Controladores Single-loop e Multi-loop Filipe M. S. de Campos Rafael Ivan Garcia

Objetivos Função do controlador na malha de controle; Evolução do controle digital; Controladores tipo single-loop e multi-loop; Exemplo de aplicação a processo.

Ciclo de controle de processo Sensor Controlador Atuador

Função do controlador Controle de processo Medir o valor da variável de processo; Determinar o sinal de correção; Aplicar a correção ao processo. Função do controlador

Ciclo de controle de processo Sensor Controlador Atuador Referência

Sistema de controle Processo + Malha de controle

Malha de controle Sensor Controlador Atuador

Controlador Objetivo: manter variáveis do processo em valores pré-determinados (setpoints); Implementa um algoritmo de controle.

Controlador Recebe medida do sensor; Compara com a referência; Calcula sinal de correção, com base em algoritmo pré-definido; Envia sinal de ajuste para o atuador.

Aplicações Controle de Temperatura; Controle de Pressão; Controle de Vazão; Controle de Nível.

Controlador PID Proporcional, Integral, Derivativo

P I D Controlador PID Reação baseada no erro atual Reação baseada na soma dos erros recentes Reação baseada na taxa de mudança do erro P I D

Controlador PID Kp Kd Ki

Evolução do controle digital Sistema de aquisição de dados; Controle supervisório; Controle digital direto; Controle digital distribuído.

Sistemas de aquisição de dados Coleta dos dados das variáveis analógicas do processo para posterior análise: Cálculo de desempenho, balanço de material e energia, médias, processamento estatístico ... Melhor controle e otimização O operador obtém informações sobre o processo, dialogando com o computador através de terminais de vídeo, analisando relatórios de balanços, cálculos, registros, alarmes e eventos que são fornecidos pelos periféricos de impressão. Baseando-se nestas informações, o operador ajusta os pontos de controle dos instrumentos convencionais de controle analógico aos quais cabe o efetivo controle das variáveis do processo.

Sistemas de aquisição de dados Aos operadores: Acompanhamento mais apurado do processo tornando as ações de controle mais eficientes. A Engenharia de processo e produção: disporão de um maior volume de informações, permitindo conhecer melhor o processo e facilitando assim a sua modelagem e, como consequencia, seu melhor controle e O operador obtém informações sobre o processo, dialogando com o computador através de terminais de vídeo, analisando relatórios de balanços, cálculos, registros, alarmes e eventos que são fornecidos pelos periféricos de impressão. Baseando-se nestas informações, o operador ajusta os pontos de controle dos instrumentos convencionais de controle analógico aos quais cabe o efetivo controle das variáveis do processo.

Controle supervisório Além das funções do sistema anterior: Atualiza o set-point dos controladores analógicos que controlam efetivamente o processo. Poucas vantagens  Restrito às limitações do controlador analógico Em caso de falha  Controle volta para o controlador analógico

Controle supervisório

Controle digital direto Vantagens do controle digital Auto-sintonia; Auto-teste; Autodiagnóstico; Reconfiguração radical; Compensação de tempo morto; Controle preditivo antecipatório; Grande capacidade computacional e de realizar algoritmos avançados de controle. Assim que se fica preparado para confiar no desempenho do computador, o controlador analógico pode ser removido e sua tarefa é transferida para o computador.

Controle digital direto Processo Sensor Computador Atuador Controlador Analógico Centenas de malhas controladas por um único computador Após período de adaptação/transição Além das funcionalidades anteriores Vantagens do mundo digital (citadas anteriormente) Controlador analógico eliminado (computador atua diretamente sobre os elementos finais de controle) Algoritmo de controle desenvolvido no próprio computador Centenas de malhas podem ser controladas com um único computador No controle digital direto, o controlador analógico é eliminado. As variáveis de processo entram diretamente no computador, vindas dos transmissores e sensores. O algoritmo de controle é desenvolvido no próprio computador, que envia o sinal diretamente para os atuadores. Nesta configuração, algumas centenas de malhas podem ser controladas por um único computador compartilhado entre elas.

Controle digital direto

Controle digital direto Problema: Sistema que já era caro, fica mais caro ainda. Só da pra pagar por um computador!! Muito caro! Aumento de complexidade E Sistema reserva custa muito mais que os controladores analógicos que ele substitui.

Controle digital distribuído ... Desenvolvimento da tecnologia ... Aumento da confiabilidade dos processadores Diminuição de custos Diminuição do tamanho Possibilita a distribuição geográfica e física Na evolução natural da aplicação do computador, o próximo passo foi a distribuição geográfica e física destas tarefas distintas, aparecendo o controle digital distribuído. Agora cada unidade do processo ou conjunto de malhas tem o seu próprio computador. As funções de display, controle e operação foram separadas em locais e em circuitos. Atualmente, com a redução tremenda dos custos de equipamento e programas, foi desenvolvido o controlador single loop. Ele tem este nome porque ele é dedicado a uma única malha (single loop), mas ainda mantendo todas as vantagens de um grande sistema digital, como auto-sintonia, autoteste, autodiagnóstico, grande capacidade de fazer computação matemática, lógica, intertravamento, seqüencial, realização de algoritmos avançados e complexos de controle. Hoje, um controlador single loop custa igual ou menos que um controlador analógico convencional, que tende a desaparecer do cenário. O controlador single loop é um equipamento moderno, confiável, poderoso, usado para controlar sistemas de processo continuo, com poucas malhas de controle. Controladores single loop podem ser interligados digitalmente, através de protocolos abertos ou proprietários.

Controle digital distribuído Cada unidade do processo ou conjunto de malhas tem o seu próprio computador. Integração dos sistemas Flexibilidade Não depende de apenas um equipamento estação central é apenas um dispositivo para facilitar e oferecer maiores recursos para a interface do operador com o processo. Então os sistemas de controle distribuídos são uma série de microcomputadores(controladores programáveis) dedicados e altamente modularizados interligados por uma rede de comunicação digital.

Controle digital distribuído Se der pau em um lugar, ferra tudo. Saiu-se da total responsabilidade de operação num único equipamento, para uma filosofia de distribuição das funções de controle, tornada possível com o advento dos microprocessadores de baixo custo, elevado potencial e alta confiabilidade.

Controle digital distribuído Agora cada unidade do processo ou conjunto de malhas tem o seu próprio computador. As funções de display, controle e operação foram separadas em locais e em circuitos.

Controle digital distribuído ... Desenvolvimento da tecnologia ... Grande redução de custos Surgem os controladores single-loop Mantém todas as vantagens de um sistema digital mas com um preço menor que um controlador analógico Semelhança ao controle analógico distribuído. Um sistema digital de controle distribuído combina as vantagens do conceito de controle distribuído dos sistemas analógicos mais as vantagens do conceito de operação centralizada dos sistemas de computadores. Atualmente, com a redução tremenda dos custos de equipamento e programas, foi desenvolvido o controlador single loop. Ele tem este nome porque ele é dedicado a uma única malha (single loop), mas ainda mantendo todas as vantagens de um grande sistema digital, como auto-sintonia, autoteste, autodiagnóstico, grande capacidade de fazer computação matemática, lógica, intertravamento, seqüencial, realização de algoritmos avançados e complexos de controle. Hoje, um controlador single loop custa igual ou menos que um controlador analógico convencional, que tende a desaparecer do cenário. O controlador single loop é um equipamento moderno, confiável, poderoso, usado para controlar sistemas de processo continuo, com poucas malhas de controle. Controladores single loop podem ser interligados digitalmente, através de protocolos abertos ou proprietários.

Controladores Single-loop Multi-loop

Controlador Single-loop Sistema digital dedicado; Controla uma única malha.

Diagrama de blocos – Single-loop

Controlador Multi-loop Sistema digital dedicado; Controla simultaneamente duas ou mais malhas.

Diagrama de blocos – Multi-loop

Exemplo – moldagem por sopro

Exemplo Processo: moldagem por sopro Variáveis controladas Temperatura do material fundido Vazão do jato de ar

Exemplo – Single-loop Controlador Single-loop Sensor Temperatura Vazão Atuador Vazão Atuador Temperatura

Exemplo – Multi-loop Sensor Temperatura Controlador Multi-loop Sensor Vazão Atuador Vazão Atuador Temperatura

Obrigado!

Referências Ribeiro, Marco Antônio. Controle de Processo – 8º edição. WATLOW. Complete Thermal System Solutions for Plastics Processing. Ogata, Katsuhiko. Engenharia de Controle Moderno. Prentice Hall. Centro Tecnologico de Eletrônica “César Rodrigues”, CENATEC, SENAI MG. Sistemas Digitais de Controle. http://en.wikipedia.org/wiki/Control_system http://pt.wikipedia.org/wiki/Controlador_de_processo http://en.wikipedia.org/wiki/PID_controller http://www.yokogawa.com http://www.isa.org