Controles Automticos Spirax Sarco

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CONTROLES AUTOMTICOSCONTEDOS 1.1 O Propsito deste Curso 1.2 A necessidade por Controles Automticos

02. TECNOLOGIA DE CONTROLE AUTOMTICO 2.1 2.2 2.3 2.4 Elementos de um Controle Resumo da Terminologia Elementos de um Controle de Temperatura Controle Automtico

03. VLVULAS DE CONTROLE 3.1 Vlvulas de Duas Vias 3.1.1 Tipo Globo 3.1.2 Tipo Rotativa 3.1.3 Resumo 3.2 Caractersticas de Vazo

05.TEORIA DE CONTROLE 5.1 Mtodos de Controle 5.1.1 Controle On - Off 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.1.7 5.1.8 5.1.9 Controle Contnuo Controle Proporcional Controle de Desvio Permanente (Offset) Reajuste Manual Ao Integral (de Reajuste Automtico) Ao Derivativa Resumo

5.2 TERMINOLOGIA ADICIONAL 5.2.1 Constante de tempo 5.2.2 Hunting (Oscilao) 5.2.3 Lag 5.2.4 Rangeabilidade 5.2.5 Taxa de Turn Down 06. CONTROLADORES

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07. SENSORES 7.1 Sensores de Sistema de expanso de lquido 7.2 Detectores de Temperatura de Resistncia 7.3 Termistor 7.4 Termo-elemento 08. REGULADORES OPERADOS DIRETAMENTE

09. LOOPS DE CONTROLE 9.1 Controle de Loop Aberto 9.2 Controle de Loop Fechado 9.3 Interferncias 9.4 Controle de Feedback 9.5 Controle de Alimentao Contnua 9.6 Controle de Loop Simples 9.7 Controle de Loop Mltiplo 9.8 Controle Cascata 9.9 Diagramas de Bloco 9.10 Algoritmo de Controle 10. DINMICAS DO PROCESSO 10.1 Reaes de Processo 10.1.1 Resposta ao Primeiro Comando 10.1.2 Resposta ao Segundo Comando 10.1.3 Resposta Ramp 10.1.4 Tempo Morto 11. Dinmicas do Sistema de Tubulao 12. SELEO E ESCOLHA 12.1 Aplicao 12.2 Fonte de Fora 12.2.1 Mudanas na Carga e no Tempo 12.2.2 Natureza Critica do Valor Ajustado 12.2.3 Valor de Ajuste Varivel e a sua Natureza Crtica. 12.3 Vlvulas e Atuadores 12.4 Controladores 12.5 Ao de Controle

13. INSTALAO E COMISSIONAMENTO 13.1 Vlvulas 13.2 Atuadores, Sensores. 13.3 Linhas de Sinais e Fora. 13.4.1 Preparativos Mtodo 1. Nenhuma caracterstica de processo conhecida 13.4.2 Preparativos Mtodo 2. Mtodo de Overshoot Mnimo 13.4.3 Identificao de Defeitos

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13.4.4 Comentrios Gerais sobre Sintonizao 13.4.5 Transferncia suave (bumpless) 13.4.6 Controladores de Auto-Ajuste 14. COMPUTADORES EM CONTROLE

15 . GLOSSRIO DE TERMINOLOGIA DE CONTROLE 1.1 O PROPSITO DESTE CURSO O envolvimento da Spirax Sarco, em controles automticos est especificamente confinado ao controle de transferncia de fluidos de transferncia de energia nas tubulaes. Por este motivo, ns vamos focar este curso no controle de processos que usam vapor, gua e leos quentes como parte de seus ciclos condicionados. Este controle geralmente conseguido com o uso de vlvulas e atuadores onde encontramos a necessidade de medir e responder temperatura, presso, nvel, umidade e taxa de vazo. Quase sempre, temos de responder s mudanas nessas propriedades fsicas dentro de um prazo estipulado. , portanto, a manipulao combinada de vlvula/atuador com o tempo e o controle da temperatura medida que queremos explicar nesse curso. Cada uma das sees deste curso tem por objetivo fazer parte de todo o processo de aprendizado. Mas tambm poder ser usado para consulta independente. As principais razes para os donos e usurios de Equipamentos de Processo ou de Prdios precisarem de controles automticos so: Segurana: A primeira razo para a existncia de controles automticos suprir equipamentos ou processos seguros de operar. Estabilidade: A segunda razo fazer com que os equipamentos e processos trabalhem com estabilidade e de forma previsvel sem oscilaes preocupantes ou desligamentos de alto custo. Preciso: Com base na estabilidade, podemos introduzir preciso nos equipamentos e nos processos de controle. Isto um requisito essencial dos equipamentos e prdios com o propsito de evitar desperdcio e estragos, aumentar a qualidade e prover conforto: os fundamentos de sucesso econmico. Destes trs parmetros bsicos de controle automtico, brotam outros benefcios desejveis como, economia, velocidade, confiabilidade etc. contra esses trs parmetros de segurana, estabilidade e preciso que ns avaliamos cada aplicao de controle. 1.2 TERMINOLOGIA DE CONTROLE AUTOMTICO Termos especficos so utilizados dentro da indstria de controle principalmente para evitar confuses. primeira vista, isto parece ser uma

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contradio como qualquer jargo , que visto como um complicador a mais no assunto para aqueles que esto fora da industria. O fato que ao persistir um pouco com os jarges de controle eles mostraro como as mesmas palavras e frases comeam a fazer sentido nas facetas de controle desde as tubulaes robtica; da eletrnica operaes diretas; da temperatura a velocidade. Um outro fator ainda mais importante justifica o uso dos termos de controle corretamente o fato de que eles so utilizados internacionalmente. No que diz respeito aos termos padres utilizados em controle de tubulao, a melhor soluo utilizar um exemplo de controle manual simples.

2.1 Elementos de Controle

V e I n V d

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l vd u e l a t r a d a 2 r g u a

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V l vd u e l a e s c (a f ir x g) a a

P r o d u F i n a l A figura 1 mostra um controle manual de processo simples

t o

Neste processo fictcio, que serve meramente para demonstrar os princpios envolvidos, a gua se mistura com uma substancia em um tanque para produzir um produto final. O operador controla a vazo de gua abrindo ou fechando a vlvula para que a) b) O nvel da gua fique abaixo do ladro para que no haja desperdcio O nvel da gua no deve estar to baixo a ponto de no cobrir a substncia no fundo do tanque.

Neste estgio, a taxa de purgao do produto final regulada pela vlvula no tubo de sada. O operador humano marca trs linhas no lado externo do tanque para que possa manipular a vlvula de abastecimento de gua (entrada) dentro dos nveis abaixo: 1) 2) 3) A linha que indica o nvel mais baixo da gua que deve cobrir a substancia. A linha que indica o nvel mais alto da gua serve somente para assegurar que no haja vazamento pelo ladro. A linha que indica o nvel ideal aquela que vem entre a 1 e a 2.

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Ento o que este simples exemplo demonstra?

a) Ele est tentando manter a gua no vaso entre os nveis 1 e 2.chamado de Varivel Controlada.

Isto

b) Isto conseguido ao se controlar a vazo da gua atravs da vlvula no tubode entrada Varivel Manipulada. A gua em si conhecida como - Agente de Controle Controlada.

c) Ao fazer isto, ele esta controlando o nvel da gua no tanque - Varivel d) A gua no tanque o fluido de processo. e) O nvel da gua que ele est tentando manter o 3 no indicador visualValor Ajustado (Ponto de ajuste)

f) Ele pode manter o nvel da gua a qualquer nvel entre os pontos 1 e 2 noindicador visual e mesmo assim manter-se dentro dos parmetros de controle ex: substancia coberta e sem vazo pelo ladro - Valor Desejado.

g) Presume-se que ele est mantendo o nvel no ponto 2, este o nvel da guaque ele est conseguindo manter em condies de condies estveis Vlvula de Controle (Elemento final de controle). -

h) Com referncia a (f) e (g) acima, o nvel ideal da gua que ele queria manterera o ponto 3. Mas ele est mantendo no nvel 2, que ainda assim esta satisfatrio. Mas h uma diferena de nvel de gua entre 2 e 3 Desvio ou Erro i) Se ele fechar ligeiramente a vlvula de entrada, o nvel da gua cair para mais prximo do nvel 3, desta forma o desvio mudar ex: diminui. Mas se ele no mexer na vlvula, o desvio permanecer como est, entre os nveis 2 e 3 (logicamente, o restante permanecer inalterado) Assim, agora temos um Desvio Permanente - Offset Como o nosso operador efetuou o controle? I. Seus olhos observaram o movimento do nvel da gua contra o indicador de escala marcada - Sensor.

II. O olho (sensor) sinalizou ao crebro, o qual por sua vez interpretou o sinal Controlador.

III. O crebro (Controlador) ento decidiu enviar o sinal ao msculo do brao Atuador.

IV. O msculo do brao e a mo (Atuador) acionaram a vlvula - Dispositivo deControle Vale a pena repetir esses pontos de uma forma ligeiramente diferente, a fim de reforar o propsito do exemplo:

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1) Ele mostra que o objetivo do operador manter o nvel da gua do tanque noponto 3 numa escala simples. Portanto o nvel 3 pode ser considerado o seu objetivo ou Ponto de Ajuste. chamado de Atuador. 3) Dentro desta operao ns devemos considerar a faixa de medio e a habilidade do operador. , portanto, invivel que ele controle com exatido no nvel 3 o tempo todo. Ento geralmente ele vai estar acima ou abaixo do nvel 3. A posio ou nvel que ele controla chamado de Varivel Controlada.

2) Ele manipula fisicamente o nvel ao ajustar a vlvula de entrada. Ele

4) O numero de erros ou diferenas entre o nvel 3 e o valor atual denominado- desvio. Quando o desvio constante, ou condio estvel, ele conhecido como Desvio Permanente ou Offset.

5) Embora o operador esteja manipulando o nvel da gua, o objetivo final produzir o produto. Neste caso, a mistura est gotejando da vlvula de sada. Naturalmente, a condio do produto final neste momento est indiretamente relacionada manipulao do nvel do tanque - Varivel Controlada. O processo seguro, estvel e preciso? Podemos supor que um processo deste tipo no contm ingredientes prejudiciais nem de valor. Portanto, ele est a salvo de transbordamento ou carncia de gua, mas no econmico em relao ao tempo de processo e de qualidade. No que diz respeito estabilidade, o operador ser capaz de lidar com este processo desde que ele preste ateno com uma certa constncia. Preciso no uma caracterstica deste processo, uma vez que o operador somente responder a um erro razoavelmente visvel. 2.2 RESUMO DE TERMINOLOGIA Ponto de Ajuste - O valor ajustado na escala do sistema de controle a fim de conseguir a condio exigida. Desvio - A diferena entre o valor desejado e o valor medido da condio controlada. Offset - Desvio Sustentado Sensor - O elemento que responde diretamente ao valor da condio controlada. Varivel Controlada - A quantidade fsica ou condio da varivel controlada o objetivo do sistema de controle. Controlador - Recebe o sinal do sensor e envia um sinal corretivo (ou de controle) ao Atuador.

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Atuador - O elemento que ajusta o dispositivo controlado em resposta ao sinal do Controlador Dispositivo de Controle - O elemento final de controle final no sistema de controle. H muitos outros termos utilizados no campo de Controles Automticos que descobriremos durante o decorrer do curso

2.3 Elementos de um Controle de Temperatura O exemplo simples mostrado na Fig. 1 era um controle de nvel manual uma vez que era o nvel de gua que tinha de ser mantido. Podemos comparar isto com um exemplo de controle de temperatura manual simples mostrado na Fig.2 onde todos os fatores e definies acima se aplicam. A tarefa admitir vapor suficiente (como a substncia de aquecimento) para aquecer a gua que entra, de tal forma que ns tenhamos gua quente saindo do tanque numa temperatura desejada.

C g u p a r a

o n dt r T o e l m e e S i mT e a r m o m q u e n t e p r o c e s s a r T e

p e M r a a t nu ur a l p l e se t r o A r m o s t a t o S e r p e n t i n a d ot r o c a d o r d ec a l o r l a r m e

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(Figura 2: Controle de Temperatura Manual Simples)

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C o n t r o la d a tg u u r a q u o e n t e o c o n t r o la d o

o

(Figura 3: Diagrama de Controle de Temperatura Manual Simples) O processo seguro, estvel e preciso? Enquanto o controle simples da gua na Figura 1 pode ser facilmente conseguido pelo operador humano, o controle de temperatura na Figura 2 j no to simples. (No estamos sugerindo que o controle de nvel seja inerentemente simples). Se a vazo de gua fria varia, as condies mudaro rapidamente. Da mesma forma, mudanas rpidas ocorrero se a vazo de gua quente oscila. Assim, a resposta do operador mudando a posio da vlvula de vapor pode no ser suficientemente rpida. Ser que ele capaz de antecipar essas mudanas? Com uma certa experincia ele conseguir antecipar-se essas mudanas, mas a resposta geral deve ser - NO. Ele deve esperar pela mudana. Esses e outros fatores (no tanto pelo custo de um operador permanentemente de planto) tais como a falha do operador, variaes nas necessidades do processo, preciso, mudanas rpidas em condies diversas, processos envolvidos e etc levam necessidade por controles automticos. No nvel de segurana ns introduzimos a necessidade mnima por um loop de alarme audvel - uma outra razo que justifica a necessidade de controles automticos.

2.4 CONTROLE AUTOMTICO

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E

l e m d e e n Cut o mo s nS i n d a es l i d a

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Uma varivel controlada poderia ser Temperatura, Presso, Densidade, Nvel, Vazo etc. Dos quais conclu-se que o Elemento de Medio pode ser um sensor de temperatura, sensor de presso, detector de nvel, sonda de densidade etc. A Varivel Manipulado pode ser vapor, gua, ar, eletricidade, leo ou gs enquanto que o dispositivo de controle pode ser uma vlvula, um registro etc. Com o intuito de demonstrar os princpios deste curso, concentraremos em Vlvulas como Dispositivo de Controle e a Temperatura como a Condio Controlada com Sensores de Temperatura. A seguinte Fig. 5 mostra os componentes de um sistema de controle em termos de definir o que tem de ser feito.

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p d o e n eCu n mo t ne st r o A u t o m t i c oC o n t r o l a d o r A t u a d o r

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(Figura 5: Componentes de um Controle Automtico) Os sinais do sensor ao controlador: o controlador, que pode receber sinais de mais que um sensor, determina se ele precisa fazer uma mudana na varivel manipulada baseado nesses sinais. A partir da ele comanda o atuador acionar a vlvula para uma posio diferente (seja ela mais aberta ou fechada). Controladores so classificados pela fonte de fora que eles usam eletrnica, pneumtica, mecnica etc. Ns podemos pensar no atuador como um

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motor e esses so classificados de maneira parecida aos controladores. Vlvulas so classificadas pelas aes que elas realizam para efetivar uma abertura ou fechamento do orifcio de vazo e tambm pela configurao de seu corpo. Se combinarmos os elementos de sistema com as partes de sistema (ou dispositivos) ns vemos a relao entre o que est para ser feito e o que se faz Fig. 6. Alguns dos termos usados talvez possam no ser habituais a voc, uma vez que ns ainda no chegamos a eles. Entretanto, nas partes que seguem deste curso iremos apresentar todos os componentes e itens mostrados na fig. 6 .

M d

i s t u r d a D T i s pp io dc s C i t o i vn o t r o l e e ae Pe r o c c e o sEm s lo e m d e Se n i t s o t es m aP A o nd te o B o td eC o o n / t r o l e e t r o j u s t Pe o t e n c i o m r e m o t o S d o r T e V a i nd ae l m P p r e. / s s r i v e l M

A r c o m p r i m i d o V a r i v e l M a n i p ( 0u .l a2 d a o 1 . 0 b a r ) C o r r e n t e4 E ml 2 A0 r i c a a t C o n t r o l a

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P r o p o ( r Pc i) o n a l t u aS d A o r P r o p + I n t e g r a l ( P + I ) e nP t r o o p . D + e I rn i vt (. aP t +i v I o+ D l) e m E e S n e t on s o r d e l t / r i c Eo l e m + d eM e d i T d e a m P pr e. / s s o n e u m C ot i cn ot r o l a d o /u m i d a d e

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i s p o s i t i v o o n t r o l a d o l vd u e l a v2 i / a 3 s

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T a n , qT ur oe c da ed o r C a , lE o s r t e r e l i z a d

(Figura 6: Combinao Tpica de Dispositivo de Controle de Processo com Elementos de Sistema) 3.VLVULAS DE CONTROLE Como existe uma grande variedade de tipos de vlvulas, ns concentraremos naquelas que so as mais utilizadas em controle automtico - vlvulas globo, esferas e borboletas. A primeira subdiviso que devemos fazer diferenciar uma vlvula de 2 vias de uma de 3 vias. Vlvulas de 2 vias regulam (restringem) a passagem do fluido atravs delas enquanto a de 3 vias podem ser utilizadas tanto para misturar como para divergir. Isto ser abordado mais adiante. 3.1 VLVULAS DE 2 VIAS Nas aplicaes de controle, as vlvulas globo so invariavelmente utilizadas devido as suas caractersticas inerentes relacionando a vazo abertura da vlvula. A ao bsica da vlvula globo mostrada na Fig. 7.

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A fora de fechamento do disco contra a sede, proporciona estanqueidade e boa caracterstica de vazo

(Figura 7: Ao Bsica de Vlvulas Globo) 3.1.1 TIPO GLOBOAnis de vedao Chevron Haste de vlvula

A figura 8 ilustra uma vlvula globo de 2 vias e sede simples. As partes mais importantes que constituem uma vlvula so o corpo, a tampa, as guarnies internas da sede e o obturador de vlvula, a haste da vlvula (que se conecta ao Atuador), e o sistema de vedao entre a haste da vlvula e a tampa. Tais vlvulas so normalmente construdas para dar estanqueidade da classe IV (0,01% da vazo total).

Corpo da vlvula

Sede da vlvula Obturador de vlvula

(Figura 8: Vlvula Globo 2 Vias Sede Simples)

VS V

l dv e u V l 2 ai e a S s e S d i e mP A e d e d a lv u l a o t dn oc i a t u a d o r O b t u r a d o r d a V l v u l a

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l e sA figura 9 uma representao diagramtica da mesma vlvula. A vazo de fluido est impelido contra o obturador da vlvula tentando mant-lo fora da sede (assento).

V a z o d e F l u d o P r e sP s 1 o P r e sP s 2 o

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r e s s

o

( D P i f) e r e n c i a l

(Figura 9: Diagrama de 2 Vias e Sede Simples)

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A diferena na presso acima da sede e abaixo da sede da vlvula, contra a qual a vlvula deve se fechar hermeticamente conhecido como a presso diferencial. A presso diferencial mxima contra a qual a vlvula pode fechar depender do tamanho e do tipo de vlvula e do Atuador que estiver acionando-a. (Essa informao ser fornecida por cada um dos fabricantes). Em outras palavras, a fora exigida do Atuador pelo menos igual a da (rea do obturador de vlvula x a presso diferencial) mais um adicional para resistncia de componente e fechamento hermtico da vlvula.

Num sistema a vapor, a presso diferencial de funcionamento mximo geralmente a presso a vapor total (em unidades absolutas para ser mais preciso) acima da sede do ponto na linha onde a vlvula est instalada. A presso diferencial num sistema de gua fechada a existncia de uma diferena de carga da bomba atravs do circuito no qual a vlvula est instalada.

(Figura 10: Vlvulas 2 Vias Sede Simples)

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Se uma vlvula maior utilizada para dar passagem a maior volumes de substncias, a fora que o atuador deve desenvolver a fim de fechar a vlvula, aumentar. Onde vazes muito grandes devem ser escoadas (significa vlvulas grandes) ou onde existem diferenciais de presses muito altas, o ponto ser alcanado a ponto de torna-lo impraticvel de prover fora suficiente para fechar uma vlvula de sede simples convencional. Nestas circunstncias, a soluo tradicional tem sido a Vlvula de duas vias e sede dupla. (Veja Fig. 10) Como o nome indica, a vlvula composta de dois obturadores de vlvulas numa nica haste, com duas sedes de vlvula. No so somente as sedes das vlvulas so mantidas menores (uma vez que temos duas delas) mas, como pode ser visto na Fig. 11, as foras so balanceadas. Desta forma, ns queremos dizer que embora o diferencial de presso esteja tentando manter o obturador superior fora da sua sede (como acontece com vlvula de sede simples) ela tambm est tentando empurrar para baixo e fechar o obturador inferior da vlvula.

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(Figura 11-Vlvula de 2 Vias e Sede Dupla) Entretanto, h um problema inerente a qualquer vlvula de sede dupla. Por causa das tolerncias de fabricantes e coeficiente de diferena de expanso, em nenhuma vlvula de sede dupla pode ser garantido um bom estaqueamento. A taxa de vazamento atravs da vlvula fachada sendo a melhor Classe III, (0,1% da CV) que talvez seja o suficiente para torna-la inapropriada para certas aplicaes. Tambm devido s diferenas das passagens de vazo atravs das duas vias. As foras podem no permanecer balanceadas quando se abre a vlvula.

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3.1.2 TIPO ROTATIVO

Este pode ser dividido em vlvulas esferas e vlvulas borboletas. Tanto uma quanto outra exige movimento Rotativa para abrir e fechar-las. A geometria bsica de uma vlvula esfera (Fig. 13) envolve uma esfera centrada por dois anis de vedao em forma de um simples corpo. A

(Figura 13: Vlvula Esfera) Esfera tem um furo que atravessa um eixo permitindo a passagem do fludo quando alinhada com as extremidades da tubulao. Girando a esfera a 90 fecha-se a passagem da vazo.

Eixo Corpo

Disco Assento

(Figura 14: Vlvula Borboleta)

3.2 CARACTERSTICA DE VAZO

A Fig. 14 mostra uma Vlvula borboleta. Ela composta de um disco Rotativa em eixo. Na posio aberta o disco deslocado extremidade, permitindo a vazo total atravs da vlvula. Na posio fechada ela gira em direo sede. Vlvulas Borboletas tm uma queda de presso baixa i.e. elas apresentam pequena resistncia vazo. Mas geralmente, elas no fecham to hermeticamente quanto s vlvulas globos e os seus limites de presso (diferencial) de presso) so mais baixas do que s das vlvulas globo. Vlvulas esferas so similares, mas devido a sua maior rea de vedao da vlvula elas podem operar contra diferenciais de presses mais altas do que as vlvulas borboletas.

Todas as vlvulas de controle tm uma caracterstica de vazo inerente que define o relacionamento entre o curso da vlvula e a taxa de vazo com um diferencial de presso constante. Em outras palavras, o relacionamento entre o quanto a vlvula est aberta e a quantidade de vazo que este grau de abertura permite passar. Vlvulas Rotatrias (esfera e borboleta) cada qual tem uma curva bsica. As Vlvulas Globo podem ser instaladas com obturadores de formatos diferentes, tendo cada qual as suas prprias caractersticas. Os trs formatos principais disponveis so geralmente denominados Quick Opening (Abertura Rpida), Linear (Linear) igual porcentagem (Igual Porcentagem ) (Fig. 15).

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Fig. 15: Vlvula Globo Tipo Obturador (Estes so exemplos tpicos. Os desenhos podem variar de fabricante para fabricante).

As caractersticas das Vlvulas Globo e das Vlvulas Rotativas esto demonstradas na Fig. 16.Figura 16: Curvas caractersticas de vazo

Uma explicao dos trs tipos de curva caracteristica necessria. Vlvulas Lineares tem um obturador de vlvula to perfilado que a taxa de vazo diretamente proporcional ao curso da vlvula. Com 25% do curso da vlvula, a abertura de 25% permite a passagem de 25% da vazo total. Com 50% do curso da vlvula, 50% da vazo total passa e assim por diante. Vlvulas de Igual Porcentagem tem um obturador de vlvula to perfilado que cada incremento no curso da vlvula aumenta a taxa de vazo com uma porcentagem constante da vazo anterior. Por exemplo, se a taxa de vazo 4% da vazo total num curso de vlvula de 20%, um aumento no curso da vlvula para 30% aumenta a vazo para 6% da vazo total um aumento de 2% , que equivale a 50% de aumento da vazo anterior (4%). Um incremento adicional do curso da vlvula para 40% proporcionar uma vazo de 9% - um aumento de 3%, equivalente a 50% da vazo anterior (6%).

Podemos tabular este relao como demonstrado abaixo:

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Curso 20% 30% 40% 50% 60% e assim por diante

% de Aumento de Vazo +50% +50% +50% +50%

Proporo de Vazo Final % 4% 6% 9% 13.5% 20.25%

Um obturador de vlvula de Quick Opening (Abertura Rpida) quase o oposto de igual porcentagem. Uma vlvula com caracterstica de abertura rpida, dar uma proporo de vazo enorme para um curso de vlvula pequeno. Por exemplo, a abertura de uma vlvula a 50% pode resultar numa taxa de vazo entre 80% e 90%. H algumas outras caractersticas que s vezes so utilizadas, tais como parablica, linear modificado ou hiperblico. A Fig. 15 mostra as principais.

TEORIA DE CONTRLE Antes de dedicar-nos em Controladores e Sensores ou at controles de AutoAtuao, h uma seo de teoria que ns precisamos ver antes. 5.1 PROCESSOS DE CONTROLE Imagine um controle de temperatura automtico composto por uma vlvula, um atuador e um sensor detectando a temperatura ambiente numa sala. O sistema de controle dito estar balanceado quando o sensor de temperatura do ambiente requer tanto por mais calor ou por menos. O que acontece vlvula de controle quando o sensor de ambiente registra uma mudana na temperatura (ou mais precisamente, um desvio de temperatura) depende do tipo de sistema de controle em uso. A regra que relaciona o movimento da vlvula mudana de temperatura no meio controlado conhecida como Controle de Processo ou s vezes como Ao de Controle. Basicamente, h dois Processos de Controle On-Off onde a vlvula est totalmente aberta ou totalmente fechada sem alternativas intermedirias, ou Modulante onde a vlvula pode estar continuadamente em movimento entre totalmente aberta ou totalmente fechada ou ento manter uma posio intermediria. Essas so derivativas dos dois Processos que passaremos a examinar com mais profundidade. 5.1.1 CONTROLE DE ON-OFF s vezes conhecidos como Controle de 2 Posies ou de 2 Passos, e o processo mais bsico. Considerar o tanque de gua na Fig. 80. O objetivo aquecer o contedo do tanque utilizando o trocador de calor de uma serpentina simples, alimentado com gua de alta temperatura. Na tubulao para a serpentina, uma vlvula de 2 Vias com atuador instalada completa com um termostato na gua no

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tanque. O termostato est ajustado para 60C, na temperatura que desejamos manter a gua no tanque. A lgica ir te dizer que se o ponto de desvio era 60C a vlvula nunca iria operar adequadamente. Certamente ele instruiria a vlvula a abrir at que ela sinta que a gua no tanque est a 60C. Da em diante ela abriria e fecharia muito rapidamente causando desgaste estremo. Por esta razo, o termostato teria um ponto de desvio superior e um outro inferior.Termostato ajustado para 60C

Vlvula de 2 vias e Atuador Serpentina Fig. 80: Controle de Bloqueio para Aplicao de Aquecimento do Tanque

Este 15.6C ( -16.7C) conhecido como o Diferencial ou Diferencial de Desvio. (O efetivo diferencial ir variar dependendo do tipo de termostato). O diagrama da ao de desvio do termostato seria como mostrado na Fig. 81. Ele mostra que a temperatura do contedo do tanque cair a 59C antes que a vlvula seja instruda a abrir e subir a 61C antes que a vlvula seja instruda a fechar. A Fig. 81 mostra linhas de desvios uniformes mas o efeito na transferncia de calor da serpentina para a gua do tanque no ser imediata. Levar algum tempo para aquecer o elemento na serpentina e conseqentemente afetar a temperatura da gua no tanque. No somente isso, mas a gua no tanque subir para acima do limite superior de 61C e cair para o limite inferior de 54C. Ns podemos usar a Fig. 82 para explicar isto. (Fig. 83 o diagrama de desvio relacionado).

Fig. 81: Diagrama de Desvio de Bloqueio (On/Off)

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Fig. 82: Diagrama mostrando Ao de Controle de Bloqueio (On/Off)

Vlvula fechada Temperatura Fig. 83: Diagrama de Desvio

Vlvula aberta

No ponto A (59C) o termostato sinaliza e aciona a vlvula a abrir totalmente. Leva-se tempo para transferir o calor da serpentina para afetar a temperatura da gua como demonstrado pela curva da subida da temperatura i.e. no uma subida imediata. No ponto B (61C) o termostato instrui a vlvula a fechar. Mas a serpentina ainda est cheia de elemento de aquecimento que continuar a liberar o seu calor. Desta forma a temperatura da gua no tanque continuar a subir um pouco alcanando o seu pico de acima do limite (Overshoot) a C. Deste ponto em diante a temperatura da gua no tanque realmente comea a cair at o ponto D (59C) quando o termostato instrui a vlvula a abrir. Elemento de aquecimento admitido atravs da serpentina, novamente, leva-se algum tempo para surtir o efeito desejado e, portanto, a temperatura da gua continuar a cair alcanando o abaixo do limite (Undershoot) no ponto E. A diferena entre o ponto acima do limite e o ponto abaixo do limite conhecida como Diferencial de Operao. O diferencial de desvio do termostato depende do tipo e da marca do termostato em uso. O diferencial de Operao depende das caractersticas na aplicao (i.e. o tanque, o seu contedo, as caractersticas da serpentina etc). Portanto, essencialmente, com o controle de On/Off, h somente limites de desvio superior e inferior e a vlvula est totalmente aberta ou totalmente fechada sem alternativas intermedirias. 5.1.3 CONTROLE MODULANTE O Controle Modulante. significa que a vlvula pode ser movida continuadamente para mudar o percentual de abertura e de fechamento do obturador em relao a sede . A vlvula no apenas pode se deslocar para a abertura total ou para o fechamento total como tambm pode assumir infinitas posies intermedirias de abertura . H trs aes de controle modulante Proporcional, Integral e Derivativa mas a combinao dos trs tambm merece a nossa ateno. 5.1.4 CONTROLE PROPORCIONAL

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Este o Controle de Processo contnuo mais bsico e ele normalmente referido simplesmente pela letra P. A definio desta forma de controle que a vlvula acionada numa maneira corretiva, proporcional mudana varivel do desvio que tenha ocorrido. Devemos esclarecer isto e para faze-lo vrios termos novos sero introduzidos. Para definir-los, vamos considerar uma simples analogia com um tanque de gua fria fornecido com gua via vlvula esfera e com uma vlvula de On-Off na sada da tubulao (Fig. 86a). Desejamos manter o nvel da gua do tanque no ponto B (equivalente do ponto de ajuste de um controlador de temperatura).

Fig. 86a: Analogia Entre Vlvula Esfera no tanque de gua fria e Ao-P

Presume-se que com a vlvula V meio aberta, proporcione uma taxa de vazo correta de gua entrando via vlvula esfera para suprir a vazo desejada para fora atravs da tubulao de descarga e manter a gua do tanque no nvel B.

Fig. 86b:

Pode-se dizer que o sistema est sob controle, numa condio estvel (a vlvula esfera no est movendo-se para cima nem para baixo) e no nvel exato desejado da gua (B) e fornecendo a vazo que precisamos. Considere 86b onde ns fechamos totalmente a vlvula V.

Antes que a vlvula de esfera corte o fornecimento de gua, o nvel da gua no tanque sobe para A. O sistema ainda est sob controle e estvel, mas est acima do nvel desejado. A diferena entre o nvel desejado B e o nvel atual controlado A, chamada de desvio constante de controle. Novamente, se a vlvula V estiver meio aberta, o nvel da gua no tanque voltar ao nvel desejado no B. 20

Fig. 86c

Fig. 86d:

Novamente, se a vlvula V estiver meio aberta, o nvel da gua no tanque voltar ao nvel desejado no B. Olhe na Fig. 86c onde a vlvula V est agora repentinamente e totalmente aberta. A bia da vlvula esfera precisar cair para abrir totalmente a vlvula esfera e deixar entrar uma taxa de vazo maior de gua fria a fim de atender crescente demanda da tubulao de descarga. Quando ela chega no nvel C, j ter entrado gua suficiente para atender as necessidades de descarga e o nvel da gua ser mantido em C. O sistema est novamente sob controle e estvel, mas acontece mais um desvio constante de controle (Offset) - o desvio no nvel entre B e C. A Fig. 86d mistura as trs condies que ns temos utilizado no nosso exemplo. A diferena em nveis entre A e C conhecido como a Banda Proporcional ou Banda-P, uma vez que esta a mudana no nvel (ou temperatura no caso de um controle de temperatura) para a vlvula mudar de totalmente aberta para totalmente fechada. O smbolo para a Banda Proporcional Xp.

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A analogia ilustra vrios pontos bsicos e importantes sobre controle proporcional. Primeiro, a vlvula acionada na proporo do erro no nvel da gua (ou o desvio de temperatura no caso de controle de temperatura) do nvel desejado (Ponto de ajuste). Segundo, que o nvel preciso e desejado ou ponto de ajuste, pode ser somente mantido para uma condio de curso especfico. Terceiro, enquanto controle estvel for conseguido em outros cursos, o nvel estar sempre com desvio do ponto de ajuste ou acima dele com um curso mais leve ou abaixo com um curso mais pesado. Controladores Eltricos e Pneumticos igualam o valor ajustado posio intermediria da Banda Proporcional. Agora podemos descrever isto com mais exemplos, mas desta vez utilizando um controle de temperatura. Imagine que precisamos controlar a temperatura ambiente de um prdio utilizando um controle de temperatura de ao proporcional (vlvula eltrica/eletrnica, atuador e controlador e sensor de sala). O controle selecionado tem uma banda proporcional (Banda-P) de 12F e a temperatura ambiente interna desejada seja 64F. Sob condies de curso estvel, a vlvula est 50% aberta e a temperatura interna est exatamente a 64F. Uma queda abrupta e instantnea na temperatura externa ocorre causando um aumento na proporo de perda de calor do prdio. Conseqentemente, a temperatura interna cair e isto ser detectado pelo sensor da sala que sinalizar vlvula a se deslocar para uma posio mais aberta a fim de admitir mais calor. A vlvula abre at a proporo de entrada de calor seja alterada pela quantidade proporcional queda na temperatura interna. No seu devido tempo, a queda na temperatura interna estabilizada e a fim de prover o calor adicional desejado, a vlvula ir se estabilizar numa posio mais aberta. Mas a temperatura interna atual ser ligeiramente mais baixa do que o valor desejado. Para explicar isto com mais detalhe, ns devemos indicar a Fig. 87. Presume-se que a queda na temperatura externa influenciasse na temperatura ambiente dentro do prdio caindo em 4F.Fig. 87: Grfico de Controle Proporcional

Com a banda proporcional de controle de 12F, ao proporcional significar que a vlvula ser movida 4/12 i.e. 33% em direo a uma posio mais aberta. Agora a vlvula estar 83% aberta e

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manter a temperatura interna estvel. Mas iisto ser 60F i.e. um desvio permanente de 4F (64 - 60F) do valor desejado (64F). Des Fig. 88: Banda-P Mais Larga O Desvio constante desta natureza chamado de desvio permanente offset e inerente em todos os controladores proporcionais. A Banda-P ajustvel nos controladores a fim de conseguir controle estvel sob condies diferentes. Usando o exemplo da Fig. 87, a Banda-P mais ampla de 16F d um movimento de vlvula de 4/16 i.e. 25% de movimento da vlvula. (Fig. 88). A curva menos acentuada e uma mudana grande na temperatura exigida para produzir uma pequena mudana de posio da vlvula. Com uma Banda-P mais estreita de 6F (Fig. 89) resulta numa curva mais acentuada. Isto quer dizer que o movimento maior da vlvula ser conseguido para uma mudana muito pequena da temperatura. Se a Banda-P fosse zero, o resultado seria (On/Off) i.e. ganho infinito.Fig,89: Banda-P Mais Estreita

Para reforar essa seo, vamos olhar novamente de vlvula como a linha de baixo do grfico. Veja Figs. 90a e 90b.

Posio da vlvula

Banda proporcional de 12FAberta Vlvula Fechada Fig. 90a: Controle P: Temperatura v. Curso da Vlvula (Mesmo exemplo como o usado na Fig. 87)

Nova inclinao Inclinao da fig 90a

Banda proporcional de 16F

Inclinao da fig 89

Fig. 90b Controle P: Temperatura v. Curso da Vlvula (Mesmo exemplo como o usado na Fig. 88)

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Ganho = 100 = 5 20

Posio da vlvula

Ganho= 100 = 2.77 36

Fig. 91: Ajuste de Ganho

A Banda proporcional expressa como porcentagem. Esta a porcentagem do span do controlador, isto , a diferena entre o valores mximo e mnimo ajustados para o set-point (ponto de ajuste). Ento se um controlador possui um span de 200F e a Banda Proporcional de 10F, a porcentagem da Banda Proporcional ser: =(10/200) x 100% = 5% Em alguns controladores o ajuste da banda proporcional feito atravs do ajuste de Ganho Proporcional. A relao entre a Banda-P e Ganho Proporcional : Ganho = ___________100%______________ Porcentagem da Banda Proporcional Ou % Banda-P = _1 x 100_ Ganho Aumentando o ganho, estreita-se a banda proporcional. (Veja a Fig. 91) Portanto, uma banda de proporo larga prover respostas menos sensvel. Uma banda proporcional estreita prover resposta mais sensvel mas h um limite a quo estreita a Xp pode ser ajustada. Uma banda proporcional estreita demais causar oscilao e controle instvel. Estreitando a Xp o equivalente ao aumento de ganho. Uma Xp de 10% representa um ganho de 10 e uma Xp de 100% o ganho seria de 1. 5.1.5 CONTROLE DE OFFSET Da explicao sobre controle proporcional, temos visto que h um desvio constante de controle (Offset) do valor ajustado toda vez que o curso varia de 50%. E para demonstrar isto, vamos levar em considerao um sistema onde o curso 25% da demanda mxima. O valor ajustado 80F e Xp 10F. Veja Fig. 92. Onde o processo/aplicao no puder tolerar este desvio constante, ele eliminado por um processo chamado Ao Integral (Reset Action).

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Fig. 92: Desvio Constante de Controle

5.1.7 AO INTEGRAL OU RESET ACTION (Reajuste Automtico) O Reajuste Manual na maioria das vezes no satisfatrio no equipamento do processo onde cada mudana de curso precisar de alguma ao de reajuste. Tambm muito comum um operador ficar confuso devido s diferenas entre: a) b) c) Valor de ajuste o que estiver no dial Valor Atual o que o processo est sentindo Valor desejado a perfeita condio de processo

Tanto a confuso, assim como as mudanas inesperadas, do controle manual so resolvidas ao se adaptar uma rotina de controle automtico onde o valor ajustado inicial e o valor atual so mostrados no painel frontal do operador. Ao de reajuste est escondida no ntimo do controlador. Tal controlador automtico um controlador proporcional. Acrescenta-se a ele uma funo de reajuste que chamada de Ao Integral. Reajuste automtico usa uma integrao eletrnica para realizar a funo de reajuste assim o termo mais usual para reajuste automtico Ao Integral. Ele representado pela letra l . A funo da Ao - l eliminar desvio permanente (offset) ao se mover automaticamente e continuadamente a banda proporcional para cima e para baixo conforme necessrio e de acordo com o desvio de controle que ele detecta. O sinal de desvio integrado no que diz respeito ao tempo. A unidade l comea aos pouco a dar um sinal crescente enquanto um desvio de controle continua a existir. Quanto maior o desvio, o mais rpido o aumento ou decrscimo em sinal extra. Um controlador de reajuste automtico precisa integrar o ngulo de mudana em relao ao tempo, com desvio constante proporcional. Ele tem de atualizar continuadamente os seus clculos para que a preciso seja mantida. Desta forma proporcional + integral (P + l) torna-se a terminologia para as aes que incorporam essas caractersticas. A ao integral num controlador exibida dentro da banda proporcional e a Fig. 95 mostra a funo completa de P + l.

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Fig. 95: Proporcional + Integral

O tempo de reajuste ajustvel. Se for muito curto, reaes e instabilidade excessivos podero ocorrer. Se for longo demais, efetivamente no haver ao de reajuste. O tempo de reajuste est indicado em unidades de tempo e dado a ele o termo Tn. Em alguns controladores o parmetro ajustvel para o processo reajuste o recproco de Tn que conhecido como repeties por minuto. Repeties por minuto = ________________1_________________ Constante de Tempo Integral em Minutos Tn = - significa sem ao integral Tn = 0 - significa ao integral infinita 5.1.8 AO DERIVATIVA A Fig. 95 mostrar que, com controladores P + l, excesso de temperatura pode ocorrer ao por em movimento. Em termos simples, a ao l detecta um desvio e, de certa forma, reage excessivamente empurrando a banda proporcional mais alto causando uma sada excessiva de calor. Isto realmente ocorre porque o controle reage com certa lentido causando a ao l a reagir excessivamente. Portanto, o que preciso uma impulso extra ao se por em movimento. A ao derivativa detecta a mudana no aumento e decrscimo de um desvio. O termo P + l detecta a magnitude do desvio. Ela chamada de Ao Derivativa e indicada pela letra D e a ao - D ajustvel e indicada nas unidades de tempo como TD. TD = 0 significa sem ao D TD = significa ao D infinita Controladores P + D podem ser conseguidos, mas com esses, o desvio constante estar presente. Vale a pena lembrar que a nica desvantagem com um controle P a presena do desvio constante. A fim de super-lo e remover o desvio constante, a ao - l introduzida. A desvantagem deste, o excesso ao se por em movimento. Assim a necessidade por uma terceira ao D. Portanto terminamos com um controlador P + l + D que se for adequadamente ajustado, d uma resposta estvel e rpida, sem desvio constante e sem excesso. P e l e D so indicados como termos e assim um Controlador P + l + D conhecido como um controlador de 3 termos.

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5.1.9 RESUMO A Fig. 96 mostra a resposta dos vrios tipos quando a mudana de curso, desta forma um desvio, introduzido com relao ao tempo.Mudana repentina de curso Curso Desvio Offset Desvio inicial relativamente alto e logo a seguir um desvio sustentado

O mais alto desvio inicial. Sem offset

Offset

O mais baixo desvio inicial, mas com offset sustentado.

Ponto de Ajuste

O mais baixo desvio inicial e sem offset

Tempo Fig. 96: Comparativo de Aes Controladas

Portanto, com um controle de proporo (P), o sinal de sada sempre proporcional ao desvio. Aes adicionais so adicionadas ao de controle proporcional bsica, onde for necessrio, para a) b) Minimizar o offset Maximizar a estabilidade

a) P + l ou controle proporcional com ao integral induz reajuste automtico

do ponto de ajuste de um controlador proporcional de tal forma que o seu sinal de sada varia a um range proporcional ao desvio. b) P + D ou controle proporcional + ao derivativa causa uma variao no sinal de sada num range proporcional ao range de mudana do desvio. On/Off P + l + D o mais complexo, mas explora as vantagens do P + l e P + D. Portanto, um controlador de 3 termos contm 3 processos de controle.Simples 1) Ao Proporcional (P) com ganho ajustvel para obter estabilidade Estvel 2) Ao de Reajuste (Integral) para compensar mudanas de curso Fcil montagem 3) Ao Derivativa (Derivative) para acelerar Ocorrncias de desviosvlvula o movimento da quando ocorrem mudanas rpidas de cursos. Proporcional No caro Simples

As vrias caractersticas podem ser resumidas conformeTIPO P Xp% L No momento que existe um controle de desvio o controlador AO DE CONTROLE Um controle de desvio produzir proporcional sada do controlador magnitude do desvio. OBJETIVOS PRINCIPAIS Produz a totalidade do esforo Corretivo. Eliminao de offset

Proporcional + Integral Sem desvio seguem: Instabilidade pode ocorrer Proporcional + Derivativa Estvel Algum desvio (porm menos do que com Ao P Isoladamente) Respostas Rpidas s mudanas.

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Tn (tempo) D TD (tempo)

comea a produzir uma crescente proporcional. sada de corrente. Quanto maior for o desvio, o mais rpido este aumento ou decrscimo ou na sada da corrente. Qualquer mudana no desvio de Impulso controle resultar numa sada, extra para ter proporcional velocidade na qual retorno rpido ao o desvio est mudando. valor ajustado.

Proporcional + Derivativa + Integral O mais complexo O mais caro Sem desvio Dar o melhor controle, mas tem de ser adequadamente montada, o que pode ser complicada Finalmente, o que o engenheiro de controle deve fazer evitar o perigo de usar ao de controles complicadas e desnecessrias para uma aplicao especfica. Em resumo, deve-se escolher a ao de controle menos complicada, que fornecer um grau de controle exigido para o trabalho em questo. 5.2 TERMINOLOGIA ADICIONAL Isto definido como O tempo que se leva para o atuador cursar 63.2% do seu movimento total, devido imerso em lquidos em duas temperaturas. A explicao um pouco mais profunda do que isto, entretanto, realmente o tempo lgasto pelo sinal ou sada para atingir o seu valor ajustado se a taxa original tivesse aumentado ou o movimento tenha sido mantido. 5.2.1 CONSTANTE DE TEMPO (DE SISTEMA DE CONTROLE) Em termos simples, duas banheiras de gua so mantidas em temperaturas diferentes. O sensor mergulhado em um dos tanques e logo a seguir ele transferido para o outro. O movimento do atuador registrado contra o tempo, at que todos os movimentos tenham, cessados. Finalmente, movimento registrado, expresso como uma porcentagem do movimento total como conseqncia da mudana de temperatura, contra o tempo. O tempo levado para alcanar 63.2% do movimento total pode ser lido com detalhe. O grfico deve esclarecer qualquer dvida que pode ainda haver.

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Fig. 97: Grfico de Constante de Tempo

5.2.2 OSCILAO (HUNTING) s vezes conhecido como ciclagem. Isto tem sido definido como mudana peridica na posio controlada (temperatura). Pode ser causada por banda proporcional demasiadamente estreita quando comparada com a resposta do sistema. Um exemplo simples deve servir para explicar isto com mais detalhe. Examine o exemplo mostrado na Fig. 98. Um vapor para aguar o aquecedor usado num sistema de aquecimento que controlado pela sua prpria vlvula misturadora de 3 vias e sistema de controle.Vlvula Misturadora de trs vias

Controle de Duas Vias Trocador de Calor

Vapor

Liquido Aquecido

Purgador

Bomba

Fig. 98: Vapor para Aguar o Aquecedor que Serve Um Sistema de Aquecimento

No caso extremo, sob condies amenas com pouca ou nenhuma exigncia de curso do sistema de aquecimento, a via A da vlvula misturadora de 3 vias fechar. Nenhum calor exigido do Trocador de Calor. A linha de vazo C-A do Trocador de Calor torna-se efetivamente morta, e o calor perdido por radiao da prpria tubulao. O sensor primrio da vlvula de 2 vias detecta uma temperatura de gua mais baixa e instrui a vlvula de 2 vias a abrir, admitindo uma quantidade excessiva de vapor. 5.2.3 LAG (DEFASAGEM) Lag a demora na resposta e existir nos dois sistemas de controle e no processo ou sistema sob controle.

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Vamos levar em considerao uma sala pequena aquecida por um aquecedor que controlado por um termostato de ambiente da sala. Uma janela enorme aberta deixando entrar grande quantidade de ar frio. A temperatura da sala cair, mas haver uma demora enquanto o sensor esfria e chegue ao nvel da nova temperatura lag de controle. Tendo demandado por mais calor do aquecedor da sala, levar algum tempo at que isto acontea e aquea a sala ao ponto exigido pelo termostato lag de sistema ou lag trmico. 5.2.4 RANGEBILIDADE Esta se relaciona vlvula de controle e a razo entre a vazo mxima controlvel e a vazo mnima controlvel entre os quais as caractersticas da vlvula (linear, igual porcentagem, abertura rpida) sero mantidas. Pode acontecer com muitas vlvulas que em algum ponto antes da posio de fechamento total da vlvula no h mais controle adequado sobre a vazo de acordo com as caractersticas da vlvula. 5.2.5 RAZO DO TURN DOWN A razo do Turn Down a razo entre a vazo normal mxima e a vazo mnima controlvel. Ela ser substancialmente menos do que a rangebilidade da vlvula se a mesma for superdimensionada. Embora a definio oficial relaciona somente vlvula, ela uma funo do controle completo. 6.0 CONTROLADORES Vamos comear dizendo que nem todas as aplicaes de controle precisam de um controlador. Uma vlvula on-off e atuador, por exemplo, podem ser operados diretamente de um termostato. Um outro exemplo a operao de controles de segurana de alto limite que so aes de molas para fechar vlvulas ou para fechar abastecimentos de combustvel. Entretanto, quando as exigncias de controle tornam-se mais sofisticadas, ento um controlador necessrio o equivalente ao crebro humano se voc voltar para o primeiro exemplo na primeira pgina deste curso. O controlador recebe um sinal, decide o tipo de ao que precisa tomar para ento enviar um sinal ao atuador para aciona-lo. Nos dias de hoje onde os micro-chips e circuitos inteligentes e computadores esto onipresente, as funes realizadas pelo controlador podem ser realmente muito complexas. Entretanto, j que estamos fazendo uma analogia entre o crebro humano e os controladores e computadores, oportuno mantermos os nossos ps no cho e lembrar o to conhecido lema da IBM Computador (ou Controlador) Rpido, Preciso, Estpido

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Homem Lento, Desleixado, Brilhante. Resumindo, o controlador no curar todas as males. Ele deve ser adequadamente selecionado e montado. Iremos abordar este assunto mais adiante. Embora a maioria dos controladores , hoje em dia, baseado em microprocessador digital e eletrnico, um range de controladores pneumticos est disponvel comercialmente. Estes seriam utilizados para exemplos em reas perigosas onde o risco de exploso impede o uso de eltricos/eletrnicos (diramos que os custos de sistemas eltricos seguros em tais reas seriam o fator proibitivo). Como dissemos anteriormente, as funes que o controlador pode assumir podem ser realmente muito complexas e est alm do escopo deste curso. Tentar list-las em profundidade o mesmo que tentar explicar como opera os controladores. Entretanto, devemos nos atentar para algumas das variaes principais que so: Controlador de Loop simples opera uma vlvula/atuador Controlador de Loop mltiplos opera mais do que uma vlvula/atuador Entrada/sada simples pode aceitar ou enviar somente um sinal do sensor e para um atuador Entradas/sadas mltiplas (multi-canais) pode aceitar vrios sinais enviar vrios sinais. Tempo Real pode incluir um dispositivo de tempo para se tornar vivo ou desligar em horrios pr-ajustados ou predeterminados. Tempo Empregado/Real pode se tornar vivo (ou desliga) num perodo de tempo pr-ajustado e predeterminado antes ou depois que outros itens do equipamento tenham sido ligados ou desligados. Ramp (acesso) e Dwell (acelerao constante) a capacidade de aumentar a temperatura do mdio controlado em perodos especficos de tempo para ento manter a temperatura no valor pr-ajustado. Tais controladores freqentemente incorporam uma srie de nveis de ramp e de dwell.

Na Fig. 99, podemos ver um tpico controlador de loop simples e eletrnico. Este tem ao P + l + D, adequada para fornecimento de 110 e 240 volts. Fig. 100 mostra um controlador de loop simples pneumtico com ao P. Modelos diferentes podem ser selecionados tanto para controlar a temperatura assim como a presso. O Controlador de Sala do equipamento mais complexo conforme Fig. 101. Este controlador ir controlar a caldeira, bomba, vlvula de controle de aquecimento, vlvula HWS, e oferece muitos outros dispositivos. A Fig. 102 mostra um tpico controlador de loop simples que tem a habilidade de realizar funes ramp e dwell e um padro tpico como mostrado na Fig. 103. Um termo que se encontra freqentemente em literatura de controle Controlador Lgico Programvel (PLC Programmable Logic Controller). Num processo de lote, a seqncia de aes deve ser engatilhada pelo controlador. Por exemplo, ligando ou desligando vlvulas ou bombas. Em alguns casos a seqncia toda est numa base regulada, mas freqentemente as vrias etapas podem ser acionadas por uma condio sedo alcanada, por exemplo, uma certa temperatura sendo alcanada ou um vaso cheio. Essas seqncias podem ser controladas por um Controlador Lgico Programvel que um dispositivo baseado em micro-

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computador que utiliza interfaces padres para sensores e atuadores e em muitos casos opera da mesma forma que uma srie de cames eletro/mecnico ajustvel.

Fig. 99: Controlador Eltrico de Loop Simples

Fig. 100: Controlador Pneumtico de Loop Simples

Fig. 101: Controlador Eletrnico de Sala de Fbrica

Fig. 102: Controlador de Processos Dwell e Ramp de Loop Simples Fig. 103: Padro Tpico de Dwell e Ramp de Seqncia Mltipla

SENSORES

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No comea deste curso, ns dissemos que iramos nos concentrar em medida de temperatura e isto que vamos fazer nesta seo. Entretanto devemos estar conscientes de que h uma grande variedade de sensores e sensores disponvel para medida de presso, nvel, umidade, etc.. O sensor a parte de um sistema de controle que sente a mudana num varivel controlado. O sensor pode ser do tipo onde a mudana na temperatura resulta numa mudana de voltagem ou talvez uma mudana em resistncia. O sinal do sensor pode ser muito pequeno precisando de acondicionamento de sinal a fim de melhorar o seu valor. Uma pequena mudana em resistncia sinalizada por um sensor em resposta uma mudana de temperatura pode, por exemplo, ser convertida para uma voltagem eltrica para transmisso ao controlador. O sistema de transmisso em si uma fonte potencial de erros. Cabos eltricos sofrem resistncia de cabos (esta a soma de resistncia e de indutncia dada em ohms) como uma fonte de erro assim como estar sujeito interferncia eltrica (rudo). Pode haver vazamentos minsculos no sistema de tubulao pneumtica. O termo Termostato geralmente utilizado para indicar um sensor com desvio de on/off. Sensor um outro termos muito utilizado. Geralmente este quer dizer tanto o sensor assim como a unidade de acondicionamento de sinal local. O Sensor dispositivo que cnverte uma caracterstica fsica numa outra, por exemplo, mili-volts em mili-amps ou movimento em mili-amps. Com dispositivos Pneumticos, a palavra Transmissor freqentemente encontrada e mais uma descrio simples de sensor ou sensor. Entretanto, o dispositivo de medida usualmente mais conhecido como Sensor e ns vamos ver os tipos mais comuns em destaque.

7.1 SENSORES DE SISTEMAS DE EXPANSO DE LQUIDOS Com os Controladores Pneumticos, sensores de sistemas de expanso de lquidos so empregados. Fig. 104 ilustra os princpios. Quando a temperatura muda, o fludo expande ou contrai fazendo com que o tubo Bourdon se mova. s vezes um fole utilizado no lugar do tubo de bourdon. No passado, o lquido era freqentemente o mercrio. Quando aquecido, ele expande e com isto o tubo bourdon se desenrola; esfriamento provoca contrao e fora o tubo bourdon a se enrolar mais apertado. Este movimento da serpentina utilizado para acionar as alavancas dentro do controlador pneumtico permitindo que ele realize a sua tarefa. A verso que detecta presso simplesmente usa uma tubulao de presso conectada ao tubo de bourdon. Por razes de segurana, presentemente o mercrio menos utilizado. No seu lugar usa-se gs inerte como o nitrognio.

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Fig. 104: Sensor de Sistema cheio.

7.2 SENSORES DE TEMPERATURA TEMPERATURE DETECTORS)

DE

RESISTNCIA

(RTD

RESISTENCE

Os Detectores de Temperatura de Resistncia empregam o fato de que a resistncia eltrica de certos metais muda enquanto a temperatura muda. Portanto, eles agem como sensores eltricos, convertendo mudanas de temperatura para sinais de voltagens medindo mudanas de resistncia. Platina, cobre e nquel so trs metais que atendem as demandas dos Detectores de Temperatura de Resistncia e a Fig. 105 mostra o relacionamento entre resistncia e temperatura. O Detector de Temperatura de Resistncia especificado em termos da sua resistncia a 0C e a mudana em resistncia de 0C a 93C. Os mais utilizados so os RTDs de platina que so fabricados com uma resistncia de 100 ohm a 0C e so freqentemente conhecidos como sensores PT100. Eles podem ser usados num range de temperatura de 204C a 1600F com alta preciso (0.5%) entre 0C e 93C. A Fig. 106 ilustra os tpicos sensores PT100.

Fig. 106: Tpicos Sensores RTDs PT100.

Sensor exterior

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Sensor de imerso

Sensor de ar interior

7.3 TERMISTORS Conforme a Fig. 105 podemos ver que com o aumento de resistncia com a temperatura virtualmente linear e tem um span relativamente pequeno. Termistors utilizam materiais semicondutores que tem uma grande mudana em resistncia com o aumento de temperatura mas no so lineares na relao.

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Fig. 108: Termistor de Coeficiente Positivo

Fig. 107: Termistor de Coeficiente NegativoTermistores so dispositivos de estado slido que reagem mais rapidamente do que os RTDs mudana de temperatura. A resistncia decresce em resposta temperatura crescente (Termistor de coeficiente negativo) (Fig. 107). Termistores de coeficiente positivo podem ser produzidos onde a resistncia aumenta com temperatura crescente (Fig. 108) mas a sua curva de resposta geralmente os tornam inadequados para temperatura. Os Termistores so menos complexos e mais baratos do que os RTDs mas eles no tem a mesma alta preciso e repetibilidade dos RTDs. Eles tambm so mais susceptveis interferncia eltrica nos fios de sinais do controlador ao sensor, do que os RTDs. Cabos blindados so geralmente recomendados. A Fig. 109 ilustra um tpico sensor de temperatura Termistor onde o span de operao se relaciona com a maior parte linear da sua curva. 7.4 TERMOPAR Se dois metais diferentes so ligados a dois pontos e calor aplicado uma das junes (Fig. 110), uma corrente eltrica fluir atravs do circuito. Termoelementos produzem uma voltagem correspondente diferena da temperatura entre juno da medio (quente) e a juno referncia (fria). A temperatura da juno de referncia fria deve ser precisamente conhecida uma vez que o termo-elemento em si para aprovisionar com preciso. Geralmente, a temperatura da juno fria medida por um Thermistor ou um RTD e, partir da, a temperatura indicada na juno medidora corrida. Isto conhecido como compensao de juno fria.

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Fig. 109: Tpico Sensor de Temperatura de Termistor

Qualquer par de metais diferentes poderia ser utilizado para fazer o termopar. Mas com o passar dos anos, um nmero de tipos padres tem sido desenvolvido e eles tm uma voltagem documentada e relacionamento de temperatura. Os tipos padres so conhecidos pelo uso das letras Tipo E, T, J, etc.

Voltmetro Fig. 110: O Princpio do Termo-Elemento Juno de medida de calor Juno de referncia de frio

Calor Fios de metais diferentes

O tipo K o tipo de termopar mais amplamente utilizado para propsitos gerais. Os metais diferentes utilizados neste tipo so Cromo (90% nquel, 10% cromo) e Alumel (94% nquel, 3% mangans, 2% alumnio e 1% silicone) e eles podem ser utilizados entre um range de 0C a 2000F. A Fig. 111 mostra a sensibilidade do Termopar tipo K. Fios de extenso so utilizados para conectar a juno de medio juno de referncia na caixa de instrumento. Os fios de extenso podem ser iguais aos fios no prprio termoelemento ou podem ser um cabo de compensao feito de cobre e liga de cobrenquel.Fig 11: Sensibilidade de Termoelemento tipo K

Termo-elemento est disponvel numa grande variedade de tamanhos e formatos. No so caros e so resistentes e razoavelmente precisos com amplos ranges de temperatura. Mas a temperatura da juno de referncia deve ser mantida constante seno erros devem ser balanceados. As baixas voltagens da juno significam que cabos blindados e cuidados com a instalao devem ser aplicados a fim de prevenir interferncia eltrica ou rudo dos sinais distorcidos.

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8.0 REGULADORES DE AO DIRETA Voltando mais para o incio deste curso, ns dissemos que reguladores de ao direta seriam discutidos numa seo em separada. O que ns queremos dizer com reguladores de ao direta? Muito simples, eles so controles que so auto-atuados sem a necessidade de eletricidade nem ar comprimido. Se um fludo sensvel temperatura aquecido, ele ir se expandir e de modo inverso ele ir se contrair quando ele esfria. Este princpio utilizado para criar a fora para acionar a vlvula de controle. O fludo sensvel a temperatura pode ser uma expanso de lquido ou um fludo que ferver quando aquecido e cria uma presso de vapor ou tenso de vapor. Um nmero de tipos diferentes de expanso de fludos de presso de vapor , com diferente pontos de fervura, podem ser utilizados para criar diferente ranges de temperaturas de operao.

Escolha do range de operao

Entretanto, o problema com a presso de vapor ou sistema de tenso o relacionamento entre o calor aplicado e presso criada (ou movimento) no uniforme. (Fig. 112). Isto torna mais difcil de mostrar os ranges de temperaturas no sistema de controle, ranges de temperaturas individuais so pequenos em relao aos sistemas de lquidos e, assim, uma variedade mais ampla de cargas necessria. As vantagens da carga de vapor so a sua velocidade de percepo e a sua resistncia presso excessiva.

Movimento

Fig. 112: Sistema de Presso de Vapor

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Entretanto, com um sistema de carga como leo mineral h uma relao linear (Fig. 113). Assim um nmero uniforme de movimento pode ser obtido para cada incremento igual ao aumento de temperatura. Tipicamente, tal sistema pode fornecer um movimento de 10mm por 10F de mudana de temperatura.Fig. 113: Sistema de Carga Lquido

Chave de ajuste Movimento causado Pelo acrscimo de temperatura ao sensor

Uma viso por meio de um diagrama mostra um regulador de temperatura de carga lquida operado diretamente na Fig. 114. O Regulador composto por um sensor completo com uma chave de ajuste conectado via tubulao capilria ao atuador completo com pino de fixao. Ao girar a chave de ajuste para cima ou para baixo permite que a temperatura seja ajustada contra a escala e um volume de leo seja transferido do sensor ao atuador ou viceversa. O pequeno fole no sensor um dispositivo sobrecarregado com gs inerte pressurizado. Ele prevenir ruptura (at limites predeterminados) do sistema de controle caso excesso de calor seja aplicado no sensor, criando expanso excessiva no sistema. A Fig. 115 mostra a extremidade do atuador do Regulador conectada vlvula.

Sensor Adicionar 2F ao sensor Fole de sobrecarga Capilria

Pino de fixao

Fig. 114: Regulador de Temperatura de Carga Lquida Operado Diretamente.

Movimento do obturador da vlvula Caixa da Vlvula Movimento do Pino de fixao

Atuador para Conexo da Vlvula Pino de fixao

Fig. 115: Atuador do Regulador Operado Diretamente acoplado Vlvula de 2 Vias

A ao de controle provida de um Proporcional de Regulador de Operao Direta (P). Enquanto o termo banda-P ainda relaciona mudana de temperatura necessria para acionar a vlvula atravs de todo o seu curso. H uma ligeira diferena relacionada aos controles eltricos ou pneumticos. Com este ltimo, conforme vimos anteriormente, a banda-P opera nos dois lados do valor ajustado ou desejado (Fig. 116). Portanto com esses controles, a banda-

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Banda Proporcional

Fig. 116: Banda-P para Controles Eltricos e Pneumticos.

Ponto de ajuste 80 C

Offset

Banda-P Curso de 0-100%

Com um Regulador de Operao Direta, a banda-P opera abaixo do valor ajustado como mostra a Fig. 117 (o ajuste da chave de controle) quando utilizada em aquecimento com uma vlvula com abertura normal. (Com aplicao de resfriamento envolvendo uma vlvula fechada normalmente, a banda-P ir operar acima da chave de controle).

Fig. 117: Banda-P para Controle de Auto-atuao Valor ajustado C Valor ajustado 81,5 C Valor ajustado elevado de 1.5C a 81.5C

Valor desejado 80 C 100% valor de curso 18.5C Banda-P curso de 0-100%

Banda P C

Entretanto, se a chave de controle reajustada 16.9C para cima, a Banda-P ir operar tanto de um lado do valor desejado assim como do outro para dar -16.9C (Fig. 118).

Fig. 118: O Efeito de Elevar o Valor Ajustado no Regulador Operado Diretamente

J vimos isso, com controles pneumticos e eltricos, a Banda-P pode ser ajustada. Isto no possvel com controles de auto-ao que tem uma Banda-P fixa. Portanto, isto deve ser levado em conta ao selecionamos a vlvula e o sistema. O fabricante deve fornecer uma tabela mostrando os valores da vlvula CV relativa s vrias Bandas-P (Fig. 119). Efetivamente isto quer dizer que ns estamos usando a vlvula de controle para operar somente sobre uma parte do curso total.

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Fig. 120: Bandas-P Aceitveis

Os nmeros dados devem ser relacionados s condies de cursos mximos e devem ser checados com necessidades de aplicaes especficas.Geralmente no selecionaramos a Banda-P abaixo de 2F para assegurar estabilidade de curso leve.

Um exemplo de seleo deve esclarecer qualquer dvida. Dimensionamento seguiria o procedimento que ns j estudamos. i.e. sabendo o curso, a presso acima da sede e a queda de presso aceitvel, pelo uso de tabelas CV, ns chegaramos a um valor CV exigido.

Fig. 121 mostra um Tpico Regulador de Temperatura de Operao Direta.

Vamos presumir que a nossa aplicao um aquecedor de distribuio (4 - 6 F Banda-P aceitvel) e que o valor CV requisitado pelo curso 6. Referindo Fig. 119, ns poderamos tanto usar uma vlvula de 1 ou uma de 1-1/4. A vlvula de 1-1/4 forneceria o CV necessrio com uma Banda-P de aproximadamente 3F. A Banda-P para a vlvula de 1 seria somente acima de 4F. Falando a grossa maneira, para essa aplicao, a vlvula de 1 seria selecionada. Com a vlvula de

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1-1/4 tendo a Banda-P aproximando de 2F, h um risco de instabilidade sob condies de curso leve. Portanto, em termos gerais, onde um nmero de alternativas possvel, para estabilidade, a escolha basicamente feita na vlvula de dimenso menor proporcional com a Banda-P mais aceita. 9.0 LOOP DE CONTROLE Esta realmente a continuao do ponto onde deixamos para trs os Sistemas de Controle. Agora ele envolve o controle completo vlvula, atuador, sensor, controlador e o processo ou sistema em si. 9.1 CONTROLE DE LOOP ABERTO Com o controle de loop aberto no h feedback i.e. nenhuma informao enviada de volta do processo ou sistema sob controle para indicar que est tudo bem ou que alguma ao corretiva necessria. Para ilustrar isto, vamos olhar no sistema de aquecimento simples na Fig. 122. No um bom exemplo de controle mas serve para explicar os princpios). O sensor externo est ajustado a 12F e controlando a vlvula desta maneira, espera-se que controle da temperatura na sala seja conseguido.

Atuador de Vlvula de duas vias Sensor externo Bomba Unidade de aquecedor

Caldeira

Sala Fig. 122: Controle de Sistema de Aquecimento de Loop Aberto

Entretanto no h feedback no que diz respeito quanto temperatura da sala. Em tempo ameno, embora a vazo da gua esteja sendo controlada, o excesso de aquecimento ser inevitvel na sala. 9.2 CONTROLE DE LOOP FECHADO Muito simples, um controle de loop fechado de fato emprega o Feedback informao que enviada de volta do sistema ou processo. Permanecendo com o nosso sistema de aquecimento simples (Fig. 123) que ilustra a diferena.

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Desta vez, a vlvula e o atuador so controlados via sensor de temperatura de ambiente atual. (Para os puristas, a temperatura da gua em vazo seria controlada via termostato da caldeira).Sensor de temperatura ambiente

Fig. 123: Controle de Sistema de Aquecimento de Loop Aberto

E claro que o controle de aquecimento simples no muito representativo, mas serviu para ilustrar o ponto. Um exemplo mais realstico seria um sistema de controle de compensao utilizado num curso de aquecimento (Fig. 124). Tal sistema emprega uma vlvula misturadora de 3 vias com atuador, controlador e um sensor de ar externo assim como um sensor de fluxo de gua. Quando estiver frio no lado de fora, a gua em vazo distribuda em todo o sistema de aquecimento na sua temperatura mxima. Enquanto a temperatura externa eleva, o controlador automaticamente reduz a temperatura da gua que flui atravs do sistema. Entretanto, ele ainda um controle de loop aberto. No h feedback do prdio ou do ambiente que est sendo aquecido. Se todos os radiadores estivessem excessivamente dimensionados ou erros de desenho tenham ocorrido, excesso de aquecimento ainda ocorrer. Adicionando um sensor delimitador de temperatura de ambiente interno (Fig. 125) detectar isto e prover controle de loop fechado.

Sensor externo

Controlador

Sensor de vazo

Sensor de temperatura de ambiente limitado

Fig. 124: Sensor Externo de Controle de Compensao

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9.3 INTERFERNCIAS Distrbios so fatores que entram no processo ou sistema para descontrolar o valor do mdio controlado. Esses distrbios podem ser causados pelas mudanas de curso ou por influncias externas. Para ficar com o nosso sistema de aquecimento simples (Fig.123) se a sala estiver repentinamente cheio de pessoas, isto constitui um distrbio, uma vez que ele afetar a temperatura da sala e a quantidade de calor exigido para manter a temperatura ambiente desejada. 9.4 CONTROLE DE FEEDBACK Este realmente Controle de Loop Fechado com outro nome. Controle de Feedback leva em conta os distrbios e envia de volta a informao a fim de que aes corretivas possam ser tomadas (com a entrada de um grande nmero de pessoas na sala, a temperatura do ambiente acaba sendo afetada, por exemplo). Ele est representado na Fig. 126Ponto de ajuste do sensor (valor desejado)

Interferncia

Fig. 126: Controle de Feedback

O distrbio afeta o valor atual do mdio controlado afastando-o do ponto de ajuste ou do valor desejado. Este erro sinalizado de volta do sensor para o controlador que ento toma as aes adequadas. A ao que ela toma em resposta a este erro depende do tipo de controlador P, P + l, P + l + D, j discutido anteriormente.

9.5 CONTROLE DE MALHA DIRETA (FEEDFORWARD) Com um controle de malha direta, os efeitos de qualquer distrbio so antecipados, permitindo desta forma priorizar os efeitos que esto acontecendo. Sensores seriam utilizados para medir os distbios (Fig. 127).

Valor de interferncia detectado Interferncia

Fig 127 . : C n le d o tro e M rc a D ta a h ire (Fe d rw rd e fo a )

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Controle de Malha Direta raramente encontrado isoladamente. mais usual encontra-lo em uso em conjunto com o controle de feedback (Fig. 128).

Sensor de valor ajustado Sensor de interferncia Fig. 128: Combinao de Controle de Feedback/Feedforward

Controladores Feedforward so muito complexos e tem de fazer clculos muito sofisticados. A fim de ser efetivo, deve haver conhecimento considervel sobre o processo e os distrbios. Ele raramente utilizado, somente em poucas aplicaes de natureza muito complexa e especializada. Muito mais utilizado o controle de feedback simples (ou loop fechado). 9.6 CONTROLE DE LOOP SIMPLES Este o loop de controle mais simples envolvendo somente um varivel controlado por exemplo, temperatura. Para melhor detalhar, ns pegaremos um trocador de calor de vapor para gua (Fig. 129).

Sada de gua quente Vapor

Entrada de gua fria

Somente um varivel controlado a temperatura da gua saindo do trocador de calor. Isto conseguido controlando uma vlvula de 2 vias na entrada do vapor. O sensor primrio pode ser um termopar medindo a temperatura da gua. O pequeno sinal produzido pelo termopar pode ser transmitido para uma unidade de acondicionamento de sinal ou um sensor. Este converte o sinal do termo-elemento em sinal padro que transmitido ao controlador.

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O controlador compara o sinal com ponto de ajuste. Se houver alguma diferena, o controlador envia o sinal de erro ao atuador da vlvula que por sua vez, aciona a vlvula para uma posio mais aberta ou fechada. O controlador pode incorporar um gravador que mantm um registro de tabela permanente da temperatura da gua quente (do sensor). O controlador pode tambm incluir um indicador de sada que mostra a porcentagem de abertura ou fechamento da vlvula ou a potncia do sinal sendo enviado ao atuador do controlador. Loops de controle simples aplica-se a grande maioria de controles para sistemas de aquecimento ou processos industriais. Outros termos utilizados incluem controle de valor ajustado, controle de loop fechado simples ou controle de feedback.

9.7 CONTROLE MULTI-LOOP Considere a madeira o produto base que deve ser controlada num nvel especfico de umidade. (Fig. 130) O sensor de umidade simples na extremidade do transportador na Fig. 130a controla o forno. Mas se o spray de gua for aumentado devido as principais oscilaes de presso, talvez ele leve 30 minutos antes que o produto chegue extremidade oposta do transportador e o sensor de umidade reage, causando desta forma variaes na qualidade do produto. Um segundo sensor de umidade adiante do forno ir melhorar o controle, o controlador reagindo condio de umidade on. Isto, de forma simples, ilustra o controle multi-loop.

gua

Spray de gua

Queimador (Pulverizador)

Sensor de eliminao de umidade

Calorfero Fig. 130: Controle Multi-loop

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9.8 CONTROLE EM CASCATA Controle efetuado por dois loops de controle em srie onde um varivel controlado afetado por duas ou mais entradas ou onde h diferente tempo de transferncia de calor nos elementos do sistema e onde alta preciso necessria. A Fig. 131 mostra um vaso encamisado cheio de liquido, aquecido por vapor. O tempo de resposta do lquido muito mais longo do que o tempo de resposta do vapor. O Controlador 1 est recebendo sinais do sensor no lquido. O seu prprio sinal de sada transmitido a um segundo controlador e altera o ponto de ajuste daquele controlador. O Controlador 2 recebe um sinal do sensor no vaso encamisado e reage aquilo mais o seu prprio ponto de ajuste para operar a vlvula e o atuador.

Fig. 131: Controle em Cascata

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9.9 DIAGRAMAS DE BLOCO Os diagramas de bloco so meios que simbolicamente representam os sistemas de controle. Dois smbolos bsicos so utilizados. O primeiro um circulo que representa adio ou subtrao em lgebra. Sinais de mais (+) e menos (-) so utilizados. Por exemplo. Portanto, no que vem acima, Erro = Ponto de ajuste Valor atual Xw = Xs X O outro smbolo um bloco que representa a multiplicao e diviso em lgebra. Por exemplo: Representa C = a x B

Ponto de ajuste

Desvio ou erro de controle

XsXw

X Valor atual (do sensor)

Fig. 132: Tpico Diagrama de Bloco

9.10 ALGORITMO DE CONTROLE Um algoritmo um processo ou regras expressas algebricamente para clculo. Num controlador proporcional simples, a sada do controlador algebricamente proporcional ao sinal de entrada de erro para o controlador. Um diagrama de bloco o seguinte: Onde Y = sada K.Xw do controlador Xw = desvio ou erro de controle K = ganhoFig. 133: Diagrama de Bloco de Controle P

Essa equao conhecida como Algoritmo de Controle. Acima, K = ganho que ns j vimos em Ao de Controle. Ganho a sensibilidade proporcional de um controlador e geralmente ajustvel. A banda

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proporcional usualmente expressa como uma porcentagem e o relacionamento para ganho, pode ser expressa como:Banda P Ou Xp = = __1__ Ganho _1_ K x 100 x 100

Em termos no porcentuais, Ganho Ou K = = __________1________ Banda Proporcional __1__ XP

Portanto, se y = K.Xw E K + __1__ XP Ento y + _Xw_ Xp

Ou Sada de Controlador = Desvio (Erro) de Controle Banda Proporcional Isto introduziu um pouco de matemtica de controles. Algoritmos similares existem para l,D,P + P + D, e P + l + D, mas a matemtica se torna muito envolvida e est fora do escopo deste curso. 10. DINMICA DO PROCESSO Este novamente um assunto complexo e o que faremos nesta seo cobrir apenas as consideraes bem bsicas. J destacamos o termo Tempo Constante que lidava com definio do tempo levado para movimento do atuador. Outras partes do sistema de controle tero respostas similares baseadas em tempo o controlador e os seus componentes e o sensor em si. Todos os instrumentos tm um lag de tempo entre a entrada para o instrumento e a sua sada subseqente. At o sistema de transmisso ter um lag de tempo no por um problema do sistema eltrico/eletrnico, mas um fator que pode precisar ser lavado em conta com sistemas de transmisso pneumticos.

Figs. 134 Lag de Resposta de Sensor

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As Fig. 134 a/b mostram alguns lag de tempo tpicos para um termopar medindo a temperatura da gua. O Tempo Constante de um sistema de controle foi definido anteriormente. Em termos bem simples, o tempo levado por um controle para alcanar dois teros do seu movimento total como resultado de uma certa mudana de temperatura. Independente da demora de resposta do sensor, outras partes do sistema de controle tambm afetam o tempo de resposta. Com sistemas pneumticos e de auto-ao o movimento tende a ser suave e diretamente proporcional ao desvio de temperatura no sensor embora sistema de transmisso pneumtico possa afetar isto. Com um controle h uma demora devido ao tempo que leva para o motor acionar a conexo de controle. O motor tende a livrar-se dos sinais do sensor causando ecloses de movimentos seguidos por perodos onde o atuador estacionrio. A Fig. 135 resume isto. O que j vimos sobre sistemas de controle considerou apenas as condies de condio estvel. Mas o processo ou equipamento sob controle tem uma mente prpria e um certo padro de comportamento. O sistema de controle solicitado a fazer o processo se comportar de maneira previsvel. Se o processo um que muda rapidamente ento o sistema de controle deve ser capaz de reagir com maior rapidez. Se o processo de uma natureza lenta e mutante, o sistema de controle tem uma tarefa mais fcil. Muito est documentado a respeito do comportamento dinmico e esttico de controladores e sistemas de controle sensibilidade, tempo de resposta, etc. e o mais importante o lag de tempo do loop de controle.

Fig. 135: Respostas s Mudanas de Temperatura

Entretanto, com os atuais equipamentos, provvel que o lag de tempo ou tempo de resposta de um sistema de controle mais curto do que aquele de um sistema ou processo sob controle (h processos excepcionalmente rpidos). As dinmicas do processo so mais importantes na escolha do tipo certo de controlador e de sistema de controle para realizar o trabalho.

10.1 REAES DE PROCESSOS As caractersticas dinmicas so definidas pela reao do processo uma mudana repentina, conhecida como um Entrada em Etapa (Step Input) tal como uma mudana imediata na temperatura, como mostra a Fig. 136.

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A resposta do processo pode ter caractersticas diferentes e h dois fatores envolvidos, o Tempo Constante (Time Constant) e o Tempo Morto (Dead Time). A Fig. 137 mostra esses componentes graficamente. Vamos ver os tipos bsicos de Resposta de Processo.

Fig. 137: Componentes de Resposta de Processo Mudana em Etapa.

10.1.1 RESPOSTA DE PRIMEIRA ORDEM

Fig. 138: Resposta de primeira ordem

O range de resposta o mximo no comeo e diminui gradualmente daquele ponto em diante 10.1.2 RESPOSTA DE SEGUNDA ORDEM

Fig. 139: Resposta de segunda ordem

Aqui a resposta mxima no ocorre bem no comeo (i.e. quando a mudana em etapa ocorreu), mas algum tempo depois.

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10.1.3 RESPOSTA DE RAMPA (RAMP RESPONSE)

Fig. 140: Resposta de Rampa (Ramp Response)

10.1.4 TEMPO MORTO

A resposta do processo pode ser tal que com qualquer tipo que ns j vimos, pode no haver nenhuma resposta dinmica e imediata para se comear com. Em outras palavras, h um perodo de Tempo Morto.Fig. 141: Vrias curvas de respostas com Tempo Morto

Em termos amplos, se o Tempo Constante grande comparado com o Tempo Morto, o controle no deve ser difcil. Se, entretanto, o Tempo Morto grande quando comparado com o Tempo Constante, o controle pode ser muito difcil de se conseguir satisfatoriamente. 11. DINMICAS DO SISTEMA DE TUBULAO At este ponto ns j consideramos vrias dinmicas de Processos. Quando instalamos uma vlvula de controle num sistema de tubulao, a sua ao ter um efeito em toda a dinmica do sistema de tubulao. Com sistemas de vapor, somente vlvulas de 2 Vias so utilizadas. Mas vlvulas de controle num sistema de gua pode tanto ser de 2 ou de 3 Vias. Na essncia, a ao de uma vlvula de 3 vias, podendo ser misturadora ou divergente, faz muito pouco para mudar as condies de presso atravs do

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sistema. Uma vlvula de 3 vias pode quase ser considerada como uma vlvula de volume constante e de distribuio de presso constante a qual ser mantida no sistema, sem restrio quanto a posio da vlvula. Essa afirmao deve ser qualificada, ela somente verdade desde que uma vlvula de equilbrio seja instalada na passagem de derivao (bypass) ou linha de conexo de mistura (Fig. 142). Essa vlvula de equilbrio ajustada para igualar a resistncia ao fluxo na linha de mistura ou de bypass quela na parte de volume varivel do sistema de tubulao i.e. X para A = X para B em fluxo total na Fig. 142 (a).

Fig. 142: Vlvulas de Equilbrio em Controle de Vlvula de 3 Vias.

Fig. 143: Vlvula 3-vias sem Vlvula divergente

O efeito de no se colocar e ajustar uma vlvula de equilbrio pode ser visto na Fig.143 a qual mostra a curva da bomba e a mudana na curva do sistema com a mudana da posio da vlvula.

Fig. 144: o efeito de uma vlvula de duas vias na presso ou ponta da bomba

Entretanto, quando uma vlvula de duas vias usada em gua ou num sistema liquido, e quando a vlvula vai se fechando, a vazo diminuir e a presso aumentar. Mudanas na cabea da bomba ocorrero

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assim que os controles da vlvula vo se fechando. Os efeitos so ilustrados na fig. 144.

Essa mudana na ponta da bomba reduz a energia consumida e a mudana de p pode ser usada como um sinal para disparar in e out em duas ou mais bombas de funes variveis em concordncia com as mudanas nas condies da carga. Isto permite que a razo de bombeamento seja igualada demanda da carga, economizando na energia de bombeamento. 12. ESCOLHA E SELEO Nesta parte iremos nos concentrar nas opes que temos e nas decises que devemos tomar antes de escolhermos um controle automtico. Recomendaes em vez de regras duras e rpidas sero oferecidas porque para se tomar essas decises existem vrios fatores, por exemplo, custos, preferncias baseadas em experincias passadas e modismo no podem ser includos aqui. 12.1 APLICAES importante manter em mente os trs parmetros bsicos que discutimos na Parte 1 segurana, estabilidade, preciso. Para selecionarmos um controle, devemos saber os detalhes da utilizao e do processo em si, por exemplo: a) Vamos controlar temperatura ou presso ou nvel etc? b) O que vamos controlar ex: trocador para calor ou um processo? c) Usando uma demanda do controle de temperatura, h temperatura fixa ou alguma variao envolvida (ex: ramp e dwell)? d) A carga de natureza estvel ou varivel e, se essa ltima, qual a escala de tempo para mudana ex: rpida ou lenta? e) A temperatura a ser mantida (valor ajustado) de natureza crtica? f) necessrio um controle de loop simples ou loop mltiplo? g) Quais outras funes (se alguma) tero de ser realizadas pelo controle ex: controle de temperatura de um sistema de aquecimento, desvio onoff, mas excesso de condensao interna ou proteo congelamento durante perodos off? h) O equipamento ou processo est em local perigoso (classificado)? i) Existe alguma regra de segurana envolvida ex: a vlvula deve abrir ou fechar em caso de falha de energia? necessrio um controle de limite de alto ou baixo em separado? j) a atmosfera/ambiente corrosivo por natureza ou a vlvula ser colocada externamente ou em rea suja? k) Que tipos de fontes de energia so disponveis ex: eltrica ou ar comprimido pneumtico? 12.2 FONTE DE ENERGIA

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Queremos dizer com isso que a fonte de potncia para operar o controle possa ser tanto eltrico, pneumtico, eletro-pneumtico ou auto-operado. At certo ponto, os detalhes da aplicao vo determinar a escolha do energia do controle. Por exemplo, se o controle est numa rea perigosa, o pneumtico ou o auto-operado talvez seja mais recomendado do que o caro e intrinsicamente seguro ( prova de exploso) controle eltrico. As seguintes caractersticas so listadas como um comentrio geral nas opes de fontes de energia: 1. Reguladores Operados Diretamente so robustos, simples, tolerantes aos ambientes hostis, fceis de instalar e pr em funcionamento e proporciona controle Proporcional. Eles reagem de forma relativamente lenta e as funes de controle Integrado ou Derivativo no podem ser transmitidas. Controles podem ser conseguidos para impedir a abertura ou o fechamento no caso de um inaceitvel excesso na temperatura. Eles so inerentemente seguros. Virtualmente livres de manuteno. 2. Controles pneumticos so tambm muito robustos e os atuadores podem propiciar um alto grau de msculo. Em outras palavras eles podem propiciar uma alta potncia para o fechamento ou a abertura para acionar vlvulas contra altas presses diferenciais. O uso de posicionadores ir garantir um controle preciso e passvel repeties. Os Controles pneumticos puros so inerentemente seguros. Os atuadores so suveis na operao. O sistema de ar comprimido necessrio pode ser caro para instalar se no existir uma proviso. Manuteno freqente necessria. Controle tende a ser um pouco lento se instrumentos pneumticos esto sendo usados. Padro de controle bsico on/off ou proporcional embora P + I esteja disponvel. A instalao basicamente fcil e de natureza mecnica assim tambm o o comissionamento. Pode ser adaptado para propiciar operao de fail open (falha aberta) ou fail closed (falha fechada) sem custos indevidos ou dificuldades. 3. Controles eltricos do respostas rpidas e so altamente precisos e controladores esto disponveis para prover alta versatilidade com combinaes de on/off ou P + I + D do modo de controle e sadas de funes mltiplas. A instalao envolve conhecimentos eltricos e mecnicos e tambm deve ser levado em considerao o custo da fiao. Comissionamento adequado e manuteno regular so essenciais. Atuadores eltricos tm a tendncia de serem menos potentes e menos suveis do que seus correlativos pneumticos. Atuadores com molas de retornos so necessrios com a para funo de impedir a abertura ou o fechamento e esses trazem consigo a desvantagem do custo. Um controle eltrico inerentemente seguro para uso em reas de perigo uma proposta cara.

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4. Controles Eletros-Pneumticos combinam os melhores recursos dos dois tipos. Este tipo tem um atuador pneumtico com vlvula, um controlador eltrico/eletrnico, sistema de controle e sensor mais um posicionador e conversor eletro-pneumtico. Essa combinao proporciona a potencia e suavidade na operao do atuador/vlvula pneumtico com a velocidade e preciso de um sistema de controle eletrnico. As operaes de fail open e fail closed podem ser proporcionadas sem as desvantagens de custo e, usando barreiras adequadas e/ou confinando a parte eltrica/eletrnica do sistema numa rea segura (ex: no perigosa), eles podem ser usados onde segurana inerente exigida. 12.2 VALVULAS E ATUADORES O tipo de atuador ser determinado pela escolha que fizermos do tipo da Fonte de Alimentao (auto-operada, eltrica, pneumtica ou eletro/pneumtica) e o grau de flexibilidade. Em relao vlvula, se o elemento for vapor, a escolha a vlvula de duas vias, entretanto, se o elemento for gua ou outro liquido, temos de escolher entre Vlvulas de Duas Vias ou Trs Vias e nos j discutimos os efeitos na dinmica no sistema de tubulao no capitulo 5. A escolha por uma vlvula de trs vias para misturar ou desviar, ser determinada pela sua aplicao. Se a presso do sistema mudar devido ao uso, as vlvulas de duas vias so levadas em considerao, as vantagens se comparada com as de 3 vias so o menor custo, simplicidade e menor custo na instalao. A escolha de vlvulas de duas vias pode tambm deixar a inerente mudana de presso no sistema para ser utilizada para acionar as bombas de trabalho variveis ou para reduzir a taxa de bombeamento de uma bomba de velocidade varivel de acordo com da demanda de carga. Quando selecionando a vlvula, todos os fatores que consideramos anteriormente devem ser levados em conta material, limites de presso do corpo, tamanhos corretos, conexes necessrias, etc., e devemos ter certeza que a escolha da combinao da vlvula e atuador pode operar contra a diferena de presso encontrada em todos os tipos de carga.

12.3 CONTROLADORES Talvez seja uma aplicao que requer somente um controle de ao on/off. Neste caso, talvez no precisamos de um controlador. O atuador pode ser operado por um dispositivo de acionamento que pode ser um rel ou termostato. Onde a aplicao requer versatilidade, a habilidade de funes mltiplas, ento um controlador eletrnico requisitado - controle de temperatura e tempo, loop mltiplos, entradas e sadas mltiplas, ou controle de ao P, P + I, P + I + D . 12.4 CONTROLE DE AO

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Tendo determinado que necessrio um controlador sofisticado, temos de determinar qual co