Uma introdução a controles

Este tutorial fornece uma introdução ao tema do controle automático, incluindo os elementos básicos de um sistema de controle, diferentes funções de controle e terminologia relevante, com alguma ênfase em segurança e estabilidade e precisão do controle.

O tema de controles automáticos é enorme, abrangendo o controle de variáveis como temperatura, pressão, vazão, nível e velocidade.

O objetivo deste Bloco é fornecer uma introdução aos controles automáticos. Isso também pode ser dividido em duas partes:

• O controle de sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado (comumente conhecido como HVAC); e
• Controle de processos. Ambos são temas imensos, o último variando desde o controle de um fogão doméstico simples até um sistema de produção completo ou processo, como pode ser encontrado em um grande complexo petroquímico. O Engenheiro de Controles precisa ter diversas habilidades ao seu comando - conhecimento de engenharia mecânica, engenharia elétrica, eletrônica e sistemas pneumáticos, uma compreensão funcional de design HVAC e aplicações de processos e, cada vez mais hoje, uma compreensão de computadores e comunicações digitais. A intenção deste Bloco é fornecer uma visão básica das facetas práticas e teóricas do controle automático, à qual outras habilidades podem ser adicionadas no futuro, não transformar um indivíduo em um Engenheiro de Controles. Este Bloco está limitado ao controle de processos que utilizam os seguintes fluidos: vapor, água, ar comprimido e óleos quentes. O controle é geralmente alcançado variando o fluxo do fluido usando válvulas acionadas. Para os fluidos mencionados acima, o requisito usual é medir e responder a mudanças de temperatura, pressão, nível, umidade e vazão. Quase sempre, a resposta a mudanças nessas propriedades físicas deve estar dentro de um determinado tempo. A manipulação combinada da válvula e seu atuador com o tempo, e o controle preciso da variável medida, serão explicados mais adiante neste Bloco. O controle de fluidos não se limita a válvulas. Alguns fluxos de processo são manipulados pela ação de bombas ou ventiladores de velocidade variável.

A necessidade de controles automáticos Há três razões principais pelas quais plantas de processos ou edifícios requerem controles automáticos:

• Segurança - A planta ou processo deve ser seguro para operar. Quanto mais complexo ou perigoso a planta ou processo, maior é a necessidade de controles automáticos e protocolos de proteção.
• Estabilidade - A planta ou processos devem funcionar de forma constante, previsível e repetível, sem flutuações ou paradas não planejadas.
• Precisão - Este é um requisito primário em fábricas e edifícios para prevenir deterioração, aumentar a qualidade e as taxas de produção, e manter o conforto. Esses são os fundamentos da eficiência econômica. Outros benefícios desejáveis como economia, velocidade e confiabilidade também são importantes, mas é contra os três parâmetros principais de segurança, estabilidade e precisão que cada aplicação de controle será medida. Terminologia de controle automático Termos específicos são usados na indústria de controles, principalmente para evitar confusão. As mesmas palavras e frases se reúnem em todos os aspectos dos controles e, quando usadas corretamente, seu significado é universal. O sistema manual simples descrito no Exemplo 5.1.1 e ilustrado na Figura 5.1.1 é usado para introduzir alguns termos padrão usados em engenharia de controle. Exemplo 5.1.1 Uma analogia simples de um sistema de controle No exemplo de processo mostrado (Figura 5.1.1), o operador varia manualmente o fluxo de água abrindo ou fechando uma válvula de entrada para garantir que:
• O nível de água não está muito alto; ou transbordará pelo extravasor.
• O nível de água não está muito baixo; ou não cobrirá o fundo do tanque. O resultado disso é que a água sai do tanque em uma taxa dentro de uma faixa necessária. Se a água sai em uma taxa muito alta ou muito baixa, o processo que ela alimenta não pode operar adequadamente. Em um estágio inicial, a válvula de saída no tubo de descarga é fixada em uma determinada posição. O operador marcou três linhas na lateral do tanque para permitir que ele manipule o fornecimento de água através da válvula de entrada. Os 3 níveis representam:

1. O nível de água mais baixo permitido para garantir que o fundo do tanque está coberto.
2. O nível de água mais alto permitido para garantir que não há descarga pelo extravasor.
3. O nível ideal entre 1 e 2.

O Exemplo (Figura 5.1.1) demonstra que:

1. O operador está visando manter a água no vaso entre os níveis 1 e 2. O nível de água é chamado de condição controlada.
2. A condição controlada é alcançada controlando o fluxo de água através da válvula no tubo de entrada. O fluxo é conhecido como variável manipulada, e a válvula é referida como dispositivo controlado.
3. A água em si é conhecida como agente de controle.
4. Controlando o fluxo de água no tanque, o nível de água no tanque é alterado. A mudança no nível de água é conhecida como variável controlada.
5. Uma vez que a água está no tanque, ela é conhecida como meio controlado.
6. O nível de água que se pretende manter no indicador visual é conhecido como valor de ajuste (também conhecido como set point).
7. . O nível de água pode ser mantido em qualquer ponto entre 1 e 2 no indicador visual e ainda atender aos parâmetros de controle de modo que o fundo do tanque esteja coberto e não haja transbordamento. Qualquer valor dentro dessa faixa é conhecido como valor desejado.
8. Suponha que o nível seja estritamente mantido em qualquer ponto entre 1 e 2. Este é o nível de água em condições de regime permanente, referido como valor de controle ou valor real. Nota: Com referência a (7) e (8) acima, o nível ideal de água a ser mantido era no ponto 3. Mas se o nível real estiver em qualquer ponto entre 1 e 2, então isso ainda é satisfatório. A diferença entre o set point e o valor real é conhecida como desvio.
9. Se a válvula de entrada for fechada para uma nova posição, o nível de água cairá e o desvio mudará. Um desvio sustentado é conhecido como offset. Elementos de controle automático

Exemplo 5.1.2 Elementos de controle automático

• O olho do operador detecta o movimento do nível de água contra o indicador de escala marcado. Seu olho pode ser pensado como um sensor.
• O olho (sensor) sinaliza essa informação de volta ao cérebro, que nota um desvio. O cérebro pode ser pensado como um controlador.
• O cérebro (controlador) age para enviar um sinal ao músculo do braço e mão, que podem ser pensados como um atuador.
• O músculo do braço e mão (atuador) giram a válvula, que pode ser pensada como um dispositivo controlado. Vale repetir esses pontos de uma forma ligeiramente diferente para reforçar o Exemplo 5.1.2: Em termos simples, o objetivo do operador no Exemplo 5.1.1 é manter a água dentro do tanque em um nível pré-definido. O Nível 3 pode ser considerado seu alvo ou set point. O operador manipula fisicamente o nível ajustando a válvula de entrada (o dispositivo de controle). Dentro dessa operação, é necessário levar em conta a competência e a concentração do operador. Por causa disso, é improvável que o nível de água esteja exatamente no Nível 3 o tempo todo. Geralmente, estará em um ponto acima ou abaixo do Nível 3. A posição ou nível em qualquer momento particular é denominado valor de controle ou valor real. A quantidade de erro ou diferença entre o set point e o valor real é denominada desvio. Quando um desvio é constante, ou em regime permanente, é denominado desvio sustentado ou offset. Embora o operador esteja manipulando o nível de água, o objetivo final é gerar um resultado adequado, neste caso, um fluxo necessário de água do tanque. ****Avaliando segurança, estabilidade e precisão Pode-se supor que um processo típico como o do Exemplo 5.1.1 não contém ingredientes valiosos nem nocivos. Portanto, transbordamento ou falta de água serão seguros, mas não econômicos ou produtivos. Em termos de estabilidade, o operador seria capaz de lidar com esse processo desde que preste atenção total e constante. A precisão não é uma característica deste processo porque o operador só pode responder a um erro visível e reconhecível. Resumo da terminologia

Set point	O valor ajustado na escala do sistema de controle para obter a condição necessária. Se o controlador fosse ajustado em 60°C para uma aplicação particular: 60°C seria denominado como ‘set point’.
Valor desejado	O valor necessário que deve ser sustentado em condições ideais.
Valor de controle	O valor da condição controlada efetivamente mantido em condições de regime permanente.
Desvio	A diferença entre o set point e o valor de controle.
Offset	Desvio sustentado.
Sensor	O elemento que responde diretamente à magnitude da condição controlada.
Meio controlado	O meio sendo controlado pelo sistema. O meio controlado na Fig 5.1.1 é a água no tanque.
Condição controlada	A condição física do meio controlado. A condição controlada na Fig 5.1.1 é o nível de água.
Controlador	Um dispositivo que aceita o sinal do sensor e envia um sinal corretivo (ou de controle) ao atuador.
Atuador	O elemento que ajusta o dispositivo controlado em resposta ao sinal de um controlador.
Dispositivo controlado	O elemento final de controle em um sistema de controle, como uma válvula de controle ou bomba de velocidade variável.

Há muitos outros termos usados em Controles Automáticos; estes serão explicados mais adiante neste Bloco.

Elementos de um sistema de controle de temperatura ****O Exemplo 5.1.1 retratou um sistema simples de controle manual de nível. Isso pode ser comparado com um exemplo simples de controle de temperatura como mostrado no Exemplo 5.1.3 (controlado manualmente) e Figura 5.1.3. Todos os fatores e definições anteriores se aplicam. Exemplo 5.1.3 Retratando um sistema simples de controle manual de temperatura A tarefa é admitir vapor suficiente (o meio de aquecimento) para aquecer a água que entra de uma temperatura de T1; garantindo que a água quente saia do tanque na temperatura necessária de T2.

Avaliando segurança, estabilidade e precisão Embora a operação manual pudesse provavelmente controlar o nível de água no Exemplo 5.1.1, o controle manual de temperatura é inerentemente mais difícil no Exemplo 5.1.3 por várias razões.

Se o fluxo de água variar, as condições tenderão a mudar rapidamente devido à grande quantidade de calor contida no vapor. A resposta do operador ao mudar a posição da válvula de vapor pode simplesmente não ser rápida o suficiente. Mesmo após a válvula ser fechada, a bobina ainda conterá uma quantidade de vapor residual, que continuará a ceder seu calor ao condensar. Antecipando mudança A experiência ajudará, mas em geral o operador não será capaz de antecipar mudança. Ele deve observar a mudança antes de tomar uma decisão e realizar uma ação.

Este e outros fatores, como o inconveniente e o custo de um operador humano permanentemente em serviço, erro potencial do operador, variações nas necessidades do processo, precisão, mudanças rápidas nas condições e o envolvimento de vários processos, tudo leva à necessidade de controles automáticos.

Com relação à segurança, um alarme sonoro foi introduzido no Exemplo 5.1.3 para alertar sobre temperatura excessiva - outra razão para controles automáticos. Controle automático Uma condição controlada pode ser temperatura, pressão, umidade, nível ou vazão. Isso significa que o elemento de medição pode ser um sensor de temperatura, um transdutor ou transmissor de pressão, um detector de nível, um sensor de umidade ou um sensor de vazão.

A variável manipulada pode ser vapor, água, ar, eletricidade, óleo ou gás, enquanto o dispositivo controlado pode ser uma válvula, amortecedor, bomba ou ventilador.

Para fins de demonstração dos princípios básicos, este Módulo se concentrará em válvulas como dispositivo controlado e temperatura como condição controlada, com sensores de temperatura como elemento de medição. Componentes de um controle automático A Figura 5.1.4 ilustra as partes componentes de um sistema de controle básico. O sensor sinaliza ao controlador. O controlador, que pode receber sinais de mais de um sensor, determina se uma mudança é necessária na variável manipulada, com base nesses sinais. Ele então comanda o atuador para mover a válvula para uma posição diferente; mais aberta ou mais fechada dependendo da necessidade.

Os controladores são geralmente classificados pelas fontes de energia que os alimentam, elétrica, pneumática, hidráulica ou mecânica.

Um atuador pode ser pensado como um motor. Os atuadores também são classificados pelas fontes de energia que os alimentam, da mesma forma que os controladores. As válvulas são classificadas pela ação que usam para efetuar uma abertura ou fechamento do orifício de fluxo, e por suas configurações de corpo, por exemplo se consistem em um eixo deslizante ou têm um movimento rotativo. Se os elementos do sistema forem combinados com as partes do sistema (ou dispositivos), a relação entre ‘O que precisa ser feito?’ com ‘Como ele faz isso?’ pode ser vista. Alguns dos termos usados podem ainda não ser familiares. No entanto, nas partes seguintes do Bloco 5, todos os componentes individuais e itens mostrados no desenho anterior serão abordados.