Processo

Controle Automático de

Processo

Uashington Luiz

60 hs

Objetivos

• o que é controle de processos?

• por que controlar um processo?

• como controlar um processo?

Dinâmica: as coisas mudam

• 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.

Controle de Processo

• 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.

Exemplos

Manter um carro na estrada

Monitora-se a trajetória/ velocidade/ tráfego

Atua-se sobre volante/ acelerador/ freio

Controla-se a trajetória

Controle do Orçamento

Monitora-se o saldo bancário

Atua-se sobre desembolsos

Controla-se o orçamento

Segurança: poupança?

Representação esquemática

Fluxo de Informações

• Um módulo de monitoração obtém uma

informação proveniente do processo e envia ao controlador (este procedimento pode conter

várias etapas, por exemplo de conversão de sinais).

• O controlador recebe esta informação, toma

decisões e comunica a um elemento final a ação a ser tomada.

• O elemento final, por sua vez, interfere em

alguma condição de processo para tentar alterar o comportamento do processo.

Principais objetivos de controle

• Segurança operacional e pessoal • Adaptação a perturbações externas • Estabilidade operacional

• Especificação do produto

• Redução do impacto ambiental

• Adaptação às restrições inerentes (equipamento/ materiais/ etc.)

• Otimização

Vantagens do Controle

• 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 normais (linha

tracejada na figura) para uma condição

mais favorável (linha contínua).

Vantagens Econômicas

• 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 conseqüentemente melhora o resultado econômico do

leis básicas

• 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.

Terminologia

• Dinâmica do Processo • Variáveis de processo – medida/ monitorada – controlada – manipulada – perturbação externa • Estabilidade do processo • Malha Aberta • Malha Fechada • Setpoint • PV • Erro • Feedback • Feedforward

Necessidade do Controle

Automático

Porque o homem não é mais capaz de

manter o controle a contento:

• Produção elevada do sistema

• Ritmo acelerado de produção

• Precisão requerida na produção

• Confiabilidade

Necessidade de controle

Automático

Para elevação da Produtividade.

• Redução de mão-de-obra

• Aumento da eficiência operacional das

instalações.

• Redução de custo operacional do

equipamento

Desafio de integração de informação

Objetivos da Automação Industrial

–

Aumento da segurança

–

Diminuição dos custos operacionais

–

Melhoria das condições de operação

–

Simplificação das instalações

–

Aumento dos níveis de controle

–

Aumento dos níveis de

Níveis de Automação Industrial

Proces so Computa dor Manu al Manu al

Modo off-line, coleta manual de dados

Proces so Computa dor Manu al Manu al

Off-line, coleta automática de dados

Proces so Computa dor Manu al Manu al Modo in-line Proces so Computa dor Man ual

Modo on-line, malha aberta Process

o

Computa dor

Níveis de Automação - Exemplo

• Processo não automatizado :

Controle de nível local através de válvula

com volante

• Processo semi-automatizado :

Controle de nível através de válvula com atuador para acionamento remoto

• Processo totalmente automatizado :

Controle de nível através de válvula com atuador e controlador automático

Áreas de Atuação da Automação

–

Projetos de novas unidades de operação

–

Modernização da planta industrial

–

Integração de procedimentos e

equipamentos em unidades de produção

já existentes

Disciplinas Envolvidas

–

Sistemas de Controle

–

Instrumentação

–

Informática

–

Processo

–

Comunicações

Níveis de Abstração do Problema

Nível de Processos Físicos Nível de Sensores e Atuadores Nível de Controle Direto: PC, CLP Nível de Supervisão Nível de Gerência Nível de Rede de Comunicação

Motores, robôs, caldeiras, etc. Eletrônica de potência,

transdutores, acio. pneumático, etc

Algoritmos PID, fuzzy, lógica de relé,etc Tecnologias e protocolos de comunicação

Visualização, configuração e armazenamento e variáveis

Automação: Industrial + Gerencial

VENDAS

VENDAS

PLANEJAMENTO

PLANEJAMENTO

BANCO DE DADOS CORPORATIVOS

BANCO DE DADOS CORPORATIVOS

INFORMAÇÃO E SIMULAÇÃO INFORMAÇÃO E SIMULAÇÃO INTEGRAÇÃO DE CAMPO INTEGRAÇÃO DE CAMPO OPERAÇÃO E SUPERVISÃO OPERAÇÃO E SUPERVISÃO (OTIMIZAÇÃO) (OTIMIZAÇÃO) CONTROLE E SEGURANÇA CONTROLE E SEGURANÇA CAMPO CAMPO Sistema Gerencial Sistema Gerencial AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Elementos Sensores e Atuadores

PLC’s Controladores Estações de Trabalho

Servidores

Estações de Trabalho

Estrutura da

automação industrial

Rede de Comunicação de Dados Local

Sensores Atuadores Condicionamento de sinais Controlador Local 1 Sensores Atuadores Condicionamento de sinais Controlador Local n

. . .

Supervisor Base de Dados Gerência de Informação

Elementos Básicos

• Processos • Sensores • Atuadores – Calibração – Segurança – Economia de energia • Condicionamento de sinais • Conversão de sinais • Hardware computacional • Sistemas operacionais • Linguagem de programação • Estratégias de controle

• Estratégias de segurança: inter-travamento • Estratégias de supervisão

Processos

• Sistemas físicos a serem monitorados,

controlados, supervisionados,gerenciados • Processos Contínuos

– As variáveis manipuladas têm natureza contínua – Processos químicos e robótica

• Processos Discretos

– As variáveis manipuladas têm natureza discreta – Políticas de inter-travamento e manufatura

• Sistemas Híbridos

Processo Contínuo

LT TT LC MISTURADOR AQUECEDOR H1 TC vapor Produto B Produto A

Processos contínuos: variáveis

analógicas

nível nível mA mA

Processo Discreto

LSLL _SDV VASO DE PROCESSO PSLL CLP SDV

Variáveis Discretas

t t nível nível Vdc Vdc alto alto normal normal 24 Vdc 24 Vdc 0 Vdc 0 Vdc Set-point point

Variáveis Discretas

nível nível Vdc Vdc alto alto normal normal 24 Vdc 24 Vdc 0 Vdc 0 Vdc t t

Sistemas de medição: Sensores

• Componentes transdutores de sinais • Condicionamento de sinais • Calibração de sensores • Sistemas de proteção Sistema de medição Processo medido Saída Entrada Observad or

Exemplo de Sensores

• Termopares

• Encoderes

• Barômetros

• Potenciômetros

• Fibras ópticas

• Ultra-som

Sensores para Medição de Nível

Sensores de Temperatura

Telemetria

• Os sistemas conforme o tipo de energia

podem ser:

– Transmissão pneumática (3-15PSI)

– Transmissão eletrônica (4-20mA, 1-5Vcc) – Transmissão digital ( RS-485 protocolo

modbus, RS-232 protocolo HART, RS-422, “FoundationTM Fieldbus”.

Sistemas de Comandos: Atuadores

• Amplificadores de energia

• Transformadores de energia elétrica (sinal

de controle) em outras formas de energia

Saída Sistema de comando Sinal de comand o _Processo Atuador

Exemplos de Atuadores

• Válvulas

• Pistões

• Inversores (eletrônica de potência)

• Resistências

Simbologia

TIC 103 Identificação do instrumento ou tag do instrumento

T 103 Identificação da malha (malha de temperatura, número 103)

TIC Identificação funcional (Controlador Indicador de temperatura)

T Primeira letra (variável da malha)

IC Letras subseqüentes (função do

Simbologia

TE-301 sensor de temperatura

TT – 301 transmissor de temperatura

TIC-301 controlador de temperatura

TCV-301 válvula controladora de

Simbologia

PIC 211

O Problema de Controle

Automático

Processo Físico Sensores Atuadores A/D D/D D/A D/D Relógio Externo Controle Direto Registro De Dados Gerência de Informação Interface Homem/Máquina Base de Dados . . .

Esquema de Controle Automático

Processo

Sistema de controle com computador material energia produto Informação do produto Sinais de controle Informação do processo Informação de entrada Objetivos e informação de gerenciamento

Estrutura do Hardware de Controle

Entradas Analógicas Entradas Digitais Canal de Telemetria Outros sistemas Armazenamento trabalho Elementos de controle Lógica e Arimética Memória de massa Impressoras Console Operação Interrupção _CPU

Estrutura do Hardware do CLP

UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO DISPOSITIVOS DE PROGRAMAÇÃO/ COMUNICAÇÃO MEMÓRIA PROGRAMA / DADOS FONTE DE ALIMENTAÇÃO C D I E R C E U N I T T R O A S D A ISOLAMENTO ÓPTICO ISOLAMENTO ÓPTICO I > C D I E R C S U A I Í T D O A S P X

Algoritmo de controle Filtragem Lógica de proteção Atuadores Sensores Variáveis do processo Multiplexador entrada Multiplexador saída Conversor D/A Conversor D/A Display Console do Operador Carga e saída do programa Canal de Comunicação Processador com programa DDC Entrada manual de SP, limites, sintonia etc.

Computador supervisório

Tipos de Controles

• Controle continuo - variáveis

analógicas - Controle PID

• Controle Discreto - variáveis

discretas – Inter-travamento

Controle de Variáveis Contínuas –

Estratégia PID

PID Válvula Processo

Sensor mA mA mA Vazão Ref Controlador + - erro variável controlada

Controle de Processos Discretos

A mudança do Estado das variáveis de

entrada provoca a mudança das variáveis

de saída.

Controle de Processos Discretos

Controle de processos discretos é a

implementação de uma Operação Lógica

e/ou Seqüência de Eventos através do

qual o processo é levado a um estado

desejado.

Ex:

nível alto -> fecha válvula e aciona alarme

botoeira acionada -> liga bomba e acende lâmpada

temperatura ou pressão alta -> abre válvula e desliga aquecedor

Estratégia de Controle Discreto

– Sentenças narrativas

– Tabela de Causa e Efeito

– Diagrama Lógico Binário

– Diagrama Ladder

PLC na estrutura de automação

C O M C O M C O M C O M C O M C O M C P U C P U F O N T E F O N T E PSH R E M R E M R E M

ESC ESC Manutenção

SDV CPU’s DO PLC SALA DE CONTROLE REDE ETHERNET REDE PROPRIETÁRIA DO PLC VASO SEPARADOR CHAVE

Arquitetura de Automação

Arquitetura de Automação

PLC PLC ETHERNET SALA DE RÁDIO PL C PL C ELÉTRICA PLC PLC PLC PLC ESD / FOGO&GÁS PLC PLC CONTROLE DE PROCESSOS LASTRO ESC ESC ESC M M ESC ESC ESC ROTEADOR REPETIDOR M SALA DE CONTROLE REDES DE CAMPO OU CABOS INDIVIDUAIS INSTRUMENTOS DE CAMPO

Trabalho em Grupo

Temas

• 1 – CLP – Controlador Lógico Programado • 2 - Protocolo HART

• 3 – Fieldbus • 4 – Profibus

• 5 – Redes ETHERNET na Automação Industrial • 6 - Rede ASI ( AS-Interface )

Tópicos Introdução Características Aplicações Vantagens Desvantagens