Baixe Automação CIABA e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Naval, somente na Docsity! MARINHA DO BRASIL DIRETORIA DE PORTOS E COSTAS ENSINO PROFISSIONAL MARÍTIMO AUTOMAÇÃO (AUT) 1ª edição Belém-PA 2009 2 © 2009 direitos reservados à Diretoria de Portos e Costas Autor: Carlos Rogério dos Santos Vidal Revisão Pedagógica: Erika Ferreira Pinheiro Guimarães Suzana Revisão Ortográfica: Esmaelino Neves de Farias Digitação/Diagramação: Roberto Ramos Smith Coordenação Geral: CF Maurício Cezar Josino de Castro e Souza ____________ exemplares Diretoria de Portos e Costas Rua Teófilo Otoni, no 4 – Centro Rio de Janeiro, RJ 20090-070 http://www.dpc.mar.mil.br secom@dpc.mar.mil.br Depósito legal na Biblioteca Nacional conforme Decreto no 1825, de 20 de dezembro de 1907 IMPRESSO NO BRASIL / PRINTED IN BRAZIL 5 6 – CONTROLADORES INDUSTRIAIS.............................................................. 302 6.1 CLASSIFICAÇÃO DOS CONTROLADORES INDUSTRIAIS................. 303 6.2 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL......................................... 305 Teste de autoavaliação da unidade 6..................................................... 322 Chave de respostas das tarefas e do teste de autoavaliação da unidade 6................................................................................................. 325 REFERÊNCIAS................................................................................................... 328 6 APRESENTAÇÃO Este módulo de ensino à distância ajudará você a conhecer e compreender os princípios de funcionamento automático das plantas e processos presentes a bordo dos navios mercantes da atualidade. Não se pretende descrever cada máquina ou equipamento a bordo dos navios de forma detalhada, pois cada embarcação possui suas próprias características técnicas e operacionais e, portanto, cabe aos responsáveis pela manutenção, instalação e operação do navio buscar conhecê-las através da consulta dos manuais do navio. De acordo com as necessidades e características gerais da automação utilizada a bordo dos navios da atualidade, serão apresentados: os conceitos básicos da automação, as técnicas de controle automático, os componentes (dispositivos e acessórios) e seus respectivos símbolos normalizados, circuitos pneumáticos e hidráulicos básicos e noções sobre controladores lógicos programáveis. Os assuntos abordados nesta unidade de estudo autônomo envolvem, principalmente, fenômenos físicos e químicos, conceitos de informática e eletrônica digital e analógica. Porém, tentou-se produzir este material de forma que qualquer pessoa, mesmo sem conhecimentos profundos nessas áreas, possa compreender os conteúdos apresentados. Portanto, fica a critério do aluno estudar disciplinas que envolvam as áreas citadas. Dessa forma, este estudo dará subsídios suficientes para que você possa: identificar, especificar, operar, instalar e até mesmo reparar os sistemas de automação presentes nos navios da atualidade. BOM ESTUDO! 7 COMO USAR O MÓDULO I – Qual o objetivo deste módulo? Proporcionar ao aluno conhecimentos básicos necessários sobre sistemas automáticos utilizados nos navios mercantes. II – Quais são os objetivos específicos deste módulo? Descrever os aspectos fundamentais da automação industrial; apresentar o histórico evolutivo, vantagens e desvantagens; discutir os principais impactos na sociedade moderna e apresentar um resumo da utilização da automação industrial a bordo dos navios da atualidade; apresentar os conceitos fundamentais utilizados em automação industrial; representar os sistemas de automação através de diagramas de blocos; descrever as partes que constituem os diagramas de blocos dos sistemas automáticos; apresentar as principais técnicas de controle utilizadas na indústria em geral e analisar os seus funcionamentos através da observação de gráficos que representam o comportamento dinâmico da grandeza física controlada; apresentar os conceitos e características dos instrumentos de medição utilizados na automação industrial; apresentar a simbologia normalizada utilizada na instrumentação industrial; caracterizar os tipos de transmissões que são de usos mais comuns nos sistemas de automação naval; conceituar redes industriais, protocolos de comunicação e sistemas de supervisão; apresentar os princípios de funcionamento dos principais instrumentos de medição utilizados na industria naval: medidores de pressão, temperatura, vazão e nível; apresentar as definições necessárias para o estudo dos sistemas de automação pneumática e eletropneumática; apresentar a estrutura geral desses sistemas; descrever o funcionamento e representação (símbolos) dos seus componentes; interpretar circuitos e diagramas pneumáticos e eletropneumáticos básicos; apresentar as definições necessárias para o estudo dos sistemas de automação hidráulica e eletrohidráulica; apresentar a estrutura geral desses sistemas; descrever o funcionamento e representação (símbolos) dos seus componentes; interpretar circuitos e diagramas hidráulicos e eletrohidráulicos básicos; 10 rede de chão-de-fábrica ou rede industrial. Parra compreender melhor o funcionamento destas, são apresentadas as suas definições, a sua evolução, os seus tipos e as suas principais características. Em seguida são apresentadas as definições das formas de interação dos usuários com os sistemas de automação industrial. São estas: painel de instrumentos, interface-homem-máquina e sistema supervisório. Para finalizar esta unidade de ensino são apresentados os princípios de funcionamento dos instrumentos de medição de pressão, temperatura, vazão e nível mais utilizados nas aplicações da indústria naval na atualidade. Unidade 4 – COMANDOS PNEUMÁTICOS E ELETROPNEUMÁTICOS Esta unidade apresenta os conceitos, a estrutura, os componentes e as simbologias utilizadas nos sistemas de automação pneumática e eletropneumática. Também apresenta alguns circuitos pneumáticos e eletropneumáticos básicos que capacitarão a aluno afim de que o mesmo possa interpretar diagramas peneumáticos e eletropneumáticos dos sistemas presentes nos navios atuais. Unidade 5 – COMANDOS HIDRÁULICOS E ELETROHIDRÁULICOS Esta unidade é bastante semelhante à unidade 4 tanto na divisão dos itens de estudo como no funcionamento dos seus sistemas e componentes. Portanto, durante o seu estudo, o aluno conhecerá os conceitos, a estrutura, os componentes, as simbologias utilizadas e conhecerá alguns circuitos hidráulicos e eletrohidráulicos básicos que serão a base de funcionamento dos sistemas hidráulicos presentes nos navios da atualidade. Unidade 6- CONTROLADORES INDUSTRIAIS Esta unidade de ensino apresenta os principais tipos de equipamentos de controle utilizados na indústria. Apresenta sua definição, sua função, sua evolução, seus tipos e classificações. Aborda também a definição, a evolução, a arquitetura, o funcionamento e a programação dos controladores lógicos programáveis. VI – Avaliação do módulo Após estudar todas as Unidades de Estudo Autônomo (UEA) deste módulo, você estará apto a realizar uma avaliação da aprendizagem. 11 VII – Símbolos utilizados Existem alguns símbolos no manual para guiá-lo em seus estudos. Observe o que cada um quer dizer ou significa. Este lhe diz que há uma visão geral da unidade e do que ela trata. Este lhe diz que há, no texto, uma pergunta para você pensar e responder a respeito do assunto. Este lhe diz para anotar ou lembrar-se de um ponto importante. Este lhe diz que há uma tarefa a ser feita por escrito. Este lhe diz que há um exercício resolvido. Este lhe diz que há um teste de autoavaliação para você fazer. Este lhe diz que esta é a chave das respostas para os testes de autoavaliação. 12 1. EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIA DE CONTROLE Nesta unidade, você vai conhecer as principais definições na área de automação industrial; conhecer como ocorreu a evolução das técnicas utilizadas em automação; conhecer quais são as vantagens e desvantagens da automação industrial; conhecer os principais impactos positivos e negativos da automação industrial na sociedade; e conhecer as principais aplicações da automação industrial a bordo dos navios mercantes. Vamos começar nossa caminhada! Esta unidade de ensino a distância abre as portas do conhecimento da automação industrial. É um capítulo rápido e de fácil compreensão, pois, trata de forma simples e direta os temas abordados. Tenha um ótimo estudo e não se esqueça de realizar o teste de autoavaliação no final desta unidade de ensino. 15 Tabela 1.1 Evolução das técnicas de automação industrial. Época Inovação tecnológica 1788 James Watt desenvolveu um mecanismo de regulagem do fluxo de vapor em máquinas. 1870 O setor industrial passou a utilizar a energia elétrica. Esse fato trouxe bastante progresso ao setor de transportes ferroviário e naval. 1880 Herman Hollerith desenvolveu um novo método, baseado na utilização de cartões perfurados, para automatizar algumas tarefas de tabulação do censo norte-americano. Os dados foram contabilizados em apenas seis semanas (antes disso, levavam 10 anos). O uso dessa tecnologia foi a base de criação da máquina IBM, bastante parecida com o computador. 1946 Foi desenvolvido o primeiro computador de grande porte, completamente eletrônico. O Eniac, como foi chamado, ocupava mais de 180 m² e pesava 30 toneladas. Funcionava com válvulas e relés que consumiam 150.000 watts de potência para realizar cerca de 5.000 cálculos aritméticos por segundo. Esta invenção caracterizou o que seria a primeira geração de computadores, que utilizava tecnologia de válvulas eletrônicas. 1948 John T. Parsons desenvolveu uma máquina-ferramenta com movimento controlado com cartões perfurados. Após a demonstração desse invento, a força aérea americana patrocinou uma série de projetos de pesquisa, coordenada pelo laboratório de servomecanismos do Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Alguns anos mais tarde, o MIT desenvolveu um protótipo de uma fresadora com três eixos dotados de servomecanismos de posição. anos 50 Nasceu a idéia da computação gráfica interativa (forma de entrada de dados por meio de símbolos gráficos com respostas em tempo real). O MIT produziu figuras simples por meio da interface de tubo de raios catódicos (idêntico ao tubo de imagem de um televisor) com um computador. 1952 Surgiu a 2ª geração dos computadores, construídos com transistores. Esses componentes não precisam ser aquecidos para funcionar, consomem menos energia e são mais confiáveis do que as válvulas. Seu tamanho era cem vezes menor que o de uma válvula, permitindo que os computadores ocupassem menores espaços. 1954 Um robô programável foi projetado por George Devol, que mais tarde fundou a fábrica de robôs Unimation. Poucos anos depois, a General Motors Corporation (ou GM) instalou robôs em sua linha de produção para soldagem de carrocerias. 1959 A ou GM começou a utilizar a computação gráfica em seu meio de produção. anos 60 Começou a ser utilizado o termo CAD (do inglês Computer Aided Design ou “Projeto Auxiliado por Computador”) para indicar os sistemas gráficos orientados para projetos. Porém, essa década foi o período mais crítico das pesquisas na área de computação gráfica interativa. Naquela, a grande novidade da pesquisa foi o desenvolvimento do sistema sketchpad, o qual possibilitou a criação de desenhos e alterações de objetos de maneira interativa, num tubo de raios catódicos. 16 Tabela 1.1 Evolução das técnicas de automação industrial (continuação). Época Inovação tecnológica anos 70 Os primeiros frutos das pesquisas desenvolvidas na década anterior começaram a surgir. Setores governamentais e industriais passaram a reconhecer a importância da computação gráfica como forma de aumentar a sua produtividade 1975 Surgiram os chamados chips (circuitos integrados em escala muito grande - VLSI). Os mesmos foram utilizados na construção da quarta geração de computadores (computadores pessoais, de tamanho reduzido e baixo custo de fabricação) capazes de realizar 50 milhões de cálculos por segundo no mesmo tempo em que o Eniac fazia apenas 5 mil cálculos. anos 80 Deu inicio às pesquisas voltadas à integração e/ou automatização dos diversos elementos de projeto e produção industrial a fim de se desenvolver o ambiente industrial moderno. As principais metas das pesquisas nessa época foram: a expansão das aplicações dos sistemas CAD/CAM (Projeto e Manufatura Auxiliados por Computador) e a modelagem geométrica tridimensional com mais aplicações de engenharia (CAE – Engenharia Auxiliada por Computador). 1990 O grupo ISA formou o SP50 Fieldbus Committee para desenvolver um padrão de comunicação para integração dos vários tipos de dispositivos de campo utilizados na automação industrial. dias atuais Atualmente os processos industriais estão interligados a sistemas de supervisão que possibilitam gerenciar e interferir nos mesmos a partir de uma sala de controle. Essa área ainda está em plena expansão. 17 1.3 ELEMENTOS DA AUTOMAÇÃO INDUSTRAL Grande parte dos sistemas automáticos modernos é extremamente complexa e requer muitos ciclos de retroação (realimentação). Independentemente do grau de complexidade, os sistemas de automação compõe-se de cinco elementos: acionamentos, sensoriamentos, controles, comparadores e programas. Os elementos de acionamentos são aqueles que fornecem ao sistema automático energia para atingir determinado objetivo. É o caso dos motores elétricos, pistões hidráulicos etc. Os elementos de sensoriamento medem o desempenho do sistema de automação ou uma propriedade particular de algum de seus componentes ou grandeza física controlada. Como exemplos, têm-se: termopares para medição de temperatura e encoders para medição de velocidade. Os elementos de controle são aqueles que utilizam as informações dos sensores para regular o funcionamento dos elementos de acionamento. Por exemplo: num sistema de controle de nível o controlador é o elemento responsável por abrir e fechar uma válvula para abastecer uma caixa d’água. O elemento comparador também é denominado de elemento de decisão e é aquele responsável por comparar os valores medidos com valores preestabelecidos no processo industrial e informar o elemento de controle a fim de que este tome a decisão de quando atuar no sistema. Como exemplos, podemos citar os termostatos e os programas de computadores; Os programas contêm informações de processo e permitem controlar as interações entre os diversos componentes. Os programas também são denominados de “softwares”, são conjuntos de instruções lógicas, organizadas de maneira sequencial, que indicam ao controlador a função que o mesmo deve desempenhar. Figura 1.2 Ciclo de funcionamento dos sistemas automáticos. 20 Figura 1.3 Exemplo de interligação do sistema de navegação de um navio. O sistema de gestão dos motores de um navio é formado por dispositivos elétricos, hidráulicos e pneumáticos interligados entre si de tal forma que todo o comando dos motores de propulsão é automático. Em outras palavras, o sistema de gestão comanda automaticamente motores, sistemas de ignição, arranque, aceleração, reversão (inversão de marcha) e parada do MCP. O sistema de controle e monitoração da carga de um navio tem a função de automatizar o carregamento e descarregamento de produtos dos tanques e porões dos navios. Para isso, em geral, utiliza a tecnologia de medição de nível por RADAR para medir os níveis de produtos armazenados nos tanques ou porões. Esse sistema de medição de nível é então conectado via rede a uma estação de trabalho (workstation) instalada no passadiço, onde é possível, por exemplo, conhecer o estado atual da estabilidade do navio bem como prever fatores que, potencialmente, possam alterá-la. 21 Figura 1.4 Exemplo de sistema de controle e monitoramento de carga para navios. O sistema de gestão de energia e potência de um navio tem como função principal supervisionar e controlar a operação de geradores elétricos o os gastos de energia elétrica. Para isso, esse sistema é responsável pelo seguinte: controle automático dos níveis de tensão e frequência da energia elétrica produzida, armazenamento de energia para as funções vitais e de segurança do navio e da tripulação, seleção da origem da energia elétrica (energia de terra ou de bordo), controle de temperatura e níveis de óleo dos motores (Safe Engine Shutdown) e geração de alarmes no caso de falhas desses sistemas. O sistema de posicionamento dinâmico (ou sistema DP) controla automaticamente a posição e aproamento de uma embarcação através de uma propulsão ativa. Pode ser operado de forma manual, automática ou por piloto- automático. É formado por um complexo sistema de controle, composto por sensores (GPS, sonar, anemômetros, giroscópios etc.), atuadores (propulsores e leme) e um processador central responsável pela execução do algoritmo de controle e pela 22 interface com o operador. Também permite a comunicação com satélites para monitoração da embarcação a distância. Este sistema é muito utilizado nas operações “off-shore” da indústria do petróleo para posicionamento de navios-tanque com precisão para trabalhos tais como perfuração de poços, mergulho, construção etc. No Brasil, a Petrobrás é a pioneira na utilização desse tipo de sistema na exploração e produção de petróleo em águas profundas. Figura 1.5 Painel de operação de um sistema de posicionamento dinâmico para navios. FONTE: http://www.nauticexpo.com. Acessado em: 16 jan. 2010. Apesar das inúmeras vantagens proporcionadas pela automação, podemos citar os seguintes problemas ocorridos em navios: • os componentes eletrônicos sofrem corrosão devido à ação do salitre e às infiltrações de água; • vibrações, calor e ruídos excessivos causados pelos motores de grande porte; • fontes de energia limitadas; • baixa repetibilidade na produção de peças, pois cada navio produzido possui suas particularidades. 25 2. FUNDAMENTOS DA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Nesta unidade, você vai conhecer as principais definições da automação industrial; conhecer as vantagens e desvantagens da utilização da automação industrial; conhecer os elementos que compõem um sistema de controle automático; compreender o funcionamento de um sistema de controle automático a partir da representação por diagrama em blocos; compreender a técnica de controle de duas posições (on-off); compreender a técnica de controle proporcional-integral- derivativo; conhecer técnicas de sintonia do controlador PID; e conhecer as variações do controlador PID. Muito bem, prezado aluno! Vamos iniciar nossa segunda unidade de estudo. Serão apresentados aqui os pilares de sustentação para o aprendizado e compreensão dos sistemas de automação industrial. Ao final desta unidade, você irá conhecer conceitos importantes e estará apto a interpretar gráficos que mostram o comportamento das grandezas físicas controladas. Tenha um ótimo estudo! 26 2.1 DEFINIÇÕES Vamos iniciar este estudo apresentando conceitos básicos de fundamental importância para os sistemas de automação industrial. 2.1.1 Sistema É o conjunto de elementos dinamicamente relacionados entre si, formando uma atividade para atingir um objetivo, operando com entradas (informações, energia, dinheiro, materiais) e fornecendo saídas processadas (modificadas). 2.1.2 Processo É conjunto sequencial e peculiar de ações que objetivam atingir uma meta. É usado para criar, inventar, projetar, transformar, produzir, controlar, manter e usar produtos ou sistemas. Na indústria em geral, processos são procedimentos envolvendo passos químicos ou mecânicos que fazem parte da manufatura de um ou vários itens, usualmente em grande escala. 2.1.3 Comando É uma etapa num sistema, mediante o qual uma ou mais grandezas de entrada influenciam uma ou mais grandezas de saída, de acordo com as caracteristicas proprias deste sistema. Um comando não prevê meios para as grandezas de saída atuarem nas entradas no sentido de se garantir os valores desejados as mesmas. Dessa forma, perturbações externas ao sistema, como variações de temperatura e forças de trabalho não conseguem ser compensadas ou corrigidas pelos comandos. Quanto ao tipo de comando, podemos ter: comando manual, mecânico, pneumático, hidráulico, elétrico ou uma combinação destes. Dessa forma, num sistema de comando, as grandezas de entrada podem ser externas ou internas ao sistema. As grandezas externas podem ser provenientes de válvulas manuais, botoeiras, interruptores, chaves e sensores diversos. Por sua vez, as grandezas de entradas internas podem ser provenientes de chaves fins de curso e demais sensores do próprio sistema que podem ter seus valores alterados ao longo do processo. Por outro lado, as grandezas de saída de um comando têm como função produzir acionamentos ou 27 outras manifestações externas através de atuadores como cilindros, motores, bombas, lâmpadas, válvulas, posicionadores etc. 2.1.4 Controle É o processo, num sistema, onde o valor de uma grandeza de saída a ser controlada é continuamente comparado com o valor de referência (valor desejado). O resultado dessa comparação atua na entrada do sistema de tal forma que a sua saída apresente o valor desejado na variável controlada. 2.1.5 Servomecanismo É todo mecanismo construído para cumprir sozinho certo programa de ação, executando seu próprio trabalho a partir de ordens que lhe são dadas. Geralmente, um servomecanismo é a associação da mecânica com a eletrônica, portanto, os servomecanismos são sistemas mecânicos controlados eletro-eletrônicamente. 2.1.6 Elementos primários de controle Os elementos primários de controle são responsáveis pela medição das grandezas físicas. Portanto, têm por função medir alguma propriedade do sistema e convertê-la em um sinal que possa ser utilizado para controle. Tipicamente, estão localizados perto do processo, e por isso são denominados "elementos de campo". De acordo com as características de funcionais dos elementos primários, os mesmos podem ser denominados de sensores ou transdutores. Serão denominados sensores quando o sinal gerado for diretamente compatível com o sistema de controle. E serão denominados de transdutores quando o sinal produzido não for diretamente compatível com o sistema de controle. 2.1.7 Transmissores É o elemento que transforma a medida do sensor em um sinal padronizado que pode ser transmitido e interpretado pelo controlador. Muitas vezes o transdutor é denominado de transmissor de sinal e em muitos casos, o próprio transmissor é também o elemento sensor. 2.1.8 Elementos finais de controle Os elementos finais de controle são aqueles dispositivos que desenvolvem um trabalho cujo resultado torna possível modificar o comportamento da grandeza física 30 Tarefa 2.1 Responda às seguintes questões. Que é um sistema de controle automático? Que significa o vocábulo automação? Que significa o vocábulo automatismo? Cite objetivos da automação de processos industriais. 31 2.2 ELEMENTOS DO CONTROLE AUTOMÁTICO Veja o exemplo de sistema de controle de nível representado na figura 2.1. Observe que sempre ocorrerá um escoamento na parte inferior do tanque. Então, suponha que se deseja manter o nível de água em 50% da capacidade do tanque. Para isso, um operador deve monitorar a altura da coluna de água. Caso o nível de água esteja abaixo do valor desejado (50%), o operador deve abrir a válvula de entrada para que o tanque seja abastecido com água. Porém, quando o nível se aproximar (ou se igualar ou ainda ultrapassar) ao valor desejado, o operador deve fechar a válvula de entrada. Dessa forma, o tanque tende a esvaziar e o operador deverá, então, abrir novamente a válvula de entrada. Esse ciclo de operação deverá ser repetido tanto quanto for necessário. Figura 2.1 Exemplo de sistema de controle de nível. Esse sistema de controle de nível pode ser representado através do diagrama em blocos apresentado na figura 2.2. Esse diagrama recebe o nome de diagrama em blocos da malha de controle fechada e mostra os elementos básicos que compõem os sistemas de controle automático. Figura 2.2 Representação do sistema de controle de nível através do diagrama em blocos da malha de controle. 32 2.2.1 Sinais da malha de controle Conforme pode ser observado na figura 2.2, a malha de controle possui 5 (cinco) sinais responsáveis pela operação do sistema de controle automático. São eles: set point, variável de processo, sinal de erro, variável manipulada e sinal de realimentação. A seguir apresentamos as definições dos sinais presentes na malha de controle. a) set point Corresponde ao valor desejado para a grandeza física que se deseja controlar. Também é chamado de sinal de entrada ou sinal de referência ou valor de preset da malha de controle e sempre é aplicado no bloco de comparação que calcula o sinal de erro e pode ser abreviado pelo termo SP. No exemplo das figuras 2.1 e 2.2, o set point corresponde ao nível de água desejado pelo operador, ou seja, SP=50%. b) variável de processo Corresponde ao valor real (medido) da grandeza física controlada. Também recebe o nome de variável controlada ou sinal de saída e pode ser abreviado pelo termo VP. No exemplo das figuras 2.1 e 2.2, a variável de processo corresponde ao nível de água observado pelo operador, ou seja, o nível de água medido visualmente pelo operador. c) sinal de erro Corresponde à diferença entre o valor desejado e o valor real da grandeza física controlada. Ou seja, é a diferença entre o set point e a variável de processo ( VPSPE −= ). Esse sinal evidencia a necessidade de correção da variável de processo e pode ser positivo, negativo ou nulo. O sinal de erro é calculado pelo bloco detector de erro e é aplicado à entrada do bloco controlador. No exemplo das figuras 2.1 e 2.2, o erro corresponde à diferença visual entre o valor do nível de água desejado e o valor do nível de água observado pelo operador. 35 2.2.2 Hardware da malha de controle O hardware da malha de controle é formado por dispositivos e equipamentos (automatismos) interligados com o objetivo de operar o sistema de controle automático. Conforme mostra a figura 2.2, o hardware da malha de controle possui 6 (seis) elementos. São eles: detector de erro, controlador, atuador, planta ou processo, sensor e linhas de transmissão. Vamos a essas definições! a) detector de erro Este bloco tem a função de calcular o valor do sinal de erro da malha de controle. Também pode ser denominado de bloco comparador ou somador. b) controlador Este bloco tem a função de determinar “tomada de decisões” para corrigir o valor da variável de processo. As “tomadas de decisões” correspondem ao cálculo do sinal da variável manipulada. Em outras palavras, o controlador é o responsável por produzir um sinal que será entregue ao atuador a fim de que este altere o valor da variável de processo de tal forma que ela se iguale ou se aproxime do valor de set point. O controlador é um equipamento que pode ser hidráulico, pneumático ou eletrônico. E, conforme sua ação de controle pode ser: on-off, proporcional, integral, derivativo ou uma combinação dos três últimos. Existe uma grande variedade de controladores no mercado sendo que aqueles que apresentam uma maior eficiência e versatilidade são os controladores lógicos programáveis. Estes, de acordo com seus recursos disponíveis, podem executar, através de um programa usuário, qualquer uma das ações de controle citadas no parágrafo anterior e ainda executar temporizações, contagens, acionamentos sequenciais de motores, operações aritméticas, etc. A figura 2.3 mostra alguns modelos de controladores utilizados na indústria. Figura 2.3 Modelos de controladores industriais. 36 c) atuador Este dispositivo é responsável pela execução da ação de controle calculada pelo controlador. Em outras palavras, o atuador recebe o sinal da variável manipulada, proveniente do controlador, e executa um trabalho que irá causar uma alteração no valor da variável de processo. Também recebe o nome de elemento final de controle (E.F.C.). Os atuadores são dispositivos que podem ser comandados através de sinais pneumáticos, hidráulicos ou eletrônicos. A figura 2.4 mostra alguns tipos de atuadores industriais: bombas, motores, válvulas e pistões. Figura 2.4 Modelos de atuadores industriais. d) planta ou processo Este bloco representa toda estrutura física e toda reação física ou química que influencia no comportamento da variável de processo. No exemplo do sistema de controle de nível das figuras 2.1 e 2.2, a planta é caracterizada diretamente pelas dimensões do tanque e pelos diâmetros das tubulações de abastecimento e de esvaziamento do tanque. Para efeito de simplificação da malha de controle, vamos considerar que a planta ou processo é representado apenas pelo tanque. e) sensor Este dispositivo tem por função realizar a medição do valor da variável de processo e transmitir essa informação (sinal de realimentação) à entrada da malha de controle (bloco detector de erro). Existe uma grande variedade de sensores responsáveis pelas medições de grandezas físicas como pressão, temperatura, vazão, nível, posição etc. A figura 2.5 mostra alguns tipos de sensores industriais. 37 Figura 2.5 Modelos de sensores industriais. f) linhas de transmissão São as ligações entre os blocos da malha de controle as quais indicam a trajetória dos sinais ao longo da mesma. Tarefa 2.3 Responda às seguintes questões. Quais são os componentes que formam o diagrama em blocos da malha de controle? Qual é a função do detector de erro? Qual é a função do controlador? 40 Esse tipo de controle recebe o nome de controle em malha aberta, pois o valor da variável de processo não pode ser observado (ou medido) pelo operador (ou controlador) e, portanto, não retorna à entrada da malha de controle. 41 2.4 OPERAÇÃO DE UM SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO Todo processo ou sistema de controle automático pode ser modelado através do diagrama em blocos conforme mostra a figura 2.7. Este diagrama em blocos é denominado de malha de controle fechada, pois o sinal de saída (variável de processo, VP) desse diagrama é medido e transferido para a entrada da malha de controle para ser comparado com um valor de referência (set point, SP). O resultado da comparação entre os sinais de referência e de saída da malha de controle produz um sinal de erro (Erro = SP - VP), que pode ser positivo (SP>VP), negativo (SP<VP) ou nulo (SP=VP). O sinal de erro é aplicado à entrada de um controlador de processos o qual irá processar essa informação de acordo com a lei de controle definida pelo mesmo e, então, calculará o sinal de correção para a variável de processo. Esse sinal de correção recebe o nome de variável manipulada e pode ser um sinal hidráulico, pneumático ou eletrônico, de acordo com a classificação do controlador quanto a sua forma de energia. A variável manipulada é aplicada a um atuador o qual executará um trabalho cujo efeito irá causar uma alteração no valor da variável de processo. A variável de processo é monitorada continuamente pelo sensor e seus valores são, então, enviados à entrada da malha de controle instantaneamente. Figura 2.7 Diagrama em blocos da malha de controle automático. Em um sistema de controle automático, qualquer alteração no valor do sinal de referência (set point) deve ser corrigida imediatamente na variável de processo, ou seja, a variável de processo sempre irá responder às alterações sofridas pelo valor de referência a fim de que ambos sejam iguais (ou aproximadamente iguais). 42 2.5 TÉCNICAS DE CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS A partir de agira serão apresentados os princípios de funcionamento dos controladores industriais básicos sem grandes análises e rigorismos matemáticos, visando introduzir essas técnicas de controle de forma prática através da observação do funcionamento de um sistema de controle de nível no qual serão observados os comportamentos gráficos da VP e do SP. Portanto, serão estudas nesta unidade as técnicas de controle on-off e controle proporcional-integral-derivativo (ou, simplesmente, controle PID). Os diagramas em blocos da malhas de controle e a análises gráficas que serão apresentadas a seguir são correspondentes ao sistema de controle de nível da figura 2.8. Figura 2.8 Exemplo de sistema automático de controle de nível. 2.5.1 Controlador de duas posições ou controlador on-off Este tipo de controlador apresenta apenas dois valores possíveis em sua saída: máximo ou mínimo (0% ou 100%, respectivamente), conforme a diferença entre o set point (SP) e a variável de processo (VP). Assim, a variável manipulada do controlador on-off pode ser representada matematicamente pela seguinte expressão: Onde: • 1U é o valor máximo da saída do controlador on-off. • 2U é o valor mínimo da saída do controlador on-off. 45 para 80%. A histerese, por sua vez, é constante e igual a 5%. A figura 2.12 mostra a resposta da variável de processo obtida nessa situação. Que efeitos você observa na resposta da variável de processo? Figura 2.12 Efeito da mudança de SP no controlador on-off. Pode-se observar, na figura 2.12, que a variável de processo, assim como o intervalo diferencial, sempre acompanha o valor de set point com as mesmas características. Ainda para o sistema de controle da figura 2.8, o controlador on-off possui set point novamente ajustado em 50%, porém a histerese inicialmente será igual a 10%, em seguida será reduzida para 5% e, por fim, aumentada para 15%. A figura 2.13 mostra a resposta da variável de processo obtida nessa situação. Que efeitos você observa na resposta da variável de processo? Figura 2.13 Efeito da variação da histerese do controlador on-off. 46 No gráfico da figura 2.13, pode-se observar que para cada valor de histerese existe uma frequência de oscilação da variável de processo, ou seja, a variável de processo aumenta ou diminui numa velocidade maior ou menor. Essa velocidade aumenta quando o valor da histerese é pequeno e diminui quando o valor da histerese é grande. Para um valor de histerese pequena, o controlador irá comutar seu sinal de saída (isto é, variável manipulada) mais rapidamente e o atuador irá trocar de posição também numa velocidade maior. Por outro lado, para um valor de histerese grande, o controlador irá mudar seu sinal de saída mais lentamente e o atuador trocará de posição numa velocidade mais baixa. Para o controlador on-off, o sinal de controle produz uma resposta na variável de processo que será sempre oscilatória em torno do set point em virtude do atuador possuir apenas duas posições: mínimo ou máximo (válvula fechada ou aberta). A quantidade de manobras executadas pelo atuador depende do valor da histerese ou intervalo diferencial do controlador on-off. Para valores altos de histerese, as mudanças de status (ligado ou desligado) do atuador ocorrem mais lentamente. Por outro lado, para valores baixos de histerese, as mudanças de status do atuador ocorrem mais rapidamente. Esse efeito compromete o tempo de vida útil do atuador. 47 Tarefa 2.4 Responda às questões a seguir. Que é intervalo diferencial da variável de processo produzida pelo controlador on-off? Que é histerese do controlador on-off? Para o controlador on-off, como é o comportamento da variável de processo? 50 Dessa forma, o sinal de controle do controlador PID é pode ser representado pela seguinte expressão: A ação de controle PID é capaz de produzir uma resposta para variável de processo rápida, com pouca ou nenhuma oscilação e com erro estacionário nulo (ou aproximadamente nulo). Para isso, o controlador PID deve ser sintonizado para calcular um sinal de correção (variável manipulada) que, quando aplicado à planta ou processo, corrija a variável de processo. Algumas regras práticas para sintonia dos controladores PID são apresentadas nas tabelas 2.1 e 2.2. Tabela 2.1 Características da ação de controle PID. Ação de Controle Característica Proporcional A correção a ser aplicada ao processo deve crescer na proporção que cresce o erro entre o valor real e o desejado. Integral Erros pequenos, mas que existem há muito tempo, requerem correção mais intensa. Derivativa Se o erro está variando muito rápido, esta taxa de variação deve ser reduzida para evitar oscilações. A bibliografia de controle PID apresenta diversas técnicas para sua sintonia. Foge ao objetivo deste estudo apresentar estas técnicas que muitas vezes envolvem cálculos matemáticos complexos realizados por engenheiros e técnicos da área de pesquisa em controle de processos, porém serão apresentadas algumas regras que facilitam os ajustes do controlador PID. A grande maioria dos controladores PID industriais incorporam recursos de “sintonia automática”, onde o próprio controlador aplica um ensaio ao processo e obtém o conjunto de parâmetros do PID (KP, KI e KD). Para a maior parte dos processos, este cálculo é adequado, mas, em muitos casos, é necessária a correção manual. O ajuste manual dos parâmetros do controlador PID deve ser feito por tentativa e erro. A tabela 2.2 apresenta algumas diretrizes para ajuste manual dos parâmetros dos controladores PID. 51 Tabela 2.2 Regras para ajuste do controlador PID. Defeito na variável de processo Medida de ajuste resposta muito lenta diminuir o ganho proporcional resposta excessivamente oscilatória aumentar o ganho derivativo sobrepassagem excessiva reduzir o ganho integral resposta inicialmente rápida e em seguida muito lenta aumentar o ganho integral Os defeitos na variável de processo mencionados na tabela 2.2 podem ser observados nos gráficos apresentados na figura 2.15. Figura 2.15 Tipos de respostas para variável de processo com controle PID mal sintonizado. A tabela 2.3 resume o efeito de ajuste de cada um dos parâmetros de sintonia do controlador PID sobre o desempenho da variável de processo. Tabela 2.3 Efeitos na VP causados pelo ajuste do controlador PID. Parâmetro Aumento Redução Ganho Proporcional • a VP mais rápida. • a VP mais instável ou mais oscilante. • a VP possui maior sobresinal. • a VP mais lenta. • a VP mais estável ou menos oscilante. • a VP possui menor sobresinal. Ganho Integral • a VP mais rápida, atingindo rapidamente o set point. • a VP mais instável ou mais oscilante. • a VP possui maior sobresinal. • a VP mais lenta, demorando a atingir o set point. • a VP mais estável ou menos oscilante. • a VP possui menor sobresinal. Ganho Derivativo • a VP mais lenta. • a VP menos oscilante. • a VP possui menor sobresinal. • a VP mais rápida. • a VP mais oscilante. • aVP possui maior sobresinal. Em resumo, a ação de controle PID, quando corretamente ajustada, produz uma resposta na VP rápida, com pouca (ou nenhuma) oscilação e o erro será sempre eliminado, conforme mostra a figura 2.16. 52 Figura 2.16 Correção da resposta da VP pela ação de controle PID. Tarefa 2.5 O gráfico a seguir mostra uma resposta da VP para a ação de controle PID. Pode-se observar que a VP apresenta alta velocidade, sobressinal excessivo e erro nulo. Que medidas deve-se tomar para diminuir ou eliminar o sobressinal? 55 A tabela 2.6 mostra as respostas da variável de processo para a ação de controle proporcional. Tabela 2.6 Respostas para a ação de controle proporcional. Resposta da VP Comentário C o n tr o le P ro p o rc io n al Os gráficos ao lado mostram que o aumento do valor do ganho proporcional produz aumentos na velocidade e na oscilação da variável de processo e o erro diminui, porém este nunca será eliminado, ou seja, a variável de processo nunca irá se igualar ao set point. Nem sempre o controle proporcional apresenta oscilação quando se aumenta o valor do ganho proporcional, porém, para valores elevados de ganho proporcional podem gerar oscilações infinitas na VP. Neste caso, o controlador proporcional irá se comportar como um controlador on-off. O erro na região estacionária apresentado pela VP para o controlador proporcional é denominado de erro residual. A tabela 2.7 mostra as respostas da variável de processo para a ação de controle integral. Tabela 2.7 Respostas para a ação de controle integral. Resposta da VP Comentário C o n tr o le In te g ra l No gráfico ao lado, o aumento do valor do ganho integral produz um aumento na velocidade e na oscilação da variável de processo, da mesma forma como ocorre para o controle proporcional. Porém, neste caso, o erro será sempre eliminado, ou seja, a variável de processo sempre será estabilizada no mesmo valor do set point (isto é, sempre VP = SP). 56 A tabela 2.8 mostra a resposta da variável de processo para a ação de controle derivativa. Tabela 2.8 Resposta para a ação de controle derivativa. Resposta da VP Comentário C o n tr o le D er iv at iv o Observa-se, no gráfico ao lado, que a ação de controle derivativa, quando usada isoladamente, sempre zera a variável de processo independentemente do valor do ganho derivativo. Por essa razão, deve-se combiná-la com as demais ações de controle formando os seguintes controladores: proporcional-derivativo, integral-derivativo ou proporcional-integral-derivativo. Quando a ação derivativa é combinada com as demais ações de controle, ela atua visando diminuir ou eliminar as oscilações na variável de processo. A tabela 2.9 mostra as respostas da variável de processo para a ação de controle proporcional-integral. Tabela 2.9 Resposta para a ação de proporcional-integral. Resposta da VP Comentário C o n tr o le P I Este tipo de ação de controle reúne as características das ações de controle proporcional e integral. Pode-se observar, no gráfico ao lado, que os aumentos dos valores de ganhos dessa ação de controle produzem aumento de velocidade e grandes amplitudes de oscilação da variável de processo com erro estacionário sempre igual a zero. As ações de controle proporcional e integral, quando utilizadas isoladamente, produzem aumentos de velocidade e de oscilação na VP, por isso a ação de controle PI apresenta maiores efeitos em relação ao aumento da velocidade e da oscilação na variável de processo. Por outro lado, a ação integral atua sempre na eliminação do erro estacionário. 57 A tabela 2.10 mostra as respostas da variável de processo para a ação de controle proporcional-derivativa. Tabela 2.10 Eliminação das oscilações na VP pela ação de controle proporcional-derivativa. Resposta da VP Comentário C o n tr o le P D Pode-se observar, no gráfico ao lado, que a ação de controle proporcional utilizada isoladamente (curva azul-claro) produz uma VP com oscilações. Porém, ao combinar a ação proporcional com a ação derivativa, as oscilações na VP são eliminadas, entretanto, o erro residual ainda pode ser observado, conforme mostra a curva vermelha. A ação de controle PD age de tal forma que o atuador trabalha mais rapidamente a fim de diminuir ou eliminar as oscilações na VP. Porém, não devem ser utilizados valores altos de ganho derivativo, pois nesse caso, o atuador passa a ser manobrado muito rapidamente e, por conseqüência, ocorre uma diminuição de sua vida útil. 60 2.3 Considere que no sistema de controle de nível da questão anterior o tanque inicialmente está vazio. Sabendo-se que a bomba de saída deve ligar, se o nível de água for maior que 40%, e desligar, se o nível de água for ligeiramente menor que 40%, então faça uma descrição do funcionamento do sistema automático capaz de manter o nível de água próximo de 40%. Observação: a válvula de entrada V1 deve ser considerada sempre aberta e a vazão de entrada maior que a vazão de saída. 2.4 Relacione as colunas abaixo de acordo com as características das ações de controle. a) controle on-off b) controle proporcional c) controle integral d) controle derivativo e) controle PI f) controle PD g) controle PID (123) com os aumentos dos valores de ganhos do controlador, a velocidade da VP aumenta, o erro residual é permanente e a oscilação é reduzida (ou eliminada). (123) a VP leva certo tempo para atingir o SP e pode apresentar sobressinal. (123) não pode ser utilizado isoladamente e tem a função de eliminar as oscilações da VP. (123) com o aumento do ganho do controlador, a VP pode apresentar um comportamento oscilatório e possuir erro residual diferente de zero. (123) quando bem sintonizado, produz uma VP com alta velocidade, pouca oscilação e erro estacionário igual a zero. (123) apresenta erro estacionário igual a zero, porém possui sobressinal excessivo. (123) a VP é sempre oscilatória em torno do SP. 61 2.5 A figura a seguir mostra a representação gráfica de um sistema de controle de nível automatizado. O gráfico ao lado mostra o comportamento da resposta da variável de processo (VP) correspondente. Pede-se: a) Analise o gráfico e identifique o tipo de controlador utilizado. b) Determine o valor do erro estacionário (Lembre que Erro = SP-VP). 2.6 Considerando que ocorreu o esvaziamento do tanque e, em seguida, o mesmo foi novamente abastecido com água, faça um esboço da VP sabendo que o set point foi alterado para 60%. 62 2.7 No sistema de controle de nível representado na figura abaixo, a faixa de controle do nível está compreendida entre 0% e 100%, que significa tanque vazio e tanque cheio ou transbordando, respectivamente. Seu funcionamento é o seguinte: i) o medidor de nível envia a informação do valor da variável de processo (nível de água dentro do tanque) para o controlador do processo. ii) o controlador calcula o valor do sinal de erro e de acordo com o valor calculado enviará para a válvula de entrada um sinal para que ela abra ou feche totalmente. iii) deseja-se manter o nível de água no tanque em 60%. São permitidos valores máximos e mínimos para variável de processo de 75% e de 45%, respectivamente. Pede-se: a) Identifique o tipo de controlador utilizado. JUSTIFIQUE sua resposta! b) Quais são os valores dos parâmetros de ajuste do controlador? 65 Sinal de realimentação: é o sinal de saída do bloco sensor, que representa uma amostra ou a totalidade do valor da variável de processo. Tarefa 2.3 Detector de erro, controlador, atuador, planta ou processo, sensor e linhas de transmissão. Detector de erro: tem como função calcular o valor do sinal de erro que será entregue à entrada do bloco controlador. Controlador: elemento responsável pela determinação do sinal de correção da variável de processo, ou seja, é responsável pelo cálculo do valor da variável manipulada ou sinal de controle. Atuador: dispositivo capaz de implementar as tomadas de decisões feitas pelo controlador a fim de corrigir a variável de processo. Planta ou processo: toda estrutura física (tubulações, tanques, etc) e toda reação química e/ou física que nela ocorrem de tal forma que influenciem no comportamento da variável de processo. Sensor: dispositivo capaz de detectar o comportamento dinâmico da variável de processo, ou seja, é o dispositivo utilizado para medir o valor instantâneo da variável de processo. Linhas de transmissão: têm a função de transmitir as informações ao longo da malha de controle. Os meios de transmissão mais utilizados são: elétrico, pneumático ou hidráulico. Tarefa 2.4 Intervalo diferencial: diferença entre os limites mínimo e máximo da variável de processo. É a faixa de valores em que a variável de processo oscila em torno do set point. 66 Histerese: valor acrescido ou diminuído do valor do set point que determina os pontos de transição do sinal de saída do controlador on-off. A variável de processo é sempre oscilatória em torno do valor de set point com limites definidos através da histerese do controlador on-off. Tarefa 2.5 Pode-se reduzir o ganho integral ou então aumentar o ganho derivativo. Teste de autoavaliação: 2.1 ( g ); ( d ); ( f ); ( h ); ( i ); ( c ); ( b ); ( a ); ( e ) 2.2 SP: Nível de água desejado; VP: nível de água real ou medido; Atuador: bomba; Sensor: medidor de nível tipo capacitivo. 2.3 Como o tanque inicialmente está vazio, então a bomba estará desligada e o tanque comecará a ser abastecido com água através da válvula de entrada V1. Quando o nível de água for ligeiramente maior que 40% (ajuste de set point feito no controlador) então a bomba será ligada e o tanque começará a ser esvaziado até que o nível de água seja ligeiramente inferior a 40%. Neste ponto a bomba será desligada novamente e um novo ciclo de abastecimento e desabastecimento do tanque será inicializado. 2.4 ( f ); ( c ); ( d ); ( b ); ( g ); ( e ); ( a ) 67 2.5 a) Controle proporcional ou então controle proporcional-derivativo; b) Erro = SP-VP = 50-46 = 4%; 2.6 2.7 a) Controlador on-off; pois a VP está localizada entre dois limites. b) Set point = 60% e histerese = 15%. c) 70 3.1.2 Evolução da instrumentação industrial A necessidade de se desenvolver técnicas de medição das variáveis de processo surgiu com o advento da Revolução Industrial e do desenvolvimento da máquina a vapor. Surgiram, então, os primeiros instrumentos de medições industriais para indicar a pressão de vapor nas caldeiras. Esse instrumento de medição possibilitou a diminuição do número de acidentes de trabalho que ocorriam frequentemente devido as constantes explosões das caldeiras. Ao término da década de 30 (mais precisamente por volta de 1938), surgiram os primeiros equipamentos de controle automático. Estes utilizam como fonte de energia um fluido hidráulico pressurizado e, por essa razão, foram denominados controladores hidráulicos. Posteriormente, surgiram os controladores pneumáticos. Estes, por sua vez, utilizam o ar comprimido como fonte de energia. No início da década de 50, surgiram os instrumentos eletrônicos analógicos. Graças ao surgimento da eletrônica dos semicondutores, os instrumentos pneumáticos passaram a ser substituídos gradativamente pelos instrumentos eletrônicos nos processos onde não existia o risco de explosão. Atualmente, as indústrias de um modo geral estão automatizando suas plantas/processos com sistemas eletrônicos microprocessados, como transmissores inteligentes, controladores lógicos programáveis, sistemas Fieldbus e sistemas supervisórios diversos. A fabricação dos instrumentos eletrônicos evoluiu a ponto de tornar os riscos de explosões bastante reduzidos. Dessa forma, os instrumentos eletrônicos irão gradativamente ser aplicados também nas áreas com risco de explosão. A evolução dos instrumentos industriais para medição, registro e controle das diversas variáveis de processo das plantas/processos industriais têm colaborado com o aumento da responsabilidade das equipes envolvidas na instalação e manutenção desses instrumentos. Por isso, se faz necessário investir, consideravelmente, recursos financeiros em pesquisas e treinamento, pois, para se obter as vantagens que a instrumentação industrial proporciona, os equipamentos devem ser instalados, supervisionados e mantidos em operação por pessoas devidamente qualificadas. 71 3.2 DEFINIÇÕES SOBRE MEDIÇÃO 3.2.1 Definições Medir uma variável equivale a comparar a quantidade envolvida da grandeza associada a esta variável com uma quantidade padrão previamente estabelecida. A medição das variáveis envolvidas no processo é uma etapa fundamental em qualquer sistema de controle; afinal, não se pode controlar aquilo que não se pode medir, mesmo que, às vezes, esta medição ocorra de forma indireta. Medida é o nome dado ao processo que nos permite atribuir um valor numérico a uma propriedade física resultante de uma comparação entre quantidades semelhantes, sendo uma delas padronizada e adotada como unidade. Associadas a esse valor numérico, temos as unidades de medidas. Uma unidade de medida é uma grandeza usada como termo de comparação para medições de grandezas de mesma espécie. A unidade de medida é o termo que qualifica e caracteriza a grandeza física no processo de medição. Por exemplo: massa – kg (quilograma) As unidades de medidas são estabelecidas pelo Sistema Internacional (S.I.). Este sistema compreende 7 (sete) unidades fundamentais, 2 (duas) suplementares, unidades derivadas, múltiplos e submúltiplos de unidades, além de outras unidades admitidas sem restrições de prazo ou temporariamente. As unidades fundamentais do sistema internacional são aquelas que não são derivadas de nenhuma outra unidade. São elas: metro (comprimento), quilograma (massa), segundo (tempo), ampère (corrente elétrica), Kelvin (temperatura termodinâmica), mol (quantidade de matéria) e candela (intensidade luminosa). A tabela a seguir mostra alguns exemplos de unidades de medidas que, embora fora do sistema internacional, são bastante utilizadas. Tabela 3.1 Unidades de medidas fora do S.I. Nome S.I. Símbolo Valor no S.I Atmosfera atm 101325 Pa Bar bar 100000 Pa Caloria cal 4,1868 J Cavalo-vapor cv 735,5 W Quilograma-força kgf 9,80665 N Milímetro Hg mmHg 133,322 Pa 72 3.2.2 Classificações dos tipos de medição e dos tipos de medidores As medidas de grandezas físicas podem ser classificadas em duas categorias: medidas diretas e indiretas. Medida direta de uma grandeza é o resultado da leitura de uma magnitude mediante o uso de um instrumento de medida, como por exemplo, um comprimento com uma régua graduada, ou ainda a de uma corrente elétrica com um amperímetro, a de uma massa com uma balança ou de um intervalo de tempo com um cronômetro. Por outro lado, uma medida indireta é aquela que resulta da aplicação de uma relação matemática que vincula a grandeza a ser medida com outras diretamente mensuráveis. Como por exemplo, a medida da velocidade média de um carro pode ser obtida através da medida da distância percorrida e do intervalo de tempo. Os medidores também podem ser classificados em medidores contínuos e medidores descontínuos. Um medidor contínuo é aquele que realiza medições em todos os pontos dentro de uma determinada faixa de medida. Para cada valor dentro da faixa de medida desse tipo de instrumento existe um valor correspondente transmitido pelo instrumento. Um medidor descontínuo ou medidor discreto é aquele em que a medição é feita somente para fornecer uma indicação de presença ou ausência ou, ainda, de mínimo ou máximo valor da grandeza física medida. Esse tipo de medidor é bastante utilizado no controle de duas posições ou na geração de alarmes. Esse tipo de medidor só apresenta mudança em sua saída se a grandeza física medida assumir um valor único, previamente calibrado. 75 Qual é a diferença entre medição contínua e descontínua? Qual é a diferença entre sensor e transdutor? Qual é a diferença entre indicador e registrador? 76 3.4 CARACTERÍSTICAS DOS INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO As características dos instrumentos de medição e dos demais dispositivos de instrumentação e controle de processos podem ser assim classificadas: características técnicas e dinâmicas. Como exemplos de características técnicas dos instrumentos temos: faixa de medição ou RANGE, alcance ou largura de faixa ou SPAN, sensibilidade, linearidade, erro de medida do instrumento, exatidão, precisão e repetibilidade. É como exemplos de características dinâmicas dos instrumentos: zona morta, supressão de zero, elevação de zero, tempo morto e histerese. As características técnicas e dinâmicas dos instrumentos são de fundamental importância na escolha adequada do tipo de instrumento que será utilizado. A seguir serão apresentadas as principais características técnicas e dinâmicas comuns a grande maioria dos instrumentos ou equipamentos industriais. 3.4.1 Faixa de medição ou RANGE Denomina-se faixa de medição ou RANGE de um sensor como sendo o conjunto de valores da variável de processo compreendidos entre os limites superior e inferior da capacidade de medida, transmissão ou controle do instrumento, sendo expresso pelos seus valores extremos. Por exemplo: um medidor de temperatura capaz de medir valores de temperaturas entre -20 e 120ºC, ou seja, em outras palavras, esse sensor possui faixa de medição ou RANGE entre -20 e 120°C. Quanto maior for o valor do range de um instrumento de medição, menor será a sua precisão. Por isso, deve-se escolher um sensor com RANGE adequado para as medições que se pretende efetuar. Em outras palavras, é preferível que os valores medidos pelo sensor estejam no meio de sua faixa de medida, pois, nessa região, a precisão do instrumento é maior. 77 3.4.2 Alcance ou largura de faixa ou SPAN Este parâmetro é determinado pela diferença algébrica entre os limites superior e inferior da faixa de medição ou RANGE do instrumento. Ou seja, a largura de faixa ou SPAN de um instrumento é dada pela seguinte equação: Por exemplo: para o mesmo medidor de temperatura do item anterior com RANGE entre -20ºC e 120ºC, o cálculo de seu valor de SPAN é feito da seguinte forma: O SPAN determina a “distância” a qual o instrumento percorre para medir todos os valores entre seus limites mínimo e máximo de leitura. 3.4.3 Sensibilidade Um instrumento de medição sempre possui duas regiões de trabalho. A primeira região é formada pelos limites do sinal medido e é denominada de faixa de medida ou RANGE do instrumento. A segunda região é formada pelos limites do sinal transmitido pelo sensor e é denominada de faixa transmitida. Portanto, podemos afirmar de forma bastante simples que um sensor possui um SPAN de entrada e um SPAN de saída, correspondentes aos sinais medidos e transmitidos, respectivamente, pelo instrumento. A sensibilidade de um instrumento é determinada pela razão entre a variação do valor indicado ou transmitido e a variação da variável (grandeza física) que acionou o instrumento. Ou seja, a sensibilidade é determinada pela seguinte equação: Por exemplo: seja o mesmo medidor de temperatura dos exemplos dos itens anteriores (3.4.1 e 3.4.2), sabendo-se que o mesmo transmite um sinal de 4 a 20mA, o cálculo do valor de sua sensibilidade é feito da seguinte maneira: 80 3.4.7 Precisão Esta característica exprime o grau de reprodução nas indicações de um instrumento de uma mesma medida sob as mesmas condições de funcionamento do instrumento. A precisão, muitas vezes, não é indicada nos instrumentos, pois resulta de uma análise estatística. Portanto, a precisão está diretamente ligada à operação do instrumento e à medição da grandeza física como um todo. A precisão pode ainda ser definida como sendo o limite de erro de medição do instrumento. Alta precisão implica em repetição de um mesmo valor para várias leituras realizadas sob as mesmas condições. A precisão é um pré-requisito para a exatidão, mas não garante a mesma. Portanto, uma medida efetuada pode ser tão mais precisa quanto mais exato for o instrumento. 3.4.8 Repetibilidade Está característica determina a capacidade que o instrumento possui de reprodução de um mesmo valor indicado ou transmitido ao se medir, repetidamente, valores idênticos da grandeza física monitorada, nas mesmas condições de operação e no mesmo sentido de variação. Na prática, a repetibilidade de um instrumento pode ser expressa como “percentagem do SPAN instrumento de medição”. 3.4.9 Zona morta (dead zone) Esta característica determina a faixa de valores da grandeza física medida que não provoca variação da indicação ou no sinal transmitido pelo instrumento de medição. Dentro da zona morta, a grandeza física pode ser alterada sem ser detectada pelo instrumento de medição. 81 3.4.10 Supressão de zero ou escala de zero suprimido Este parâmetro determina a quantidade com que o valor inferior da faixa de medida (range) do instrumento supera o valor zero ou valor mínimo da grandeza física medida. O valor de supressão de zero pode ser expresso em unidades da grandeza medida ou em percentagem do SPAN do instrumento de medição. 3.4.11 Elevação de zero ou escala de zero elevado Esta característica determina o valor da grandeza física medida que determina a quantidade com que o valor zero ou valor inferior da faixa de medida (range) do instrumento de medição é superado. Este parâmetro pode ser expresso em unidades da grandeza física medida em percentagem do SPAN do instrumento de medição. 3.4.12 Tempo morto (dead time) É o valor de tempo que determina o atraso verificado entre a ocorrência de uma alteração na grandeza física medida e a sua percepção pelo instrumento. Também pode ser denominado de “atraso de transporte”. 3.4.13 Histerese É a diferença observada entre a medição de uma grandeza física quando esta percorre a faixa de medição do instrumento no sentido crescente e no decrescente. A histerese é um parâmetro expresso em percentagem do SPAN do instrumento de medição. 82 Tarefa 3.2 Responda às seguintes questões. Qual é a diferença entre faixa de medição e largura de faixa de um instrumento de medição? Qual é a diferença entre precisão e exatidão de um instrumento de medição? 85 A tabela 3.3 mostra os símbolos em geral para os instrumentos ou funções programadas nas malhas de controle industrial. Tabela 3.3 Símbolos em geral para instrumentos ou funções programadas. Tipo ou Localização Locação principal acessível ao operador Equipamento instalado no campo Locação auxiliar acessível ao operador Locação auxiliar não acessível ao operador Instrumentos Discretos Instrumentos Compartilhados Computador de Processo Controlador De Processo A tabela 3.4 mostra os símbolos das funções de processamento de sinais das malhas de controle industrial. Tabela 3.4 Símbolos e funções de processamento de sinais. Símbolo Função Símbolo Função ou Soma Multiplicação Média Divisão ou Subtração Extração de Raiz Quadrada ou Proporcional Extração de Raiz ou Integral Exponenciação ou Derivativo Função Não-linear Seletor de Nível Alto Limite Superior Seletor de Nível Baixo Limite Inferior Polarização Limitador de Sinal Função no Tempo Conversor de Sinal 86 Por fim, a tabela 3.5 mostra os símbolos das linhas de transmissão para os instrumentos nas malhas de controle industrial. Tabela 3.5 Símbolos das linhas para os instrumentos. Símbolo Função Símbolo Função Suprimento Sinal não definido Sinal binário pneumático Sinal pneumático Sinal elétrico Sinal hidráulico Tubo capilar Sinal eletromagnético ou sônico (transmissão guiada) Sinal eletromagnético ou sônico (transmissão não guiada) Ligação configurada internamente ao sistema (ligação por software) Ligação mecânica Sinal Fieldbus Sinal binário elétrico 87 3.6 APLICAÇÕES COM A SIMBOLOGIA ISA A seguir serão mostrados alguns exemplos de malhas de controle industrial, representadas através da simbologia ISA S 5.1. Figura 3.2 Exemplo de malha de controle representada através da simbologia ISA S 5.1. Figura 3.3 Representação da malha de controle através da norma ISA S 5.1 para o sistema de resfriamento do MCP de um navio construído nos anos 70. 90 Tabela 3.6 Vantagens e desvantagens da transmissão pneumática. Vantagens Desvantagens pode ser operado com segurança em ambientes explosivos (áreas classificadas). necessita de tubulação e equipamentos auxiliares para suprimento e funcionamento dos instrumentos. apresenta imunidade às interferências magnéticas ou eletromagnéticas. vazamentos ao longo da linha e nos instrumentos são difíceis de serem detectados. não sofre interferência da temperatura, como ocorre com os sistemas hidráulicos, onde a viscosidade do fluido é alterada com a temperatura. não pode ser enviado a distâncias maiores que 100m sem o uso de reforçadores de sinal devido ao atraso na transmissão. não causa poluição ambiental no caso de vazamentos. não permite a conexão direta aos computadores. b) transmissão hidráulica Semelhante ao tipo pneumático e com desvantagens equivalentes, o tipo hidráulico utiliza a variação de pressão exercida em óleos hidráulicos para transmissão de sinal. O sinal padrão de transmissão ou recepção hidráulico também é de 0,2 a 1,0 Kgf/cm2 (S.I.), aproximadamente 3 a 15 psi no Sistema Inglês. A tabela a seguir apresenta algumas vantagens e desvantagens da transmissão hidráulica. Tabela 3.7 Vantagens e desvantagens da transmissão hidráulica. Vantagens Desvantagens pode gerar grandes forças e assim acionar equipamentos de grande porte. necessita de tubulação de óleo para transmissão e recepção de sinal. possue respostas rápidas (pequeno retardo no tempo), podendo ser operados a longas distâncias. necessita de inspeções periódicas do nível de óleo, além de abastecimento e troca do mesmo. os atuadores hidráulicos apresentam excelente precisão em todas as velocidades do fluido. necessita de equipamentos auxiliares tais como bombas, filtros de óleo, reservatórios. o fluido hidráulico também atua como elemento de lubrificação e de vedação dos componentes hidráulicos. o movimento do fluido hidráulico gera calor excessivo no mesmo o que pode causar queda de rendimento devido a alteração da viscosidade do fluido. 91 c) transmissão elétrica A transmissão elétrica pode ser realizada em tensão ou em corrente elétrica. Esses sinais são, hoje em dia, largamente utilizados em todas as indústrias nas áreas onde não ocorre o risco de explosão. Porém, a evolução tecnológica tem permitido construir equipamentos elétricos capazes de funcionar também nas áreas de risco. A tabela a seguir mostra os sinais padrões da transmissão elétrica. Tabela 3.8 Sinais padrões para a transmissão elétrica. Sinal Transmissão discreta Transmissão contínua Tensão 0 ou 10VDC (NPN ou PNP) 1 a 5 VDC 0 ou 24 VDC (NPN ou PNP) 0 a 10 VDC 0 ou 110 VAC 2 a 10 VDC 0 ou 220 VAC -10 VDC a +10 VDC Corrente 0 a 20 mA 4 a 20 mA Conforme se pôde observar na tabela anterior, os sinais utilizados na transmissão elétrica podem ser classificados em discretos e contínuos. A figura a seguir apresenta gráficos que mostram as características dos sinais elétricos utilizados nas transmissões discreta e contínua. Figura 3.4 Características dos sinais da transmissão elétrica. ( a ) transmissão discreta binária. ( b ) transmissão contínua. Como pode ser observado na figura 3.4-a, o sinal da transmissão discreta possui somente dois valores possíveis; por esta razão, esse tipo de transmissão também é denominada de “transmissão digital em tensão”. 92 Na figura 3.4-b, pode-se observar que o sinal da transmissão contínua possui infinitos valores entre os seus dois limites (mínimo e máximo); por isso, esse tipo de transmissão também é denominada de “transmissão analógica”. Como padrão de transmissão elétrica a longas distâncias, são utilizados sinais de corrente contínua variando de 4 a 20 mA. Para distâncias de até 15m aproximadamente, também são utilizados sinais de tensão de 1 a 5 Volts. A tabela a seguir apresenta algumas vantagens e desvantagens da transmissão elétrica. Tabela 3.9 Vantagens e desvantagens da transmissão elétrica. Vantagens Desvantagens necessita de poucos equipamentos auxiliares que são de fácil montagem e manutenção; necessita de técnico especializado para sua instalação e manutenção; a alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão; exige cuidados especiais no encaminhamento dos cabos e/ou fios de sinais; permite transmissões a longas distâncias sem perdas de sinal comum pequeno retardo na transmissão; necessita de proteção contra ruídos e interferências elétricas, magnéticas e eletromagnéticas; pode ser acoplada para a transmissão por fibras ópticas; e necessita de cuidados especiais quando instalada em áreas de risco de incêndio e/ou explosão; e permite fácil conexão aos computadores e unidades aritméticas. alto custo com cabeamento. d) transmissão digital Neste tipo de transmissão, as informações sobre a variável medida são enviadas a uma estação receptora através de “pacotes de informação”. Esses “pacotes de informação” são sinais digitais modulados e padronizados. Essa padronização recebe o nome de “protocolo de comunicação”. Há diversos tipos de “protocolos de comunicação”, sendo alguns dos mais conhecidos os seguintes: Profibus, Fieldbus, Modbus, Device Net, entre outros. Cada protocolo de comunicação possui suas características técnicas as quais definem suas aplicabilidades. Serão apresentados mais detalhes sobre os protocolos de 95 equipamentos elétricos para automação industrial com a intenção de definir um padrão para transferência de dados entre esses equipamentos. Dessa corrida, surgiram diversos padrões de comunicação entre os equipamentos industriais cada um com suas vantagens e desvantagens. Muitos caíram em desuso, porém alguns foram mais bem aceitos e ainda são bastante utilizados: Modbus; Fieldbus; Profibus; Device Net, dentre outros. Tecnicamente, os padrões de comunicação para transmissão digital entre os equipamentos de automação industrial são denominados de “protocolos de comunicação”. 3.8.2 Classificações das redes industriais Uma rede industrial utiliza a transmissão digital para possibilitar a supervisão e operação de toda planta ou processo industrial a partir de um sistema informatizado. Ou seja, possibilita que, através de um cabeamento estruturado, os diversos dispositivos de automatização sejam conectados entre si, a um ou mais controladores ou a computadores dedicados, localizados em uma sala reservada denominada de estação de supervisão e controle. As redes industriais são padronizadas em 3 níveis de hierarquia responsáveis pela interconexão de diferentes tipos de equipamentos. Veja a figura a seguir! Figura 3.5 Níveis de hierarquia das redes industriais. O nível mais alto é geralmente o que interliga os equipamentos responsáveis pelo planejamento da produção, controles de estoque, estatísticas de qualidade, previsões de vendas etc. Geralmente é implementado utilizando-se softwares gerenciais, tais como sistemas SAP, Arena etc. O protocolo TCP/IP, com padrão ethernet é o mais utilizado nesse nível. 96 No nível intermediário, onde temos os CLP's e CNC's, principalmente, trafegam informações de controle a nível de máquinas, ou seja, informações a respeito do status de equipamentos tais como robôs, máquinas-ferramentas, transportadores etc. O terceiro nível é o nível mais baixo e se refere à parte física da rede, onde se localizam os sensores, atuadores, contatores etc. Essa classificação não é exclusiva. As redes industriais também podem ser classificadas de acordo com os tipos de equipamentos conectados em rede sensorbus, rede devicebus e rede fieldbus. A tabela a seguir mostra as definições desses tipos de classificações para as redes industriais. Tabela 3.12 Classificação das redes industriais de acordo com os tipos de equipamentos. Nome Característica Sensorbus • os dados são transmitidos na forma de bits; • conecta equipamentos simples e pequenos diretamente à rede; • os equipamentos necessitam de comunicação rápida em níveis discretos e são tipicamente sensores e atuadores de baixo custo; e • não almejam cobrir grandes distâncias, sendo sua principal preocupação manter os custos de conexão tão baixos quanto for possível. Como exemplos, temos: Seriplex, ASI e INTERBUS Loop. Devicebus • os dados são transferidos na forma de bytes; • preenche o espaço entre redes sensorbus e fieldbus; • pode cobrir distâncias de até 500 m; • os equipamentos conectados a esta rede terão mais pontos discretos, alguns dados analógicos ou uma mistura de ambos; • algumas destas redes permitem a transferência de blocos em uma menor prioridade comparado aos dados no formato de bytes; e • têm os mesmos requisitos de transferência rápida de dados da rede de sensorbus, mas consegue gerenciar mais equipamentos e dados. Como exemplos, temos: DeviceNet, Smart Distributed System (SDS), Profibus DP, LONWorks e INTERBUS-S. Fieldbus • os dados são transferidos na forma de pacotes de mensagens; • interliga os equipamentos de I/O mais inteligentes e pode cobrir distâncias maiores; • os equipamentos acoplados à rede possuem inteligência para desempenhar funções específicas de controle tais como loops PID, controle de fluxo de informações e processos; • os tempos de transferência de dados podem ser longos mas a rede deve ser capaz de comunicar-se por vários tipos de dados (discreto, analógico, parâmetros, programas e informações do usuário). Como exemplos, temos: IEC/ISA SP50, Fieldbus Foundation, Profibus PA e HART. 97 3.8.3 Padrões de comunicação das redes industriais A interligação de elementos ao nível de chão-de-fábrica (CLP’s, válvulas, indicadores dedicados, sensores, transdutores, atuadores, etc.) é denominação genericamente de "barramento de campo" ou Fieldbus. Portanto, O termo Fieldbus descreve uma rede de comunicação digital que veio substituir o sistema de sinal analógico 4 - 20mA existente ainda hoje nas indústrias. Apesar de sua tecnologia ultrapassada (desenvolvida na década de 60) é muito difundida devido a sua imunidade às interferências eletromagnéticas. O Fieldbus pode ser definido como uma rede digital, bidirecional (de acesso compartilhado), multiponto e serial, utilizado para interligar os dispositivos primários de automação (dispositivos de campo) a um sistema integrado de automação e controle de processos. Cada dispositivo de campo pode possuir uma "inteligência" (microprocessamento), o que o torna capaz de executar funções simples em si mesmo, tais como diagnóstico, controle e funções de manutenção, além de possibilitar a comunicação entre dispositivos de campo (não apenas entre o engenheiro e o dispositivo de campo). Com o objetivo de criar e especificar normas e padrões para transmissão digital em instrumentação, na década de 80 houve a formação de fóruns internacionais, ISA, (Instrument Society of America), IEC (International Electrotechnical Commission), Profibus (German National Standard) e FIP (French National Standard), para formar o comitê IEC/ISA SP50 Fieldbus. Pretendia-se, então, integrar os diferentes tipos de instrumentos de controle, proporcionando uma interface para a operação de diversos dispositivos simultaneamente e um conjunto de protocolos de comunicação para todos eles. Porém, devido à diversidade de produtos e métodos de implementação, o processo de padronização se tornou lento, não permitindo uma solução direta e simples para ser padronizada. Essa luta pela padronização das transmissões digitais ainda está presente até os dias atuais e pode ser resumida na tabela a seguir.