Sintonia de Malhas de Controle 01 (Introdução)
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Sintonia de Malhas de Controle - Ferramenta Intune
Introdução ao Controle de Processos
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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.
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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
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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
l
Simulação Computaciona
l
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
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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
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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
SP
especificação
SP
especificação
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Familiarizando-se com a nomenclatura
Exemplo de Controle de Processo:
Tanque de Nível
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Familiarizando-se com a nomenclatura
Instrumentação:
- Válvula de controle
- Medidor de nível
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Familiarizando-se com a nomenclatura
Variáveis:
- Variável de Processo (PV – Process Variable)
- Variável Manipulada
- Variável Perturbada
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Familiarizando-se com a nomenclatura
Variáveis:
- Set-Point (SP)
- Erro (ou desvio)
- Variável Controlada
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
TIC
I/P
TT
T
Fi, Ti
Diagrama P&I
Tanque de resfriamento
Gc Gv Gp
Gm
+-
Controlador Válvula Processo
Medidor
Diagrama de Blocos
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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
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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
20 mA
4 mA
8 mA
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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
VariávelIntermediária
ConversorVariávelManipulada(vazão)
Sinal deSaída doControlador
Válvula Pneumática
PSIGAtuador Corpo
VariávelIntermediária
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Elemento Final de Controle
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.
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Elemento Final de Controle
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.
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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).
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Elemento Controlador
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.
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Elemento Controlador
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).
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Elemento Controlador
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.
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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.
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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
C
CONTROLADORE(t)SP(t)
VM(t)
CO(t)
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Modos de Controle
B) CONTROLE PROPORCIONAL (P)
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)
t
t
tE(t)
CO(t) Kc1
Kc2
Kc1> Kc2
Quanto maior o valor de KC,maior a ação de correção.
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Modos de Controle
B) CONTROLE PROPORCIONAL (P)
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.
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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
t
I
dttEtCO
tVMtSPtE
0
)(1
)(
)()()(
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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.
I1
RateReset
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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
t
IC dttEtEKtCO
tVMtSPtE
0
)(1
)()(
)()()(
t
IC dttEtEKtCO
tVMtSPtE
0
)(1
)()(
)()()(
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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
dt
tEdtCO
tVMtSPtE
D
)()(
)()()(
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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:
dt
tEddttEtEKtCO
tVMtSPtE
D
t
IC
)()(
1)()(
)()()(
0
dt
tEddttEtEKtCO
tVMtSPtE
D
t
IC
)()(
1)()(
)()()(
0
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Modos de Controle
COMPARAÇÃO ENTRE OS MODOS DE CONTROLE
S/ controle
P
PIPID
E(t)
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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
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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.
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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.
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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 ?
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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.
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Estudo de Caso
Pergunta 1.1: Agora imagine um caso um pouco diferente do anterior. AR
PARA ABRIR ou AR PARA FECHAR ?
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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.
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Estudo de Caso
Pergunta 2: Qual o tipo de relação entre a variável manipulada (vazão de
entrada) e a variável controlada (nível do tanque) ?
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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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Pergunta 3: Após responder às perguntas 1 e 2 você já é capaz de determinar a
ação do controlador. Ação direta ou ação reversa ?
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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 ?
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.
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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):
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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):
Pode-se optar por um controlador apenas Proporcional, já que é muito mais simples de ser sintonizado.
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Estudo de Caso
Pergunta 4: Escolha uma opção de modo de controle sabendo que:
b) O nível deve ser mantido próximo ou até igual ao set-point durante toda a operação.
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Pergunta 4: Escolha uma opção de modo de controle sabendo que:
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..
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Pergunta 4: Escolha uma opção de modo de controle sabendo que:
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
Pergunta 4: Escolha uma opção de modo de controle sabendo que:
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.
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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.