9 Hierarquia do Controle
9.3. Formato das Malhas de Controle de Processo
Os sistemas de medição e controle que são usados para o controle direto da planta tem diferentes formatos ou diferentes arranjos para separar e agrupar malhas ou funções de instrumentos em diferentes locais da planta. O formato do sistema é
esquematizado abaixo. Porém, o campo da instrumentação está em constante mutação e hibridação dos instrumentos básicos e seus sistemas. É difícil cobrir todo o campo sem encontrar exceções. FRC 61 PI 62 FV 61 (a) Aplicação de processo
(b) Formato da malha Instrumento FRC FRC FRC, PI FV Função Ponto ajuste Controle Leitura Manipulação Local Campo Ponto de ajuste
(Valor desejado da variável)
Valor real da variável controlada Elementos de medição Distúrbios Medição Elementos de controle Variável manipulada Variável controlada
(+)
(-)
Soma Transmissor Sensor Controlador Elemento final de controle ProcessoHierarquia do Controle
Instrumentação convencional
Controle no campo
O domínio da instrumentação de processo começou com apenas o controle de campo, que continua importante mas não exclusivo. O controle de campo continuará sendo usado em muitas aplicações do futuro.
O controle de campo possui todos os instrumentos da malha montados no local, geralmente próximos dos equipamento associado da planta. O controle de campo fornece a informação para o operador de modo direto. O operador pode estar
constantemente no local, ou pode fazer uma inspeção diária de rotina ou uma vez por turno.
O controle de campo é também o sistema mais simples. Ele tem poucas ligações para quebrar na cadeia de instrumentos, tendo assim grande confiabilidade. Ele evita o alto custo de transmitir o sinal de um ponto local para uma distante sala de controle
centralizada.
O controle de campo é perfeitamente apropriado para muitas malhas que possuem um ponto de ajuste constante, como ocorre em sistemas de utilidades. Por exemplo, uma unidade que produz vapor a uma pressão de 20 kgf/cm2 e é usado sempre em 1 kgf/cm2. Uma malha de controle de pressão local que é ajustada para controlar sempre em 1 kgf/cm2 é mais conveniente que uma malha de controle montada na sala de controle centralizada, pois não há necessidade de nenhum ajuste do operador. Pode-se, para melhorar a segurança do sistema, colocar apenas um sistema de alarme na sala de controle para evitar as complicações de uma falha da malha de controle local.
Antigamente, até os alarmes eram locais. A Fig. 8.3 mostra o arranjo da malha de controle local, mostrando como os instrumentos são usados e o formato do sistema. O controle é totalmente local e requer um operador local para supervisionar a malha de controle. Esta malha não requer otimização de controle e nem precisa ser incluída no programa de produção da
organização. Fig. 9.2. Controle centralizado tradicional
Controle centralizado
Os locais das malhas de controle de campo estão muito espalhadas. Para reduzir o trabalho dos operadores e melhorar a coordenação das operações das várias partes da planta, os instrumentos devem ficar menos isolados através do agrupamento local. A solução final é agrupar todos os
62 (b) Formato da malha Local Campo Sala de controle Função Transmissão Manipulação Leitura Ponto ajuste Controle Leitura Instrumento FT FV PI FRC FRC FRC (a) Controlador stand alone
FRC 63 PI FT FV 63 63 62 (b) Formato da malha Local Campo Sala de controle Função Transmissão Controle Manipulação Leitura Ponto ajuste Leitura Instrumento FT FC FV PI FRK FRK (a) Controlador modular
FRK 64 PI FT FV 64 64 FC 64
Hierarquia do Controle
instrumentos em uma única sala de controle centralizada, responsável pelo controle de toda a planta. A sala de controle é projetada de modo que todas as operações importantes podem ser feitas de um único lugar tendo-se uma supervisão de tudo.
Os instrumentos centralizados foram originalmente montados em fileiras em painéis de aço ou outros materiais. Os primeiros painéis eram verticais, com aproximadamente 2 metros de altura, colocados lado a lado em uma linha reta. Depois os painéis foram configurados em forma de U para diminuir as distâncias percorridas pelos operadores. Mesmo assim, as distâncias percorridas ainda eram
grandes, porém nenhum operador chegou a usar patins para percorrê-las.
Os instrumentos da sala de controle são muito menores que os correspondentes montados no campo. Os instrumentos são miniaturizados e os alarmes são agrupados em anunciadores para economizar
eficientemente os espaços. A eletrônica facilitou esta miniaturização.
A grande quantidade de instrumentos densamente montados em um único painel centralizado aumentou o volume de informação que o operador recebia. Para melhorar as tomadas de decisão dos operadores foram desenvolvidos painéis gráficos ou mímicos, que possuíam diagramas simplificados da planta.
Outro desenvolvimento para ajudar a operação foi o console de controle, que consiste de um painel baixo com uma saliência. A teoria era que o operador sentado, através dos movimentos de braços e dedos, pudesse alcançar e operar todos os instrumentos do painel. O console de controle se aproximava de um painel de aviação, com altíssima concentração de instrumentos. Havia situações onde o operador precisava ter braços de gorila para poder alcançar um instrumento distante, sem se levantar. Mesmo assim, a filosofia do console permaneceu no sistema de controle distribuído.
Os sistemas de aquisição de dados (data loggers) incluíam impressoras, calculadoras e alarmes apareceram na década de 1960. Na década de 1970 eles incorporam os terminais de vídeo com teclados. Este sistema eram essencialmente equipamentos melhorados que faziam as mesmas coisas antigas mas com maior habilidade e pompa. Porém, eles não causaram uma mudança básica no formato físico do controle ou das salas de controle.
A montagem de todos os instrumentos juntos na sala de controle requer o uso de transmissores para trazer as medições do processo do campo para a sala. É
impraticável, caro e, às vezes, perigoso trazer as medições do processo diretamente para a sala de controle. É mais prático, econômico e seguro se comunicar com o campo através dos sinais padrão pneumático ou eletrônico que percorrem as grandes distâncias da planta.
A Fig. 8.4 mostras duas variações de malhas de controle centralizadas tradicionais. A parte (a) mostra um controlador
convencional contendo as funções de controle e de operação.
As funções de controle incluem 1. as ações de controle PID
(proporcional, integral e derivativo) e 2. os ajustes de configuração para
sintonia das ações e escolha da ação do controlador: direta ou inversa. Um instrumento com estas funções é o controlador. Ele pode também conter outras funções.
As funções do operador incluem
1. a indicação da variáveis de operação: medição, ponto de ajuste, saída do controlador, alarmes opcionais 2. ajustes do operador para o ponto de
ajuste e seleção entre controle automático e manual e depois de escolhida a ação manual, a atuação da chave manual. Um instrumento que contem as funções do operador e não incluem as funções de controle é uma estação manual de controle.
A maioria dos controladores contem as duas funções: de controle e de operador. Nos primeiros instrumentos pneumáticos estas duas unidades eram separadas, em uma arquitetura modular. Esta arquitetura dividida permitia que a função de controle ficasse próxima ao processo, encurtando os tempos de transmissão e a função de operador ficasse remotamente, na sala de controle centralizada.
As salas de controle modernas usam instrumentos eletrônicos que não possuem atraso de transmissão e por isso não
necessitam desta arquitetura dividida. Porém, a arquitetura modular continua sendo usada e justificada pelas seguintes razões:
1. maior flexibilidade de reconfiguração das malhas de controle,
2. economia de espaço, separando os instrumentos acessíveis e não acessíveis ao operador
3. segurança de operação, separando os instrumentos de operação dos instrumentos
Hierarquia do Controle
com ajustes que devem ser feitos por técnicos de instrumentação.
A Fig. 8.4 (b) usa o mesmo esquema de controle da parte (a), exceto com arquitetura modular dividida. Se o controlador remoto é pneumático, sua localização é próxima da válvula de controle; se eletrônico, a localização é na sala de controle.
O formato do controle centralizado convencional satisfaz as necessidades da operação do processo, medindo, controlando e fornecendo as funções de segurança do processo e também fornece um ambiente mais confortável para o operador. Este formato tende a reduzir o número de operadores (politicamente incorreto) e simplifica a operação para os que ficam.
Instrumentação inteligente
A instrumentação inteligente é a que se baseia no microprocessador.
Microprocessador é um elemento de computação eletrônico, com tamanho de alguns centímetros, que pode conter milhões de componentes eletrônicos integrados equivalentes a milhares de circuitos eletrônicos e cuja capacidade aumenta continuamente. O microprocessador provocou a segunda revolução industrial; a primeira foi a da máquina a vapor.
Tudo começou com a invenção do transistor em 1947 e ainda não terminou. O microprocessador está incluído em relógios de pulso, máquina fotográfica, fornos de microondas, calculadoras, instrumentos de bordo de carro, avião, satélite. Na indústria de processo, o microprocessador melhorou o desempenho dos instrumentos individuais, tornando-os mais versáteis, confiáveis e capazes.
Controle por computador
Na década de 1950, apareceu o primeiro computador digital aplicado ao controle de processo. As primeiras instalações foram consideradas uma revolução virtual na tecnologia de controle e aqueles que não pensaram assim foram considerados pensadores negativos ou até técnicos obsoletos.
Uma nova tecnologia é usualmente desenvolvida para eliminar os problemas associados com o modo antigo de fazer as coisas. Porém, esta nova tecnologia inevitavelmente traz com ela seu conjunto próprio de problemas peculiares. A questão atual que se apresenta é: as coisas estão
melhores hoje, considerando-se todos os fatores, do que antes de se fazer a mudança?
Esta é a questão que tem de ser respondida
quando se quer mudar um controle de local para a sala de controle, de pneumático para eletrônico, de painéis de instrumentos para consoles de vídeo, de analógico para digital, de sistema digital centralizado para
distribuído.
A questão a ser avaliada pelo projetista do controle de processo é: as coisas hoje estão
melhores com o novo método e seus
problemas do que antes, do modo antigo com seus problemas que já eram entendidos e já estavam sob controle? A resposta a esta
pergunta nem sempre é absolutamente verdadeira. O fato que alguém tem um bom resultado em sua aplicação não significa que isso irá acontecer em outra aplicação. As circunstâncias tem uma grande influência.
Entre as justificativas para se usar um computador digital no controle de processo, há dois argumentos que não são válidos:
1. argumento do estado da arte da
revista, que se não se tem um
computador em linha controlando seu processo ou se não tem um plano definitivo para instalar um, então se está na rabeira da tecnologia e se está perdido para seu concorrente.
Qualquer pessoa razoável percebe que este argumento é idiota. Computadores em linha são caros para se obter e se manter. Instalações de processo com computadores envolvem milhões de dólares, requerem pessoas com alto salário para manterem e atualizarem o sistema. Um computador não
necessariamente faz um melhor trabalho de monitorar, avaliar e controlar do que um ser humano. O objetivo é operar de um modo mais lucrativo e não ter um negócio de ponta que as revistas publicam artigos sobre ele.
2. O segundo argumento é mais sutil mas ainda inválido. Se um computador digital faz algum trabalho de controle, o computador digital faz todos os
trabalhos de controle. A primeira parte deste argumento é 99% correta. A segunda parte é errada. Ela exige que o projetista do controle de processo consiga o melhor equipamento ou sistema para o trabalho.
O campo de controle de processo parece atrair regras de bolo. Elas são usadas extensivamente por pessoas que são
desinformadas ou que não estão inclinadas a gastar esforço ou dinheiro para fazer o trabalho certo. Todas as regras de bolo devem ser tratadas com restrição, todas exceto uma, que é provada ser verdade
Hierarquia do Controle
sempre: Simplicidade e confiabilidade andam
juntas. Assim, a melhor decisão do projetista
é optar pelo modo mais simples de conseguir os resultados desejados na medição e no controle. Computadores digitais não são os equipamentos mais simples.
Especialistas em controle de processo com computador afirmam que o computador opera em tempo real. Que tipo de tempo é
este?, é a reação de muitos instrumentistas.
Este é apenas um exemplo de um jargão de computador que caracteriza a chegada dos computadores digitais no controle da planta. Muito instrumentista tem dúvida do
significado de tempo real. Um sistema que funciona em tempo real processa sua informação de entrada tão rapidamente quanto a informação entra no sistema. Lembrando que o computador de processo tem entradas que são medições do processo e que regularmente altera seus valores, o sistema do computador age sobre um novo valor de qualquer entrada imediatamente. Ele não põe o novo valor na memória até que ele possa tratar dele.
Às vezes, é fácil justificar a viabilidade econômica do uso do computador. Por exemplo, seja uma planta que produz 10 milhões de litros de um produto por dia, com um valor de $0,20 por litro. O valor da
produção diária da planta é de $2 milhões por dia. Os proponentes do projeto do
computador podem dizer, corretamente, que o uso do computador otimiza o processo e haverá um rendimento de 1%, logo o computador irá ganhar $20.000 por dia. Nesta proporção, se o custo do computador for de $1.000.000 (bem conservador), ele se paga em 50 dias. Qualquer gerente irá aprovar um investimento com este tipo de retorno e o projeto do computador se torna uma realidade.
O problema é que depois que o computador está finalmente em
funcionamento, depois de ter sido debugado, vários meses mais tarde, ninguém vai verificar se a promessa de 1% da produção se realizou. Raramente isto pode ser demonstrado, desde que a produção na maioria das plantas com grande saída é mais sensível a falhas mecânicas e erros de operação do que a qualquer otimização que um computador possa oferecer.
Fig.8.1. Planta com computador
Aplicações típicas
Há algum benefício real a ser obtido de computadores de controle de processo quando eles são aplicados em circunstâncias certas. As aplicações bem sucedidas
geralmente incluem: lógica, controle avançado, monitoração de alta velocidade, partida e desligamento com computador e otimização do controle.
Lógica
Uma das mudanças mais significativas que ocorreram em controle de processo é o aumento do uso de lógica programada. O termo lógica significa aqui:
1. Matemática em linha: adição, multiplicação (escalonamento),
extração da raiz quadrada, elevação ao quadrado e geração de função para linearizar relações não lineares. A habilidade de fazer matemática em linha tem um grande vantagem em que ela torna possível monitorar e até controlar variáveis de processo que não podem ser medidas diretamente mas que podem ser computadas de outras variáveis medidas. Exemplos são circulação catalítica e eficiências de caldeiras e queimadores
2. Estabelecimento de limites em
variáveis e sinais que as representam. Isto significa medições, saídas de controlador, pontos de ajustes, diferenças entre o valor real de uma variável de processo e seu ponto de ajuste.
3. Seleção de variáveis. Selecionando valor maior e o menor ou médio de mais de um sinal determinado para indicação, registro, alarme ou controle. 4. Movimentos condicionais. Se uma
variável particular é maior ou menor que outra variável, então uma chave muda sua saída para fins de alarme ou controle.
Hierarquia do Controle
Quando se observa um diagrama P&I de um sistema de controle de caldeira é fácil ver que se tem muito controle lógico e pouco controle PID. A lógica é mais fácil de ser feita por circuitos digitais do que por cadeias de módulos analógicos. A lógica é mais de ser estabelecida e alterada, quando é feita por programação. Alterações de lógica feita por módulos analógicos requerem a adição ou retirada de módulos, com modificação da fiação correspondente. Finalmente e o mais importante: a lógica em um sistema digital é mais confiável porque ela nunca perde sua precisão.
Desde que o controle PID pode ser feito digitalmente e quando a lógica predomina sobre o controle analógico em todo o esquema da planta, então um sistema totalmente digital é provavelmente a melhor escolha.
Controle Avançado
O sistema de controle com realimentação negativa não pode manter a variável
controlada sempre igual ao ponto de ajuste. Ele pode apenas trazer a medição de volta ao ponto de ajuste depois que o sistema teve um distúrbio. Um sistema de controle a
realimentação negativa dá resultado satisfatório se
1. Os distúrbios são mínimos em tamanho e número ou se eles se distribuem sobre um longo período de tempo. Isto é outro modo de dizer de que os distúrbios não são grandes ou repentinos.
2. O sistema de controle tem um curto período de oscilação e portanto um pequeno tempo de recuperação. Sob estas circunstâncias, os distúrbios não são realmente um problema porque o sistema de controle pode rapidamente compensá-los.
Porém, quando está ausente uma destas condições, o sistema de controle à
realimentação negativa tem um desempenho ruim e é necessário usar um esquema de controle mais elaborado. Estes esquemas mais elaborados de controle são chamados genericamente de controle avançado.
Uma característica de todos esquemas de controle avançado é que eles requerem a capacidade de computação em linha. Pode- se dizer, portanto, que o advento do
computador digital em linha tornou possível o uso de métodos de controle que não eram disponíveis antes. Desde que tais esquemas sejam corretamente projetados e
sintonizados, tem-se uma melhora
considerável no desempenho dos sistemas de controle.
Uma estratégia útil de controle, especialmente no caso de controle de fracionadores, é usar o computador para fazer balanço de materiais e energia do processo. Quando este método é usado, o computador é fornecido com um modelo do processo, do qual o computador pode calcular as alterações necessárias das variáveis manipuladas, em função dos distúrbios que afetam as variáveis controladas. As variáveis distúrbios e as manipuladas são todas medidas e se tornam entradas para o computador. Este esquema de controle é chamada de preditivo
antecipatório (feedfoward).
Monitoração de Alta Velocidade
Por razões de rendimento, o tamanho ótimo das plantas tem aumentado e, paralelamente, o tamanho e custo das máquinas usadas nestas plantas. A produção contínua de produtos de alto valor muitas vezes depende do desempenho de grandes e caras bombas, compressores, motores, esteiras e outras máquinas de operação contínua. Outros equipamentos de processo podem não se mover mas também
consomem grandes quantidades de energia cara. Algumas máquinas são tão caras que não é prático ter uma sobressalente como reserva.
Para evitar paradas e perdas resultantes de produção, a operação do equipamento deve ser continuamente monitorada. Esta monitoração é conseguida pelo ser humano através da ajuda de indicadores e
registradores. Esta monitoração deve ser constante, contínua e embora pareça inútil ela é necessária para conseguir a
sobrevivência de equipamentos caríssimos. Um sistema de monitoração baseado em computador digital é uma solução prática, porque pode-se observar variáveis
importantes na base de segundo a segundo. Seus valores podem ser comparados com limites de segurança programados e alarme pode ser acionado para chamar a atenção do operador para qualquer ocorrência anormal. Mais ainda, os valores passados podem ser armazenados e uma tendência pode ser computada como guia para a seriedade do desenvolvimento de uma situação ruim. Finalmente, se ocorrer algum acidente, o computador irá conter dados que podem levar à determinação da causa real.
Hierarquia do Controle
Enquanto as capacidades de otimização de computadores supervisórios em linha para otimização do controle do processo foram bem desenvolvidas e aplicadas, pouca atenção parece ser dada ao uso possível em supervisão de partidas e paradas de plantas. Isto parece curioso, especialmente porque durante a partida e parada da planta, quando as variáveis estão em transitórios, há
ocorrência dos maiores problemas e porque os computadores são usados para partida e lançamento de foguetes espaciais. As refinarias e plantas petroquímicas ainda parecem partir e desligar seus processos confiando apenas no conhecimento e habilidade seus operadores de processo, assistidos por manuais de instruções que