Controle de processos de processos tecnológicos

Os processos tecnológicos consistem no manuseio, trabalho, refino, combinação e manipulação de materiais e fluidos para produzir lucrativamente produtos finais. Esses processos podem ser precisos, exigentes e potencialmente perigosos. Pequenas alterações em um processo podem ter um grande impacto no resultado final. Variações em proporções, temperatura, fluxo, turbulência e muitos outros parâmetros devem ser cuidadosa e consistentemente controladas para produzir consistentemente o produto final da qualidade desejada com um mínimo de matérias-primas e energia.

Geralmente, qualquer coisa que precise de monitoramento contínuo de uma operação envolve o papel do controle do processo. Controle de processo refere-se aos métodos usados ​​para controlar as variáveis ​​do processo tecnológico. É a ferramenta que permite que os processos executem a operação do processo dentro dos limites especificados e estabeleçam limites mais precisos para maximizar a eficiência do processo, garantir a qualidade e a segurança.

Todo processo tecnológico precisa de uma grande quantidade de planejamento para realizar com êxito as tarefas estabelecidas. No entanto, para realizar essas tarefas, os operadores do processo devem entender completamente o processo e as funções dos sistemas de controle. Os sistemas de controle consistem em equipamentos (dispositivos de medição e dispositivos de controle etc.), bem como na intervenção do operador. Os sistemas de controle são usados ​​para satisfazer três necessidades básicas do processo, a saber: (i) reduzir a influência de distúrbios externos, (ii) promover a estabilidade do processo e (ii) aprimorar o desempenho do processo.

A instrumentação fornece as várias indicações usadas para operar um processo tecnológico. Em alguns casos, o operador registra essas indicações para uso na operação do processo. As informações registradas ajudam o operador a avaliar a condição atual do processo e executar ações se as condições não forem as esperadas. Exigir que o operador tome todas as ações corretivas necessárias é impraticável ou, às vezes, impossível, especialmente se um grande número de indicações deve ser monitorado. Por esse motivo, a maioria dos processos tecnológicos é controlada automaticamente quando estão operando em condições normais. Os controles automáticos reduzem bastante a carga do operador e tornam o trabalho gerenciável. Os processos tecnológicos são controlados por três razões, a saber: (i) reduzir a variabilidade, (ii) aumentar a eficiência e (iii) garantir a segurança.

O controle do processo pode reduzir a variabilidade no produto final, o que garante um produto consistentemente de alta qualidade. Com a redução da variabilidade do processo, o processo se torna mais estável, confiável, produtivo e econômico. Alguns dos parâmetros do processo devem ser mantidos em níveis específicos para maximizar a eficiência do processo. O controle preciso desses parâmetros garante a eficiência do processo. Além disso, um processo de fuga, como uma reação química fora de controle, pode resultar se, durante a operação do processo, o controle preciso de todas as variáveis ​​do processo não for mantido. As consequências de um processo de fuga podem ser catastróficas. Portanto, também é necessário o controle preciso do processo para garantir a segurança dos equipamentos e dos trabalhadores.

O papel do controle de processos mudou ao longo dos anos e está sendo continuamente moldado pela tecnologia. O papel tradicional do controle de processos era contribuir para a segurança, minimizar o impacto ambiental e otimizar processos, mantendo a variável do processo próxima aos valores desejados. No passado, o monitoramento dos parâmetros do processo era feito no local do processo e os parâmetros eram mantidos localmente pelo operador. À medida que os processos se tornam maiores em escala e / ou mais complexos, o papel da automação de processos se torna cada vez mais importante. Hoje, a automação assumiu as funções de controle de processo, o que significa que os operadores são auxiliados pelo sistema de controle distribuído computadorizado (DCS), que se comunica com os instrumentos em campo.

O controle de processo é uma mistura entre a estatística e a disciplina de engenharia que lida com o mecanismo, as arquiteturas e os algoritmos para controlar um processo. Para ter um controle efetivo do processo, além do entendimento da tecnologia do processo, também é necessário entender os principais conceitos e a terminologia geral do controle do processo.

A razão para o controle de um processo é fazer com que ele se comporte da maneira desejada. Isso pode envolver o processo se tornar mais preciso, mais confiável ou mais econômico. Em alguns casos, o processo não controlado é instável e é necessário um bom controle para não danificá-lo. Portanto, um bom controle pode significar coisas diferentes em diferentes aplicações.

No controle de processo, o objetivo básico é regular o valor de algum parâmetro. Regular significa manter a quantidade do parâmetro em algum valor desejado, independentemente das influências externas. O valor desejado é chamado de valor de referência ou ponto de ajuste . Um operador pode alterar o ponto de ajuste. O processo é auto-regulado se, alterando um ponto de ajuste de entrada, a saída muda para corresponder ao ponto de ajuste de entrada. .Um sistema de autorregulação não fornece a regulação de uma variável para nenhum valor de referência específico. O parâmetro adota algum valor para o qual os valores de entrada e saída são os mesmos e lá permanece. Mas se a taxa de fluxo de entrada for alterada, a saída também será alterada, portanto não será regulada para um valor de referência.

O controle auxiliado pelo operador permite a regulação artificial do operador. Para regular o parâmetro, de modo a manter o valor necessário, é necessário um sensor para medir o parâmetro. O parâmetro é chamado de variável controlada . Ao operar o equipamento de controle adequado, o parâmetro de saída pode ser alterado para o ponto de ajuste pelo operador. O parâmetro de saída é chamado de variável manipulada ou variável de controle.

Um sistema de controle automático substitui o sistema de controle e utiliza máquinas, eletrônicos ou computadores que substituem as operações pelo operador. É adicionado um instrumento chamado sensor, capaz de medir o valor do parâmetro e convertê-lo em um sinal proporcional. Esse sinal é fornecido como entrada para uma máquina, circuito eletrônico ou computador chamado controlador . O controlador desempenha a função do operador na avaliação da medição e no fornecimento de um sinal de saída , para alterar a configuração do equipamento de controle através de um atuador conectado ao equipamento por um enlace mecânico. Quando o controle automático é aplicado a sistemas projetados para regular o valor de alguma variável em um ponto de ajuste, isso é chamado de controle automático de processo . A Fig1 mostra o processo de controle conceitual mostrando as variáveis ​​de saída de entrada em um diagrama de blocos.

Fig 1 Processo de controle conceitual mostrando variáveis ​​de saída de entrada em um diagrama de blocos

Os processos tecnológicos são de natureza dinâmica, pois raramente operam em estado estacionário. A operação dos processos tecnológicos consiste em garantir que a resposta adequada seja dada às perturbações sempre ocorrentes, para que a operação seja segura, eficiente e produza o produto desejado de qualidade especificada na taxa exigida. Como os métodos de produção variam de processo para processo, os princípios do controle automático são de natureza genérica e podem ser aplicados universalmente, independentemente do tamanho e tipo do processo. Os objetivos de um sistema de controle de processo são executar uma ou ambas as tarefas a seguir.

Manter o processo nas condições operacionais e nos pontos de ajuste - Muitos processos são necessários para trabalhar em condições de estado estacionário ou em um estado em que atenda a todos os requisitos, como custo, rendimento, segurança e outros objetivos de qualidade. Em muitas situações da vida real, um processo nem sempre pode permanecer estático e há distúrbios que estão ocorrendo no processo, tornando o processo instável. Em um processo que não é estável, as variáveis ​​do processo oscilam de seus limites físicos por um período de tempo limitado. As variáveis ​​de processo não controladas podem ser controladas simplesmente adicionando instrumentos e equipamentos de controle que podem controlar as variáveis ​​de processo dentro de seus limites de controle, automaticamente ou através das intervenções do operador.

Transição do processo de uma condição operacional para outra - Em situações da vida real, às vezes é necessário alterar as condições operacionais do processo por vários motivos diferentes. Os motivos para a transição do processo de um conjunto de condições operacionais para outro conjunto de condições operacionais podem ser devidos a economia, especificações do produto, restrições operacionais, regulamentos ambientais, alterações nas especificações do produto etc.

O desenvolvimento de uma estratégia de controle para um processo tecnológico consiste em formular ou identificar (i) objetivo (s) de controle, (ii) variáveis ​​de entrada que são variáveis ​​manipuladas ou variáveis ​​de perturbação e que podem mudar continuamente, ou em intervalos discretos de tempo, (iii) variáveis ​​de saída que podem ser variáveis ​​medidas ou variáveis ​​não medidas e que podem ser medidas continuamente ou em intervalos discretos de tempo; (iv) restrições que podem ser rígidas ou flexíveis; (v) características operacionais que podem ser descontínuas; contínua ou semi-contínua, (vi) considerações de segurança, ambientais e econômicas e (vii) estrutura de controle onde os controladores podem ser realimentados ou avançar na natureza. A formulação do sistema de controle de processo para um processo tecnológico constitui sete etapas.

O primeiro estágio do desenvolvimento do sistema de controle é formular o (s) objetivo (s) de controle. O processo tecnológico normalmente consiste em vários subprocessos. Os controles do processo tecnológico são reduzidos quando os controles de cada subprocesso são considerados separadamente. Mesmo assim, cada subprocesso pode ter vários objetivos, às vezes conflitantes, de modo que o desenvolvimento dos objetivos de controle é normalmente uma questão difícil.

O segundo estágio constitui a determinação das variáveis ​​de entrada. As variáveis ​​de entrada mostram o efeito do ambiente no processo. Normalmente se refere aos fatores que influenciam o processo. As variáveis ​​de entrada podem ser classificadas como variáveis ​​manipuladas ou de perturbação. Uma entrada manipulada é aquela que pode ser ajustada pelo sistema de controle (ou operador do processo). Uma entrada de perturbação é uma variável que afeta as saídas do processo, mas que não pode ser ajustada pelo sistema de controle. Existem entradas de perturbação mensuráveis ​​e incomensuráveis. As entradas podem mudar continuamente ou em intervalos discretos de tempo.

O terceiro estágio constitui a determinação das variáveis ​​de saída. As variáveis ​​de saída também são conhecidas como variáveis ​​de controle. Essas são as variáveis ​​que são saídas do processo que afetam o ambiente. As variáveis ​​de saída podem ser classificadas como variáveis ​​medidas ou não medidas. As medições podem ser feitas continuamente ou em intervalos discretos de tempo.

O quarto estágio constitui a determinação das restrições operacionais. Todo processo possui certas restrições operacionais , classificadas como rígidas ou flexíveis. O exemplo de uma restrição rígida é uma vazão mínima ou máxima para a qual uma válvula deve operar entre os extremos de condição totalmente fechada ou totalmente aberta. O exemplo de uma restrição leve é ​​a composição do produto e é desejável especificar a composição entre certos limites, mas é possível violar essa especificação sem apresentar riscos à segurança ou ao meio ambiente.

O quinto estágio constitui a determinação das características operacionais. As características operacionais são normalmente classificadas como lote, contínuo ou semi-contínuo. Os processos contínuos operam por longos períodos de tempo sob condições operacionais relativamente constantes antes de serem "desligados" para a execução de determinados trabalhos, como limpeza e manutenção preventiva periódica, etc. Os processos em lote são de natureza dinâmica, ou seja, normalmente operam por um curto período de tempo. período de tempo e as condições operacionais podem variar bastante durante esse período. Exemplo de processo em lote é a produção de calor em um forno siderúrgico. Para um reator em lote, é feita uma carga inicial ao reator e as condições do processo são variadas para produzir o produto desejado no final do processo em lote. Um processo semi-contínuo típico pode ter uma carga inicial no reator, mas os componentes de alimentação podem ser adicionados ao reator durante o decorrer da execução do lote. Processo de fundição contínua é o exemplo de um processo semi-contínuo. Uma consideração importante é a escala de tempo dominante do processo. Para processos contínuos, isso geralmente está relacionado ao tempo de permanência do material no reator.

O sexto estágio constitui considerações importantes sobre questões de segurança, ambientais e econômicas. Em certo sentido, a economia é a força motriz final, pois um processo inseguro ou ambientalmente perigoso custa mais para operar devido a multas regulatórias e ineficiências. Além disso, é importante minimizar os custos de energia enquanto produz produtos que atendem às especificações. Uma melhor automação e controle de processos permite que os processos operem mais perto das condições 'ideais' e produzam produtos onde as especificações de variabilidade são atendidas.

O conceito de 'fail-safe' é sempre importante na seleção de instrumentação. Como exemplo, uma válvula de controle precisa de uma fonte de energia para mover a haste da válvula e alterar o fluxo. Na maioria das vezes, é um sinal pneumático (normalmente de 3 a 15 PSI). Se o sinal for perdido, a haste da válvula vai para o limite de 3 PSI. Se a válvula for 'ar para abrir', a perda de ar do instrumento fará com que a válvula se feche e isso é conhecido como válvula com falha ao fechar. Se, por outro lado, uma válvula tiver ar para fechar, quando o ar do instrumento for perdido, a válvula entrará em seu estado totalmente aberto e isso é conhecido como válvula 'falha-aberta'.

Existem dois tipos de controle padrão que são (i) controle de avanço e (ii) controle de retorno. Um controlador de avanço mede a variável de perturbação e envia esse valor para um controlador, que ajusta a variável manipulada. O objetivo do controle de feedback é manter a variável controlada próxima ao seu ponto de ajuste. Um sistema de controle de feedback mede a variável de saída, compara o valor ao valor de saída desejado e usa essas informações para ajustar a variável manipulada. Por seu design, o controlador de feedback executa ações corretivas para reduzir o desvio. Um controlador de feedback apenas pode agir depois que a variável controlada se desvia do ponto de ajuste desejado e gera um erro diferente de zero. No entanto, a resposta à perturbação pode ser muito lenta, se o processo ou a medição mudar muito lentamente. Em tal situação, um controlador de feed-forward pode melhorar o desempenho. O controlador de alimentação antecipada prevê o efeito que a perturbação exerce sobre a variável controlada e executa ações de controle que neutralizam a influência das perturbações.

A determinação da estrutura de controle de feedback para um processo consiste em decidir qual variável manipulada deve ser ajustada para controlar qual variável medida. O valor desejado da saída do processo medido é chamado de ponto de ajuste. Há duas razões para a variável controlada se desviar de seu ponto de ajuste. O ponto de ajuste é alterado deliberadamente para obter melhor desempenho ou a perturbação afasta a operação do ponto de ajuste desejado. Um controlador projetado para rejeitar a perturbação é chamado de reguladores, enquanto o controlador projetado para rastrear alterações no ponto de ajuste é chamado servomecanismo. Geralmente, para os processos contínuos, as alterações no ponto de ajuste ocorrem com pouca frequência, normalmente apenas se o controlador supervisório computar um ponto operacional mais favorável e, portanto, um regulador é a forma mais comum de controlador de feedback utilizado.

Um conceito particularmente importante usado no design do sistema de controle é o 'ganho do processo'. O 'ganho do processo' é a sensibilidade de uma saída do processo a uma alteração na entrada do processo. Se um aumento na entrada de um processo leva a um aumento na saída do processo, isso é conhecido como ganho positivo. Se, por outro lado, um aumento na entrada do processo leva a uma diminuição na saída do processo, isso é conhecido como ganho negativo. A magnitude do 'ganho de processo' também é importante.

Uma vez determinada a estrutura de controle, é importante decidir sobre o algoritmo de controle. O algoritmo de controle usa valores de variáveis ​​de saída medidos (junto com os valores de saída desejados) para alterar a variável de entrada manipulada. Um algoritmo de controle possui vários parâmetros de controle, que devem ser ajustados para ter um desempenho aceitável. Freqüentemente, o ajuste é feito em um modelo de simulação antes de implementar a estratégia de controle no processo real. No caso do controle baseado em modelo, os controladores têm um modelo do processo 'incorporado'.

O diagrama de blocos de um processo tecnológico com uma única variável manipulada e uma única variável controlada (Fig 2) inclui feed-forward, feedback e controle de supervisão. O principal objetivo do controlador de feedback é manter a variável controlada X, medida por algum instrumento, o mais próximo possível do ponto de ajuste desejado Xsp. A variável controlada pode ser qualquer parâmetro do processo tecnológico. O ponto de ajuste é normalmente determinado por um sistema de controle supervisório usando a técnica de otimização numérica em tempo real. Existem vários tipos diferentes de elementos de controle final. A variável de perturbação D, também chamada de variável de carga, pode fazer com que a variável controlada se desvie de seu ponto de ajuste, exigindo ação de controle para trazê-la de volta ao seu ponto de operação desejado. O controle de feedback e de avanço pode reduzir o efeito de perturbação, onde cada método tem suas próprias vantagens e desvantagens. A perturbação pode resultar de uma variedade de fontes, incluindo variáveis ​​ambientais externas. Em qualquer caso, uma variável de perturbação não pode ser influenciada pelo controlador do processo. O erro ou desvio E entre a variável controlada X e seu ponto de ajuste Xsp é a entrada para o controlador de feedback, que altera a variável manipulada M para diminuir o erro. Em um processo tecnológico típico, pode haver um grande número desses circuitos de controle. uma variável de perturbação não pode ser influenciada pelo controlador do processo. O erro ou desvio E entre a variável controlada X e seu ponto de ajuste Xsp é a entrada para o controlador de feedback, que altera a variável manipulada M para diminuir o erro. Em um processo tecnológico típico, pode haver um grande número desses circuitos de controle. uma variável de perturbação não pode ser influenciada pelo controlador do processo. O erro ou desvio E entre a variável controlada X e seu ponto de ajuste Xsp é a entrada para o controlador de feedback, que altera a variável manipulada M para diminuir o erro. Em um processo tecnológico típico, pode haver um grande número desses circuitos de controle.

Fig 2 Diagrama de blocos para controle de um processo tecnológico

Controlar hardware e software

O controle do processo, conforme praticado nas indústrias de processo, sofreu mudanças significativas desde que foi introduzido pela primeira vez na década de 1940. No início dos anos 1960, o hardware de controle analógico elétrico substituiu grande parte do hardware de controle analógico pneumático. No entanto, em muitos processos, certos elementos de controle, ou seja, atuadores de válvulas de controle, permaneceram pneumáticos até hoje. Os controladores analógicos elétricos da década de 1960 eram controladores de loop único, nos quais cada entrada foi trazida primeiro do ponto de medição no processo para a sala de controle onde a maioria dos controladores estava localizada. A saída do controlador foi enviada da sala de controle para o elemento de controle final. A interface do operador consistia em um painel de controle com uma combinação de painéis frontais e gravadores de gráficos para controladores e indicadores de loop único. As estratégias de controle envolviam principalmente controle de feedback, geralmente com um controlador proporcional-integral (PI). Durante o final da década de 1950 e o início da década de 1960, foram introduzidos computadores de controle de processo para executar o controle digital direto (DDC) e o controle de processo de supervisão. No caso do uso de DDC, os loops de DDC geralmente tinham quase 100% de backup de controle analógico, tornando o sistema caro.

Outros sistemas antigos usavam principalmente computadores de controle de processo para controle de processo de supervisão. O controle regulamentar foi fornecido pelos controladores analógicos, que não exigiam backup, mas a atenção do operador foi dividida entre o painel de controle e as telas dos computadores. Os displays do terminal forneciam a interface do operador quando o controle de supervisão estava sendo usado, mas os painéis de controle ainda estavam localizados na sala de controle nos momentos em que o backup analógico era necessário. Nesse ambiente, houve o uso mais amplo de técnicas avançadas de controle, como controle de feed-forward, controle de desacoplamento multi-variável e controle em cascata. As funcionalidades desses sistemas de controle iniciais foram projetadas com base nos recursos dos computadores e não nas características do processo. Essas limitações, juntamente com o treinamento inadequado do operador e uma interface hostil do usuário, levaram a projetos difíceis de operar, manter e expandir. Além disso, muitos sistemas diferentes tinham especificações personalizadas, tornando-as extremamente caras. A infusão de aplicativos de sistemas digitais nas indústrias de processos ocorreu por volta de 1970, quando microprocessadores baratos se tornaram comercialmente disponíveis.

Sistema de controle distribuído (DCS)- Um DCS consiste em muitos elementos, como mostra a Figura 3. Os computadores host realizam tarefas computacionalmente intensivas, como otimização e estratégias avançadas de controle. As estradas de dados, que consistem em um link de transmissão digital, conectam todos os componentes do sistema. Estradas de dados redundantes reduzem a possível perda de dados. As estações de controle do operador fornecem consoles de vídeo para comunicação do operador com o sistema, a fim de supervisionar e controlar processos. Muitas estações de controle contêm impressoras para registro de alarmes, impressão de relatórios ou cópia impressa de gráficos do processo. As unidades de controle remoto implementam funções básicas de controle, como algoritmos PID, e às vezes fornecem capacidade de aquisição de dados. Os consoles de programadores desenvolvem programas aplicativos para o sistema de controle distribuído. Os dispositivos de armazenamento em massa armazenam os dados do processo para fins de controle e para decisões corporativas. Os dispositivos de armazenamento podem ser em forma de discos rígidos ou bancos de dados. As comunicações e interações entre controladores, entradas e saídas são realizadas por software, não por cabeamento. Os DCSs, portanto, revolucionaram muitos aspectos do controle de processos, desde o surgimento da sala de controle até o uso generalizado de estratégias avançadas de controle.

Fig 3 Estrutura típica do sistema DCS

Controlador lógico programável (PLC)- Inicialmente, os controladores de CLPs eram dispositivos dedicados, independentes e baseados em microprocessadores, executando lógica binária direta para sequenciamento e intertravamentos. PLCs melhoraram significativamente a facilidade com que modificações e alterações podem ser implementadas nessa lógica. Os CLPs tornaram-se cada vez mais poderosos em termos de recursos de cálculo. O controle do processo em lote é dominado por controles do tipo lógico, e os PLCs são uma alternativa preferida ao DCS. Devido à disponibilidade de interfaces integradas relativamente suaves entre DCSs e PLCs, a prática atual geralmente é usar uma combinação integrada de um DCS e PLCs. Muitos CLPs também lidam com lógica seqüencial e estão equipados com capacidade de temporização interna para atrasar uma ação por um período de tempo prescrito, executar uma ação por um tempo prescrito e assim por diante.

Sistema de segurança e desligamento- O controle do processo desempenha um papel importante nas considerações de segurança do processo. Quando procedimentos automatizados substituem procedimentos manuais para operações de rotina, a probabilidade de erros humanos levando a situações perigosas diminui. Além disso, a conscientização do operador sobre a condição atual da planta é aprimorada. Um sistema de proteção deve ser fornecido para os processos perigosos. Uma maneira é fornecer lógica com o objetivo específico de levar o processo para um estado em que essa condição não possa existir, chamada sistema de intertravamento de segurança. Como o sistema de controle de processo e o sistema de intertravamento de segurança servem a propósitos diferentes, eles devem ser separados fisicamente. Reduz o risco de alterar involuntariamente o sistema de segurança. Sistemas especiais de alta confiabilidade foram desenvolvidos para paradas de segurança, por exemplo, sistemas redundantes modulares triplos. Isso permite que o sistema tenha uma falha interna e ainda execute sua função básica. Basicamente, um sistema redundante triplo modular consiste em três subsistemas idênticos, executando ativamente funções idênticas simultaneamente.

Alarmes - O objetivo de um alarme é alertar o operador do processo sobre uma condição do processo que requer atenção imediata. Um alarme é ativado sempre que a condição anormal é detectada e o alerta é emitido. O alarme volta ao normal quando a condição anormal não existe mais. Os alarmes podem ser definidos em variáveis ​​medidas, variáveis ​​calculadas e saídas do controlador. Existe uma variedade de classes diferentes de alarmes.

Transmissores inteligentes, válvulas e barramento de campo - Há uma tendência claramente definida na tecnologia de controle de processo em direção ao aumento do uso da tecnologia digital. A comunicação digital ocorre através de um barramento de campo, ou seja, um cabo coaxial ou de fibra óptica, ao qual os dispositivos inteligentes são diretamente conectados e transmitidos para e da sala de controle ou da sala de equipamentos remotos como um sinal digital. A abordagem de barramento de campo reduz a necessidade de pares trançados e a fiação associada (Fig 4).

Fig 4 DCS com terminais de sala remota e barramento de campo

Vários protocolos de rede de campo fornecem a capacidade de transferir informações e instruções digitais entre dispositivos de campo, instrumentos e sistemas de controle. O software de barramento de campo medeia o fluxo de informações entre os componentes. Vários dispositivos digitais podem ser conectados e se comunicar através da linha de comunicação digital, o que reduz consideravelmente a fiação.

Software de controle de processo - A abordagem amigável mais amplamente adotada é a linguagem de controle de processo (PCL), preenchimento de formulários ou tabela. PCLs populares incluem diagramas de blocos de funções, lógica ladder e lógica programável. O núcleo dessas linguagens é um número de blocos funcionais básicos ou módulos de software, como entrada analógica, entrada digital, saída analógica, saída digital e PID etc. Em geral, cada módulo contém uma ou mais entradas e uma saída. A programação envolve comutação de saídas de blocos para entradas de outros blocos através da interface gráfica do usuário. É necessário que os usuários preencham modelos para indicar as fontes dos valores de entrada, os destinos dos valores de saída e os parâmetros para formulários / tabelas preparados para os módulos. Os espaços em branco de origem e destino podem especificar canais de E / S de processo (entrada / saída) e nomes de tags, quando apropriado. Para conectar módulos, alguns sistemas exigem o preenchimento dos nomes de tags dos módulos que originam ou recebem dados. Os campos especificados pelo usuário incluem funções especiais, seletores (mínimo ou máximo), comparadores (menores ou iguais a) e cronômetros (atrasos na ativação). A maioria dos DCSs permite a criação de blocos funcionais.

Hierarquia de controle de instalações- Os cinco níveis do processo tecnológico em que várias atividades de otimização, controle, monitoramento e aquisição de dados são empregados são mostrados na Figura 5. A posição relativa de cada bloco na figura deve ser conceitual, porque pode haver sobreposição no funções executadas. As escalas de tempo relativas em que cada nível está ativo também são mostradas. Cada um dos cinco níveis de controle conceitual possui seus próprios requisitos e necessidades em termos de hardware, software, técnicas e customização. Como as informações fluem na hierarquia e as decisões de controle fluem, o controle efetivo em um nível específico ocorre apenas se todos os níveis abaixo do nível de preocupação estiverem funcionando bem. O nível mais alto (planejamento e programação) define as metas de produção para atender às restrições de suprimentos e logística e aborda as decisões de utilização variável de capacidade e mão-de-obra. Isso é chamado de planejamento de recursos empresariais (ERP).

Fig 5 Cinco níveis de controle e otimização de processos

Geralmente, os vários níveis de aplicações de controle são direcionados a um ou mais dos seguintes objetivos, a saber: (i) determinar e manter o processo em um ponto operacional prático ideal; (ii) manter uma operação segura para a proteção de pessoal e equipamento; (iii) ) minimizar a necessidade de atenção e intervenção do operador; e (iv) minimizar o número, extensão e propagação de perturbações e perturbações.

Instrumentação- Consiste nos componentes de um cocô de controle. A instrumentação, que fornece a interface direta entre o processo e a hierarquia de controle, serve como fonte fundamental de informações sobre o estado do processo e o meio final pelo qual as ações corretivas são transmitidas ao processo. A função do dispositivo de medição de processo é detectar o valor, ou alterações no valor, das variáveis ​​do processo. O dispositivo sensor real pode gerar um movimento físico, sinal de pressão e sinal de mili-volt etc. Um transdutor transforma o sinal de medição de uma quantidade física ou química em outra, por exemplo, pressão em mil-ampères. O sinal transduzido é então transmitido para a sala de controle através da linha de transmissão. O transmissor é, portanto, um gerador de sinal e um driver de linha.

As variáveis ​​de processo mais comumente medidas são temperaturas, fluxos, pressões, níveis e composição. Quando apropriado, outras propriedades físicas também são medidas. A seleção da instrumentação adequada para uma aplicação específica depende de fatores como o tipo e a natureza do fluido ou sólido envolvido, condições relevantes do processo, variabilidade, precisão e repetibilidade necessárias, tempo de resposta, custo instalado, manutenção e confiabilidade.

Transmissão e condicionamento de sinais - Uma grande variedade de fenômenos é usada para medir as variáveis ​​de processo necessárias para caracterizar o estado de um processo. Como a maioria dos processos é operada a partir de uma sala de controle, esses valores devem estar disponíveis lá. Portanto, as medições geralmente são transduzidas para um formato eletrônico, na maioria das vezes 4-20 mA, e depois transmitidas para uma unidade terminal remota e depois para a sala de controle. É especialmente importante que os cuidados adequados sejam tomados para que esses sinais de medição não sejam corrompidos devido a correntes de terra, interferência de outros equipamentos e distribuição elétricos e outras fontes de ruído.

Elementos finais de controle - Um bom controle em qualquer nível hierárquico precisa de um bom desempenho pelos elementos finais de controle no próximo nível inferior. Nos níveis de controle mais altos, o elemento de controle final pode ser uma aplicação de controle no próximo nível de controle mais baixo. No entanto, o comando de controle afeta o processo através dos elementos de controle finais no nível de controle regulatório, por exemplo, válvulas de controle, bombas, amortecedores, persianas e alimentadores etc.

Dinâmica de processos e modelos matemáticos - É necessária uma compreensão completa do comportamento dependente do tempo dos processos tecnológicos para instrumentar e controlar o processo. Por sua vez, isso requer uma apreciação de como as ferramentas matemáticas podem ser empregadas na análise e no design de sistemas de controle de processos. Existem vários princípios matemáticos que são utilizados para o controle automático. Estes são (i) modelos físicos e empíricos, (ii) simulação de modelos dinâmicos, (iii) transformações de Laplace, funções de transferência e diagramas de blocos e (iv) ajuste de modelos dinâmicos a dados experimentais etc.

Sistemas de controle de retorno de alimentação - As medições da variável controlada estão disponíveis em muitos problemas de controle de processo. Especificamente, este é o caso em que temperaturas, pressão ou fluxos devem ser controlados. Nessas situações, a variável controlada pode ser medida diretamente e a variável manipulada é ajustada através de um elemento de controle final. Um controlador de feedback executa uma ação quando a variável controlada se desvia do seu ponto de ajuste, conforme detectado pelo valor diferente de zero do sinal de erro. Os vários tipos de controles de feedback são (i) controle liga / desliga, (ii) controle proporcional, (iii) controle proporcional mais integral (PI), (iv) controle proporcional mais integral mais derivado (PID) e (v) ) PID digital.

O controlador mais simples pode mostrar apenas duas configurações e é chamado de controlador liga / desliga. A saída deste controlador está no seu valor máximo ou mínimo, dependendo do sinal do erro. Embora esse tipo de controlador seja simples, raramente é usado. O controlador proporcional oferece mais flexibilidade do que o controlador liga / desliga, porque a variável manipulada está relacionada não apenas ao sinal do erro, mas também à sua magnitude. O comportamento de entrada e saída de um controlador proporcional real tem limites superior e inferior, isto é, a saída satura quando os limites de controle são atingidos. Os limites padrão na saída do controlador são 3-15 PSI para controladores pneumáticos, 4-20mA para controladores elétricos e 0-10 VDC para controladores digitais.

A ação de integração precisa ser incluída no loop de controle, se for necessária uma resposta sem deslocamento na presença de distúrbios de carga constantes ou para alterações no ponto de ajuste. Se o processo não mostrar o comportamento de integração, é possível implementar um controlador proporcional mais integral para obter o desempenho desejado. Existem duas e desvantagens associadas à ação integral em um controlador. Uma desvantagem de um controlador PI é que a ação integral pode fazer com que ele reaja mais lentamente do que um controlador proporcional. Se for importante obter uma resposta mais rápida, que deve ser compensada, isso pode ser conseguido incluindo a ação derivada e integral no controlador. Para antecipar o comportamento futuro do sinal de erro, um controlador PID calcula a taxa de alteração do erro, assim, a tendência direcional do sinal de erro influencia a saída do controlador. Embora muitos controladores tenham sido tradicionalmente controladores analógicos PI / PID, a tendência para os sistemas de controle digital também teve influência na implementação do controlador. Em muitas plantas de processo modernas, os controladores analógicos PI / PID foram substituídos pelas contrapartes digitais.

Dinâmica de malha aberta e de malha fechada - A dinâmica de malha aberta refere-se ao comportamento de um processo se nenhum controlador estiver atuando nele. Da mesma forma, se o controlador for desligado definindo a constante proporcional como zero, o sistema de controle exibirá o comportamento em malha aberta e a dinâmica do sistema será determinada exclusivamente pelo processo. Portanto, não é possível atingir um novo ponto de ajuste para um processo em loop aberto, a menos que a entrada seja alterada manualmente. Também não é possível rejeitar distúrbios quando o processo é operado sem um controlador.

O objetivo do uso do controle de malha fechada é alcançar o desempenho desejado para o sistema. Isso pode resultar na estabilização do sistema, em uma resposta mais rápida do sistema às mudanças no ponto de ajuste ou na capacidade de rejeitar distúrbios. A escolha do tipo de controlador, bem como os valores dos parâmetros de ajuste do controlador, influenciam o comportamento do circuito fechado. Para um processo controlado, é necessário encontrar as configurações do controlador que resultem em uma resposta rápida do sistema com pouco ou nenhum deslocamento. Ao mesmo tempo, o sistema deve ser robusto às mudanças nas características do processo. Encontrar as configurações apropriadas é chamado de 'ajuste' do controlador.

Ajuste e estabilidade do controlador - Encontrar os parâmetros ideais de ajuste para um controlador é uma tarefa importante. Parâmetros inadequados podem resultar em não alcançar o desempenho desejado de malha fechada (por exemplo, oscilações em decomposição lenta ou um processo de ação lenta). Também é possível que um processo de loop fechado com um controlador mal ajustado possa resultar em desempenho pior do que no caso de loop aberto ou que o processo possa até se tornar instável.

Software matemático para controle de processo - Está disponível uma variedade de pacotes de software diferentes que suportam o design do controlador, teste do controlador e processo de implementação.

Advanced control techniques

Embora o controlador de feedback PI / PID de loop único seja satisfatório para muitas aplicações de processo, há casos em que técnicas de controle avançadas podem resultar em uma melhoria significativa no desempenho do loop fechado. Esses processos geralmente mostram um ou mais desses fenômenos, como (i) dinâmica lenta, (ii) atrasos no tempo, (iii) distúrbios frequentes, (iv) interação multivariável. Um grande número de estratégias avançadas de controle está sendo usado. Alguns importantes são brevemente discutidos abaixo.

Controle de avanço- Uma das desvantagens do controle de feedback convencional com grandes atrasos ou atrasos é que os distúrbios não são reconhecidos até que a variável controlada se desvie de seu ponto de ajuste. No entanto, se for possível medir diretamente a perturbação da carga, o controle de alimentação pode ser aplicado para minimizar o efeito que essa perturbação da carga exerce sobre a variável controlada. Além de poder medir a perturbação da carga, também é necessário determinar uma correlação matemática para o efeito que a perturbação da carga exerce sobre a variável controlada, a fim de aplicar um controlador de avanço. A razão para isso é que o controlador de feed-forward inverte esse modelo para cancelar o efeito da perturbação.

Controle em cascata - Outra possibilidade de controlar processos com distúrbios múltiplos ou de ação lenta é implementar o controle em cascata. A principal idéia por trás do controle em cascata é que mais de um controlador é usado para rejeitar distúrbios. Em vez disso, um controlador secundário é adicionado para executar uma ação antes que a perturbação de ação lenta tenha efeito sobre a variável controlada primária. Para conseguir isso, o controlador secundário também requer um ponto de medição secundário que precisa ser localizado para que reconheça a condição de perturbação antes que a variável controlada primária seja afetada. As estratégias de controle em cascata estão entre as estratégias de controle de processo mais populares.

Controle seletivo e de substituição - Alguns processos têm mais variáveis ​​controladas do que variáveis ​​manipuladas. Tal situação não permite um emparelhamento exato de variáveis ​​controladas e manipuladas. Uma solução comum é usar um dispositivo chamado seletor que escolhe a variável de processo apropriada dentre várias medições válidas. O objetivo do seletor é melhorar o desempenho do sistema de controle e proteger o equipamento contra condições inseguras de operação, escolhendo variáveis ​​controladas apropriadas para uma condição específica de operação do processo. Os seletores podem ser baseados em vários pontos de medição, múltiplos elementos de controle final ou múltiplos controladores.

Controle adaptativo e autoajuste - As condições operacionais de um processo podem mudar frequentemente durante as operações da planta. Isso faz com que o processo se comporte de maneira diferente do modelo que foi usado para o design do controlador. Portanto, o controlador não possui um conhecimento preciso do processo no ponto de operação atual e, portanto, não pode fornecer rejeição de perturbação adequada nem rastreamento de ponto de ajuste. Uma possibilidade para contornar isso é usar um sistema de controle adaptativo que ajusta automaticamente os parâmetros do controlador para compensar as alterações nas condições do processo. O autoajuste é um método relacionado, em que o sistema de malha fechada é testado periodicamente e as características do teste determinam automaticamente as novas configurações do controlador.

Controle lógico difuso- Para muitos processos, é muito demorado determinar modelos de processo precisos. No entanto, ao mesmo tempo, pode ser intuitivo obter uma estimativa aproximada de como a variável manipulada deve reagir a uma condição do processo. Nesse caso, os controladores lógicos difusos podem oferecer uma vantagem sobre os controladores PID convencionais. A razão para isso é que os controladores nebulosos não precisam de uma descrição matemática exata de um processo. Em vez disso, eles classificam as entradas e saídas do controlador como pertencentes a um dos vários grupos (ou seja, baixo, normal e alto). Regras difusas são então usadas para calcular a categoria de saída das entradas fornecidas. Essas regras devem ser fornecidas pelo engenheiro de controle ou identificadas a partir das operações da planta através do autoajuste. Também é possível combinar controladores lógicos fuzzy com redes neurais para formar controladores neuro-fuzzy. Esse tipo de controlador pode oferecer vantagens significativas sobre o PID convencional quando aplicado a sistemas não lineares cujas características mudam com o tempo.

Controle estatístico de processo (CEP) - O CEP, também chamado de controle estatístico de qualidade (CEP), encontrou aplicação generalizada nos últimos anos devido ao crescente foco no aumento da produtividade. Outro motivo para seu uso crescente é que o controle de feedback não pode ser aplicado a muitos processos devido à falta de medições on-line. No entanto, é importante saber se esses processos estão funcionando satisfatoriamente. Embora o SPC seja incapaz de tomar uma ação corretiva enquanto o processo está se afastando da meta desejada, ele pode servir como um indicador de que a qualidade do produto pode não ser satisfatória e que ações corretivas devem ser tomadas para operações adicionais da planta.

Para um processo que está funcionando satisfatoriamente, a variação da qualidade do produto cai dentro de limites aceitáveis. Esses limites normalmente correspondem aos valores mínimo e máximo de uma propriedade especificada. Dados operacionais normais podem ser usados ​​para calcular o desvio médio e o desvio padrão s de uma dada variável de processo a partir de uma série de observações. O desvio padrão é uma medida de como os valores da variável se espalham pela média. Um valor grande indica que grandes variações na variável. Assumindo que a variável de processo segue uma distribuição de probabilidade normal, 99,7% de todas as observações devem estar dentro de um limite superior e um limite inferior. Isso pode ser usado para determinar a qualidade do controle. Se todos os dados de um processo estiverem dentro dos limites, pode-se concluir que nada de anormal aconteceu durante o período registrado, o ambiente do processo é relativamente inalterado e a qualidade do produto está dentro das especificações. Por outro lado, se ocorrerem violações repetidas dos limites, pode-se concluir que o processo está fora de controle e que o ambiente do processo mudou. Uma vez que isso tenha sido determinado, o operador do processo pode tomar medidas para ajustar as condições operacionais para combater as alterações indesejadas que ocorreram nas condições do processo.

Controle multivariável - Muitos processos tecnológicos contêm várias variáveis ​​manipuladas e controladas. Esses processos são chamados de sistemas de controle multivariáveis. É possível analisar as interações entre os loops de controle com técnicas como a matriz de ganho relativo. Se ocorrer apenas pequenas interações entre os loops, é possível emparelhar as entradas e saídas de uma maneira favorável e usar controladores de loop único que podem ser ajustados independentemente um do outro. No entanto, se existirem interações fortes, os controladores precisam ser desafinados para reduzir as oscilações.

Controle preditivo de modelo (MPC) - MPC é uma técnica de controle baseada em modelo. É a técnica mais popular para lidar com problemas de controle de variáveis ​​múltiplas com várias entradas e saídas (MIMO) e também pode acomodar restrições de desigualdade nas entradas ou saídas, como limites superior e inferior. Todos esses problemas são resolvidos pelo MPC, resolvendo um problema de otimização e, portanto, nenhuma estratégia complicada de controle de substituição é necessária. Uma variedade de tipos diferentes de modelos pode ser usada para a previsão. A escolha de um tipo de modelo apropriado depende da aplicação a ser controlada. O modelo pode ser baseado nos primeiros princípios ou pode ser um modelo empírico. Além disso, o modelo fornecido pode ser linear ou não linear, desde que o software de controle preditivo do modelo suporte esse tipo de modelo.

Otimização em tempo real- Os objetivos operacionais das instalações do processo são definidos pela economia, pedidos de produtos, disponibilidade de matérias-primas e utilidades, etc. Em momentos diferentes, pode ser vantajoso ou necessário operar um processo de maneiras diferentes para atender a um objetivo operacional específico. Um processo tecnológico, no entanto, é um ambiente dinâmico e integrado, em que condições externas e internas podem fazer com que o ponto operacional ideal para cada objetivo operacional varie de tempos em tempos. Esses pontos operacionais podem ser calculados pela otimização do processo em tempo real (RTO), onde a otimização pode ser realizada em vários níveis, desde a otimização nos controladores preditivos do modelo até os controladores supervisores que determinam os alvos para a operação ideal do processo, até a otimização ciclos de produção.

Controle de lote e sequência

Nos processos em lote, o produto é produzido em lotes discretos, executando sequencialmente várias etapas de processamento em uma ordem definida nas matérias-primas e produtos intermediários. Grandes execuções de produção são obtidas repetindo o processo. O termo receita possui uma variedade de definições no processamento em lote, mas, em geral, uma receita é um procedimento com o conjunto de dados, operações e etapas de controle para fabricar um determinado tipo de produto. Uma fórmula é a lista de parâmetros da receita, que inclui as matérias-primas, os parâmetros de processamento e as saídas do produto. Um procedimento de receita possui operações para condições normais e anormais. Cada operação contém solicitações de recursos para determinados ingredientes (e suas quantidades). As operações na receita podem ajustar os pontos de ajuste e ligar e desligar o equipamento. A execução completa da produção para uma receita específica é chamada de campanha (vários lotes). Uma execução de produção consiste em um número especificado de lotes, usando as mesmas matérias-primas e produzindo o mesmo produto para satisfazer a demanda do cliente. Os lotes acumulados são chamados de muito.

No processamento em lote de várias classes, as instruções permanecem as mesmas de lote para lote, mas a fórmula pode ser alterada para gerar variações modestas no produto. No processamento em lote flexível, a fórmula (parâmetros da receita) e as instruções de processamento podem mudar de lote para lote. A receita de cada produto deve especificar as matérias-primas necessárias e como as condições dentro do reator devem ser sequenciadas para produzir o produto desejado.

Hierarquia de controle de processo em lote - As atividades de controle funcional para controle de processo em lote podem ser resumidas em quatro categorias, a saber (i) seqüenciamento em lote e controle lógico, (ii) controle durante o lote, (iii) controle de execução em execução e (iv) gerenciamento de produção em lote.

No sequenciamento em lote e no controle lógico, o sequenciamento das etapas de controle segue a receita envolvida. Por exemplo: mistura de ingredientes, aquecimento, espera pela conclusão da reação, resfriamento ou descarga do produto resultante. A transferência de materiais de e para os reatores em lote inclui a medição dos materiais à medida que são carregados (conforme especificado por cada receita), bem como a transferência de materiais na conclusão da operação do processo. Além da lógica discreta para as etapas de controle, é necessária lógica para intertravamentos de segurança para proteger pessoal, equipamento e ambiente de condições inseguras. Os intertravamentos do processo garantem que as operações do processo possam ocorrer apenas na sequência de tempo correta por um período de tempo prescrito.

O controle de execução a execução (também chamado de lote a lote) é uma função de supervisão baseada em medições de qualidade de produto off-line no final de uma execução. As condições e perfis operacionais do lote são ajustados entre as execuções para melhorar a qualidade do produto usando ferramentas como otimização. O gerenciamento da produção em lote envolve aconselhar o operador da planta sobre o status do processo e como interagir com as receitas e os controles sequenciais, regulatórios e discretos. As informações completas (receitas) são mantidas para a fabricação de cada produto, incluindo os nomes e quantidades de ingredientes, pontos de ajuste de variáveis ​​de processo, taxas de rampa, tempos de processamento e procedimentos de amostragem. Outras informações do banco de dados incluem lotes produzidos em turno, diariamente ou semanalmente, além de balanços de materiais e energia.

Gráficos de funções sequenciais- Comparado a um processo contínuo, o controle do processo em lote requer uma porcentagem maior de lógica discreta e controle seqüencial do que os loops de controle regulatório. Os aplicativos de controle em lote devem controlar o tempo e o seqüenciamento das etapas do processo com base em entradas e saídas discretas, bem como saídas analógicas. A complexidade da lógica interativa dentro e entre os vários níveis de controle, as interações necessárias com os operadores e a necessidade de modificação e manutenção contínuas de aplicativos são razões pelas quais a organização, o design funcional e a documentação clara são tão importantes para o uso bem-sucedido dos aplicativos de controle em lote . Para descrever o que deve ser feito, os modelos estruturais são normalmente usados ​​para representar as ações necessárias de processamento em lote, o equipamento em lote e a combinação de componentes. Vários formatos foram propostos para descrever as aplicações de controle de lote, por exemplo, como as etapas de processamento do lote são realizadas com o equipamento e a instrumentação do lote, interfaces entre os vários níveis de controle, interfaces entre o controle do lote e as ações e respostas do operador, e interações e coordenação com os intertravamentos de segurança. Os formatos propostos incluem fluxogramas, gráficos de estados, tabelas de decisão, pseudo-código estruturado, diagramas de transição de estados, redes de petri e gráficos de funções sequenciais. Um gráfico de função sequencial (SFC) descreve graficamente o comportamento seqüencial de um programa de controle. interfaces entre o controle de lote e as ações e respostas do operador, e interações e coordenação com os intertravamentos de segurança. Os formatos propostos incluem fluxogramas, gráficos de estados, tabelas de decisão, pseudo-código estruturado, diagramas de transição de estados, redes de petri e gráficos de funções sequenciais. Um gráfico de função sequencial (SFC) descreve graficamente o comportamento seqüencial de um programa de controle. interfaces entre o controle de lote e as ações e respostas do operador, e interações e coordenação com os intertravamentos de segurança. Os formatos propostos incluem fluxogramas, gráficos de estados, tabelas de decisão, pseudo-código estruturado, diagramas de transição de estados, redes de petri e gráficos de funções sequenciais. Um gráfico de função sequencial (SFC) descreve graficamente o comportamento seqüencial de um programa de controle.

 Fonte: ispatguru