Sintonia de Malhas de Controle 01 (Introdução)

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Sintonia de Malhas de Controle - Ferramenta Intune

Introdução ao Controle de Processos

Sintonia de Malhas de Controle

Ferramenta INTUNE

Objetivo

• Capacitar o participante a compreender as estratégias de controle

utilizadas nas Unidades das Plantas Piloto e a utilizar a ferramenta de

software INTUNE para a sintonia fina de malhas de controle.

Ferramenta INTUNE

Ementa

• Controle PID

• Controle em Cascata

• PID Avançado e outras estratégias de controle

• Técnicas de sintonia de malhas de controle

• O software INTUNE

• Simulação e prática de sintonia de malhas de controle utilizando o

INTUNE

Ferramenta INTUNE

Principais Etapas no Desenvolvimento de Sistemas de Controle

Formular Objetivos de

Controle

Informações de plantas

existentes

Objetivos de Gerenciamento

Desenvolvimento do Modelo do

Processo

Escolher a Estratégia de

Controle

Selecionar o hardware de

controle

Dados de Plantas Existentes

Simulação Computaciona

Informações do mercado de hardware

Princípios Físico-Químicos

Teoria de Processos de Controle

Informações de plantas existentes

Instalação do Sistema de

Controle

Ajuste dos Parâmetros do

Controlador

Sistema Final de Controle

Ferramenta INTUNE

Por que controlar os processos ?

Segurança Operacional Especificação de produtos Regulamentações ambientais Restrições operacionais Otimização econômica

Objetivos de um sistema de controle

Suprimir a influência de perturbações externas Garantir a estabilidade do processo Otimizar o desempenho de um processo

Ferramenta INTUNE

Eficiência do Sistema de Controle

Com um controle mais eficiente tem-se:

• um menor desvio padrão na saída• uma maior proximidade entre o set-point e a especificação• uma maior otimização

Controle menos eficiente Controle mais eficiente

especificação

Ferramenta INTUNE

Familiarizando-se com a nomenclatura

Exemplo de Controle de Processo:

Tanque de Nível

Ferramenta INTUNE

Instrumentação:

- Válvula de controle

- Medidor de nível

Ferramenta INTUNE

Variáveis:

- Variável de Processo (PV – Process Variable)

- Variável Manipulada

- Variável Perturbada

Ferramenta INTUNE

Variáveis:

- Set-Point (SP)

- Erro (ou desvio)

- Variável Controlada

Ferramenta INTUNE

Definições

INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL

- Conjunto de instrumentos que permitem fazer o controle do processo.

- São instrumentos capazes de emitir e receber sinais.

ESTRATÉGIA DE CONTROLE

- Filosofia básica de controle.

- Define os instrumentos e a disposição física destes ao longo da planta.

Ferramenta INTUNE

Definições

TIPOS DE ESTRATÉGIA DE CONTROLE

A) Realimentação (Feedback)

- A correção é feita pelo aparecimento de um erro (desvio) da variável de processo.Ex.: Dirigir um carro através de um espelho retrovisor.

B) Antecipação (Feedforward)

- Tomada de decisão da correção pelo aparecimento de um desvio em outras variáveis de operação (que não a variável controlada).Ex.: Dirigir um carro através das placas de sinalização.

Ferramenta INTUNE

Definições

TIPOS DE ESTRATÉGIA DE CONTROLE

C) Cascata

- Baseia-se no conceito de realimentação atuando em cascata via instrumentação adequada.Ex.: Dirigir um carro utilizando mais de um espelho retrovisor.

D) Desacoplamento

- Aplicado a processos onde se controla mais de uma variável e existe forte interação entre estas.- Baseia-se na eliminação da influência de uma variável sobre a outra.Ex.: Dirigir um carro usando o celular com viva-voz.

Ferramenta INTUNE

Definições

MALHA DE CONTROLE

- Representação prática da estratégia de controle. É composta por:

A) Processo

B) Instrumentos de Medição:Informam de modo contínuo os valores das variáveis de processo.

C) Instrumentos de ControleFazem a tomada de decisão e ação de atuação sobre o processo.

D) Instrumentos de AtuaçãoPermitem implementar a ação de correção.

Ferramenta INTUNE

Definições

DIAGRAMA P&I

- Representação gráfica do fluxograma de processo simplificado acrescido do fluxograma de instrumentação.

DIAGRAMA DE BLOCOS

- Representação gráfica em forma de blocos dos sinais emitidos pelos elementos da malha de controle

Fi, Ti

Diagrama P&I

Tanque de resfriamento

Gc Gv Gp

Controlador Válvula Processo

Medidor

Diagrama de Blocos

Ferramenta INTUNE

Instrumentos de Medição e Transmissão

A maior parte dos instrumentos pode ser dividida em:

SENSOR: Definido pelo tipo e princípio de medição envolvido

TRANSMISSOR: Transmite o sinal de grandeza física em sinal padrão.

Sensor TransmissorVariávelMedida

VariávelControlada

Elemento de Medida

VariávelIntermediária

Ferramenta INTUNE

Instrumentos de Medição e Transmissão

TIPOS DE SINAL

- Pneumático: 3 a 15 psi- Eletrônico (analógico): 4 a 20 mA- Fieldbus (digital)

Exemplo: Termopar

TemperaturaPonto

de medição

Variável Intermediária

Pontode medição

Variável MedidaPonto

de medição

200°C

100°C

125°C

2,35 mV

1,20 mV

2,00 mV

Ferramenta INTUNE

Elemento Final de Controle

- Motores;- Termoresistores;- Válvulas de controle; etc.

As válvulas de Controle podem ser eletrônicas ou pneumáticas (95%).

COMPONENTES PRINCIPAIS

Atuador CorpoVariávelManipulada(vazão)

Sinal deSaída doControlador

Válvula Eletrônica

ConversorVariávelManipulada(vazão)

Sinal deSaída doControlador

Válvula Pneumática

PSIGAtuador Corpo

Ferramenta INTUNE

COMPONENTES PRINCIPAIS

A) CONVERSOR

Converte o sinal elétrico em sinal de pressão (4-20 mA 3-15 psi).

B) ATUADOR

Recebe sinal do controlador ou conversor e aciona a haste da válvula.

C) CORPO

Composto pela parte diretamente ligada ao processo.

Ferramenta INTUNE

AÇÃO DAS VÁLVULAS DE CONTROLE

A escolha da ação das válvulas é de fundamental importância para a a segurança do processo e para a escolha dos parâmetros do controlador.

A) AR PARA ABRIR

Também chamada de ação direta ou falha fechada. Quanto maior o sinal, maior a abertura da válvula.

B) AR PARA FECHAR

Também chamada de ação reversa ou falha aberta. Quanto menor o sinal, maior a abertura da válvula.

Ferramenta INTUNE

Elemento Controlador

CONTROLADORES

Equipamentos responsáveis pela tomada de decisão de corrigir os desvios que ocorrem entre na variável controlada.

TIPOS DE CONTROLADORES

A) Contínuos:

Continuamente recebem o sinal, tomam decisão e enviam o sinal.

B) Descontínuos:

Trabalham com sinais discretos. Controlador lógico programável (CLP).

Ferramenta INTUNE

CONTROLADORES CONTÍNUOS

Executam duas funções:

A) COMPARAÇÃO

Comparam os valores das variáveis medidas com o valor do set-point.

B) CORREÇÃO

Calcula a modificação que deve ser feita à variável manipulada de modo a controlar o processo.

Ferramenta INTUNE

POSIÇÃO DOS CONTROLADORES

A) MANUAL

Saída de controle é independente do modo de controle.

B) AUTOMÁTICO

Saída de controle é função do modo de controle (não há interferência direta do operador).

Ferramenta INTUNE

AÇÃO DOS CONTROLADORES

Está diretamente ligada à ação dos elementos finais de controle (e não o contrário).

A) AÇÃO DIRETA

Para um aumento na variável medida o controlador aumenta o sinal de saída.

B) ACÃO REVERSA

Para um aumento na variável medida o controlador reduz o sinal de saída.

Ferramenta INTUNE

Modos de Controle

De acordo com a dinâmica do processo a ser controlado e das características dos elementos que constituem a malha de controle diferentes modos de controle devem ser escolhidos.

A) DUAS POSIÇÕES (ON-OFF)

Grandemente associado a um tipo de controlador descontínuo (CLP). Quase sempre presente em malhas de controle já que constitui um importante método de intertravamento do processo garantindo a segurança da operação.

Ferramenta INTUNE

Modos de Controle

B) CONTROLE PROPORCIONAL (P)

Usado necessariamente em controladores contínuos.

É definido como uma correção proporcional ao erro.

Onde:E – erro (ou desvio)SP – set-pointVM – variável medidaCO – saída do controladorKc – constante ou ganho do controlador

)()()(

tEKtCO

tVMtSPtE

CONTROLADORE(t)SP(t)

Ferramenta INTUNE

Modos de Controle

O que pode causar um erro ou desvio da variável medida ?

- Modificações no S.P.- Perturbações nas condições de operação do processo.

SP(t)VM(t)

CO(t) Kc1

Kc1> Kc2

Quanto maior o valor de KC,maior a ação de correção.

Ferramenta INTUNE

Modos de Controle

Porém existe um limite máximo para o valor de KC, determinado pela dinâmica dos elementos da malha, a partir do qual a malha de controle se tona instável.

Ou seja:

KC Infinito, leva a uma instabilidade do processo

O valor do ganho KC é determinado pela análise do comportamento dinâmico da malha de controle.

Ferramenta INTUNE

Modos de Controle

C) CONTROLE INTEGRAL (I)

A ação de correção é descrita por uma integral no tempo.

A saída de controle é proporcional à integral do erro.

Onde:E – erro (ou desvio)SP – set-pointVM – variável medidaCO – saída do controladorI – constante de tempo integral

dttEtCO

tVMtSPtE

)()()(

Ferramenta INTUNE

Modos de Controle

C) CONTROLE INTEGRAL (I)

O parâmetro a ser determinado nessa ação de controle é a constante de tempo integral (I).

Muitas vezes escreve-se a constante de tempo na forma de reset rate ou taxa integral:

A ação integral faz com que o CO continue atuando até que o off-set seja reduzido a zero.

Observação: Chama-se de off-set o erro ou desvio de um processo em estado estacionário.

RateReset

Ferramenta INTUNE

Modos de Controle

D) CONTROLE PROPORCIONAL INTEGRAL (PI)

É uma ação de controle composta de dois modos de controle:- Proporcional- Integral

Existem duas possibilidades para modelar a ação PI:

1) Forma Paralela 2) Forma Não-Interativa

IC dttEtEKtCO

tVMtSPtE

)()()(

IC dttEtEKtCO

tVMtSPtE

)()()(

Ferramenta INTUNE

Modos de Controle

E) CONTROLE DERIVATIVO (D)

É chamado também de antecipatório.

A saída de controle é proporcional à derivada do erro.

Onde:E – erro (ou desvio)SP – set-pointVM – variável medidaCO – saída do controladorD – constante de tempo derivativa

tEdtCO

tVMtSPtE

)()()(

Ferramenta INTUNE

Modos de Controle

F) CONTROLE PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO (PID)

É o mais completo dos modos de controle convencionais pois soma as características dos três modos básicos

Descrito na forma paralela como:

E na forma não-interativa como:

tEddttEtEKtCO

tVMtSPtE

)()()(

tEddttEtEKtCO

tVMtSPtE

)()()(

Ferramenta INTUNE

Modos de Controle

COMPARAÇÃO ENTRE OS MODOS DE CONTROLE

S/ controle

Ferramenta INTUNE

Modos de Controle

RESUMINDO

•Controle proporcional: acelera a resposta de um processo controlado; produz off-set

•Controle integral: elimina off-set; produz respostas lentas, com longas oscilações; se o ganho proporcional é aumentado para acelerar a resposta, o sistema se torna mais oscilatório e tende à instabilidade

•Controle derivativo: antecipa futuros erros e introduz a ação apropriada; introduz efeito estabilizante na resposta da malha de controle

Ferramenta INTUNE

Modos de Controle

•Controle proporcional: deve ser usado sozinho sempre que possível, ou seja, quando se pode aceitar off-sets com moderados ganhos do controlador (P). Desta forma, para controle da pressão de gases ou do nível de líquidos este controle pode ser utilizado.

•Controle PI: Deve ser utilizado quando o P não for suficiente para promover pequenos off-sets. O PI é muito utilizado em controle de vazão. A resposta de um sistema de vazão é muito rápida, o que equilibra a desaceleração causada na resposta do controlador pelo incremento da ação integral.

Ferramenta INTUNE

Modos de Controle

•Controle PID: Para processos que possuem uma dinâmica lenta, a adição de um controlador PI o torna ainda mais lento, pois este controle reduz o off-set, mas diminui a rapidez da resposta da malha de controle. Nestes casos, a adição da ação derivativa, com seu efeito estabilizante, permite o uso de maiores ganhos, o que aumenta a velocidade da resposta da malha sem oscilações excessivas. Desta forma, ações derivativas são recomendadas para controle de temperatura e composição.

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Estudo de Caso

Vamos voltar ao exemplo descrito no início da apresentação para aplicar os conhecimentos adquiridos.

Seja um tanque de nível composto de uma entrada e uma saída de líquido. Deseja-se fazer o controle do nível deste tanque.

Para isso dispõe-se de uma válvula de controle na tubulação de saída deste tanque e de um medidor de nível.

Ferramenta INTUNE

Estudo de Caso

Pergunta 1: Para atender as normas de segurança da operação qual deve ser o

tipo de válcula de controle a ser utilizada ? AR PARA ABRIR ou AR PARA FECHAR ?

Ferramenta INTUNE

Estudo de Caso

Pergunta 1: Para atender as normas de segurança da operação qual deve ser o

tipo de válcula de controle a ser utilizada ? AR PARA ABRIR ou AR PARA FECHAR ?

Para evitar o transbordo do tanque e o alagamento do pátio deve-se optar por um válvula do tipo AR PARA ABRIR. Dessa forma, em caso de pane a válvula ficará completamente fechada e o tanque se esvaziará.

Ferramenta INTUNE

Estudo de Caso

Pergunta 1.1: Agora imagine um caso um pouco diferente do anterior. AR

PARA ABRIR ou AR PARA FECHAR ?

Ferramenta INTUNE

Estudo de Caso

Pergunta 1.1: Agora imagine um caso um pouco diferente do anterior. AR

PARA ABRIR ou AR PARA FECHAR ?

Para evitar o transbordo do tanque e o alagamento do pátio deve-se optar por um válvula do tipo AR PARA FECHAR.

Ferramenta INTUNE

Estudo de Caso

Pergunta 2: Qual o tipo de relação entre a variável manipulada (vazão de

entrada) e a variável controlada (nível do tanque) ?

Ferramenta INTUNE

Estudo de Caso

Pergunta 2: Qual o tipo de relação entre a variável manipulada (vazão de

entrada) e a variável controlada (nível do tanque) ? Direta ou inversa ?

É uma relação inversa, ou seja, um aumento da vazão de entrada leva a um aumento do nível do tanque.

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Estudo de Caso

Pergunta 3: Após responder às perguntas 1 e 2 você já é capaz de determinar a

ação do controlador. Ação direta ou ação reversa ?

Ferramenta INTUNE

Estudo de Caso

Pergunta 3: Após responder às perguntas 1 e 2 você já é capaz de determinar a

ação do controlador. Ação direta ou ação reversa ?

Vamos responder usando um exemplo. Imagine que o nível está abaixo do SP, ou seja, desvio positivo. Para atingir o nível é preciso aumentar a vazão de entrada, que corresponde a abrir a válvula, logo enviar um sinal mais alto para a “válvula de ar para abrir”. Com isso usa-se um controlador de AÇÃO DIRETA.

Ferramenta INTUNE

Estudo de Caso

Pergunta 4: Escolha uma opção de modo de controle sabendo que:

a) O nível está sendo controlado apenas como medida de segurança, ou seja, o valor de set-point não precisa ser necessariamente alcançado (tolera-se a presença de off-set):

Ferramenta INTUNE

Estudo de Caso

a) O nível está sendo controlado apenas como medida de segurança, ou seja, o valor de set-point não precisa ser necessariamente alcançado (tolera-se a presença de off-set):

Pode-se optar por um controlador apenas Proporcional, já que é muito mais simples de ser sintonizado.

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Estudo de Caso

b) O nível deve ser mantido próximo ou até igual ao set-point durante toda a operação.

Ferramenta INTUNE

Estudo de Caso

b) O nível deve ser mantido próximo ou até igual ao set-point durante toda a operação.

Deve-se, então, um controlador Proporcional Integral para que seja zerado o off-set..

Ferramenta INTUNE

Estudo de Caso

c) O nível deve ser mantido próximo ou até igual ao set-point durante toda a operação e além disso trata-se de um tanque de grandes dimensões.

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Estudo de Caso

c) O nível deve ser mantido próximo ou até igual ao set-point durante toda a operação e além disso trata-se de um tanque de grandes dimensões.

Deve-se, então, um controlador PID para que seja zerado o off-set e além disso seja feita uma aceleração na resposta da variável controlada, já que um tanque de grande área de base gera respostas dinâmicas muito lentas.

Ferramenta INTUNE

Estudo de Caso

Pergunta 5: Vamos considerar agora que o processo já está sendo controlado

através de um PID, mas verifica-se que a variável controlada apresenta muitos ruídos (variações aleatórias). Qual dos modos de controle podem estar contribuindo para a ampliação desse ruído, dificultando o controle desse processo?

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Estudo de Caso

Pergunta 5: Vamos considerar agora que o processo já está sendo controlado

através de um PID, mas verifica-se que a variável controlada apresenta muitos ruídos (variações aleatórias). Qual dos modos de controle podem estar contribuindo para a ampliação desse ruído, dificultando o controle desse processo?

O modo derivativo, já que caracteriza-se pelo cálculo das derivadas dos erros.

Sintonia de Malhas de Controle 01 (Introdução)

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