Controlo na industria

Prévia do material em texto

Aplicações de controlo 
na indústria
Instrumentação e sensores
CONTEÚDO
1. Objetivos
2. Introdução
3. Critérios de seleção de um sistema de controlo
4. Exemplos típicos de controlo na indústria
Fornos 
Secadores
Controlo da combustão 
Controlo de nível 
Permutadores de calor 
Reator de central nuclear
5. Resumo
6. Bibliografia
Aplicações de controlo na indústria | 3
OBJETIVOS
• Estabelecer os requisitos de funcionamento dos
sistemas de controlo adequados, de acordo com
as exigências do sistema.
• Analisar o funcionamento dos sistemas de
medição e controlo típicos nas indústrias.
INTRODUÇÃO
Uma das conquistas mais importantes da 
humanidade teve lugar durante a Revolução Industrial. A 
partir daí, tornou-se evidente a importância de 
dispor de um processo sequencial, rigoroso e o mais 
automatizado possível, com o objetivo de obter um 
produto em grandes quantidades a um custo relativamente 
baixo.
Atualmente, a indústria em grande escala baseia-se na 
utilização contínua de maquinaria e processos 
controlados através de dispositivos mecânicos e 
eletrónicos. O emprego no setor industrial 
reinventou-se e continua a fazê-lo, uma vez que um 
operador necessita de uma maior qualificação técnica 
e multidisciplinar, dado que é exigido o manuseamento 
e a compreensão de tecnologia atualizada.
Este módulo centra-se na análise dos diferentes 
tipos de sensores e atuadores que se encontram 
frequentemente em processos de caráter industrial, bem 
como na identificação dos tipos de sistemas de 
controlo, com o objetivo de compreender a intervenção 
de um dispositivo atuador em função de uma variável 
física ou química a medir.
Será utilizado como base o livro 
«Instrumentação industrial», de A. Creus [1]; W. 
Bolton [2] e J.P. Holman e
W. J. Gajda [3].
CRITÉRIO DE SELEÇÃO DE 
UM SISTEMA DE CONTROLO
A escolha de um sistema de controlo pode ser vista 
como um compromisso entre a qualidade de controlo 
pretendida e o custo desse sistema. Por exemplo, do 
ponto de vista económico, atualmente não há grande 
diferença entre um controlador PI e um PID, pelo que é 
possível optar por um controlador PID, que oferece 
maior flexibilidade caso seja necessário.
Como orientação aproximada para o controlo 
ideal, podem ser considerados os seguintes 
circuitos de controlo:
• Tudo-nada (on-off): utilizado no controlo de nível e
temperatura em processos de grande capacidade
(adapta-se a uma velocidade de reação lenta e
apresenta um tempo de atraso mínimo).
• Flutuante (de velocidade constante): adequado
para processos com tempos de atraso
reduzidos. As variações de carga são muito
rápidas.
• Proporcional: pressão, temperatura e nível, onde o
desvio permanente da variável, uma vez estabilizada
em relação ao ponto de consigna, não constitui um
problema.
• Proporcional e integral: adapta-se à maioria das
aplicações, incluindo o caudal.
• Proporcional e derivado: quando é necessária
uma grande estabilidade com um erro mínimo
e não é necessária uma ação integral.
• Proporcional, integral e derivado: mais
adequado para processos com mudanças
rápidas e atrasos significativos
(controlo de temperatura em permutadores
de calor).
EXEMPLOS DE CONTROLO 
TÍPICOS NA INDÚSTRIA
Nesta secção, são apresentados exemplos dos 
sistemas de controlo mais frequentemente 
utilizados, nomeadamente fornos, secadores, 
permutadores de calor e controlo de nível.
Fornos
Os fornos têm como objetivo facilitar o processo 
de cozedura, muito utilizado na indústria 
cerâmica. Normalmente, o forno é organizado em 
três zonas: pré-aquecimento, cozedura e 
arrefecimento (figura 1). A carga é transportada a 
uma velocidade determinada entre as zonas. A 
temperatura é regulada na zona de cozedura, onde 
se encontram os queimadores de combustível. A 
temperatura na zona de pré-aquecimento é 
alcançada através da circulação controlada de ar 
quente, proveniente da zona de arrefecimento.
Salvo em casos especiais, em que se possa medir 
diretamente a temperatura das peças, as 
temperaturas são as correspondentes às zonas 
do forno. Para a medição da temperatura, 
utilizam-se termopares de cromel-alumel 
(máximo 950 - 1200 °C) ou de platina-ródio 
(máximo 1400 °C), dependendo das temperaturas a 
medir. Utilizam-se mangas cerâmicas de mullita de 
sílica-alumina ou de alumínio recristalizado.
Os reguladores atuam sobre uma válvula solenóide ou 
sobre válvulas pneumáticas equipadas com 
servomotor eletropneumático ou digitopneumático.
A zona de cozedura pode ser dividida em várias 
zonas de controlo com regulação independente entre 
si. São utilizados reguladores do tipo «tudo ou nada», 
de nível flutuante ou um regulador P/PI/PID.
A regulação da tiragem tem duas tomadas de 
controlo ligadas em lados opostos à entrada ou 
saída da zona de ignição. O controlador atua, neste 
caso, sobre o ventilador de saída de ar para manter a 
tiragem desejada.
Aplicações de controlo na indústria | 4
Figura 1. Esquema de regulação num forno túnel típico.
Secadores
Os secadores têm como objetivo obter o produto 
sólido com pouca humidade. Os evaporadores 
concentram o produto na forma líquida ao evaporar a 
água.
O modelo de secador contínuo de evaporação rápida 
(flash), que transporta o produto numa corrente de ar 
quente e, em pouco tempo, reduz a sua humidade até 
ao valor final. A temperatura variável (que depende 
da humidade e é mais fácil de medir do que a 
humidade diretamente do produto) é controlada de forma 
contínua. O controlo (normalmente PID) é geralmente 
em cascata, utilizando a temperatura de saída 
como variável primária e a temperatura do forno 
como secundária (figura 2).
A Figura 2 apresenta um esquema com os 
instrumentos de controlo associados. O produto, na 
forma de pó húmido, entra no circuito após o forno e é 
seco durante o percurso pelo tubo vertical. O queimador 
do forno possui controlos auxiliares para monitorização 
da chama, uma válvula solenóide com rearmamento 
manual para interromper o fluxo de combustível, um 
pressostato e termóstatos para alarmes de pressão 
máxima e mínima e de temperatura.
O modelo de secador rotativo consiste num cilindro de 
grande comprimento no qual é introduzido o produto 
húmido. Nesse cilindro circula ar quente. O controlo é 
também, geralmente, em cascata e normalmente PID, tal 
como no caso anterior. A figura 3 mostra um exemplo.
Controlo da COMBUSTÃO
A regulação da combustão, no caso de uma caldeira a vapor, 
baseia-se na manutenção constante da pressão do vapor 
no seu interior. As variações de pressão são 
consideradas como uma medida da diferença entre o calor 
retirado da caldeira sob a forma de vapor e o calor 
fornecido.
O controlador da pressão do vapor ajusta a válvula de 
controlo do combustível. O caudal de ar gera um sinal 
que é modificado por um relé de relação para 
ajustar a relação entre o ar e o combustível. 
Em seguida, passa para um controlador que a compara 
com o sinal de caudal de combustível. Se a proporção não 
estiver correta, é emitido um sinal para o servomotor 
de comando do ventilador ou para a válvula borboleta, 
de modo a ajustar a relação combustível-ar.
Existem as seguintes características de combustão:
• Caudal de combustível – caudal de ar em série:
O controlador de pressão ajusta o ponto de
consigna do controlador de caudal de combustível e
atua através do relé de relação combustível-ar, como
ponto de consigna do controlador de ar. As
variações no caudal de combustível influenciam
lentamente o sinal de pressão de vapor, pelo que
o controlador «mestre» é ajustado para uma
resposta rápida.
A principal desvantagem é que, em caso de falha de 
ar, o combustível continua a circular e acumula-se, com 
risco de explosão.
Aplicações de controlo na indústria | 5
Figura 2. Secador de evaporação rápida. Retirado de: instrumentação industrial, Antonio Creus. 2010.
Vapor
Produto 
húmido
Produto 
seco
TT TRC TRC TT
Figura 3. Secador rotativo. Retirado de: Instrumentação Industrial, Antonio Creus. 2010.
• Caudal de ar – caudal de combustívelem série:
O controlador de pressão (mestre) ajusta o sinal de
ar. Isto é feito através de um relé de relação que
ajusta o controlador de combustível.
Elimina a possibilidade de formação de
mistura explosiva caso falhe o sinal de ar de
combustão.
• Pressão de vapor – caudal de
combustível/caudal de vapor – caudal de ar em
série:
O sistema caracteriza-se por manter com maior
segurança a relação correta ar-combustível, mesmo
que o combustível não seja medido
corretamente.
O controlador de pressão de vapor regula o
controlador de caudal de combustível. O
transmissor de caudal de vapor regula o
controlador de caudal de ar no sistema de
controlo de combustão. As flutuações no caudal de
vapor não são tão rápidas como as da pressão na
linha principal de vapor.
• Caudal de ar – caudal de combustível em paralelo:
A principal vantagem deste sistema é o seu
controlo direto do combustível e do ar. De
facto, para manter uma relação correta
combustível-ar, convém incorporar um relé de
relação manual no sistema. O sistema está limitado
a caldeiras com pequenas variações de carga.
Controlo de nível
O sistema de controlo da água de alimentação pode 
ser implementado de acordo com a capacidade de 
produção da caldeira, tendo em conta que cada caso 
deve ser analisado individualmente.
Em caldeiras de pequena capacidade 
(inferior a 1000 kg/h), a regulação pode ser do tipo 
«tudo ou nada», com dois alarmes de nível alto e 
baixo que acionam a bomba de alimentação de água.
Em caldeiras de média capacidade (entre 
2000 e 4000 kg/h), pode ser utilizado um controlador 
de flutuador com um reóstato acoplado eletricamente a 
uma válvula motorizada elétrica. Este conjunto tem 
um ponto de consigna situado no ponto médio do 
campo de medição do nível do flutuador.
TRC TT
TRC
Produto
Saída 
do 
produto
Aplicações de controlo na indústria | 6
Em caldeiras de alta capacidade (superior a 4000 
kg/h), podem ser considerados três tipos de 
regulação:
• De um elemento (nível)
• De dois elementos (nível e caudal de vapor)
• Três elementos (nível, caudal de vapor e caudal
de água)
Na regulação de nível de um elemento, o único 
instrumento utilizado é o controlador de nível que 
atua sobre a válvula de alimentação de água. Para medir 
o nível, utiliza-se um instrumento do tipo deslocamento
ou de pressão diferencial de diafragma.
Na regulação de nível de dois elementos, esta é conseguida 
com um controlador de caudal de vapor e um controlador 
de nível, cujos sinais de saída são comparados num relé 
de relação que atua diretamente sobre a válvula de 
controlo da água de alimentação.
Na regulação de três elementos, elimina-se o 
fenómeno de oscilação do nível de água que 
ocorre quando o caudal de vapor muda rapidamente. É 
um sistema recomendado em sistemas com cargas 
dinâmicas.
Existem três variáveis que intervêm principalmente no 
sistema:
• O caudal de vapor
• O caudal de alimentação de água
• O nível da água
Para que sejam estáveis, o caudal de vapor e o caudal 
de água devem ser iguais. Por outro lado, o nível 
de água deve ser reajustado para manter limites 
determinados.
A medição do caudal de vapor é efetuada 
preferencialmente com um bocal (que facilita a redução 
da erosão causada pelas gotas de água arrastadas pelo 
vapor). O caudal de água de alimentação pode ser 
medido através de uma placa orificiada ou de um 
bocal.
Os instrumentos de medição e atuação podem 
interagir de várias formas; os mais frequentes 
(figura 4) utilizam um sinal antecipado (feedforward) do 
caudal de vapor que se sobrepõe ao controlo de nível 
(procurando dar mais prioridade às diferenças entre os 
caudais de água e de vapor do que às variações do 
nível face a uma procura súbita).
Permutadores de calor
Os permutadores de calor são habitualmente 
utilizados em processos industriais, como, por exemplo, 
na refrigeração, pasteurização, esterilização, etc.
Nos permutadores de calor, existem diversos 
sistemas de controlo, devido aos vários fatores a ter em 
conta: a pressão, as flutuações no caudal, as variações 
de temperatura, etc.
Um esquema de controlo simples que atua sobre a válvula 
de vapor com um controlador de temperatura é 
apresentado na figura 5.
Na figura 6, o nível de condensado no serpentino 
de vapor é regulado indiretamente por meio de 
um controlador de temperatura do produto que 
aciona uma válvula de controlo na linha de 
saída do condensado.
A vantagem deste sistema é que elimina os problemas de 
purga do condensado que o anterior apresentava, ao 
manter constante a pressão do vapor no interior do 
serpentino.
A desvantagem é a lentidão que isso introduz na 
resposta quando as condições mudam, uma vez que, se 
o caudal do produto diminuir, o controlador de
temperatura ordena o fecho da válvula e o serpentino
demora algum tempo a encher-se com o condensado do
vapor.
Figura 4. Controlo de nível. Retirado de: Instrumentação industrial, Antonio Creus. 2010.
FT
e) Três elementos
Relé 
comparador
SP
 LRC LT
FT
Aplicações de controlo na indústria | 7
TT
Condensado
 TIC 
Figura 5. Controlo de temperatura na linha de vapor. Retirado de:
Instrumentação industrial, Antonio Creus. 2010.
Figura 6. Controlo da temperatura na linha de condensado. Retirado 
de:
Instrumentação Industrial, Antonio Creus. 2010.
A figura 7 mostra uma variante do sistema anterior, na 
qual o purgador clássico de condensado é substituído 
por um controlo de nível de condensado. Continua a ser 
utilizado um controlador convencional que atua sobre a 
válvula de vapor para controlar a temperatura do 
produto.
A figura 8 mostra um controlo em cascata entre o 
controlador de temperatura (primário) e um controlador 
de pressão de vapor (secundário). Desta forma, as 
variações de pressão do vapor na linha de 
alimentação são corrigidas pelo controlador de 
pressão, e as variações de temperatura por outras 
causas são corrigidas pelo controlador de 
temperatura.
No caso de o controlo estável face a perturbações ser uma 
tarefa crítica, é possível utilizar instrumentação mais 
complexa (e dispendiosa) para combinar o 
controlo antecipativo (feedforward) com o 
controlo clássico de retroalimentação.
A figura 9 mostra como se calcula a posição da 
válvula de controlo utilizando a equação K1Wpx t1- 
K2(onde Wpé o caudal do produto; t1e t2são as 
temperaturas do produto na entrada e na saída, 
respetivamente).
Nos permutadores de calor entre líquidos, é 
habitual estabilizar a temperatura do líquido de 
aquecimento/refrigeração num sistema separado.
Para melhorar o tempo de resposta, utiliza-se 
um controlador de temperatura que atua sobre uma 
válvula de três vias de derivação que desvia o 
permutador.
Reator de central nuclear
Numa central nuclear, utiliza-se um reator nuclear que gera 
calor, o qual é transferido para um sistema primário de 
refrigeração e para geradores de vapor.
Figura 7. Controlo de temperatura na linha de vapor com controlo de nível no condensado. Retirado de: instrumentação industrial, Antonio 
Creus. 2010.
TRC
TT
TRC
TT
LT
Condensado
TIC
Aplicações de controlo na indústria | 8
K1 Wp 
t1
 XY TRC 
K1 Wp t1 - 
K2
 FIC 
FT TT
FT
TT
Wp t1
Figura 8. Controlo em cascata. Retirado de: Instrumentação Industrial, Antonio Creus. 2010.
Multiplicador Somatório
t2
Figura 9. Controlo antecipado mais realimentação pneumática.
A produção de calor (energia) no reator nuclear é 
obtida através da fissão dos átomos do material 
combustível por bombardeamento com neutrões. O 
combustível tem uma reação em cadeia que pode ser 
controlada por meio de barras de controlo (por 
exemplo, cilindros de carbono) que são introduzidas 
no combustível para absorver neutrões e reduzir 
progressivamente a reação em cadeia (quanto mais as 
barras de controlo são introduzidas, mais o processo 
de reação em cadeia é interrompido) (figura 10).
O número de neutrões fornece uma medida aproximada 
da potência de saída. Para o ajustar, posicionam-se as 
barras de controlo. O sistema de controlo utiliza 
como sinais de entradaos seguintes parâmetros:
• O fluxo de neutrões: o reator contém detetores móveis
de neutrões para o controlo do fluxo de
neutrões.
• As temperaturas: o reator contém termopares de
cromel-alumel para obter os dados da
distribuição de temperaturas.
• A pressão e o caudal do fluido de refrigeração:
contém medidores de pressão diferencial tanto
do núcleo do reator como da bomba de
refrigeração, transmissores de temperatura
e de pressão, medidores de caudal do
refrigerante, etc.
• A posição das barras de controlo e a potência de
saída da central.
Um programa é responsável por calcular a 
utilização das barras de controlo para atingir o nível 
de potência desejado. Além desse programa, 
existe um sistema de paragem que permite 
realizar tanto paragens programadas como 
paragens de emergência.
Uma paragem de emergência num reator nuclear pode 
ocorrer devido a uma perda do caudal do refrigerante 
primário ou a um aumento excessivo da potência de 
saída. Em qualquer um dos casos, verifica-se uma 
reação em cadeia que ultrapassa um nível de segurança, 
pelo que é necessário agir rapidamente e com total 
fiabilidade nestas situações (evitando que haja uma 
situação de emergência que não seja detetada).
TRC PRC
TT
Aplicações de controlo na indústria | 9
Figura 10. Esquema de controlo do reator nuclear.
Os sistemas de segurança têm, portanto, em conta os 
seguintes aspetos:
• Isolamento do sistema de contenção com uma
válvula de bloqueio em cada linha que atravessa as
paredes do reator.
• Manutenção do sistema de barras de controlo. Se
houver algum problema nas barras de controlo
(por não funcionarem de acordo com as
especificações ou por serem utilizadas
incorretamente), é necessário que o sistema de
segurança acione as barras de segurança,
cuja rápida atuação (cerca de meio segundo)
permite evitar danos maiores.
Com o objetivo de melhorar a fiabilidade (incluindo a 
confiabilidade), recorre-se à redundância nos instrumentos. 
Por exemplo, é possível utilizar três instrumentos de 
medição independentes cujos sinais de saída são 
enviados para um sistema de votação que compara os 
três valores; se um deles for diferente dos outros 
dois, o sistema consegue detetar que um medidor está 
com falha e continuar a operação apesar dessa falha. A 
configuração da redundância visa cumprir as normas 
elaboradas para que os sistemas funcionem em 
diferentes cenários de possíveis problemas. As 
normas incluem os métodos para testar os contadores de 
radioatividade, materiais elétricos, motores, 
resistência ao calor, etc. São introduzidas no dispositivo 
de segurança falhas de alimentação dos instrumentos, 
temperatura elevada de refrigeração, nível excessivo 
de potência de saída, etc., para que este cumpra o 
esperado.
RESUMO
Foram analisados os principais critérios de seleção de 
um sistema de controlo, oferecendo uma orientação 
básica para se começar.
Da mesma forma, foram analisados exemplos típicos de 
controlo na indústria, tais como:
• Fornos
• Secadores
• Controlo de combustão
• Controlo de nível
• Permutadores de calor
Em cada um destes exemplos, foram abordados 
aspetos como:
• Objetivo
• Processo de medição
• Possível mecanismo de controlo (ação).
Também foram incluídos, a título de exemplo, os 
aspetos de um reator de uma central nuclear.
BIBLIOGRAFIA
[1] W. Bolton, Instrumentação e controlo industrial,
segunda edição. Espanha: Paraninfo, 1996.
[2] A. Creus, Instrumentação industrial, oitava edição.
Espanha: Marcombo, 2010.
[3] J.P. Holman e W.J. Gajda, Métodos experimentais
para engenheiros, segunda edição. Espanha:
McGraw-Hill, 1986.