Introdução ao Controle de Processos

   O Controle de Processos refere-se à metodologia utilizada a fim de controlar uma certa variável ou condição de processo, e mantê-la num certo valor. O Controle de Processos tem como objetivo aumentar a eficiência e a segurança, além de reduzir a variabilidade. Basicamente, o conceito é medir a variável que se quer regular; comparar seu atual valor com o valor desejado (normalmente especificações de produto, limites de segurança da referida planta, regulamentações ambientais ou ainda valores padrão para o processo específico); utilizar a diferença entre os dois valores para gerar uma estratégia de correção e, por fim, aplicar esta estratégia de modo a eliminar a diferença entre o valor medido e o valor desejado.

Fonte: FIEB.

    Antes de nos atermos ao Controle em si, devemos esclarecer alguns conceitos:

   Processo – Método ou sequência de métodos que envolva a mudança (de estado, composição, dimensão ou outras propriedades) ou refinamento de matérias primas para a obtenção de um produto final. O Processo pode ser Contínuo ou Batelada.

• Processo Contínuo: O Processo Contínuo consiste no consumo de matérias-primas em uma base continua, a fim de fornecer um determinado produto final. Neste caso, "contínuo" segue a ideia de um período de tempo relativamente longo, no qual as interrupções são mínimas e raras. Um exemplo é o Trocador de Calor. Um fluido de processo é resfriado a partir do contato com a água de resfriamento, dentro do trocador. Dessa forma, a temperatura deste fluido é controlada pela quantidade de água fria, e a manutenção das variáveis é feita de forma a não parar o processo, que é contínuo.

  

  Trocador de calor.

• Processo Batelada: O Processo do tipo batelada tem como característica fornecer seus produtos finais em quantidades pré-determinadas, que são chamadas de bateladas. Nesse processo, a matéria-prima é disponibilizada à unidade produtora que, por sua vez, realiza a produção em um intervalo de tempo. A unidade também tem como característica a operação por uma sequência de etapas de processo, que pode ser alterado de acordo com a matéria-prima e o produto final desejado. 

   Variável de Processo (PV) – É a variável que se deseja controlar ou realizar a manutenção. Para manter a qualidade, segurança ou eficiência de um processo, é extremamente importante que a PV mantenha um determinado valor em relação a outras variáveis deste processo. A Variável de Processo pode ser pressão, vazão, nível, densidade, etc.  

   Variável Manipulada (MV) – É a variável que é alterada ou ajustada a fim de manter a Variável de Processo no valor desejado. 

   Setpoint (SP) – É o valor no qual a variável de processo precisa ser mantida. Um exemplo é uma malha fictícia na qual o nível de um tanque precisa ser mantido em 60%. Este valor é o setpoint da temperatura (que, neste caso, é a variável de processo). Assim, é preciso que o controlador aplique estratégias corretivas caso o nível esteja diferindo deste valor. 

   Offset (erro) – É o valor que representa a diferença entre a variável de processo (PV) e o setpoint (SP), podendo ser positivo ou negativo. Ainda representando o exemplo da malha de nível; sendo o setpoint 60%, e a variável de processo estando em 75%, o valor de erro (ou offset) é de 15%. Matematicamente falando, o erro é calculado da seguinte forma: 

E = SP - PV

É possível também representar o erro em porcentagem relacionado ao setpoint, sendo essa forma representada matematicamente pela equação: 

E = SP - PV
       SP

   Perturbações – Alterações, que podem ser de carga ou setpoint, que causam mudanças de quaisquer tipo em um processo. Se há variação no valor de alguma variável secundária que possa causar distúrbios na variável de processo, diz-se que houve uma perturbação de carga. Por outro lado, quando se altera o valor desejado da PV enquanto ocorre alguma ação de controle, então, diz-se que houve uma perturbação de setpoint.

   Malha de Controle – Existindo uma variável de processo e um setpoint (valor desejado para esta variável), ajusta-se a variável manipulada, considerando o valor de offset. Configura-se, assim, uma malha de controle, que objetivam reduzir ou anular o efeito das perturbações na PV. 

Malha de Controle

   Uma malha de controle pode ser aberta ou fechada, dependendo do tipo de processo, seu objetivo e suas condições.
   Malha aberta – Existindo um controle com malha aberta, a ação de controle independe da saída, visto que não existe elemento de realimentação na saída para medi-la e comparar com algum setpoint qualquer. Um exemplo de um controle em malha aberta é a máquina de lavar, na qual programa-se um determinado número de funções (nível de água, enxágue, centrifugação) mas não existe uma verificação de que a roupa foi corretamente lavada.
   Malha fechada – Tipo de controle mais utilizado, o controle feedback, ou malha fechada, funciona de forma a medir a variável de processo em sua saída, comparar este valor a um setpoint e assim obter um offset. Esse valor, o offset, é enviado a um controlador, que aplica uma estratégia de controle a fim de efetuar a correção do valor da variável de processo. Em um trocador de calor, por exemplo, no qual a temperatura da água na saída é a variável de processo, mede-se o valor desta PV, compara-se a um setpoint (valor desejado para a temperatura), e o controlador aplica uma ação de controle, que altera a saída objetivando corrigir o valor da temperatura. Veremos mais sobre este tipo de malha, mais a frente.
   Controle automático – Chamamos de controle automático os processos em que a intervenção humana não se faz necessária em uma estratégia de controle.
    Controle manual – Quando são envolvidas ações humanas de ajuste ou ação de controle em um determinado processo, diz-se que há um controle manual.

Observação: Normalmente, a variável de processo é influenciada pelo valor de algumas outras variáveis, sendo a principal, a variável manipulada. Todas as outras variáveis que alteram o valor da variável de processo, não sendo a variável manipulada, são consideradas perturbações. 

Componentes de malhas típicas de Controle

• Elementos primários de medição – Em uma malha típica de controle, existe um elemento em contato direto com a variável de processo, de modo a medir suas alterações. Isso ocorre porque os elementos primários de medição causam mudanças em suas propriedades referentes às mudanças nas condições da PV. Por serem os primeiros elementos nas malhas de controle, são os primários. Exemplos: placas de orifício, termorresistências, tubo Pitot, etc.

Termorresistência com cabeçote. Fonte: Wika.

• Transdutores e conversores – Define-se como transdutor quaisquer dispositivo que converta sinal mecânico em sinal elétrico. Um conversor, porém, é um dispositivo que converta algum sinal em outro tipo. 

Conversor analógico/digital. Fonte: Aliatron.

• Transmissor – Um dispositivo que converte o sinal de leitura de um elemento primário de medição em um sinal padrão (4-20 mA, por exemplo), para transmiti-lo a um controlador. 

Transmissor de pressão. Fonte: Yokogawa.

• Controlador – São os equipamentos responsáveis pelo controle de um processo, ou parte dele, por meio de algoritmos específicos ou estratégias de controle. O controlador recebe dados de um medidor, compara-os a um setpoint e toma ações corretivas. Abordaremos os tipos de
  controladores mais adiante.

Controlador multiloop. Fonte: Smar. 

• Elementos finais de controle – A parte da malha de controle que atua sobre a variável manipulada para altera-la fisicamente, a fim de controlar a variável de processo. Os elementos finais de controle podem ser válvulas, bombas, etc. 

Válvula de controle. Fonte: Ebah.

   Com estes elementos, tem-se a representação integral de uma malha típica de controle. Desta forma, está pronta a estrutura para aplicação de estratégias de controle. No próximo post, falaremos dos conceitos básicos da instrumentação para o estudo de ações de controle.

Veja aqui A Terminologia Básica para Instrumentação Industrial.

Até a próxima!