Aula 30 - Controlador PID Eletrônico

Controladores baseados em energia externa podem ser dos tipos: Controlador pneumático; Controlador hidráulico e Controlador elétrico ou eletrônico.

Temos que uma grandeza precisa ser controlada (temperatura, nível, pressão, vazão, pH, velocidade, posição,etc...). Para manter essa grandeza sob controle precisamos de algumas informações: Valor desejado – Set-Point (SP); Valor real ou valor do processo (PV) e o Algoritmo de controle.
Com base nessas informações, o controlador compara o valor desejado (SP) com o valor do processo (PV) e determina, com base no algoritmo de controle, o valor de correção na saída do controlador para que o valor do processo (PV) se aproxime do valor desejado (SP). Processos que tenham a faixa proporcional a ser posicionada extremamente ampla e onde o tempo de reajuste é bastante grande a fim de se evitar oscilações.
O controle PID resolve esse problema.  Podemos verificar um controle PID em sua forma eletrônica na figura 14.

Em uma malha de controle o objetivo é alcançar a estabilidade no menor tempo possível. Um controlador bem ajustado é aquele que tem um caimento de ¼, como mostra a figura 15.
Devemos encontrar valores numéricos para as constantes de proporcionalidade de um controlador  PID de forma a regular o processo com estabilidade e no valor desejado para a propriedade medida, através se suas funções proporcionais integrativas e derivativas, funções essas que através dos ganhos Kp, Ki e Kd, irá alcançar a sintonia do controlador mantendo o set-point regulado ,  uma vez que o desempenho do controlador PID através das três funções:   A função proporcional trabalha no valor presente do erro, comparando a variável de processo  com o set-point e aproximando a variável de processo  ao set-point. A  função integral trabalha com a área do erro, ou seja, o tamanho do erro e sua duração, assim a partir de dados passados o controle integral cria uma dinâmica no controle que tende a eliminar o erro (desvio do set-point) e a função derivativa por sua vez trabalha em cima da taxa de variação do erro, fazendo assim uma previsão de como o erro se comportará no futuro, dando ao controle uma resposta mais rápida em retomadas por possíveis distúrbios no processo.
A ação derivativa poderá ser usada caso o tenha uma variável de dinâmica lenta. Assim é necessário avaliar se o controle apresenta a necessidade de uma resposta mais rápida em momentos de transição (distúrbios), se não for constatado essa necessidade, optaremos em não usar a parcela derivativa pois essa apresente muita sensibilidade a ruídos, fator esse que poderá desestabilizar o processo.
O controlador PID combina as vantagens do controlador PI e PD. O custo de implementação o controlador PID é mais baixo em relação a técnicas mais avançadas, em razão da sua ampla aplicação, além da facilidade de parametrização do mesmo, o que não exige conhecimentos avançados para sua implementação e a disponibilidade em controladores comerciais com sintonia automática.

Aula 29 - Estratégia de Controle PID

A estratégia de controle PID tem alto índice de aplicação na indústria e apresenta uma boa performance em sistemas normalmente utilizados nos processos de fabricação. A parametrização da estratégia de controle PID é relativamente simples. Dos controladores que estudaremos, o PID é o de mais fácil compreensão.
O PID possibilita eliminar a variação no processo. Caso necessitemos de uma variável de processo mais estável, teremos que recorrer a uma estratégia de controle que varie sua forma de atuação, e o controle PID fará isso em função do comportamento do erro.

O nome PID vem de Proporcional-Integral-Derivativo. No controlador, esses três aspectos são representados por três parâmetros, que deverão ser ajustados em função do comportamento que esperamos do processo.

Com o ajuste desses parâmetros, podemos optar por usar uma configuração de ação somente proporcional, integral, derivativa ou, ainda, uma combinação dessas ações. A configuração mais comum é o PI (proporcional e integral). Todavia, encontramos também a configuração P ou PID. O parâmetro “P” ajusta a atuação em função do erro presente do processo, o “I” ajusta a atuação em função do comportamento do erro no passado e o “D” faz uma previsão de como o erro se comportará no futuro – a mudança desses três parâmetros resultará no ajuste da forma de atuação.

Aula 28 - Estratégia de Controle On/Off

É a mais simples das estratégias, pois se trata de ligar 100% do atuador para atingir o set point. Quando o set point for atingido, o atuador é desligado totalmente.

Continuaremos com o exemplo do forno, supondo que no momento da partida seu interior estava com 25ºC. Seu set point era de 190ºC e as resistências responsáveis pelo aquecimento foram ligadas por uma contatora.

Esse forno levou um tempo para chegar aos 190ºC e, quando atingiu a temperatura, a contactora desligou. Na figura temos o comportamento da estratégia On/Off.

A estratégia On/Off pode ser usada somente nos casos em que não for necessária alta precisão na variável de processo, pois está sujeita às inércias dos sistemas, podendo ter uma variação alta dependendo do sistema.

Aula 27 - Estratégia de Controle

A estratégia de controle é a forma como o atuador do processo se comporta, após a comparação entre a condição em que o processo está com aquela em que deveria estar.

No diagrama apresentado na figura abaixo mostramos os elementos básicos de um sistema de controle em malha fechada e a função de cada elemento.
Malha Fechada ocorre na situação em que temos um sensor medindo a condição de processo objetivo, sendo essa condição comparada com o valor requerido.
Nesse diagrama, o termo set point, é o valor definido para uma grandeza em um processo. Tendo como exemplo um forno de revenimento para peças de aço previamente temperadas, supondo que esse processo deva ocorrer a 190ºC, o sinal de entrada no somador do diagrama será 190ºC.

Na parte inferior do diagrama temos uma caixa denominada sensor. Em sua entrada está conectado a saída do processo e a saída é a medição de temperatura no forno. O sensor pode ser um termopar largamente utilizado na indústria, que fornece a medição da condição em que o forno se encontra.

A operação matemática executada entre o set point e a saída do sensor é uma subtração, e a resultante será o erro. Ou seja, subtraindo o set point pelo valor medido no processo, temos o erro. Por exemplo: se o set point é 190ºC e a temperatura dentro do forno é de 50ºC, consequentemente a medida do termopar será respectiva aos 50ºC e o sinal chamado de erro será 190 – 50 = 140ºC. Esse valor entrará no controlador.

As diferentes estratégias de atuação do controlador com base no valor de erro podem ser definidas como On/Off ou PID.

PID é a sigla para proporcional, integral e derivativo, sendo que cada termo colabora com uma fração do valor de atuação. Esta fração é baseada num conceito matemático diferente para cada termo.

O controlador funcionará com base no valor do erro quando operar com realimentação da saída, como está apresentado na figura. O erro entra no controlador e esse decide a forma de atuar no processo, gerando o sinal que comandará o atuador eliminado do processo. Esse poderá ser uma ligação de contatora por meio de um relé, sinal 4 a 20 mA, ou outro tipo de sinal que dependerá do atuador que o processo estiver utilizando. Em nosso exemplo, será um banco de resistências ligado por uma contatora. O processo é tudo o que está entre o sinal de saída do controlador e a entrada do sensor.

Como sabemos na prática, um forno não responde de forma instantânea à ligação do banco de resistência. Esse tempo e a forma do comportamento da temperatura durante esse tempo vão interferir diretamente no ajuste do controlador.

Exercicio de Aplicação 02

O técnico de automação industrial da empresa SRG Automação, que é prestadora de serviços da Petrobrás deve atender a uma proposta de expansão do Pólo Naval de Santa Rita do Sapucaí - MG e precisa definir o sistema de controle e de segurança de um dos processo de beneficiamento do petróleo, que é altamente crítica por apresentar risco de explosão requerendo um função instrumentada de segurança.

Como a empresa SRG Automação é especializada em sistemas de controle, você foi encarregado pelo seu supervisor imediato como o técnico responsável  pela definição do Sistema de Controle de Segurança do Processo de Beneficiamento de Petróleo, do Pólo Naval.

Para apresentar o resultado ao gestor do Pólo Naval, seu supervisor imediato definiu quatro etapas que deverão ser cumpridas por você: Especificar os equipamentos; Justificar a estratégica de controle; Definir os ganhos do controlador e parametrizar o controlador. A definição dos equipamentos deve ter em vista a melhor relação custo beneficio, que atendam o nível de segurança exigido. A seleção da estratégia e sintonia da malha de controle de ser feita tendo em vista as reações no processo industrial .

Especifique o Sistema instrumentado de Segurança e os equipamentos do sistema de controle.  1.1: Definir válvulas controladoras de vazão da linha de controle e da linha de segurança. 1.2: Definir os sensores de pressão da linha de controle e da linha de segurança. 1.3: Definir os controladores da linha de controle e da linha de segurança. A simulação representa um esquema do beneficiamento de petróleo, do pólo naval de Rio Grande, com: Tanque de Petróleo, quadro elétrico. Os equipamentos deverão ser retirados do almoxarifados e dever atender aos requisitos de segurança ao menor custo.

Aula 26 - Determinação do Nível de Segurança

Várias metodologias podem ser usadas para a atribuição do riscos e do nível de Segurança (SIL). A determinação deve envolver pessoas com perícia e experiência elevadas. 

As metodologias para a determinação de um SIL incluem cálculos simplificados, análise de árvore de falha e análise de camada de proteção, podendo ser quantitativas (avaliação numérica), qualitativas (avaliação descritiva) ou, ainda, uma combinação das duas formas.

O anexo D do padrão da IEC 61508-5 ilustra uma técnica qualitativa usando um gráfico para determinar diretamente o nível exigido de segurança. A Figura  mostra esse gráfico.

No Quadro temos as descrições de cada fator para utilizar no gráfico. Verificamos que, ao se tratar de soluções com responsabilidade sobre a vida ou a saúde de pessoas, ou em relação a grande valor econômico para uma empresa, não basta apenas utilizar tecnologia de ponta. 

Faz-se necessária, também, a criação de um sistema de gestão desses processos. Os Sistemas Instrumentados de Segurança (SIS), que são equipamentos utilizados para implementar Funções de Segurança (SIF´s) que, por sua vez, são as funções que evitarão as situações de perigo em um processo de alto risco. Cada função de segurança (SIF) tem um nível de segurança (SIL) correspondente que a classifica. Esse nível de segurança (SIL) é um qualificador da função de segurança SIF, que leva em consideração os seguintes fatores: a consequência do acidente, que é a quantidade de pessoas lesadas ou o valor econômico perdido; a frequência ou o tempo de exposição ao perigo; a possibilidade de evitar a situação de perigo; a probabilidade de este evento ocorrer.

O SIL definido especificará o SIS a ser utilizado, o tipo de manutenção e a verificação periódica que esse sistema deverá sofrer.

Aula 25 - Riscos e Segurança

Para entender a determinação do nível de segurança, precisamos fundamentar o conceito de risco e segurança. Risco é a taxa provável de ocorrência de um perigo que causa o dano e o tamanho, que devem ser considerados. Então, o risco tem dois elementos: a frequência / probabilidade que  o perigo ocorra  e as consequências do evento perigoso. Quanto maior for o risco associado a um processo, maior será o nível de segurança aplicado para o controle desse risco. Nesse caso, serão necessários sistemas mais complexos e robustos, pois apresentam maiores potenciais de ocorrência de um evento.

O SIL (nível de segurança) é a medida do risco de segurança de um dado processo. Essa padronização pode ser aplicada a equipamentos que garantirão o nível de segurança necessário; ou seja, se um processo é classificado como SIL 2, podemos utilizar um equipamento SIL 2 para o Sistema Instrumentado de Segurança (SIS) que implementará a Função Instrumentada de Segurança.

O SIL é estratificado em quatro níveis discretos de segurança. Cada nível representa uma ordem de valor da redução do risco. Quanto mais elevado for nível de SIL, maior será o impacto de uma falha e mais baixa a taxa de falhas toleráveis. O nível de segurança (SIL) é uma maneira de indicar a taxa de falhas tolerável de uma função de segurança (SIF). Os padrões exigem a atribuição de um SIL para toda a SIF nova ou adaptada, dentro do SIS.
A atribuição do SIL é uma decisão que exige a análise de perigos. A atribuição de um SIL é baseada na quantidade de redução de risco que é necessária para manter o processo num nível de segurança aceitável. Então, todo o projeto do SIS, operação e escolhas da manutenção deve ser verificado de acordo com o SIL. Esse procedimento assegura que o SIS possa reduzir o risco atribuído ao processo. Quando uma análise de perigos do processo (PHA) determina que um SIS é necessário devem ser atribuídos, o nível de redução do risco alcançado pelo SIS e o SIL.