Ação Proporcional Nesta ação o valor da Variável Manipulada (MV) será proporcional ao erro presente na Variável Controlada (PV), determinada pela diferença: e=SPPV, através de uma constante de proporcionalidade. VM ∝ K p ⋅ e A constante de proporcionalidade ou Ganho Proporcional, Kp, está relacionado com a velocidade de resposta do controlador e, consequentemente, com o offset do sinal controlado. É muito comum expressar a constante de proporcionalidade pela faixa de atuação do controlador P que é chamada de Banda Proporcional (BP). A banda proporcional está diretamente relacionada com o ganho proporcional através da expressão: BP = 1 × 100% Kp Na resposta em tempo, o aumento do ganho implica em resposta mais rápida do sistema, maior amplitude das oscilações e redução do erro em regime permanente. O aumento excessivo do ganho pode levar o sistema à instabilidade. Não é possível zerar o erro em regime permanente mesmo com o aumento do ganho. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 56 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS b) Ação Integral A ação integral comporta-se como um deslocamento que varia automaticamente em função do erro acumulado. Isto produz o zeramento do erro em regime permanente sem provocar melhoria no desempenho a transitórios. Outro efeito desta ação é fazer com que a faixa de banda proporcional acompanhe a variável medida, colocando-a ao centro desta: por esta razão, a ação integral também é chamada deslocamento ( ou reset ) automático. VM ∝ 1 e ⋅ dt Ti ∫ Com o ganho integral tendendo a infinito, a ação integral passa a não ter efeito sobre o sistema. A máxima atuação da ação integral é quando o ganho integral tende a zero. A ação integral deixa o sistema mais lento em função da inércia devido ao erro acumulado. c) Ação Derivativa A ação derivativa altera a variável de atuação de maneira proporcional à velocidade de variação da variável controlada (PV). Desta forma, tem o efeito de uma ação de antecipação sobre o controle do sistema. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 57 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS VM ∝ Td de dt Em regime permanente a ação derivativa é nula, só tendo atuação nos períodos transitórios. Por este motivo, a ação derivativa nunca é utilizada isoladamente. A ação derivativa possui a tendência de reduzir a amplitude das oscilações e torna o sistema mais rápido, permitindo a operação com ganho proporcional mais elevado. A ação derivativa também possui a característica de aumentar a estabilidade do sistema. Quanto maior for o ganho derivativo, maior é a influência da ação derivativa, sendo nula para GD = 0 . 6.3- O Controlador Proporcional ( P) Muitas vezes, processos simples podem ser controlados satisfatoriamente apenas com a ação proporcional. Como visto no estudo da ação proporcional quanto maior o ganho menor será o valor do erro em regime permanente, mas este erro nunca será completamente anulado. 6.4- O Controlador Proporcional-Integral ( PI) A principal função da ação integral é fazer com que processos sigam, com erro nulo, um sinal de referência do tipo salto. Entretanto, a ação integral se aplicada isoladamente tende a piorar a estabilidade relativa do sistema. Para contrabalançar este fato, a ação integral é em geral utilizada em conjunto com a ação proporcional constituindo-se o controlador PI. 6.5- O Controlador Proporcional-Derivativo ( PD) A saída de uma processo apresenta, intuitivamente, uma certa "inércia" com relação a modificações na variável de entrada. Esta "inércia" explica-se pela dinâmica do processo que faz com que uma mudança na variável de controle provoque uma mudança considerável na saída da planta somente após um certo tempo. Uma outra interpretação é que, dependendo da dinâmica do processo, o sinal de controle estará em "atraso" para corrigir o erro. Este fato é responsável por transitórios com grande amplitude e período de oscilação, podendo, em um caso extremo, gerar respostas instáveis. A ação derivativa quando combinada com a ação proporcional tem justamente a função de "antecipar" a ação de controle a fim de que o processo reaja mais rápido. Neste caso, o sinal de controle a ser aplicado é proporcional a uma predição da saída do processo. 6.6- O Controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 58 Prática de Automação Industrial – CONTROLE DE PROCESSOS O controlador PID combina as vantagens do controlador PI e PD. A ação integral está diretamente ligada à precisão do sistema sendo responsável pelo erro nulo em regime permanente. O efeito desestabilizador do controlador PI é contrabalançado pela ação derivativa que tende a aumentar a estabilidade relativa do sistema ao mesmo tempo que torna a resposta do sistema mais rápida devido ao seu efeito antecipatório. Coordenação de Eletrotécnica – CEFET-MG 59