Apostila sobre controle de processo!

Apostila sobre controle de processo!

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Controle de Processo Teoria e Aplicações

Marco Antônio Ribeiro

Controle de Processo Teoria e Aplicações

Marco Antônio Ribeiro

Dedicado a Gonçalo Aparecido Pereira, um instrumentista e um amigo. (1950-1986)

Quem pensa claramente e domina a fundo aquilo de que fala, exprime-se claramente e de modo compreensível. Quem se exprime de modo obscuro e pretensioso mostra logo que não entende muito bem o assunto em questão, ou então, que tem razão para evitar falar claramente. (Rosa Luxemburg)

© Tek Treinamento & Consultoria, 1974, 1978, 1984, 1989, 1994, 1998, 2001 Salvador, BA, Outono 2001

Prefácio

Desde que foi escrita a primeira edição deste trabalho, em 1974, ainda com o nome de Teoria de Controle, muitas mudanças ocorreram no campo de controle de processo industrial. Apareceram os instrumentos inteligentes, nome não muito inteligente para instrumentos microprocessados, houve uma proliferação de computadores em aplicações de controle e atualmente há um aumento intensivo de aplicações de controladores lógico programáveis, substituindo os prosaicos relés eletromecânicos.

Mesmo com os avanços da tecnologia aplicada aos instrumentos que realizam o controle de processo, as idéias básicas e fundamentais ainda são válidas e aplicáveis ao conceito de controle.

Este trabalho Controle de Processo pretende ser uma introdução aos princípios básicos e as práticas dos vários métodos e estratégias de controle. O desenvolvimento matemático é o mínimo possível e é usado apenas para enfatizar os aspectos físicos e a teoria de operação das ações de controle. O presente trabalho faz uma revisão dos conceitos de Processo Industrial, contínuo e discreto, mostrando os parâmetros de dificuldade de controle como tempo morto e característico. São apresentadas as diferentes estratégias de controle através da Malha de Controle, enfatizando a realimentação negativa, que é a base da maioria absoluta das aplicações praticas. É apresentado o Controlador, com suas partes constituintes e para fixar idéias, são detalhados os funcionamentos do Controlador Analógico, (pneumáticos de painel e campo, eletrônico com amplificadores operacionais) e o Controlador Digital, microprocessado como single loop e o bloco de controle de sistemas digitais. As ações de Controle são explicadas, quando são mostradas características e aplicações das ações Proporcional, Integral e Derivativa e apresentados os vários métodos de Sintonia do Controlador, operação fundamental para a operação estável e eficiente da malha de controle. De um modo simples, são apresentados os esquemas mais complexos, envolvendo o Controle Multivariável, onde são vistos os conceitos, configurações e aplicações dos sistemas de controle cascata, relação de vazões, faixa dividida e auto seletor. Finalmente, atendendo sugestões de alunos, foi escrito um capítulo totalmente novo acerca do Controle Lógico, mostrando as diferenças de idéias e equipamentos aplicados ao controle contínuo convencional e o controle de processo discreto. No Apêndice, é apresentado um Enfoque Matemático, ainda simples, do controle de processo, envolvendo equações integrais e diferenciais.

Este trabalho constitui a base de um curso de Controle de Processo que o autor ministra por todo o Brasil, principalmente para o pessoal da Petrobrás e é usado como livro texto em Escolas Técnicas, Centros de Tecnologia e Faculdades de Engenharia.

As sugestões, as criticas destrutivas e as correções são benvindas, desde que tenham o objetivo de tornar mais claro e entendido o assunto.

Endereço físico do autor: Rua Carmen Miranda 52, A 903, CEP 41820-230

Fone (0xx71) 452.3195, Fax (0xx71) 452.3058 e Celular (071) 9989.9531. E-mail: marcotek@uol.com.br.

Marco Antônio Ribeiro Salvador, BA, Outono 2001

Controle de Processo Conteúdo

1. Controle Industrial

Objetivos de Ensino 1

1.4. Ecologia2

1. Vantagens e Aplicações 1 1.1. Qualidade do Produto 2 1.2. Quantidade do Produto 2 1.3. Economia do Processo 2 1.5. Segurança da Planta 3 1.6. Proteção do Processo 3

2. Controle Manual 4 3. Controle de Malha Fechada 4 4. Controle com Servomecanismo6

5.1. Introdução8

5.Sistemas de Controle 8 5.2. Controle de temperatura 8 5.3. Controle de temperatura e vazão 9 5.4. Controle de T, F e L 10 5.5. Controle de T, F, L e A 10 5.6. Controle preditivo antecipatório 1 5.7. Controle supervisório 1 5.8. Controle digital direto 12 5.9. Controle digital distribuído 12

2. Processo Industrial

Objetivos de Ensino 1

1.1. Conceito1

1. Processo Industrial 1 1.2. Processo Contínuo 2 1.3. Processo Batelada (Batch) 3 1.4. Processo discreto 7 1.5. Processo de Manufatura de Peças 7

2.1. Introdução7

2. Variáveis do Processo 7 2.2. Variável Controlada 8 2.3. Variável Medida 8 2.4. Variável Manipulada 8 2.5. Variáveis Aleatórias e Distúrbios 8 2.6. Grau de Liberdade e Variáveis 10

3.3. Inércia12

3. Controle do Processo 10 3.1. Controlabilidade do Processo 1 3.2. Parâmetros Dinâmicos 1 3.4. Tempo Morto 12 3.5. Tempo Característico 13

4. Tipos Básicos de Processo 17 4.1. Processo Auto Regulante 17 4.2. Processo Integrante 18 4.3. Processo Runaway 19

Controle de Processo

5.4. Ganho21
5.7. Oscilação25
5.8. Saturação25

5. Estabilidade do Processo 20 5.1. Reação ao Degrau do Processo 20 5.2. Critérios de Estabilidade 21 5.3. Função de Transferência 21 5.5. Banda Proporcional 23 5.6. Ângulo de fase 25 5.9. Amortecimento 26 5.10. Condições de Estabilidade 26

3. Malha de Controle

Objetivos de Ensino 1 1. Conceito de Malha 1

2.2. Indicador2
2.3. Registrador2
2.4. Transmissor3
2.5. Transdutor3
2.7. Contador4
2.8. Controlador4

2. Instrumentos da Malha 1 2.1. Elemento Sensor 2 2.6. Computador Analógico 3 2.9. Estação Manual de Controle 4 2.10. Válvula de Controle 5

3. Malha Aberta 5 3.1. Indicação e Registro 5 3.2. Controle Manual 6 3.3. Controle Programado 6

4. Malha Fechadas 7 4.1. Realimentação 7 4.2. Realimentação Positiva 7 4.3. Realimentação Negativa 7

4. Controlador

1. Conceito1
1.1. Medição1

Objetivos de Ensino 1 1.2. Ponto de Ajuste 3 1.3. Estação Manual 3 1.4. Unidade de Balanço Automático 3 1.5. Ação Direta ou Inversa 5

2. Circuitos do Controlador 5 2.1. Controlador Paralelo 5 2.2. Controlador Série 6 2.3. Controlador Analógico 6 2.4. Controlador Digital 6 2.5. Controladores Pneumáticos 8

3. Controlador Pneumático 8 3.1. Controlador Liga-Desliga 8 3.2. Controlador de Intervalo Diferencial 8 3.3. Controlador Proporcional 8 3.4. Controlador Proporcional mais Integral 10 3.5. Controlador Proporcional + Derivativo 1 3.6. Proporcional, Integral e Derivativo 12

4.6Controlador Derivativo e PID 2

4. Controladores Eletrônicos 13 4.1. Controlador Liga-Desliga 13 4.2. Controlador Proporcional 14 4.3. Controlador Proporcional Integral 16 4.4. Controlador Integral 16 4.5. Controlador Proporcional Integral 18 4.7. Controlador Derivativo 2 4.8. Controlador PID Paralelo 24 4.9. Over Run Derivativo 25

Controle de Processo

5. Controlador Analógico

1.1. Conceito1
1.2. Modelos1

1. Controlador Pneumático de Painel1 1.3. Modelo Básico, 130M 2 1.4. Especificações Funcionais 3 1.5. Especificações Físicas 4 1.6. Características Opcionais 4 1.7. Componentes Básicos 4 1.8. Unidade de Ponto de ajuste 5 1.9. Unidade Derivativa 6 1.10. Unidade de Controle Automático 6 1.1. Unidade de Controle Manual 7 1.12. Transferência Automática/Manual 8 1.13. Instruções para Especificação 9 1.14. Montagem Modular 10

Estação de leitura no painel 10 Controlador cego, de campo 1

2.2. Indicação12

2. Controlador Pneumático de Campo12 2.1. Características Gerais 12 2.3. Controle Liga-Desliga 13 2.4. Controle com Intervalo Diferencial 13 2.5. Controle Proporcional 14 2.6. Controle Proporcional + Integral 14 2.7. Controle P+I+D 15 2.8. Sistema Automático-Manual 15 2.9. Desligamento automático 16 2.10. Ponto de ajuste remoto 16 2.1. Sintonia do Controlador 17 2.12. Elemento Sensor 18 2.13. Instruções para Especificação 18

3. Controlador SPEC 200 19 3.1. Descrição e Funções 19 3.2. Instruções para Especificação 21 3.3. Especificações Normais 21

1. Introdução1
Exemplo12

6. Controlador Digital 2. Esquemas de Controle Digital 1 3. Funções do controlador 2 2. Entrada de dados 6 3. Algoritmo de controle 8 4. Saída do comando 1 5. Modos de Operação 12

6.2. Diagnóstico14

6. Sistema Expert 13 6.1. Reconhecimento das situações. 14 6.3. Correção do problema. 14

7.1. Conceito14
7.2. Tamanho15
7.4. Auto-sintonia15

7. Controlador Comercial 14 7.3. Funções de controle 15 7.5. Seqüencial e programação de tempo 15 7.6. Outras propriedades 15 7.7. Controlador Foxboro 16 7.8. Controlador Bailey 17 7.9. Controlador WEST 17 7.10. Controlador Yokogawa 18 7.1. Controlador Moore 18

8. Bloco PID19
8.1. Introdução19

8.2. Princípios PID 19 8.3. Funções PID do CLP 20

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