Controle e Automação Industrial 131 páginas, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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Apresentação

O Objetivo deste trabalho foi reunir material sobre os principais componentes empregados hoje na automação industrial para um curso de técnicos em automação ou técnicos em mecatrônica. Visando um curso prático, mas com um certo grau de aprofundamento, utilizou-se de muitas ilustrações de catalogos de fabricantes consagrados como Allen-Bradley, Siemens , Weg, que são lideres de mercado em seus segmentos e que fatalmente o aluno encontra em sua vida profissional na empresa. O material é suficiente para a compreensão dos fenômenos que dão vida aos sensores e transdutores usados no processo, os principais atuadores usados no mercado de trabalho como servomotores e motores de passo. Este material pressupõe que o leitor domina conhecimentos que devem Ter sido adquiridos em outras disciplinas. A parte de eletroválvulas e cilindros não foi muito explorada por ser tema de outro curso, cabendo neste trabalho apenas a menção destes dispositivos. A parte de acionamento apenas descorre levemente o assunto, dada a complexidade do mesmo e a existência de um curso específico para isso. Idem a parte de CLP e CNC. De modo geral, espero que este trabalho possa contribuir de alguma forma para o enriquecimento do aluno no que tange ao conhecimento e aplicação dos principais dispositivos utilizados na automação, além é claro de dar uma idéia do estado da arte em que se encontra tal segmento. Contamos com a colaboração dos mestres e alunos no sentido de apontarem eventuais erros neste material para que em versões futuras possamos corrigi-las e dessa forma concorrer para o melhoramento desta pequena contribuição.

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1. Sistemas de Controle:

Histórico

A necessidade de controlar um processo já é bastante antiga. Nasceu desde o momento em que o homem passou a manufaturar bens para suas necessidades. Da manufatura saiu o conceito de se sistematizar os procedimentos envolvidos na manufatura de um bem. Surge assim o conceito de processo de manufatura. Estes procedimentos são ordenadas e podem ser agrupadas em etapas ou fases. A principal característica do processo de manufatura é que o homem era o responsável pelo controle e pela execução de todos os procedimentos envolvidos no processo. O problema era que a produtividade era baixa e a qualidade fortemente dependente do ser humano. Com o surgimento da máquina à vapor, começa a surgir a idéia de se usar máquinas para executar etapas do sistema produtivo. Entretanto as primeiras máquinas a vapor não tinham elementos de controle automático. Eram ainda dependentes do homem para o controle de suas ações, mas já representavam um avanço em termos de força e velocidade em relação ao ser humano. Com invenção do regulador mecânico para a pressão do vapor, feito por James Watt, a máquina passou a ter um uso industrial importante, pois agora a pressão do vapor era regulada automaticamente por um dispositivo, podendo a máquina assim efetuar um trabalho ou uma etapa de um processo. Surge o processo industrial em substituição ao processo de manufatura, onde máquinas realizam parte do processo de produção. Entretanto, ainda não existia o controle automático no processo, dado que toda ação da máquina dependia da supervisão e atuação do homem. A idéia era fazer com que a máquina ganhasse cada vez mais autonomia no processo de fabricação, tal qual o ocorreu com o controle do vapor. Ou seja, buscava-se o controle de automático de processo. Mas o controle de processo usando meramente elementos mecânicos era algo difícil de se conseguir e o controle automático de processo praticamente não avançou muito até o século XX. Com o século XX, vieram a eletricidade e os controles elétricos e eletrônicos, mais versáteis e dinâmicos que os controles mecânicos e assim a automação de processos adquiriu a dimensão que este até os dias de hoje.

Teoria de Erros:

O erro é caracterizado como algo indesejável no sistema, entre em sistemas de controle o estudo dos erros leva a formas mais eficientes e exatas de se efetuar um controle. O erro pode ser definido como um desvio entre um valor real e um valor efetivamente encontrado. Pode Ter várias origens, mas podem ser classificados de duas formas: Erros determinísticos ou sistemáticos: É aquele erro que decorre de um desvio fixo entre a grandeza lida e a esperada por motivo de uma folga ou desajuste. É um tipo de erro que é sempre repetitivo, desde que as condições sejam idênticas. Pode estar relacionada à uma grandeza física, como por exemplo, um erro de um extensômetro em virtude de temperatura. Pode ser eliminado por meio de compensação. Erros aleatórios: É aquele que ocorre devido a fatores imponderáveis e que não podem ser modelados. A dimensão de erro aleatório só pode ser estabelecida por meio de análise estatística. Na natureza costumam ocorrer os dois tipos de erros simultaneamente. Diante da natureza desta classificação dos erros, criou-se dois conceitos básicos para a caracterização dos desvios. A exatidão e a precisão. A exatidão dá uma idéia do desvio médio de uma medida em relação ao valor real. A baixa exatidão é causada por erros determinísticos. A precisão é uma medida da variabilidade de uma medida em torno de um valor médio. É causada pelo erro aleatório.

2. Sistemas de Controle Industrial:

Existem várias formas de se implementar sistemas de controle automático, entretanto, a mais utilizada é usando sistemas eletroeletrônicos devido principalmente a versatilidade e dinamismo necessários à um controle de processo. Além disso, sistemas elétricos são mais fáceis de se implementar que sistema s dinâmicos. Dado que um sistema de controle é predominantemente elétrico e os processo envolvem transformações mecânicas, químicas e físicas, devemos converter o sinal de um controlador eletrônico no sinal adequado ao processo, tanto do ponto de vista da natureza, quanto do ponto de vista de magnitude. Este elemento é o atuador. É ele quem atua diretamente sobre o processo, sempre em resposta à saída do controlador. Para que o controlador gere o sinal de controle para o atuador gerar o sinal de controle do atuador ele precisa de uma referência , ou seja, um sinal na sua entrada que diga ao controlador o que ele deve fazer com o processo. Este é o sinal de referência, ou sinal de entrada. A figura abaixo ilustra o relacionamento entre o controlador, o atuador e o processo.

Sinal de Entrada

Em um sistema de controle precisamos saber como anda o processo e obter informações a respeito de parâmetros do mesmo. Ou seja, precisamos de um dispositivo capaz de converter uma grandeza física do processo em uma grandeza elétrica para que possamos medir o andamento do processo. Este elemento é o transdutor e ele se relaciona com o processo conforme a figura abaixo:

3. Sistemas de Controle em Malha Aberta e Malha Fechada:

Com relação a forma de implementação os sistemas de controle, podem ser classificados de duas formas : em malha aberta e em malha fechada. Malha aberta: Quando o controlador gera o sinal para o atuador, com base no sinal piloto, sem obter nenhuma informação do sobre o andamento do processo. Ou seja, é um sistema sem realimentação, sendo que o sinal de entrada é o próprio set-point. Malha fechada: Quando o controlador gera o sinal para o atuador, com base no sinal piloto, porém agora ele recebe informação sobre o andamento do processo, através de um transdutor. O sinal entrada, no caso, corresponde a diferença entre o set-point e o sinal do transdutor, por isso, também é chamado de sinal de erro. A figura abaixo ilustra as duas formas de controle: Set-Point

Malha aberta (Sem realimentação)

OBS: Observe que no caso da malha aberta o transdutor e o indicador são itens opcionais não sendo importantes para o controle.

Controlador (^) Atuador Processo

Processo (^) Transdutor Indicador

Controlador Atuador Processo

Indicador (^) Transdutor

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5. Tipos de Controladores Industriais:

Há principalmente 5 tipos básicos de controladores usados largamente na industria. São eles: Controle ON-OFF; Controle Proporcional ou P; Controle Proporcional e Integral ou PI; Controle Proporcional e Derivativo ou PD; Controle Proporcional, Integral e Derivativo ou PID.

Controle ON-OFF ou LIGA-DESLIGA ou de histerese:

É a forma de controlador mais simples que existe e consiste em um circuito comparador que compara o sinal de entrada com dois sinais de referência, chamados de limite inferior e superior. Quando o sinal de entrada fica menor que o limite inferior, a saída do controlador é ativada e o atuador é acionado com sua potência máxima. Quando o sinal de entrada fica maior que o limite superior, a saída é desligada e o atuador desligado. A diferença entre o limite superior e o inferior é chamada de histerese. Normalmente, a histerese é ajustável de forma tal que o set-point fique entre o limite inferior e o superior. Desta forma o sistema controla fica oscilando de um valor máximo à um mínimo e não atinge nenhum valor específico. Não é um controlador do tipo que você específica por exemplo, 100ºC e ele estabiliza nisso. É um controlador do tipo nível de água onde se tem um nível máximo e um nível mínimo. Quando o nível está no mínimo aciona o atuador, que no caso seria a bomba d’água, e esta e vai enchendo a caixa d’água. Quando o nível máximo é atingido, a saída será desligada e o atuador, no caso a bomba, é desligado. Aí consumo de água faz o nível baixar e atinge o nível inferior novamente e o ciclo se repete. A grande vantagem deste sistema é o fato de que é um sistema muito barato e que como o atuador somente liga e desliga nos momentos em que os limites são atingidos, o controlador e o atuador sofrem pouco desgaste. A grande desvantagem é que a grandeza controlada(temperatura, pressão, etc..) não estabiliza em nenhum ponto e sim oscila entre o ponto desejado, indo do limite inferior ao superior. Abaixo vemos um controle simples de temperatura. O set-point foi de 100ºC, o limite superior é 120ºC e o inferior de 80ºC. A histerese é de 40ºC. Observe como a temperatura oscila em torno do valor desejado que é de 100ºC, indo de 120ºC à 80ºC o tempo todo.

Temperatura Limite Superior

Set-Point

Limite Inferior

Tempo

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Controle Proporcional ou P:

O controle proporcional já é mais sofisticado que o controlador ON-OFF, dado que a resposta do controle é proporcional ao sinal na sua entrada. Se o sinal na sua entrada é pequeno, a reposta será um valor pequeno também. Se a entrada for grande a saída será grande também. Em suma, um controlador proporcional é na verdade um amplificador. Ele é representado como abaixo:

Entrada Saída

No caso a saída é um sinal K vezes maior que a entrada. Entretanto o sinal de saída não pode crescer indefinidamente, porque há limite tanto inferior quanto superior. Quando estes limites são atingidos dizemos que o sistema saturou. Portanto, há uma região onde o sinal responde proporcionalmente ao sinal de entrada, e outra região onde o sistema satura e não ainda o sinal de entrada aumentar que o sistema não vai além daquele limite. Na figura abaixo, percebemos que acima do limite superior, o atuador está com 100% de sua capacidade e abaixo do limite inferior o atuador está com 0% de sua capacidade, ou seja, totalmente desligado. A região entre o limite inferior e superior o atuador está com uma saída proporcional a entrada, e esta região é chamada de banda proporcional do sistema.

Limite Sup. 100% Banda Proporcional

Limite Inf. 0%

A banda proporcional de um sistema é dada de forma percentual e está relacionada com o ganho K do controlador. Na verdade ele é determinado pela fórmula abaixo:

Banda proporcional = 100% / K ; onde K é o ganho do controlador.

Muitos controladores possuem o ajuste da banda proporcional disponível. A técnica mais recomendada é deixar a banda proporcional no máximo possível e verificar a resposta do sistema. Se não for satisfatória, deve-se ir reduzindo o valor do ajuste até que o desempenho fique adequado. O grande problema do controlador Proporcional ou P é que ele permite erros em regime. Isto porque em sistemas realimentados, a entrada do controlador P é o sinal de erro. Como o sinal de erro vai ficando pequeno a medida que se aproxima do valor de set-point, a saída do controlador que é proporcional a entrada vai ficando pequena também. Sempre haverá um ponto em que o erro, por menor que seja será tão pequeno que não produzirá uma saída capaz de ativar o atuador. Assim o sistema para mesmo sem Ter atingido plenamente o set-point, permanecendo um erro sempre constante. Claro que aumentando o ganho K do controlador o erro será reduzido, mas sempre haverá um erro, porque há limites para aumentar o valor do ganho K, que se ultrapassados, levam o sistema a instabilidade.

K

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Na simulação abaixo, voltamos a verificar o caso da estufa que fora ajustada para uma temperatura de 100ºC. Com o controlador somente proporcional, havia um erro de 4ºC, ou seja a temperatura ficava a 96ºC. Com o integrador há o zeramento do erro e a temperatura atinge exatamente os 100ºC.

Controle Proporcional + Derivativo ou PD:

Da mesma forma que o controle PI era uma combinação do controle Proporcional e o controle Integral, controle PD é uma combinação do controle Proporcional e o controle Derivativo. O derivativo é um bloco cuja saída é proporcional a variação do erro. Ou seja, se o erro estivar variando muito rápido ele atua fortemente visando a minimizar ou eliminar esta variação. Portanto é um bloco adequado para sistemas que precisem de um ataque rápido as variações de erro. Entretanto, se houver um erro de grande valor, mas variando lentamente, o sinal na saída do derivativo será baixo. Por isso, o derivativo nunca é usado sozinho, pois ele só atua nos momentos em que o erro varia rapidamente. Além disso, o derivativo é sensível a ruídos que podem enganá-lo fazendo-o acreditar que há uma transição brusca. Por isso o ganho do derivativo nunca é muito alto. Na verdade, evita-se ao máximo o uso de derivativos. Quando o sistema não pode responder bem à variações bruscas de sinal, então apela-se para o derivativo. Ademais o bloco derivativo não tem nenhuma influência sobre o erro em regime. De modo geral, ele deixa o sistema mais rápido e reduz a máxima sobrelevação. Como o Integrador, que tinha um ganho KI o Derivativo também tem um ganho chamado KD

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Na simulação abaixo, voltamos ao caso da estufa ajustada para 100ºC, só que retiramos o Integrador e adicionamos um Derivativo. Perceba que como o derivativo não atua sobre o erro em regime, o erro de 4ºC voltou e portanto, o sistema agora converge à 96ºC como antes. Em compensação, na região de 0 até 0.5 segundo, quando o erro varia muito rápido, o sistema atua muito mais rapidamente, pois em 0.5 segundo a temperatura já é de 79ºC, e no caso do controlador P ou PI era de apenas 70ºC. Mas é só até este que o derivativo vai bem, pois de 0.5 segundos em diante, o erro já passa a variar lentamente e a resposta do derivativo já não é mais adequada. Nesta parte, onde a variação do erro é lenta, o Integrador responde melhor, além é claro do integrador atuar sobre o erro em regime.

Controle Proporcional + Integral + Derivativo ou PID:

Pelos exemplos acima, fica bastante claro que uma combinação dos três elementos, explorando as propriedades de cada um, parece ser a opção mais adequada. Este é o chamado Controlador PID. Na verdade, com um controlador PID, podemos obter os outros (P , PI ou PD), zerando-se aquele que não interessa. Exemplo: se queremos um controlador PI, basta zerar o ganho do Derivativo, se queremos um controlador P, basta zerar o ganho do Derivativo e do Integrador, e assim por diante.

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Aumentando-se agora o ganho do derivativo KD, reduzimos o overshoot de 125ºC para 112ºC, mas o sistema ficou mais oscilatório. A combinação ideal depende de ajustes adequados dos ganhos, que influenciam fortemente na resposta do sistema. Não dá para simplesmente “chutar”.

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Nas simulações abaixo, vemos a simulação para vários valore de ganho K. Vejam como a resposta a saída muda significativamente. A ordem é de K crescente , mas com valores pequenos.

Agora para K de valores mais elevados, veja como o sistema vai ficando mais oscilatório. Valores de K altos levam o sistema a oscilar e tendem a torná-lo instável. Por isso, há limites para aumentar o ganho.

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Como o erro oscila em torno de zero, isto implica que a saída oscila em torno do set-point. Ou seja, se ajustarmos um controlador de temperatura para 100ºC, com histerese de 10ºC, o limite inferior será de 90ºC e o superior de 110ºC. Ou seja, o atuador ligará com 90ºC e desligará com 110ºC.

Controlador PID:

O controlador PID e as variantes (P, PI e PD) são implementáveis por meio de amplificadores operacionais também. No caso são necessários três blocos: um para o proporcional, um para o derivativo e um para o integrador. No final precisamos de um quarto bloco somador para somar as saídas de cada bloco. O circuito abaixo, ilustra o bloco Proporcional, perceba que ele não passa de uma amplificador. O ganho é determinado pelos resistores e principalmente pelo potenciômetro.

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O bloco abaixo é um Integrador. O ganho é ajustado por um Potenciômetro R5.

E finalmente abaixo, temos o bloco Derivativo. O ganho também é ajustado pelo Potenciômetro:

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Abaixo um esquemático completo de um controlador de temperatura:

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Os valores dos componentes acima são apenas ilustrativos. Existem técnicas de controle mais sofisticadas que o PID, são chamadas de controle moderno baseado em espaço de estados. Há também o controle adaptativo, controle robusto, redes neurais artificiais e outras técnicas, mas são mais caras e aplicadas apenas em casos especiais, pelo menos por enquanto.

8. Sistemas de Controle Digital

A exemplo do ocorre com o controle analógico, podemos implementar um controlador digital e efetuar o mesmo processo de controle que o sistema analógico. Estes controladores são implementados por meio de microprocessadores e microcontroladores que rodam um software que implementa as funções de um bloco PID. A grande vantagem é a facilidade de se modificar o projeto do controlador, uma vez que o controlador é um software. Entretanto, o sinais do mundo físico são analógicos então o controle digital não pode ser aplicado diretamente. É necessário converter os sinais analógicos dos transdutores em digitais, processá-los e então converter de novo os sinais digitais em analógicos. Ou seja, o controle digital exige blocos adicionais aos do sistema de controle.

Sistema analógico

Sistema Digital

Os blocos responsáveis pela conversão do sinal analógico em digital são chamados de bloco A/D e trabalham pelo princípio de amostragem e quantização. E o circuito responsável pela conversão do sinal de Digital para Analógico é chamado de conversor D/A. Na figura acima pode-se identificar estes dois blocos. A chave representa a amostragem. O controlador propriamente dito é o bloco D(Z), que no caso é digital.