Sistemas Avançados de Controle de Processo para Eficiência Industrial

O que é Controle de Processo?

Processo é amplamente definido como operação que usa recursos para transformar inputs em outputs. É o recurso que fornece energia necessária para a transformação. No contexto industrial, "processo" (em "controle de processo") refere-se aos métodos de transformação e refino de matérias-primas (sólido, líquido, gasoso, fluido, pasta) para criar produtos finais com propriedades especificadas. Matérias-primas são transferidas, medidas, misturadas, aquecidas/resfriadas, filtradas, armazenadas ou manuseadas para obter saída desejada. Sofrem mudanças físicas e químicas para conversão em produtos finais.

Indústrias operam múltiplos processos, cada um com comportamento dinâmico (variável no tempo) próprio, governado por propriedades físico-químicas dos inputs, recursos e do próprio processo.

Controle de processo refere-se aos métodos empregados para controlar variáveis do(s) processo(s) na manufatura. É o ato de controlar um elemento final de controle para variar a variável manipulada e manter a variável de processo no setpoint desejado. Variáveis podem estar em inputs, parâmetros ou outputs do processo. Controle visa reduzir variabilidade para: qualidade de produto consistente, taxas de produção melhores, eficiência do processo, proteção ambiental, segurança de pessoas/equipamentos.

Corolário: processo controlável deve comportar-se de modo previsível. Para dada mudança na variável manipulada, a variável de processo deve responder de forma previsível e consistente.

Objetivos do Sistema de Controle de Processo

• Central para manutenção da qualidade do produto. Mantém parâmetros dentro de limites estreitos para especificações consistentes. Sem controle, qualidade varia e produto pode ser rejeitado.
• Preservar segurança de pessoal, equipamentos e meio ambiente.
• Atender e maximizar produtividade dos equipamentos e, portanto, produção.
• Garantir que consumo de matérias-primas, energia e utilidades permaneça dentro das normas especificadas.
• Manter custo de produção sob controle, superando restrições ambientais, sem comprometer segurança e qualidade.

Operação Estável e Perturbações

Para saída desejada, processo deve operar dentro de parâmetros definidos. Operação estável = dentro da faixa especificada dos parâmetros. Desvios = perturbações (disturbances), causados por mudanças não controladas nos inputs: condição de alimentação, pressão/temperatura de utilidades, atividade de catalisador, eficiência de transferência de calor, etc. Perturbações causam desvios nas variáveis de processo → instabilidade.

Natureza Dinâmica e Dupla Tarefa

Processos industriais são tipicamente dinâmicos. Sistema de controle tem dupla tarefa: operador (i) monitora indicadores de condições do processo e (ii) induz mudanças em variáveis apropriadas para melhorar condições. Controle mantém condições desejadas ajustando variáveis selecionadas. Valor específico ou faixa usado como valor desejado. Melhor utilizar sistema de controle mais simples que atinja objetivos. Projeto do processo determina resposta dinâmica e como pode ser controlado.

Quatro Tipos de Variáveis

• Variáveis de entrada (Input variables): estimulam independentemente o sistema, induzindo mudança nas condições internas. Podem ser variáveis manipuladas ou de perturbação.
• Variáveis de saída (Output variables): fornecem informação sobre estado interno do processo ao operador.
• Variáveis de controle (Control variables): usadas pelo operador para manipulação e manter processo sob controle.
• Variáveis de estado (State variables): conjunto mínimo de variáveis essenciais para descrever completamente o estado interno do processo.

Monitoramento e Instrumentação

Processo deve ser monitorado para operar em condição estável e dar saída desejada. Condições (parâmetros) são medidas. Operador depende de instrumentos. Cada sistema tem cálculo de controle (algoritmo). Resultados implementados para funcionamento correto. Instrumentos para controle:

• Sensores: funções de "visão, audição". Medem temperatura, nível, vazão, composição, etc. Ex.: termopares, medidores de pressão diferencial, analisadores de gás.
• Transmissores: "neurônios". Transmitem sinais (pneumáticos, elétricos, etc.).
• Controladores: "cérebro". Podem ser pneumáticos, eletrônicos, ou computadores digitais.
• Elemento final de controle (Final control element): "músculos". Válvulas de controle, bombas, compressores, transportadores, chaves relais, etc.

Fig. 1 – Diagrama de blocos mostrando elementos de controle

Razões para Controle

1. Manter variável medida no valor desejado quando ocorrem perturbações.
2. Responder a mudanças nos valores desejados dos parâmetros de processo. Valores desejados = necessários para operação estável, produto especificado, modo econômico e seguro, sem afetar adversamente o ambiente.

Influência do Projeto e Calibração

Projeto da planta/equipamentos influencia fortemente atividades de controle. Essencial que processo forneça bom desempenho dinâmico. Todos instrumentos/equipamentos de ensaio devem ser calibrados periódica e corretamente. Calibração deve rastrear a padrões nacionais. Sensores devem ser corretos, rápidos, com capacidades adequadas ao equipamento/processo. Controle pode ser manual ou automático com instrumentação necessária. A maioria dos controles automáticos usa equipamentos eletrônicos (níveis de corrente/tensão representam valores).

Bom Controle de Processo

Sistema deve ser responsivo e poucas perturbações devem ocorrer. Em sistema responsivo, variáveis controladas respondem rapidamente a ajustes nas manipuladas. Frequência de perturbações também reduz. Lembre-se: operador só controla parâmetro se ele for medido → localização e seleção de sensores são cruciais. Sensores devem medir variáveis rapidamente, confiavelmente e com precisão suficiente.