Sintonia Automática de Controlador PID: método de resposta ao degrau e implementação em CLP

De Marcos Aurelio Dal Magro

Este trabalho trata da sintonia automática de controladores do tipo PID (proporcional integral e derivativo) e sua implementação em CLP (controlador lógico programável). São apresentadas, analisadas e simuladas estruturas típicas de controladores PID e as características adicionais necessárias para utilização na prática. O método de identificação utilizado é baseado na resposta ao degrau de sistemas tipicamente FOPDT (primeira ordem mais tempo morto) e SOPDT (segunda ordem mais tempo morto), com identificação via modelo FOPDT. Várias técnicas de identificação e sintonia são também apresentadas, simuladas e analisadas, optando-se neste trabalho pela implementação prática do método de identificação de Smith e sintonia via método de Chien-Hrones-Reswick. Por fim, são comparados os desempenhos dos métodos de sintonia apresentados via plataforma de programação Codesys. A solução proposta mostrou-se satisfatória dentro das limitações e condições apresentadas, atendendo às expectativas e requisitos esperados.

• Idioma: Português
• Editora: Editora Dialética
• Data de lançamento: 29 de ago. de 2023
• ISBN: 9786525292168

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1 INTRODUÇÃO

Realizar controle sobre seus processos de fabricação é essencial para qualquer indústria ter sucesso nos dias de hoje, para isso é muito importante o conhecimento da teoria aplicada. Outro fator essencial é a capacidade de relacionar a teoria com a prática, o que na maioria das vezes não é uma tarefa simples quando se trata de controlar de processos.

Conforme mencionado por (FRANCHI, 2013), durante muito tempo a teoria de controle de processos foi ensinada por meio de funções de transferência, análise no domínio da frequência e fundamentos matemáticos derivados das transformadas de Laplace. Esses conceitos são fundamentais para uma análise mais aprofundada. Entretanto, essa forma de exposição muitas vezes torna difícil o entendimento, pelo fato de não ser tão simples e óbvio conectar os fundamentos matemáticos com as implementações reais dos controladores.

Com o objetivo de atender uma demanda e um nível de exigência de qualidade cada vez maior utilizando cada vez menos recursos, a indústria sempre buscou aperfeiçoar e otimizar cada vez mais seus processos, estando sempre em constante evolução tecnológica ao longo do tempo.

Conforme apresentado por (FRANCHI, 2013), o controle de processos era implementado originalmente na indústria por operadores, empregando o seu conhecimento sobre o processo como ferramenta fundamental para a operação. As indústrias, de uma forma geral, dentro de um curto espaço de tempo sofreram a transição de uma operação praticamente manual para o controle em sistema microprocessados de grande complexidade. Com essa transição houve algumas mudanças drásticas que resultaram em uma melhor qualidade com menor custo de produção.

Dessa forma é possível afirmar que os conceitos de controle de processos são uma ferramenta essencial para a indústria.

Com o advento da evolução tecnológica nas indústrias surgiram os controladores de processos, que também ao longo dos anos foram cada vez mais aprimorados. Partindo desde uma combinação de atuadores eletromecânicos até os controladores digitais microprocessados dos dias atuais.

Diversas técnicas de controle já são suportadas pelos controladores de hoje, porém mesmo com o nível de sofisticação atual sempre é necessário aplicar parâmetros de ajuste de controle para se obter um bom desempenho. A definição dos valores desses ajustes muitas vezes é feita manualmente, o que pode originar malhas de controle mal ajustadas, que consequentemente geram desperdícios para a indústria.

De acordo com estudo apresentado por (YU, 2006), na indústria de processos mais de 97% dos controladores são do tipo PID, e a maioria é configurada sem a parte derivativa (PI). Já se passaram muitos anos desde a publicação do tradicional método de sintonia de Ziegler-Nichols em 1942, porém mesmo assim o problema de malhas de controle mal sintonizadas ainda existe.

Conforme (YU, 2006), pesquisas sobre desempenho das malhas de controle nos EUA mostram que:

a) Na indústria de papel e celulose:

• Somente 20% das malhas operam de forma satisfatória, isto é, o controle automático apresentou melhores resultados que o manual.

• 30% apresentam mau desempenho devido a problemas de sintonia.

• 30% apresentam mau desempenho devido a problemas nas válvulas de controle.

• 20% têm desempenho insatisfatório devido a problemas no projeto do processo ou do sistema de controle.

b) Indústrias de processos em geral:

• Apenas 23% dos controladores utilizam modo de controle automático.

• 30% das malhas de controle operam em modo manual.

• 17% dos controladores utilizam o ajuste padrão de fábrica.

• 30% com baixo desempenho devido a problemas em sensores e válvulas.

De forma geral, as pesquisas analisaram mais de 26.000 malhas de controle na indústria em geral e chegaram às seguintes conclusões:

• Somente 32% das malhas de controle foram classificadas com desempenho excelente ou aceitável.

• 32% dos controladores foram classificados com mau desempenho, por apresentarem respostas lentas ou oscilatórias.

• 36% dos controladores operavam em malha aberta, o que implica que estavam em manual.

Nestes levantamentos, o controlador PID foi empregado na grande maioria das aplicações (97%). Em casos raros foram aplicadas estratégias e controle avançada.

Desta forma, conforme afirmado por (FRANCHI, 2013) sobre tais pesquisas, constatou-se que o desempenho das malhas de controle não estavam de forma adequada como se previa. Isto ocorre de modo similar nas indústrias do Brasil como do exterior, sendo que existem diferentes percentuais para cada caso devido à diferença do estágio da tecnologia empregado no local.

Controles de processos industriais de forma geral consistem em manter alguma grandeza ou variável do processo dentro de limites predefinidos, através da utilização de algum tipo de controlador.

O controlador PID, por ser relativamente simples e muito eficaz, é um dos mais utilizados na indústria, conforme apresentado por (YU, 2006). A sua correta sintonia implica em um melhor desempenho do processo e melhor aproveitamento dos recursos (energia e materiais). Sendo assim a metodologia para determinação dos seus ajustes uma etapa importante para um melhor desempenho do sistema.

Na indústria é muito utilizado CLP (controlador lógico programável) para executar a tarefa de controlador PID. Sendo que na maioria das vezes os recursos oferecidos pelas ferramentas de programação de CLP são muito simples e limitadas, o que dificulta a sintonia e comissionamento (start-up) das malhas de controle.

A Figura 1 - Malha de controle de processo industrial apresenta um exemplo de uma malha de controle industrial, onde é possível identificar a utilização de CLP para executar a função de controlador PID.

Figura 1 - Malha de controle de processo industrial

1.1 OBJETIVO GERAL

Esse trabalho tem como objetivo elaborar e implementar algoritmo em CLP para sintonia automática de controlador PID, utilizando método off-line e que ofereça pouca perturbação ao processo. Empregando uma linguagem de programação padrão que facilite migrar o código para outras plataformas, dessa forma suprindo as deficiências encontradas em ferramentas de programação de CLP, economizando tempo de comissionamento (start-up) das malhas de controle e otimizando o processo de sintonia.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Analisar os métodos de identificação de processos;

• Avaliar os métodos de sintonia automática baseados na resposta ao degrau;

• Implementar algoritmo de sintonia automática em CLP.

1.3 METODOLOGIA

• Estudar as diversas estruturas de controladores PID;

• Verificar os diferentes tipos de processos existentes;

• Pesquisar os diversos modelos de sintonia de controladores PID;

• Pesquisar sobre técnicas de sintonia utilizadas por fabricantes de CLP;

• Realizar testes práticos para avaliação de resultados;

• Comparar resultados entre técnicas de mercado e solução proposta.

1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO

No Capítulo 2 são abordadas as características do controlador PID, pois um ponto importante é conhecer os diversos tipos de controladores