Controle de processos industriais: o que é e como funciona

Manter uma variável dentro das condições previstas pelo projeto é uma necessidade básica em inúmeros processos industriais. Uma alteração na vazão, na pressão, na temperatura ou no nível pode exigir uma resposta do sistema para que a operação continue dentro dos parâmetros estabelecidos.

É justamente essa uma das funções do controle de processos industriais: acompanhar o comportamento do processo, identificar diferenças entre a condição medida e aquela desejada e, quando necessário, atuar sobre a operação.

Para isso, não basta apenas um controlador. Existe uma cadeia que começa no campo, passa pela medição das variáveis do processo e chega aos dispositivos responsáveis pela atuação. Sensores, transmissores, elementos primários, válvulas e sistemas de controle podem fazer parte dessa estrutura.

Entender como essas partes se relacionam ajuda a compreender por que a instrumentação industrial exerce um papel tão importante na confiabilidade do controle.

O que é controle de processos industriais?

O controle de processos industriais é o conjunto de técnicas, instrumentos e sistemas utilizados para acompanhar variáveis de um processo e atuar sobre elas de acordo com condições previamente estabelecidas.

Imagine uma linha na qual determinada vazão precise ser mantida durante a operação. Primeiro é necessário saber qual é a vazão naquele momento. Essa informação é medida e enviada ao sistema responsável pelo controle.

O valor medido, conhecido como variável de processo (PV), pode então ser comparado ao valor desejado, chamado de setpoint (SP). A partir dessa diferença, o controlador determina a resposta necessária e envia um comando ao elemento responsável pela atuação.

Em uma malha típica de realimentação, portanto, existe uma sequência:

medição → transmissão → comparação → decisão de controle → atuação → nova medição.

É um ciclo contínuo. A nova condição do processo volta a ser medida, permitindo que o sistema acompanhe as alterações ocorridas durante a operação e realize novas ações quando necessário.

Como funciona o controle de um processo industrial?

Embora uma planta possa possuir inúmeros pontos de instrumentação, a lógica fundamental de uma malha de controle pode ser entendida a partir de algumas etapas.

1. O processo é medido

Tudo começa com uma grandeza física ou química que precisa ser conhecida. Vazão, pressão, temperatura e nível estão entre as variáveis mais importantes em diversos processos industriais.

O instrumento instalado no processo detecta a condição existente naquele ponto.

É justamente aqui que a qualidade da medição ganha importância. Se o valor utilizado pelo sistema não representar adequadamente o comportamento do processo, a decisão de controle será baseada em uma informação que também pode não representar a condição real da operação.

2. A informação é transmitida

O valor medido precisa chegar ao sistema que irá interpretá-lo.

Dependendo da arquitetura de instrumentação utilizada, transmissores convertem a grandeza medida em um sinal apropriado para transmissão e processamento pelo sistema de controle.

Na medição de vazão por pressão diferencial, por exemplo, existe uma relação entre o elemento primário de vazão, responsável por interagir com o escoamento, e o transmissor responsável pela leitura da diferença de pressão.

3. O controlador compara o valor medido ao desejado

Com a informação disponível, o controlador pode comparar a condição real com aquela definida para a operação.

Se o setpoint de determinada variável for 100 e o sistema identificar 90, existe um desvio entre o valor desejado e o medido.

A resposta a esse erro depende da estratégia de controle empregada. Entre as mais conhecidas está o controle PID — proporcional, integral e derivativo —, mas a arquitetura adequada depende das características e da dinâmica de cada processo.

4. O sistema atua sobre o processo

Depois de determinar a resposta necessária, o controlador envia um comando ao elemento final de controle.

Válvulas, bombas e outros dispositivos podem exercer essa função, dependendo da instalação.

É essa atuação que efetivamente modifica uma condição do processo. Se a variável controlada for a vazão, por exemplo, a ação pode alterar a passagem do fluido para aproximar o valor medido daquele estabelecido para a operação.

5. O processo é medido novamente

Depois da atuação, a instrumentação realiza uma nova medição.

O valor retorna ao sistema, é novamente comparado e o ciclo continua. Essa realimentação permite acompanhar as mudanças que ocorrem durante a operação.

Quais variáveis são controladas nos processos industriais?

A variável relevante depende do que está acontecendo na instalação. Entretanto, quatro aparecem com grande frequência:

• vazão, para determinar a quantidade de fluido que passa pelo sistema em determinado intervalo;
• pressão, importante para acompanhar as condições existentes em tubulações, vasos e equipamentos;
• temperatura, utilizada em processos térmicos, reações, aquecimento, resfriamento e inúmeras outras operações;
• nível, necessário para acompanhar a quantidade de material presente em tanques, reservatórios e outros equipamentos.

Também podem ser monitoradas variáveis como pH, densidade, composição, condutividade e diversas outras características.

Não existe, portanto, um único sistema de controle de processos industriais que possa simplesmente ser repetido em qualquer planta. A instrumentação precisa ser definida de acordo com aquilo que será medido e com as condições reais da operação.

Qual é o papel da instrumentação no controle de processos?

Controle e instrumentação estão diretamente relacionados, mas não significam exatamente a mesma coisa.

A instrumentação está ligada à medição das variáveis e aos dispositivos utilizados para obter e transmitir informações do processo. Já o controle utiliza essas informações para determinar se é necessário interferir na operação.

Por isso, um sistema pode possuir instrumentos destinados exclusivamente à indicação ou ao monitoramento, enquanto outros fazem parte efetivamente de uma malha de controle.

Entre os equipamentos de medição industrial e componentes presentes em uma instalação podem estar sensores, transmissores, elementos primários, válvulas, manifolds, linhas de impulso e acessórios.

A confiabilidade da malha, portanto, não depende somente da lógica utilizada pelo controlador. Existe uma cadeia completa entre o ponto onde a variável é medida e o ponto onde ocorre a atuação.

Antes de controlar corretamente uma variável, é preciso obter uma medição adequada dela.

Como a medição de vazão participa do controle de processos?

A vazão é particularmente importante em processos nos quais líquidos, gases ou vapor circulam por tubulações.

Dependendo da aplicação, pode ser necessário determinar vazão volumétrica ou vazão mássica, e existem diferentes princípios disponíveis para realizar essa medição.

Um deles é a medição por pressão diferencial.

Nesse princípio, um elemento primário instalado na tubulação provoca uma alteração conhecida nas condições de escoamento. A diferença de pressão produzida entre pontos definidos do sistema pode então ser utilizada para determinar a vazão.

Entre os elementos primários de vazão empregados nesse tipo de sistema estão diferentes soluções, cuja escolha depende das características da aplicação.

Placa de orifício

A placa de orifício é instalada na tubulação e cria uma restrição à passagem do fluido. A diferença de pressão estabelecida entre pontos definidos antes e depois dessa restrição pode ser relacionada à vazão.

Apesar de o princípio parecer simples, o desempenho da medição depende de vários aspectos da instalação.

Dimensões, tomadas de pressão, condições de escoamento e configuração do conjunto precisam ser consideradas no projeto. Para aprofundar esse princípio, a RDS possui um conteúdo específico sobre placa de orifício para medição de vazão.

Tubo Venturi e bocal de vazão

A placa de orifício não é a única possibilidade para sistemas baseados em pressão diferencial.

O tubo Venturi utiliza uma geometria própria, com alterações na seção de passagem do fluido, para produzir a diferença de pressão utilizada na medição. Já o bocal de vazão, também conhecido como flow nozzle, é outro elemento primário empregado nesse princípio.

A escolha entre essas soluções não deve ser feita apenas pelo nome do equipamento. Características do fluido, condições do processo, perda de carga, instalação e requisitos da medição precisam fazer parte da análise.

Por que a instalação interfere na medição de vazão?

Um equipamento corretamente especificado não elimina a importância das condições de instalação.

O perfil de velocidade do fluido pode sofrer alterações provocadas por curvas, válvulas, conexões e mudanças na geometria da tubulação. Dependendo do método utilizado, essas perturbações precisam ser consideradas na definição do ponto de medição.

É nesse contexto que aparece o trecho reto de medição.

Em determinadas configurações, o trecho reto de medição integra o conjunto mecânico utilizado no sistema, permitindo que as condições previstas para a instalação sejam consideradas no projeto.

Também existem retificadores de fluxo, empregados em aplicações nas quais a configuração do sistema prevê a necessidade de atuar sobre as condições do escoamento antes do ponto de medição.

Isso demonstra uma diferença importante entre simplesmente selecionar um instrumento e projetar uma medição: o comportamento do fluido também faz parte do sistema.

Onde entram as válvulas na instrumentação?

Nem toda válvula presente em um sistema de instrumentação é o elemento final responsável por controlar diretamente o processo.

Algumas desempenham funções relacionadas ao bloqueio, isolamento ou controle da passagem do fluido em linhas de instrumentação.

Uma válvula agulha para instrumentação, por exemplo, pode ser utilizada para bloqueio total ou controle da vazão em linhas associadas a manômetros, transmissores de pressão e sistemas de medição e controle.

Já os manifolds reúnem válvulas em configurações destinadas à instrumentação. Dependendo da aplicação, podem existir conjuntos com diferentes números de vias e arranjos.

Por isso, entender as diferenças entre uma válvula manifold de 2, 3 ou 5 vias ajuda na definição da configuração adequada à função necessária no sistema.

Esses componentes não devem ser analisados isoladamente. A especificação precisa considerar pressão, temperatura, conexões, fluido e condições de operação.

E os acessórios de instrumentação?

Uma malha de medição não é composta somente pelo sensor ou transmissor.

Dependendo da aplicação, existem componentes auxiliares que cumprem funções específicas entre o processo e os instrumentos.

O pote de selagem, por exemplo, pode fazer parte de determinadas configurações de linhas de impulso. Em outras aplicações podem existir distribuidores de ar, potes de lama, carretéis, válvulas e diferentes acessórios.

A seleção não deve ser genérica. Cada componente precisa estar relacionado à função que exercerá, ao fluido e às condições existentes no processo.

Em sistemas que utilizam suprimento pneumático, por exemplo, o distribuidor de ar para instrumentação permite centralizar a alimentação e distribuí-la para diferentes pontos do sistema.

O projeto precisa ser analisado como um conjunto.

Malha aberta e malha fechada: qual é a diferença?

Essa distinção ajuda a entender o próprio conceito de controle.

Em uma malha aberta, a ação executada pelo sistema não utiliza continuamente a medição da variável controlada como realimentação para corrigir o processo.

Já em uma malha fechada, a variável é medida e retorna ao controlador. O valor pode então ser comparado ao setpoint e gerar uma nova atuação.

Um exemplo simplificado seria:

Setpoint de vazão → controlador → elemento final → processo → medição de vazão → retorno ao controlador.

Quando a variável medida se afasta da condição desejada, o controlador pode alterar sua saída para reduzir o desvio.

Isso explica por que sensores, transmissores e demais componentes de campo não são elementos periféricos do controle. Eles fornecem a informação necessária para que a malha seja realimentada.

O que interfere na confiabilidade do controle de processos?

Quando uma malha apresenta um comportamento diferente daquele esperado, olhar apenas para o controlador pode deixar de fora outros pontos importantes do sistema.

A origem pode estar na medição, transmissão do sinal, elemento final, instalação, configuração ou no próprio processo.

Por isso, alguns fatores merecem atenção:

• seleção da tecnologia de medição de acordo com a variável e a aplicação;
• condições reais de pressão e temperatura;
• características do fluido;
• dimensionamento e instalação dos componentes;
• posicionamento dos instrumentos;
• condições do escoamento em sistemas de vazão;
• conexões e linhas de instrumentação;
• inspeção e manutenção;
• compatibilidade entre os diferentes componentes da malha.

Na medição de vazão por pressão diferencial, por exemplo, não basta considerar somente o transmissor. Elemento primário, tomadas de pressão, linhas de impulso, válvulas e instalação mecânica participam da cadeia de medição.

Uma condição inadequada em algum desses pontos pode afetar a informação utilizada pelo sistema de controle.

Como escolher componentes para instrumentação e controle?

A especificação deve começar pelo processo, e não simplesmente pela escolha de um produto.

Primeiro é necessário entender o que será medido, em quais condições e com qual finalidade.

Algumas perguntas ajudam a orientar essa análise:

• Qual é a variável de processo?
• Qual fluido circula pela instalação?
• Quais são as condições de pressão e temperatura?
• Qual faixa de operação precisa ser medida?
• Existem sólidos ou partículas no fluido?
• Qual é a configuração da tubulação?
• Existe espaço disponível para a instalação prevista?
• Qual tipo de conexão será necessário?
• Como os instrumentos serão isolados para operação ou manutenção?
• Quais são os requisitos técnicos da aplicação?

Depois disso é possível avaliar os componentes compatíveis com o sistema.

No caso da medição de vazão por pressão diferencial, por exemplo, a escolha pode envolver placa de orifício, Venturi, bocal, orifício integral ou outros elementos, além da configuração das tomadas de pressão, transmissão e acessórios.

Essa análise reduz o risco de selecionar um componente adequado isoladamente, mas inadequado para o conjunto da aplicação.

Onde o controle de processos industriais é utilizado?

O conceito está presente em operações nas quais variáveis precisam ser acompanhadas ou mantidas dentro de determinadas condições.

Na indústria de energia, por exemplo, vazão, pressão e temperatura aparecem em diferentes etapas de processo e sistemas auxiliares.

Na bioenergia, a instrumentação pode acompanhar processos envolvendo fluidos, vapor e diferentes etapas produtivas.

Em óleo e gás, sistemas de medição e instrumentação estão presentes em diferentes pontos das instalações.

O mesmo ocorre nas indústrias de papel e celulose, química e petroquímica, nas quais diferentes variáveis precisam ser acompanhadas ao longo do processo.

A arquitetura muda conforme a aplicação, mas a lógica fundamental permanece: medir o que está acontecendo, interpretar essa informação e atuar quando necessário.

Controle de processos começa por uma medição confiável

O controlador é uma parte importante de uma malha, mas ele não trabalha sozinho. Para tomar uma decisão, precisa receber informações provenientes do processo.

É por isso que instrumentação, medição e controle de processos industriais estão diretamente relacionados.

Quando a variável é vazão, por exemplo, a cadeia pode envolver elemento primário, transmissor de pressão diferencial, linhas de impulso, válvulas e acessórios antes mesmo de a informação chegar ao sistema responsável pelo controle.

A RDS Smart Flow desenvolve soluções para instrumentação e medição de vazão aplicadas a diferentes processos industriais, incluindo elementos primários, válvulas e acessórios para instrumentação.

Para especificar uma solução, o ponto de partida deve ser a aplicação. Fluido, pressão, temperatura, vazão, tubulação e condições de instalação ajudam a determinar a configuração adequada para cada projeto.

Para avaliar uma aplicação específica, entre em contato com a RDS Smart Flow e envie as informações técnicas do processo para análise.

Perguntas frequentes sobre controle de processos industriais

O que é controle de processos industriais?

É o conjunto de técnicas, instrumentos e sistemas utilizados para medir variáveis de um processo, comparar sua condição com parâmetros definidos e atuar sobre a operação quando necessário.

Quais são as principais variáveis de um processo industrial?

Entre as mais comuns estão vazão, pressão, temperatura e nível. Dependendo do processo, também podem ser monitoradas composição, pH, densidade, condutividade e outras grandezas.

Quais são as etapas básicas de uma malha de controle?

De forma simplificada, uma malha envolve medição da variável, transmissão da informação, comparação com o valor desejado, decisão do controlador e atuação sobre o processo. Em uma malha fechada, a nova condição é novamente medida, formando um ciclo.

Qual é a diferença entre instrumentação e controle de processos?

A instrumentação industrial compreende instrumentos e técnicas utilizados para medir e transmitir informações sobre o processo. O controle utiliza essas informações para determinar e executar ações de acordo com as condições definidas para a operação.

Como a vazão pode ser medida em um processo industrial?

Existem diferentes princípios de medição. Um deles utiliza pressão diferencial, produzida a partir da interação de um elemento primário com o escoamento. Placa de orifício, tubo Venturi e bocal de vazão estão entre os elementos utilizados nesse tipo de sistema.

O que é um elemento primário de vazão?

É o componente que interage diretamente com o escoamento e produz a condição física utilizada para realizar a medição. Em sistemas baseados em pressão diferencial, podem ser utilizados elementos como placa de orifício, tubo Venturi e bocal de vazão.