CONTROLADORES - Resumo

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São os dispositívos que "controlam" um sistema de Automação.

Podem contolar uma malha ou loop de controle (single-loop) ou mais de um loop (mult-loop).

Entre eles podem estar os controladores de processos, PLC, e as soluções DCS.

Tomam as decisões nos sistemas de controles (SC), de acordo com a entrada de sinal enviada por um elemento primário também chamado elemento sensor (sensores de temperatura, pressão, vazão, etc..) executa a lógica de controle pré-determinada (através de programação), compara com a a realimentação, retorno, ou feed-back (em controle de malha fechada abaixo explicado), enviando um sinal de comando ao atuador, ou elemento final de controle (válvulas, atuadores, servo-motores, inversores de frequência, etc...)
Ações de Controle:

A forma de controlar dos Atuadores se divide em:

· Controle liga-desliga (on-off) :
O controlador compara o sinal de entrada com a realimentação, e se a saída supera a entrada, desliga o atuador, se a realimentação for menor, liga o atuador.
Ex.: Nos fornos elétricos e geladeiras, o calefator ou compressor é controlado por um termostato, que é um controlador liga-desliga com par bimetálico (um dos metais se dilata mais que o outro, vergando-se e abrindo o contato). Ao se desligar, o ambiente faz a temperatura mudar algum tempo depois e o bimetálico retorna à posição, fechando o contato e ligando o atuador.
As vantagens deste controlador são a simplicidade e o baixo custo, as desvantagens são a contínua oscilação da saída entre os limites de atuação do controlador, histerese, não garantindo precisão e podendo desgastar controlador e atuador pelo excesso de partidas.

· Controle proporcional (P) :
A saída é proporcional ao sinal de erro (diferença entre entrada e realimentação), de modo que o atuador opera continuamente, com potência variável. O controlador é simplesmente um amplificador.
Este sistema é ainda simples e de baixo custo, tendo uma precisão boa, mas nem sempre é rápido, e pode se tornar instável, se o ganho for muito alto. Instabilidade é a situação em que o controlador reage muito rápido, e a saída passa do valor na entrada sem que haja a reversão da tendência, o que pode levar à saturação do amplificador ou à oscilação contínua em torno do valor na entrada (geração de onda senoidal na saída, sem entrada).
Ex: Muitos dos sistemas de controle de velocidade de motores são proporcionais, inclusive o controle de automóveis por um motorista.
Note que, sendo um amplificador do sinal de erro, sempre tem que haver um erro após o transitório, período inicial durante o qual o controlador reage intensamente, para manter acionado o atuador. É o erro de regime permanente, que é inversamente proporcional ao ganho do controlador. O regime permanente é a fase após o transitório, durante o qual a saída permanece quase estável (controlada).
Este erro limita a precisão do controle proporcional.

· Controle Integral (I) :
Este controle utiliza um integrador como controlador. O integrador é um circuito que executa a operação matemática da integração, que pode ser descrita como o somatório dos produtos dos valores instantâneos da grandeza de entrada por pequenos intervalos de tempo, desde o instante inicial até o final (período de integração). Isto corresponde à área entre a curva da grandeza e o eixo do tempo, num gráfico.
Ex: Se a grandeza for constante, G, a integral desta entre um tempo t1 = 0 e um tempo t2 será igual a G t2, que corresponde à área, no gráfico da grandeza, de um retângulo naquele intervalo de tempo. Se fizermos um gráfico da integral desde o tempo t1 até t2, teremos uma reta desde 0 até G t2, pois a área (ou o somatório) irá aumentando à medida que o tempo passa.
O uso do integrador como controlador faz com que o sistema fique mais lento, pois a resposta dependerá da acumulação do sinal de erro na entrada, mas leva a um erro de regime nulo, pois não é necessário um sinal de entrada para haver saída do controlador, e acionamento do atuador após o período transitório. Assim o controle é muito preciso, embora mais lento.

· Controle proporcional e integral (PI) :
É a combinação dos dois controles anteriores, realizada pela soma dos sinais vindos de um amplificador e um integrador.
Este controlador alia a vantagem do controle proporcional, resposta mais rápida, com a do integral, erro de regime nulo. É mais usado que os anteriores.

· Controle proporcional e derivativo (PD) :
Combinação entre o controle proporcional e o derivativo, que se baseia no diferenciador, um circuito que executa a operação matemática derivada. Esta pode ser entendida como o cálculo da taxa (ou velocidade) de variação da grandeza de entrada, em relação ao tempo (ou outra grandeza). Isto se assemelha à média entre os valores da grandeza entre dois instantes, se estes instantes forem sucessivos (intervalo muito pequeno), esta média será a derivada da grandeza no instante inicial. Assim, a derivada indica a tendência de variação da grandeza.
O controle apenas derivativo não seria viável, pois não responderia ao sinal de erro, mas somente à sua tendência de variação.
Quando somada a saída proporcional do amplificador com a do diferenciador, ambos tendo o sinal de erro na entrada, temos o controlador proporcional e derivativo.
A vantagem deste controle é a velocidade de resposta, que se deve à imediata reação do diferenciador: inicialmente, o erro é grande, e o diferenciador fornece um sinal forte ao atuador, que provoca rápida variação na grandeza controlada, à medida que o erro vai diminuindo, o diferenciador apresenta uma saída menor (de acordo com a velocidade de variação na grandeza), reduzindo a ação do atuador, o que evita que se passe (ou passe demais) do valor desejado (entrada).
A desvantagem é que o diferenciador é um circuito muito susceptível a ruídos de alta freqüência, pois é um filtro passa-altas, o que pode levar a distúrbios durante o processo de controle.

· Controle proporcional, integral e derivativo (PID) :
É a combinação do anterior com o integral. Isto se faz somando os sinais de saída de um amplificador, um diferenciador e um integrador, todos eles com o sinal de erro aplicado na entrada.
Assim, temos um compromisso entre a velocidade de atuação, devida ao diferenciador, e erro de regime nulo (precisão), devido ao integrador.
Este é o mais usado dos tipos de controle eletrônicos. Os parâmetros deste sistema podem ser alterados ajustando-se os potenciômetros (que alteram as constantes de integração e diferenciação), o que dá flexibilidade a estes sistemas analógicos somente superadas pelos digitais.

COMUNICAÇÃO SERIAL RS232

A Porta Serial é uma linha de envio de dados, outra para o recebimento e mais algumas para regularizar como os dados estão sendo enviados por outras duas linhas.

Devido a sua simplicidade, a Porta Serial tem sido utilizada para que o PC comunique-se com quase todos os dispositivos - desde modems e impressoras até plotters e sistemas de alarme. A utilização mais comum para Porta Serial é para mouse ou modem. O motivo é que a porta serial não é um meio muito eficiente para a transferência de dados. Ela consegue somente enviar dados em série(um atrás do outro). A Porta Serial é normalmente conhecida como porta RS-232. Esta é uma especificação da Associação das Indústrias Eletrônicas para um padrão de como os conectores são utilizados em uma porta serial.

O RS-232C define três tipos de conexão: elétrica, funcional, e mecância. É a interface mais comumente utilizada, sendo ideal para a faixa de transmissão de dados de 0-20Kbps (velocidade) e distância até 15,2 m entre um ponto e outro (comunicação ponto-a-ponto).

Emprega sinalização desbalanceada e é normalmente utilizada com conectores de forma D de 25 pinos (DB25) para conectar DTE's (computadores, controladoras, etc.) e DCE's (modems, conversores, etc.). Os dados seriais saem através da porta RS-232C, via pino Transmit Data (TD), e chegam à porta RS-232C do dispositivo de destino através do pino Receive Data (RD).

O RS-232 é compatível com os padrões: ITU V.24, V.28; ISO IS2110.

ALGUNS CONCEITOS SOBRE CONTROLE DE PROCESSO E INSTRUMENTAÇÃO

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Alarme
Alarme é a indicação da existência de uma condição normal ou anormal através de um sinal sonoro, visual ou ambos. A condição anormal geralmente consiste em o valor de uma variável de processo atingir um valor limite, alto ou baixo, predeterminado. O alarme geralmente requer a atuação ou atenção do operador.

Condições de operação
Condições que um equipamento ou instrumento está sujeito,não incluindo a variável medida por ele. As condições de operação incluem: temperatura ambiente, pressão ambiente, força gravitacional, campos eletromagnéticos,inclinação,variações da alimentação (tensão, freqüência, harmônicas), choque e vibração.
As condições de operação normais são a faixa de condições de operação dentro da qual o instrumento é projetado p/ operar e para a qual são estabelecidas as influencia de operação.

Confiabilidade
Probabilidade que uma parte componente , instrumento ou sistema funcione satisfatoriamente, sob condições determinadas sem manutenção, durante determinado período de tempo.

Cavitação
Fenômeno indesejável da evaporação do liquido e da implosão de bolhas quando o vapor volta ao estado liquido, que ocorre em interior de tubulações quando há diminuição da pressão ou aumento da temperatura. A cavitação pode ocorrer no interior dos elementos sensores de vazão, bombas, restrições e válvulas. A cavitação pode destruir internos de válvulas e sensores colocados na tubulação.

Controle processo
O controle de processo é a regulação ou manipulação das variáveis que afetam a operação do processo, de modo a obter um produto com qualidade desejada em quantidade eficiente. É o balanço dos fluxos de energia ( pressão e temperatura ) e de material ( vazão e nível ).

Controle supervisório
Controle em que as malhas operam independentemente, sujeitas a ações corretivas intermitentes. Exemplo de controle supervisório é o nosso britador e o novo desareamento.

Correção
Diferença algébrica entre o valor ideal e a indicação do valor medido. É a quantidade que adicionada algebricamente á indicação dá o valor ideal.
Correção positiva denota que a indicação do instrumento é menor que o valor ideal.
Correção = valor ideal – indicação.

Distúrbio
Uma variação indesejável que ocorre em um processo que tende a afetar nocivamente o valor da variável controlada.

Elemento final
Elemento que varia diretamente o valor da variável manipulada. Equipamento da malha de controle que está em contato com o processo, recebendo o sinal do controlador. Normalmente, é a válvula de controle com atuador pneumático; pode ser, também, cilindro, damper, válvula solenóide.

Erro
A diferença algébrica entre o valor medido de uma variável e seu valor ideal. Neste caso também é chamado de incerteza, desvio ou tolerância. Um erro positivo denota que a indicação do instrumento é maior que o valor ideal. Erro =indicação – valor ideal
Em controle de processo, é o sinal de diferença entre a medição e o ponto de ajuste do controlador.


Variável de processo
Qualquer grandeza física mensurável,como pressão, temperatura, vazão e analise. Pode ser classificada como controlada, manipulada e carga do processo.
Variável controlada é a regulada pela malha de controle.
Variável manipulada é a atuada no elemento final de controle, através do controlador, para regular a controlada, geralmente a vazão de um fluido.
Variável medida é a quantidade, propriedade ou condição que é medida. é também chamada de mensurando.
O Processo é a Parte do sistema que desenvolve alguma função desejada; ele pode
ser mecânico, químico, elétrico ou uma combinação desses. Por exemplo, o nível de um liquido num tanque é um processo, assim como a geração de vapor através de uma caldeira.
Elemento Primário e aquele que utiliza ou transforma a energia proveniente do meio controlado para produzir um efeito que é função da variação no valor da variável controlada. Exemplo de elementos primários:termômetros, termopares, placas de orifícios, manômetros etc.
Transmissor é um dispositivo utilizado para transmitir o sinal vindo do elemento primário para um outro lugar.
Controlador e um dispositivo que produz um sinal de saída que e função do sinal do desvio, enquanto que o elemento final de controle representa um dispositivo que, manipulado pelo sinal de saída do controlador,regula o fluxo de energia ou material para um processo. Exemplos de elementos finais de controle são: válvulas de controle, reostatos, determinados tipos de bombas e outros.
Entre os diversos tinos de elementos finais de controle, a válvula é sem dúvida alguma o mais amplamente utilizado.