Sistemas de controle industrial

Controle contínuo vs.
Controle discreto

1. Indústrias de processo vs.
Indústrias de produção discreta

Processos

Produção Discreta

Materiais: líquidos, gases, pós etc.

Executam suas operações em montantes de materiais

Peças, unidades de produtos

Executam suas operações em quantidades de materiais

Variações

Parâmetros

saídas do processo

entradas para o processo

Contínuos

Discretos

Variações e Parâmetros

Variações Parâmetros

mantém-se ininterruptos conforme o
tempo procede

podem assumir apenas certos valores
em um dado intervalo

Categorias

Discreta não binária

Dados de pulsos

Binária

podem assumir um de dois valores possíveis, ligado ou
desligado, 1 ou 0 etc

Podem assumir mais do que dois valores possíveis,
mas menos do que um número infinito de valores possíveis

um trem de pulsos que pode ser contado

Discreto

Contínuo

variáveis e parâmetros são contínuos e
analógicos

variáveis e parâmetros são discretos, na maioria
discretos binários

O objetivo comum é manter o valor de uma variável de saída em um nível desejado

Similar à operação de um sistema de controle por realimentação

A maioria dos processos industriais contínuos tem múltiplas malhas de realimentação

Parâmetros e variáveis são normalmente contínuos

Exemplos

Controle da posição de uma ferramenta de corte em relação à peça na máquina-ferramenta CNC

Controle da saída de uma reação química que depende da temperatura, pressão etc.

Tipos

Otimização em estado estacionário

Controle adaptativo

Controle preditivo

Estratégias de busca em tempo real

Controle regulatório

Outras técnicas especializadas

Redes Neurais

Sistemas de especialistas

Objetivo

manter o desempenho do processo em certo nível ou dentro de uma faixa de tolerância desse nível

Medida de desempenho é às vezes calculada com base em muitas variáveis de saída

Apropriado quando o desempenho relaciona-se a uma medida de qualidade

Medida de desempenho é chamada de índice de desempenho

Objetivo

antecipar o efeito de perturbações que vão prejudicar fazendo seu sensoriamento e ompensando-as antes que possam afetar o processo

Modelo matemático captura o efeito da perturbação no processo

ma compensação completa para a perturbação é difícil devido a variações, imperfeições no modelo matemático e imperfeições nas ações de controle

Normalmente combinado com o controle regulatório

O controle regulatório e o controle preditivo são mais proximamente associados com as indústrias de processo

Classe técnicas

  1. A relação entre as variáveis do processo e o índice de desempenho é conhecida
  1. Os valores dos parâmetros de sistema que otimizam o índice de desempenho podem ser determinados matematicamente
  1. Há um índice de desempenho bem definido

Sistema de malha aberta

Técnicas de otimização incluem cálculos diferenciais, programação matemática etc.

Como o sistema de controle do estado estacionário opera como umsistema de malha aberta, ele não pode compensar por perturbações

O controle adaptativo é uma forma autocorretiva de controle otimizado que inclui o controle por retroalimentação

Utiliza um algoritmo de controle que tenta otimizar algum índice de desempenho (controle otimizado)

Mede as variáveis de processo relevantes durante a operação (controle por retroalimentação)

Funções

Função de decisão – decide quais mudanças devem ser feitas para melhorar o desempenho do sistema

Função de modificação – implementar a função de decisão

. Função de identificação – valor atual do índice de desempenho é determinado com base em medidas de variáveis do processo

Alterar alguma função interna do controlador

Mudar um ou mais parâmetros de entrada

Diz respeito a mudanças físicas no sistema (hardware em vez de software)

Em vez disso, experimentos são executados no processo

Com base em efeitos observados, mudanças maiores são feitas para conduzir o sistema ao melhor desempenho

Classe especial de controle adaptativo na qual a função de decisão nãopode ser definida de forma eficiente

Relação entre os parâmetros de entrada e o índice de desempenho não é conhecida, ou não é conhecida de maneira suficiente para
implementar a forma anterior de controle adaptativo

Pequenas mudanças sistemáticas são feitas nos parâmetros de entrada do processo para observar os efeitos

As mudanças são executadas por uma de duas razões:

As mudanças são definidas de maneira antecipada pelo programa de instruções

Variáveis e parâmetros do processo são modificados em momentosdiscretos de tempo

Variáveis e parâmetros do processo são discretos

Passado determinado período de tempo (mudanças ocasionadas por tempo)

Alteração no estado do sistema (mudanças ocasionadas por evento)

Tipos

sequencial – controla a execução de mudanças ocasionadas por tempo

lógico combinacional – controla a execução de mudanças ocasionadas por evento

Parâmetros e variáveis = 0 ou 1 (ligado ou desligado)

Saída a qualquer momento depende dos valores das entradas

Também conhecido como controle lógico

Utiliza temporizadores internos para determinar quando iniciar mudanças nas variáveis de saída

Controle de processos
por computador

Origem no fim dos anos de 1950 nas indústrias de processos

Controle do valor desejado (set point control)

Sistema de controle digital direto (direct digital control – DDC) instalado em 1962

Computadores de grande porte (mainframes) – lentos, caros, pouco confiáveis

Minicomputador introduzido no fim dos anos de 1960, microcomputador introduzido no início dos anos de 1970

Controladores lógicos programáveis introduzidos no início dos anos de 1970 para o controle de processo discreto

Controle distribuído começou em torno de 1975

PCs para o controle de processos no início dos anos de 1990

Recursos do controle
por computador

• Sistema de interrupção
• Tratamento de exceções

• Pesquisa (amostragem de dados)
• Intertravamentos

Amostragem periódica de dados para indicar o estado do processo

Mecanismos de segurança para coordenar as atividades de dois ou mais dispositivos e prevenir que um dispositivo interfira em outro(s)

• Questões:

Frequência de pesquisa – é a recíproca do intervalo de tempo entre as coletas de dados

Formato da pesquisa – procedimentos de amostragem alternativos

Ordem de pesquisa – sequência em que diferentes pontos de coleta do processo são colhidos

Intertravamentos de entrada – é um sinal que se origina em um dispositivo externo enviado para o controlador; funções possíveis

Intertravamentos de saída – sinal enviado pelo controlador para algum dispositivo externo

Interromper a execução do programa de ciclo de trabalho

Proceder com a execução do programa de ciclo de trabalho

Uma característica de controle por computador que permite a suspensão da execução do programa atual para executar outro programa em resposta a um sinal de entrada indicativo de evento de maior prioridade

Uma exceção é um evento que está fora da operação normal ou desejada do sistema de controle de processos

Interrupção interna – gerada pelo próprio computador

• Interrupção externa – alheia ao sistema do computador

Exemplos: interrupções iniciadas por processos e entrada do operador

Exemplos: eventos iniciados pelo temporizador, pesquisa de dados, interrupções iniciadas por sistema e programa

• Exemplos de exceções:

Variáveis de processo operando fora dos intervalos normais

Problemas de qualidade no produto

Escassez de matérias-primas
Condições de perigo, por exemplo, um incêndio

Mau funcionamento do controlador

O tratamento de exceções é uma maneira de detecção e recuperação de erros

Formas de controle

Controlador lógico programável

Controle supervisório

Controle numérico e robótica

Sistemas de controle distribuído e computadores pessoais

Controle digital direto (direct digital control – DDC)

Monitoramento de processos por computador

Computador observa o processo e os equipamentos associados, coleta e grava dados da operação

Tipos de dados coletados:

Dados de equipamentos – monitorar a utilização das máquinas, agendar a troca de ferramentas, diagnosticar o mau funcionamento

Dados do produto – para satisfazer exigências do governo, por exemplo, indústrias farmacêuticas e de suprimentos médicos

Dados do processo – parâmetros de entrada e variáveis de saída

Um sistema de controle de processos por computador em que certos componentes de um sistema de controle analógico convencional são
substituídos pelo computador digital

Nos anos de 1960 utilizando computadores de grande porte (mainframes)

Aplicações: indústrias de processo

A regulação do processo é realizada pelo computador em uma base de tempo compartilhado e com uma amostragem de dados em vez dos vários componentes analógicos individuais trabalhando de forma contínua e
dedicada

Componentes substituídos no DDC: controladores analógicos, instrumentos de exibição e gravação, mostradores de valor desejado

Componentes que permanecem no DDC: sensores e atuadores

Controle númerico por computador (CNC) – o computador dirige uma ferramenta de máquinapor meio de uma sequência de passos de
processamento definida por um programa de instruções

Robótica industrial – as juntas do manipulador são controladas para mover e orientar o final do braço por uma sequência de posições no ciclo
de trabalho

Controlador baseado em microprocessador que executa um programa de instruções para implementar funções de lógica,sequenciamento, tempo,contagem e controle aritmético a fim de controlar as máquinas e processos

Foram introduzidos por volta de 1970 para substituir controladoreseletromecânicos por relés nas indústrias de produção discreta

Os CLPs atuais são usados tanto para aplicações de controle contínuo como para as de controle discreto, tanto nas indústrias de processo como
nas de produção discreta

image

Características:

Estações locais com operador distribuídas pela planta, o que dá redundância ao sistema digital de controle distribuído (SDCD)

Rede de comunicações (via de dados)

Uma central de controle onde ocorre o controle supervisório da fábrica

Várias estações de controle de processo para controlar malhasindividuais e dispositivos do processo

Vantagens

• Redundância devido a seus vários computadores

• Cabeamento de controle é reduzido em comparação a uma configuração de controle por computador

• Muitos computadores facilitam a execução multitarefa em paralelo

• As redes oferecem informações do processo em toda a empresa para um gerenciamento mais eficiente da fábrica e do processo

• Pode ser instalado com uma configuração bem básica e depois expandido e melhorado conforme a necessidade no futuro

PCs no controle de processos

Controle direto – o PC é diretamente ligado ao processo e controla suas operações em tempo real

Interface com o operador – o PC é ligado a um ou mais CLPs ou outros dispositivos que controlam diretamente o processo

Capacitadores de PCs
para controle direto

• Filosofia da arquitetura livre em projetos de sistema de controle

• PCs de nível industrial, equipados com gabinetes projetados para oambiente das fábricas

• Disponibilidade de PCs de alto desempenho
Velocidades de ciclo dos PCs excedem hoje em dia àquelas dos CLPs

• Familiaridade generalizada dos trabalhadores com PCs

Sistemas operacionais dos PCs que facilitam o controle em tempo real e a comunicação em rede

Fornecedores de hardware e software concordam em obedecer normas de produção que permitem interoperabilidade de seus produtos