Sistemas de Controle Evolução Histórica

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Sistemas de Controle

Evolução Histórica

Romeu Reginatto

2 O que motiva a evolução dos

sistemas de controle?

Melhoria da qualidade dos processos

produtivos

Aumento da produtividade

Automação dos processos, reduzindo a

necessidade de esforço humano

Redução de desperdícios

Aumento de eficiência dos processos

produtivos.

3 Dimensões da evolução dos

sistemas de controle

Evolução de demandas (crescimento

populacional)

Evolução tecnológica

Complexidade crescente dos processos

produtivos (máquinas mais sofisticadas)

Domínio de conhecimentos teóricos (avanço

científico)

Crescimento populacional

brasileiro

1900 – 17,4 milhões

1950 – 51,9 milhões

2000 – 169,8 milhões

2010 – 190,7 milhões

Mais pessoas, mais consumo, maior necessidade

de produção, mais escassez de recursos, maior

necessidade de otimização, maior necessidade de

controle

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Evolução tecnológica

120 a.c. - Heron de Alexandria, esfera movida a

vapor.

1698 – Thomas Newcomem, 1a máquina a vapor

útil (drenagem).

1765 – James Watt, aperfeiçoamento da máquina

a vapor.

1776 – James Watt, 1a máquina a vapor instalada

e operada em uma empresa.

1785 – Boulton, produção industrial de máquinas

a vapor

1824 – foram produzidas mais de 1000 máquinas

a vapor

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Evolução tecnológica

Final do séx. XIX – relé eletromecânico

1906 – invenção da válvula (Edison, Thompson,

Flemming, Lee De Forest)

1948 – invenção do transistor (laboratórios da Bell

Telephone)

1961 – primeiro circuito integrado comercial

1972 – primeiro processador (Intel 8088), 8 bits,

3500 transistores, 0.2 MHz

2002 – Pentium IV, 64 bits em alguns modelos, 55

milhões de transistores, 3 GHz

7 Evolução tecnológica

Por volta de 1650 – 1ª calculadora mecânica (Pascal)

Por volta de 1900 – tabulação e acumulador de informações -tabulador de censo (Hollerith)

1941 – 1º computador digital eletro-mecânico programável

(Zuse, Alemanha)

1946, ENIAC, 1º computador de grande porte totalmente eletrônico usando válvulas. 17.000 válvulas, 175kW, 5.000 operações por segundo.

1957 – 1º computador comercial totalmente a transistores (NCR)

1960 – COBOL – 1ª linguagem de programação comercial padronizada

1973 – 1º computador pessoal (Xerox PARC)

1981 – computador pessoal IBM de arquitetura aberta de grande sucesso comercial

ENIAC (1946)

17.698 válvulas 1.500 relés

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IBM PC (1981)

Sistema operacional em disco

Disqueteira de 5 ¼ (armazenamento em disco) Teclado

Monitor Impressora

12 de agosto de 1981

Evolução da teoria de controle

Pierre-Simon de Laplace (1749 –1827)

Joseph Fourier (1768-1830)

Edward John Routh (1831-1907)

Aleksandr Mikhailovich Lyapunov (1857-1918)

Adolf Hurwitz (1859-1919)

Nicholas Minorsky (1885-1970)

Harry Nyquist (1889-1976)

Hendrik Wade Bode (1905-1982)

Nathaniel B. Nichols (1914-1997)

John G. Ziegler

Walter Richard Evans (1920 - 1999)

Richard Bellman (1920-1984)

Rudolf Emil Kalman (1930-)

Evolução da teoria de controle

1807 – Série de Fourier

1809 – Transformada de Laplace

1895 – Teorema de Routh-Hurwitz

1899 – Estabilidade de Lyapunov

1922 – Controlador PID (Minorsky)

1930 – Diagrama de Bode (resposta em freqüência)

1932 – Critério de estabilidade de Nyquist

1942 – Método de Ziegler&Nichols (Taylor Instruments)

1948 – Lugar das raízes (Evans)

1950 – Programação dinâmica (controle ótimo)

1960 – Filtro de Kalman (variáveis de estado) 1964 – Função descritiva (Pole J. Groszkowski)

1950-1970 – Controle discreto (Franklin, Kuo, Jury, Aström, Wittenmark, Shannon)

Evolução da teoria de controle

Controle antigo - Antes de 1900

Período pré-clássico – 1900-1940

Período clássico – 1935-1960

Controle moderno – 1955 até hoje

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Evolução da teoria de controle

Antes de 1930 – equações diferenciais, critério

de Routh-Hurwitz

1930-1950 – Sistemas SISO, controle clássico,

resposta em freqüência

Década de 50 – controle ótimo

Década de 60 – controle moderno (variáveis de

estado)

Década de 70 – controle multivariável

Década de 80 – controle robusto, adaptativo

Década de 90 – controle não-linear, controle

preditivo

Controle - Tecnologia

Minorsky, 1922, proposta da estrutura do controlador

Foxboro, 1931, comercializa o Stabilog, controlador

PI pneumático

1940 – Controladores PID e instrumentos

pneumáticos já eram amplamente comercializados –

empresas se preocuparam com os ajustes (método

de Ziegler-Nichols, 1942, foi importante)

Década de 50-60 – Eletrônica analógica

Década de 70 – Eletrônica digital,

microprocessadores

Década de 80-90 – Sistemas digitais de controle

distribuídos

15 Regulador de James Watts

Por volta de 1788, James Watts desenvolveu um

mecanismo de regulagem do fluxo de vapor em

máquinas.

Controle Pneumático

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17 Sala de Controle – Eletrônica

analógica e digital

Centenas de malhas de controle

Figura retirada das transparências do prof. Constantino Seixas Filho. UFMG

Sala de Controle – Sistema

Digital de Controle Distribuído

Fonte: Intech; ISA; 8/2003; www.isa.org.

19 Sala de controle moderna

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Nível do Processo

Nível de processo. Nível onde ocorre a

transformação da matéria prima.

Níveis de Processo e Controle

Nível de Processo Chão de fábrica

Diferenciando o controle do

processo

Máquina a vapor

Processo inclui o controle como parte dele:

conexões via elementos mecânicos.

Não há diferença clara entre processo e controle

associado ao processo.

Diferenciando o controle do

processo

Era pneumática

Elementos de controle são destacados do

processo: conexões via tubulações de ar com

pressão controlada.

Elementos de controle podem ser agrupados em

um único lugar, ainda próximo ao processo.

Há transformação de sinais vindos do controle

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Diferenciando o controle do

processo

Era eletrônica analógica

Conexões entre controle e processo evoluem para cabos elétricos.

Elementos de controle podem ser agrupados em um único lugar, organizados pelas funções de controle, longe do processo.

Sensores e atuadores passam a ter interfaces elétricas, ainda vinculados ao processo.

Processo e controle já são pensados por profissionais específicos – diferenciação completa.

Nível de Controle

Nível de controle. Nível hierarquicamente

acima do processo, onde são agrupadas as

funções de controle, os dispositivos que a

realizam, no nível mais próximo do processo.

Nível de processo. Nível onde ocorre a

transformação da matéria prima.

Níveis de Processo e Controle

Nível de Processo Nível de Controle

Chão de fábrica Sala de controle

Conexões por sinais analógicos

Diferenciando Controle de

Supervisão

Era eletrônica analógica

Sala de controle já é mais consolidada.

Contém os elementos que realizam as funções de controle (nível de controle).

É onde se dá a supervisão e operação do processo.

Elementos de controle são agrupados logicamente visando facilitar a operação e supervisão do processo.

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Supervisão

Era eletrônica digital – controle distribuído

Vários computadores são utilizados em conjunto para interagir com o processo.

Computadores são ligados em rede.

A supervisão do processo ganha interfaces amigáveis (telas de computador, mouse, teclados, etc).

Controle e supervisão não precisam ser realizados pela

mesma máquina, nem precisam ser pensados pelos mesmos profissionais, nem precisam estar no mesmo lugar físico – controle distribuído

Controle e Supervisão são separados.

Supervisão

Controle e Supervisão são separados

Área física

Supervisão: sala de controle – longe do processo.

Controle: área reservada próxima ao processo

(conexões analógicas com o processo)

Local de processamento

Supervisão: computadores, inclusive de uso comum, com menor exigência de confiabilidade

Controle: dispositivos especiais (projeto dedicado),

com “garantia” contra falhas

Profissionais que se envolvem

Nível de Supervisão

Nível de supervisão. Nível hierarquicamente acima

do controle, onde são agrupadas as funções de

interface com a operação, monitoramento, enfim a

supervisão do processo. Neste nível há o

predomínio da interface homem-máquina.

Nível de controle. Nível hierarquicamente acima do

processo, onde são agrupadas as funções de

controle, os dispositivos que a realizam, no nível

mais próximo do processo.

Nível de processo. Nível onde ocorre a

transformação da matéria prima.

Níveis de Supervisão, Controle

e Processo

Nível de Processo Nível de Controle

Chão de fábrica Racks de controle Nível de Supervisão Sala de operação

Conexões por sinais analógicos

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Diferenciando Sensores e

Atuadores

Redes industriais

Redes industriais tornam-se cada vez mais

conhecidas e utilizadas na indústria.

Vantagens claras na eliminação de cabeamentos,

na flexibilidade, na confiabilidade dos sistemas.

Evolução dos níveis de integração na eletrônica

digital reduz custos de processamento.

Sensores e atuadores podem ganhar

capacidade de processamento local.

Sensores e Atuadores

Inteligentes

Sensores e atuadores que, além de suas

funções clássicas de transformação de

variáveis, possuem capacidade de

processamento local, podendo:

Realizar processamento local dos sinais

(filtragem, linearização, etc).

Ter flexibilidade de configuração.

Ter capacidade de comunicação digital.

Diferenciando Sensores e

Atuadores

Sensores e atuadores podem comunicar-se

via redes industriais.

Configuração a distância.

Diagnóstico a distância.

Redução de cabos (2 por sensor/atuador X 1

para todos).

Interação com controle se dá via rede.

Nível de sensores de atuadores diferencia-se

do processo.

Nível de Sensores e Atuadores

Nível de supervisão. Nível hierarquicamente acima do controle,

onde são agrupadas as funções de interface com a operação, monitoramento, enfim a supervisão do processo. Neste nível há o predomínio da interface homem-máquina.

Nível de controle. Nível hierarquicamente acima do processo, onde são agrupadas as funções de controle, os dispositivos que a realizam, no nível mais próximo do processo.

Nível de sensores e atuadores. Nível onde são agrupadas as funções de comunicação entre elementos de controle e o processo, bem como os elementos físicos instalados junto ao processo que permitem esta interação.

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e Processo

Nível de Sensores e Atuadores Nível de Controle Chão de fábrica Racks de controle Nível de Supervisão Sala de operação