Controle do processo

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Um controle de processo industrial em processos de produção contínua é uma disciplina que utiliza sistemas de controle industrial para alcançar um nível de produção de consistência, economia e segurança que não poderia ser alcançado apenas pelo controle manual humano. É amplamente implementado em indústrias como automotiva , mineração, dragagem, refino de petróleo, fabricação de papel e celulose, processamento químico e usinas de geração de energia. [1]

Existe uma grande variedade de tamanho, tipo e complexidade, mas permite que um pequeno número de operadores gerencie processos complexos com um alto grau de consistência. O desenvolvimento de grandes sistemas de controle de processos industriais foi fundamental para permitir o projeto de processos complexos e de grande volume, que não poderiam ser operados de outra forma de forma econômica ou segura. [2]

As aplicações podem variar desde o controle de temperatura e nível de um único recipiente de processo até uma planta completa de processamento químico com vários milhares de loops de controle .

História

Os primeiros avanços no controle de processos vieram com mais frequência na forma de dispositivos de controle de água. Ktesibios de Alexandria é creditado por inventar válvulas de bóia para regular o nível de água dos relógios de água no século 3 aC. No século 1 dC, Heron de Alexandria inventou uma válvula de água semelhante à válvula de enchimento usada nos banheiros modernos. [3]

As invenções posteriores dos controles de processo envolveram princípios básicos da física. Em 1620, Cornlis Drebbel inventou um termostato bimetálico para controlar a temperatura em um forno. Em 1681, Denis Papin descobriu que a pressão dentro de um vaso poderia ser regulada colocando pesos em cima da tampa do vaso. [3] Em 1745, Edmund Lee criou o fantail para melhorar a eficiência do moinho de vento; um fantail era um moinho de vento menor colocado a 90° dos ventiladores maiores para manter a face do moinho de vento apontada diretamente para o vento que se aproximava.

Com o início da Revolução Industrial na década de 1760, as invenções dos controles de processo visavam substituir os operadores humanos por processos mecanizados. Em 1784, Oliver Evans criou um moinho de farinha movido a água que funcionava com baldes e transportadores helicoidais. Henry Ford aplicou a mesma teoria em 1910, quando a linha de montagem foi criada para diminuir a intervenção humana no processo de produção de automóveis. [3]

Para controle de processo continuamente variável, não foi até 1922 que uma lei de controle formal para o que hoje chamamos de controle PID ou controle de três termos foi desenvolvida pela primeira vez usando análise teórica, pelo engenheiro russo-americano Nicolas Minorsky . [4] Minorsky estava pesquisando e projetando direção automática de navios para a Marinha dos Estados Unidos e baseou sua análise em observações de um timoneiro . Ele observou que o timoneiro dirigia o navio com base não apenas no erro de curso atual, mas também no erro passado, bem como na taxa de mudança atual; [5] este foi então dado um tratamento matemático por Minorsky. [6] Seu objetivo era a estabilidade, não o controle geral, o que simplificou significativamente o problema. Embora o controle proporcional fornecesse estabilidade contra pequenas perturbações, era insuficiente para lidar com uma perturbação constante, notadamente um vendaval forte (devido ao erro de estado estacionário ), que exigia a adição do termo integral. Finalmente, o termo derivativo foi adicionado para melhorar a estabilidade e o controle.

Desenvolvimento de operações modernas de controle de processos

Uma moderna sala de controle onde as informações e os controles da planta são exibidos em telas de computação gráfica. Os operadores estão sentados, pois podem visualizar e controlar qualquer parte do processo a partir de suas telas, mantendo uma visão geral da planta.

O controle de processos de grandes plantas industriais evoluiu através de muitas etapas. Inicialmente, o controle seria a partir de painéis localizados na planta de processo. No entanto, isso exigia um grande recurso de mão de obra para atender a esses painéis dispersos, e não havia uma visão geral do processo. O próximo desenvolvimento lógico foi a transmissão de todas as medições da planta para uma sala de controle central permanentemente equipada. Efetivamente esta foi a centralização de todos os painéis localizados, com as vantagens de níveis de pessoal mais baixos e visão mais fácil do processo. Muitas vezes, os controladores ficavam atrás dos painéis da sala de controle e todas as saídas de controle automático e manual eram transmitidas de volta à planta. No entanto, embora fornecesse um foco de controle central, esse arranjo era inflexível, pois cada loop de controle tinha seu próprio hardware de controlador,e o movimento contínuo do operador dentro da sala de controle era necessário para visualizar as diferentes partes do processo.

Com o advento dos processadores eletrônicos e displays gráficos tornou-se possível substituir esses controladores discretos por algoritmos baseados em computador, hospedados em uma rede de racks de entrada/saída com seus próprios processadores de controle. Estes podem ser distribuídos pela planta e se comunicar com o display gráfico na sala de controle ou salas. O sistema de controle distribuído nasceu.

A introdução de DCSs permitiu fácil interconexão e reconfiguração dos controles da planta, como loops e intertravamentos em cascata, e fácil interface com outros sistemas de computador de produção. Permitiu o manuseio sofisticado de alarmes, introduziu o registro automático de eventos, eliminou a necessidade de registros físicos, como registradores de gráficos, permitiu que os racks de controle fossem conectados em rede e, assim, localizados localmente na planta para reduzir as passagens de cabeamento e forneceu visões gerais de alto nível do status e da produção da planta níveis.

Hierarquia

Níveis funcionais de uma operação de controle de fabricação.

O diagrama a seguir é um modelo geral que mostra os níveis funcionais de fabricação em um grande processo usando processador e controle baseado em computador.

Referindo-se ao diagrama: O nível 0 contém os dispositivos de campo, como sensores de vazão e temperatura (leituras de valor de processo - PV), e elementos finais de controle (FCE), como válvulas de controle ; O nível 1 contém os módulos de entrada/saída (E/S) industrializados e seus processadores eletrônicos distribuídos associados; O nível 2 contém os computadores de supervisão, que coletam informações dos nós processadores no sistema e fornecem as telas de controle do operador; O nível 3 é o nível de controle da produção, que não controla diretamente o processo, mas se preocupa em monitorar a produção e as metas de monitoramento; O nível 4 é o nível de programação da produção.

Modelo de controle

Para determinar o modelo fundamental para qualquer processo, as entradas e saídas do sistema são definidas de forma diferente de outros processos químicos. [7] As equações de equilíbrio são definidas pelas entradas e saídas de controle e não pelas entradas de material. O modelo de controle é um conjunto de equações usadas para prever o comportamento de um sistema e pode ajudar a determinar qual será a resposta à mudança. A variável de estado (x) é uma variável mensurável que é um bom indicador do estado do sistema, como temperatura (balanço de energia), volume (balanço de massa) ou concentração (balanço de componentes). A variável de entrada (u) é uma variável especificada que normalmente inclui taxas de fluxo.

É importante notar que os fluxos de entrada e saída são considerados entradas de controle. A entrada de controle pode ser classificada como uma variável manipulada, de perturbação ou não monitorada. Os parâmetros (p) geralmente são uma limitação física e algo fixo para o sistema, como o volume do vaso ou a viscosidade do material. A saída (y) é a métrica usada para determinar o comportamento do sistema. A saída de controle pode ser classificada como medida, não medida ou não monitorada.

Tipos

Os processos podem ser caracterizados como descontínuos, contínuos ou híbridos. [8] As aplicações de lotes exigem que quantidades específicas de matérias-primas sejam combinadas de maneiras específicas por uma duração específica para produzir um resultado intermediário ou final. Um exemplo é a produção de adesivos e colas, que normalmente requerem a mistura de matérias-primas em um recipiente aquecido por um período de tempo para formar uma quantidade de produto final. Outros exemplos importantes são a produção de alimentos, bebidas e medicamentos. Os processos em lote são geralmente usados ​​para produzir uma quantidade relativamente baixa a intermediária de produto por ano (algumas libras a milhões de libras).

Um sistema físico contínuo é representado através de variáveis ​​que são suaves e ininterruptas no tempo. O controle da temperatura da água em uma camisa de aquecimento, por exemplo, é um exemplo de controle de processo contínuo. Alguns processos contínuos importantes são a produção de combustíveis, produtos químicos e plásticos. Processos contínuos na fabricação são usados ​​para produzir grandes quantidades de produtos por ano (milhões a bilhões de libras). Esses controles usam feedback , como no controlador PID. Um controlador PID inclui funções de controlador proporcional, integrador e derivativo.

As aplicações com elementos de controle de processo contínuo e em lote são frequentemente chamadas de aplicações híbridas.

Loops de controle

Exemplo de uma malha de controle de fluxo contínuo. A sinalização é feita por loops de corrente de 4-20 mA padrão da indústria, e um posicionador de válvula "inteligente" garante que a válvula de controle funcione corretamente.

O bloco de construção fundamental de qualquer sistema de controle industrial é o loop de controle , que controla apenas uma variável de processo. Um exemplo é mostrado no diagrama a seguir, onde a vazão em uma tubulação é controlada por um controlador PID, auxiliado pelo que é efetivamente um loop em cascata na forma de um servocontrolador de válvula para garantir o posicionamento correto da válvula.

Alguns sistemas grandes podem ter várias centenas ou milhares de malhas de controle. Em processos complexos, os loops são interativos, de modo que a operação de um loop pode afetar a operação de outro. O diagrama do sistema para representar as malhas de controle é um diagrama de tubulação e instrumentação .

Os sistemas de controle comumente usados ​​incluem controlador lógico programável (PLC), sistema de controle distribuído (DCS) ou SCADA .

Exemplo de sistema de controle de nível de um reator de tanque agitado contínuo . O controle de fluxo no tanque seria cascata fora do controle de nível.

Um outro exemplo é mostrado. Se uma válvula de controle fosse usada para manter o nível em um tanque, o controlador de nível compararia a leitura equivalente de um sensor de nível com o ponto de ajuste de nível e determinaria se era necessária mais ou menos abertura da válvula para manter o nível constante. Um controlador de fluxo em cascata poderia então calcular a mudança na posição da válvula.

Vantagens econômicas

A natureza econômica de muitos produtos fabricados em lotes e processos contínuos exigem uma operação altamente eficiente devido às margens estreitas. O fator concorrente no controle de processo é que os produtos devem atender a certas especificações para serem satisfatórios. Essas especificações podem vir de duas formas: um mínimo e um máximo para uma propriedade do material ou produto, ou uma faixa dentro da qual a propriedade deve estar. [9] Todos os loops são suscetíveis a distúrbios e, portanto, um buffer deve ser usado nos pontos de ajuste do processo para garantir que os distúrbios não façam com que o material ou produto saia das especificações. Esse buffer tem um custo econômico (ou seja, processamento adicional, manutenção de condições de processo elevadas ou deprimidas, etc.).

A eficiência do processo pode ser aprimorada reduzindo as margens necessárias para garantir que as especificações do produto sejam atendidas. [9] Isso pode ser feito melhorando o controle do processo para minimizar o efeito de distúrbios no processo. A eficiência é melhorada em um método de duas etapas para estreitar a variação e mudar o alvo. [9] As margens podem ser reduzidas por meio de várias atualizações de processos (ou seja, atualizações de equipamentos, métodos de controle aprimorados, etc.). Uma vez que as margens são reduzidas, uma análise econômica pode ser feita no processo para determinar como a meta do ponto de ajuste deve ser alterada. Pontos de ajuste de processo menos conservadores levam a uma maior eficiência econômica. [9] Estratégias eficazes de controle de processos aumentam a vantagem competitiva dos fabricantes que as empregam.

Veja também

Referências

  1. ^ "Um guia ao controle estatístico do processo" . Medidores Vermelhos . 14-05-2019 . Recuperado 2021-03-29 .
  2. ^ Bolton, Bill. Engenharia de Controle (2ª Edição) . Longman Pub Group; 2ª edição, 1998.
  3. ^ a b c Young, William Y; Svrcek, Donald P; Mahoney, Brent R (2014). "1: Uma Breve História de Controle e Simulação". Uma abordagem em tempo real para controle de processos (3 ed.). Chichester, West Sussex, Reino Unido: John Wiley & Sons Inc. pp. 1–2. ISBN 978-1119993872.
  4. ^ Minorsky, Nicolas (1922). "Estabilidade direcional de corpos dirigidos automaticamente". Jornal da Sociedade Americana de Engenheiros Navais . 34 (2): 280–309. doi : 10.1111/j.1559-3584.1922.tb04958.x .
  5. ^ Bennett, Stuart (1993). A História da Engenharia de Controle 1930-1955 . Londres: Peter Peregrinus Ltd. Em nome do Institution of Electrical Engineers. pág. 67. ISBN 978-0-86341-280-6.
  6. ^ Bennett, Stuart (1996). "Uma breve história do controle automático" (PDF) . Revista de Sistemas de Controle IEEE . 16 (3): 17–25. doi : 10.1109/37.506394 . Arquivado a partir do original (PDF) em 2016-08-09 . Recuperado 2018-03-25 .
  7. ^ Bequette, B. Wayne (2003). Controle de processo: modelagem, projeto e simulação (série Prentice-Hall International na ciência da engenharia física e química. ed.). Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall PTR. págs. 57–58. ISBN 978-0133536409.
  8. ^ https://www.mindsmapped.com/difference-between-continuous-and-batch-process/
  9. ^ a b c d Smith, CL (março de 2017). "Controle de processo para as indústrias de processo - Parte 2: Características do estado estacionário". Progresso da Engenharia Química : 67–73.

Leitura adicional

Links externos