desempenho dinamico de valvulas de controle - ufba

5/6/2018 Desempenho Dinamico de Valvulas de Controle - UFBA - slidepdf.com

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DDD EEE SSS EEE MMM PPP EEE NNN HHH OOO DDD III NNN ÂÂÂ MMM III CCC OOO DDD EEE

VVV ÁÁÁ LLL VVV UUU LLL AAA SSS DDD EEE CCC OOO NNN TTT RRR OOO LLL EEE

L A C OI – L ab o r a tó r i o d e C o n t r o l e e I n s t r u m en taçãoD E Q - D ep ar tam en to d e E n g en h ar i a Qu í m i ca

E P - E sco l a P o l i t écn i ca

U F B A - U n i v e r s i d ad e F ed er a l d a B ah i a

www.LACOI.ufba .br

[email protected]

7 1 2 0 3 . 9 8 1 1 - 7 1 9 9 8 4 . 3 3 1 6



D e s e m p e n h o D i n â m i c o d e V á l v u l a s d e C o n t r o l e w w w . L A C O I . u f b a . b r

P á g i n a 2 d e 3 0

Í N D I C E

ÍNDICE .........................................................................................................................................................2

INTRODUÇÃO ............................................................................................................................................4

CAPÍTULO 1. AVALIAÇÃO DAS MALHAS DE CONTROLE .......................................................6

1.1 ESTUDO E AVALIAÇÃO DO PROCESSO ..............................................................................................6

1.2 AUDITORIA ..........................................................................................................................................7

1.2.1 MALHAS............................................................................................................................................7

1.2.2 VÁLVULAS DE CONTROLE................................................................................................................9

1.2.3 INSTRUMENTOS CORRELACIONADOS ...........................................................................................12

CAPÍTULO 2. TESTE DE DESEMPENHO DINÂMICO ................................................................13

2.1 CONDIÇÕES PARA TESTES EM VÁLVULAS .......................................................................................13

2.1.1 REQUERIMENTOS PARA OS INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO ..........................................................14

2.1.2 POSIÇÃO NOMINAL NOS TESTES ...................................................................................................15

2.1.3 EXEMPLO DE TESTE DE RESPOSTA AO DEGRAU ..........................................................................15 2.2 TESTES DURANTE A OPERAÇÃO NORMAL .......................................................................................16

2.2.1 TESTE DE SENSIBILIDADE DA MALHA ............................................................................................17

2.2.2 TESTE DA LINHA DE REFERÊNCIA (BASELINE TEST) ....................................................................17

2.2.3 TESTE DO PEQUENO DEGRAU (SMALL STEP TEST) ...................................................................18

2.2.4 TESTE DO TEMPO DE RESPOSTA (RESPONSE TIME TESTS) ......................................................20

2.3 CÁLCULOS ........................................................................................................................................22

2.3.1 HISTERESE.....................................................................................................................................22

2.3.2 BANDA MORTA E SENSIBILIDADE..................................................................................................23 2.3.3 OVERSHOOT ..................................................................................................................................24

2.3.4 RUÍDO.............................................................................................................................................25

CAPÍTULO 3. CONCLUSÕES............................................................................................................26

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .....................................................................................................27

DEFINIÇÕES ............................................................................................................................................28

ABREVIATURAS E SÍMBOLOS ...........................................................................................................29




P á g i n a 3 d e 3 0

Índ ice de f igura

FIGURA 1-1: MONTAGEM IDEAL DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE. 11

FIGURA 2-1: TÍPICA RESPOSTA A DEGRAU SEM OVERSHOOT. 15

FIGURA 2-2: TÍPICA RESPOSTA A DEGRAU COM OVERSHOOT. 16

FIGURA 2-3: TESTE DA LINHA DE REFERÊNCIA. 18

FIGURA 2-4: TESTE DO PEQUENO DEGRAU. 20

FIGURA 2-5: TESTE DO TEMPO DE RESPOSTA. 22

FIGURA 2-6: CÁLCULO DA HISTERESE. 23

FIGURA 2-7: GRÁFICO DE RESOLUÇÃO E BANDA MORTA. 24

FIGURA 2-8: OVERSHOOT. 24

Índ ice de tabelas

TABELA 2-1: TABELA DE RESULTADOS DA AVALIAÇÃO DO RUÍDO. 25




P á g i n a 4 d e 3 0

I N T R O D U Ç Ã O Várias publicações externas mostram serem os problemas nas válvulas as principais causas do

mau desempenho das malhas de controle. Uma auditoria no sistema conforme proposto e

testes bastante simples aplicados às válvulas podem detectar tais problemas, garantindo uma

correção mais imediata. A atuação hoje ainda é por solicitação do operador quando o problema

já passa a afetar a operacionalidade da planta, porém os tempos atuais exigem uma postura

pró-ativa que garanta o bom funcionamento do sistema de controle ao longo de todo o tempo

de operação. Se o elemento final de controle não reage bem, a variabilidade do processo pode

aumentar, especialmente, em aplicações de controle avançado que demandam freqüentes

mudanças pequenas na posição da válvula.

Segundo SENAI (1999), ‘A válvula de controle é geralmente o elemento mais caro em umsistema de controle e por tal razão, aliada ao fato de ser um elemento em contínuo contato

com o fluido do processo, é que se justifica plenamente um criterioso programa de

manutenção’.

Assim, essa apostila visa apontar uma metodologia esquematizada para a avaliação dos

sistemas de controle, incluindo destes os elementos primários até o elemento final (que em sua

maioria são válvulas). Nela é citada passo a passo a metodologia para auditoria nas malhas de

controle, em destaques alguns comentários a partir de experiências adquiridas. Em anexoestão algumas sugestões de formulários que podem ser utilizados.

Em um estudo realizado nas malhas de controle de uma unidade operacional produtora de

aromáticos e de polímeros, foram levantados os principais problemas que dificultavam o

fechamento das malhas de controle (MENEZES, 1999), são eles:

• Dimensionamento: super-dimensionamento, que tende a manter as válvulas fechadas, ousub-dimensionamento, que tende a manter as válvulas abertas a maior parte do tempo,

introduzem não linearidade nas malhas de controle, além de diminuir a vida útil da sede dasválvulas;

• Tipo inadequado de válvula: A característica de vazão instalada da válvula de controle noprocesso, obtida observando-se a variação da vazão em função de sua abertura, é muitoimportante para a garantia da estabilidade e do desempenho da malha. A curva desensibilidades possível, isto é, a relação entre a variação da abertura da válvula de controle e avazão correspondente deve variar o mínimo possível. Os mesmos testes do tipo degrauaplicados para verificação da histerese podem ser utilizados para esta verificação;




P á g i n a 5 d e 3 0

• Ruídos e perturbações periódicas: Devem ser identificados e eliminados de forma adiminuir o esforço dos controladores. Um bom sistema de controle não é aquele que estásempre atuando para manter a variável controlada dentro da faixa desejada de controle, afunção dos controladores pode ser resumida em transferir perturbações de um local indesejadopara outro. Quanto maior a freqüência e amplitude das perturbações, maior será o esforço docontrolador e dos elementos finais de controle e, daí o seu desgaste. Uma pesquisa metódicadeve ser feita para eliminar as perturbações.

Um exemplo citado em Menezes (1999) foi o controle de temperatura dos fornos de aromáticos

em cascata com controladores (individuais) de pressão de óleo combustível; a temperatura era

perturbada freqüentemente pelo controle de pressão de óleo que, por sua vez, era perturbado

pela qualidade do óleo que eventualmente era alterada devido à injeção de resíduos leves no

pool de óleo combustível. Ações foram tomadas no sentido de eliminar primeiramente estas

perturbações para só então realizar a sintonia propriamente dita dos controladores de pressãoe temperatura.

• Alta histerese: Uma válvula de controle bem projetada e mantida deve ser capaz deresponder a sinais de comando menores que 1.0% para efetuar uma redução efetiva navariabilidade do processo. Conforme citado em Menezes (1999), aplicando-se pequenasvariações do tipo degrau, em valores crescentes de 0.5, 1, 2, 3 e 4% nas saídas doscontroladores, verificou-se que as variáveis de processo, geralmente vazão, só começavam aresponder a variações bem acima de 0.5%. Esta falta de sensibilidade tem um grande impactona estabilidade da malha de controle e, apesar de ser facilmente identificada, é de pouco

conhecimento entre os técnicos de operação e de instrumentação;

• Faixa (range) inadequada e mau funcionamento dos transmissores;

• Sensibilidade do sistema: o teste degrau em malha aberta nos controladores é muito útilpara determinar a sensibilidade do processo às variações das ações de controle. Podendo seavaliar também as faixas de calibração dos transmissores bem como a escolha do pontoadequado de medição. Se aceita como boa prática uma sensibilidade de 1.0 [(% do range dotransmissor)/(% da saída do controlador)] observando-se como limites aceitáveis 0.5 a 2.0 desensibilidade;

• Equipamentos/sistemas de processos defeituosos ou problemáticos: Uma análise dodesempenho do equipamento/processo estudado deve ser feita antes de qualquer tentativa deajuste dos parâmetros de sintonia. Equipamentos mau ajustados ou defeituosos podem indicar erroneamente um mau desempenho do controlador.




P á g i n a 6 d e 3 0

C a p í t u l o 1 . A V A L I A Ç Ã O D A S M A L H A S D E C O N T R O L E

Para a avaliação das malhas de controle, preferencialmente, deve ser montada uma equipe

multidisciplinar para analisar as várias faces do problema (instrumentação, processo, controle e

automação).

Como sugestão, o preenchimento da tabela em anexo, que é uma compilação das etapas

realizadas em várias empresas, em parte descrita nos itens abaixo. São descritos apenas os

tópicos mais relevantes, porém todos os campos da tabela devem ser preenchidos ou

justificados caso o dado seja desconhecido.

1 . 1 E s t u d o e a v a l i a ç ã o d o p r o c e s s o

• Estudo qualitativo do processo, através de consultas a documentos (PFD, P&I, manuais,artigos, revistas, etc);

• Realizar auditoria do processo, comparando a condição de projeto e a atual;

• Levantamento dos principais problemas de controle, referentes a cada etapa doprocesso;

• Levantamento de características do processo que limita o desempenho e seu impacto:não-linearidade, tempo morto, ruído, faixa operacional muito larga ou muito estreita,

acoplamento, mudança da quantidade e/ou qualidade da carga ou produto.

• Verificar se a estratégia e/ou estrutura de controle escolhida é adequada ao processo.

• Fazer balanço de massa (erro típico entre 0.5% e 3.0%) e de energia (erro típico entre0.5% e 5.0%, devido ao menor número de medições) da planta em estudo.

A análise do processo é a porta de entrada para a análise das malhas de controle. Deve se

procurar ter uma visão mais operacional e/ou de análise de processo, não puramente de

instrumentação ou controle, pensar na planta em regime dinâmico, enxergando de forma

sistêmica a planta industrial.

O engenheiro de processo deve dedicar tempo e ter interesse na operação e controle da

unidade, participando, se possível, desde o projeto, instalação, comissionamento e pré-

operação da unidade.

Deve-se procurar identificar a causa-raiz do problema, supostamente de controle, e, se a

causa for processo e se for possível, deve-se intervir.

Grande parte do problema pode estar na variação do processo após a sua implementação,mudança de carga, aumento de capacidade, mudança de tecnologia, etc.




P á g i n a 7 d e 3 0

Deve se analisar na estratégia de controle: emparelhamento, necessidade de feedforward ,

controle por faixa, controle por razão, split-range, override, ganho não-linear, banda-morta,

filtro pré-compensador para set point , controle inferencial.

Erros acima do normal no fechamento do balanço de massa e/ou energia é uma indicação

de erros de medição.

1 . 2 A u d i t o r i a

1 . 2 . 1 M a l h a s

• Listar todas as malhas a serem analisadas, por área;

• Preencher os dados de:

Função

Produto (fluido que passa pela válvula)

Estado físico (do fluido que passa pela válvula)

• Análise dos sinais de entrada (PV). Anote os dados de:

Unidades de engenharia (ºC, ton/h, etc.)

Amplitude da faixa nominal, span ou escala, (0-50, 200-300, etc.), conforme

aparece no painel de controle

Faixa (range) ou valor normal de operação (10 ~ 50ºC, 5.0 ~ 20.0 l/h, etc.)

Limites de segurança de processo

Presença ou não de filtros, seu valor ou se filtros deveriam ser considerados (no

caso de entradas ruidosas)

Tipo de linearização usada

Anote qualquer comentário do operador sobre os sinais de entrada

Destaque na tabela os valores de operação que estão próximos dos limites de controle e/ou

escala ou até mesmo fora destes e, se possível, corrija.




P á g i n a 8 d e 3 0

Anotar qualquer erro de I/O1 ou qualquer outro erro sistemático.

Caso se deseje realizar um estudo mais profundo pode se verificar a incerteza dos

instrumentos e transmissores.

• Análise dos sinais de saída (MV)

Anote a escala (range)

Anote se a escala é de percentual de fechamento ou abertura

Verifique se saída está próxima de “full open” ou “full close” e destaque

Anote qualquer comentário do operador sobre os sinais de saída

• Análise dos controladores. Anote os dados de:

Parâmetros P, I e D e GAP

Tipo de ação (direta ou reversa)

Se faz parte de cascata. Se sim, se é o mestre ou o escravo

Níveis de alarme [HH, H, L, LL e Desvio (Desvio da PV em relação ao SP)]

• Entrevista com alguns operadores e/ou engenheiros e/ou instrumentistas sobre odesempenho da malha

Questionar sobre principais problemas, fatos alterados após a instalação da malha,

etc;

Quantificar o desempenho da malha como um todo (aplicar notas de 1 a 10, por

exemplo).

• Verificar se o desempenho da malha atende aos requisitos operacionais;

• Imprima e analise trends de longa (1 a duas semanas) e curta duração (2 a 4 horas), como movimento da PV x MV;

Imprima no máximo 3 curvas por gráfico para fazer a avaliação.

A escala deve ser pequena o suficiente para mostrar os movimentos da MV e PV.

1 Input/Output




P á g i n a 9 d e 3 0

Se ambos os trends, de longa e curta duração, mostrarem bom desempenho da

malha, tome nota na planilha.

Deve-se anotar todas as características anômalas detectadas.

Deve-se procurar realizar entrevistas com as pessoas mais experientes e mais diretamente

envolvidas no desempenho da malha de controle e anotar os nomes das pessoas

entrevistadas. É importante a partir das hipóteses levantadas, planejar experimentos e/ou

verificar com outras pessoas responsáveis para comprová-las.

1 . 2 . 2 V á l v u l a s d e c o n t r o l e

• Deverão ser anotados os dados abaixo referentes a cada válvula de controle

Tipo (globo, borboleta, esfera, etc.)

Característica (linear, =%, quadrática)

Classe de pressão (# 150, 300, etc.)

Nome do fabricante e série

Coeficiente de vazão atual (CV)

Diâmetro da linha, da válvula e do orifício

Tipo de elemento sensor

Se a vazão tende a abrir ou fechar

Ação na falta de ar (se é ar-para-abrir ou ar-para-fechar)

• Verificar

Dimensionamento (CV, obturador e atuador)

Curva característica, inerente e instalada

Possibilidade de cavitação e flashing

Se opera com by pass aberto

Posicionador (se possui ou não e se estar operante)

Verificar se a válvula opera nas condições recomendadas (entre 15 e 80%)




P á g i n a 1 0 d e 3 0

• Fazer verificação visual do estado físico da válvula e acessórios

Nível de ruído

Presença de objetos estranhos (pedaços de metal) e/ou corrosão

Vibração na linha

Condições das conexões elétricas, das partes móveis mecânicas e linhas

Comprimento do trecho reto de linha dos medidores e válvulas

Adequação do local de instalação

Outros comentários relevantes à situação de instalação da válvula

• Elementos primários de medição e tomadas de sinais

Realizar inspeção visual, caso seja placa de orifício, verificar obstrução e/ou

deformação na placa

Drenar transmissores e verificar o zero

Verificar cablagem quanto à umidade, isolamento, possíveis curtos-circuitos nos

cabos, etc.)

• Verificar unidade de ar de instrumento

Deve-se anotar todas as características anômalas detectadas e, se possível, consertar os

problemas observados.

Possivelmente, após a manutenção e/ou calibração das válvulas e transmissores de I/P2 há

alterações no ganho da malha. Os distúrbios mais freqüentes costumam ser nos elementos

primários e na cablagem, os transmissores não costumam apresentar problemas.

Se possível, classificar, listar e identificar os instrumentos das malhas (medidores,

conversores, válvulas, transmissores, controladores, etc). Coletar os documentos

necessários (PFD, P&I, data sheet dos instrumentos e das válvulas, árvore pneumática das

válvulas, manuais de processo e dos instrumentos, etc).

2 Analógico (4 a 20 mA) para pneumático (3 a 15 psi)




P á g i n a 1 1 d e 3 0

Conforme o livro Control Valve publicado pela ISA o ideal é manter entre 10 a 20 diâmetros

de tubulação de trecho reto à montante e 3 a 5 diâmetros de trecho reto à jusante. Outra

recomendação importante é evitar a utilização de válvulas de bloqueio próximas às válvulas

de controle.

PI PI

10 a 20 diâmetros 3 a 5 diâmetros

13 diâmetros 4 diâmetros

F igura 1 -1 : Montagem idea l de uma vá lvu la de cont ro le .

Tirar fotos das válvulas anotando diretamente nestas os principais problemas levantadas,

conforme Figura 1-2.

F igura 1 -2 : Exemplo de fo to de vá lvu la com observações .




P á g i n a 1 2 d e 3 0

Transdutor I/P pode ficar mais problemático em função da presença de umidade e/ou finos

no ar de instrumento. A umidade é a principal inimiga da pneumática, pois condensa nos

reservatórios e tubulações causando entupimentos e prejudicando a lubrificação.

1 . 2 . 3 I n s t r u m e n t o s c o r r e l a c i o n a d o s

• Listar todos os instrumentos correlacionados às malhas a serem analisadas, separadospor área.

• Preencher os dados de:

Função

Produto (fluido que passa pelo instrumento)

Unidades de engenharia (ºC, ton/h, etc.)

Amplitude da faixa nominal, escala ou span, (0-50, 200-300, etc.), conforme

aparece no painel de controle

Escala (range) ou valor normal de operação (10 ~ 50ºC, 5.0 ~ 20.0 l/h, etc.)

Limites de segurança de processo

Níveis de alarme (HH, H, L e LL)

Anotar qualquer comentário dos operadores e/ou engenheiros e/ou instrumentistas sobre

os instrumentos.




P á g i n a 1 3 d e 3 0

C a p í t u l o 2 . T E S T E D E D E S E M P E N H O D I N Â M I C O

Os testes descritos abaixo são baseados na norma ANSI/ISA-75.25.01-2000 (que deve ser

consultada para maiores detalhes) que tem como objetivo definir como testar, medir e reportar

as características de resposta de válvulas de controle podendo ser utilizado para determinar quão bem e quão veloz a válvula de controle responde aos sinais de entrada do controlador.

Para tanto, é necessária a coletada de dados da posição efetiva da válvula, o que não é

possível na maioria dos casos, podendo ser coletado em seu lugar os dados da saída do

controlador. Os testes são especificamente aplicáveis para controle feedback mas pode ter

alguma aplicação em controle tipo feedfoward . Não é aplicável a válvulas em serviços tipo on-

off .

Deve-se escolher as válvulas mais críticas para a realização de testes específicos ou realizar em todas caso haja tempo e recursos disponíveis.

2 . 1 C o n d i ç õ e s p a r a t e s t e s e m v á l v u l a s

Os experimentos nas válvulas devem ser realizados de acordo com os requisitos necessários

conforme a regra citada. Para teste nas válvulas em operação, essas devem estar operando

conforme sua característica normal. Todas as características da configuração da válvula que

podem afetar os resultados dos testes devem ser reportadas.

O teste para determinação da resposta da válvula de controle requer um sinal gerador ou fonte

e instrumento para medir o sinal de entrada, a posição da haste e, para teste durante a

operação ou em laboratório, a variável de resposta (PV). Caso não seja possível medir a

posição da válvula diretamente, o teste pode ser realizado pela relação saída do controlador

versus vazão que passa através da válvula.

Os testes podem ser realizados manualmente com instrumentos apropriados, mas o uso de

computadores é recomendado.

Para o cálculo do tempo de resposta os dados devem ser coletados na velocidade suficiente

para proporcionar uma boa resolução usando o requisito abaixo para o ∆ts. Medidas do

comportamento estático (banda morta, ganho e resolução) geralmente não dependem do

tempo de amostragem e podem ser realizadas utilizando-se a instrumentação de campo

existente, reportando o tempo de amostragem utilizado.




P á g i n a 1 4 d e 3 0

Para válvulas de controle com sinal de entrada pneumático, este deve ser medido o mais

próximo possível do orifício de entrada de ar para evitar distorções causadas pela linha. O

tempo total para a mudança completa do degrau de entrada, ∆tsc, deve ser conforme requerido

abaixo.

2 . 1 . 1 R e q u e r i m e n t o s p a r a o s i n s t r u m e n t o s d e m e d i ç ã o

A medição de cada variável de saída, que inclui a combinação dos efeitos dos transdutores,

algum sinal condicionamento da medição e registradores devem estar de acordo com os

requisitos mínimos abaixo.

Constante de tempo20

86T ≤τ

≤

≤

10

válvuladaresolução almente preferenci,

3

válvuladaresolução Resolução

Incerteza ≤ 5% da escala do instrumento, preferencialmente 2%

(Onde escala do instrumento é o range de medição da variável conhecida ou estimada quando

a válvula de controle varia entre 0 e 100% de abertura)

Intervalo de amostragem20

Tou0.5s 86≤∆ st , o que for menor

Tempo de mudança do degrau de entrada20

T 86≤∆ sct

Para teste de resolução e banda morta em operação ou em laboratório, a variável de processo

deve ser medida, se possível, em adição ao sinal de entrada e posição da válvula (ou em lugar

desta, caso essa última não seja possível).

A variável de processo medida, freqüentemente, tem uma flutuação significativa durante o teste

por causa da flutuação normal em função de distúrbios ou ao processo em si ou por causa de

ruído elétrico no ambiente da planta e instrumentos. Para resolver estes problemas ajustes de

curva ou rotinas de média móvel podem ser aplicados nos dados.




P á g i n a 1 5 d e 3 0

2 . 1 . 2 P o s i ç ã o n o m i n a l n o s t e s t e s

Os testes devem ser tipicamente executados com a abertura da válvula igual a 50.0% e outras

posições podem ser especificadas em lugar ou em adição a essa. Testes adicionais devem ser

realizados se existem anomalias em outras aberturas. Os testes realizados durante a operação

normal devem ser efetuados somente na posição corrente de operação mais ou menos os

degraus permitidos. Todas as posições nominais testadas devem ser registradas.

2 . 1 . 3 E x e m p l o d e t e s t e d e r e s p o s t a a o d e g r a u

As Figura 2-1e Figura 2-2 mostram exemplos de respostas devido a mudanças do tipo degrau,

respectivamente, sem e com overshoot .

Quando o sinal de entrada da válvula muda repentinamente, a válvula começa a responder (se

a mudança no sinal de entrada é grande o suficiente) depois de algum atraso ou tempo morto,

τd. A variável de processo então começa a se mover em direção ao seu valor final como é

mostrado, freqüentemente, de forma exponencial. O sinal é mantido constante após o degrau

por um período especificado de tempo, ∆tw, que permita a PV alcançar seu novo estado

estacionário. O tempo de resposta, T86, é definido como o tempo necessário para a resposta

alcançar 86.5% do seu valor final após o início do degrau.

F igura 2 -1 : T íp ica resposta a degrau sem overshoot .




P á g i n a 1 6 d e 3 0

F igura 2 -2 : T íp ica resposta a degrau com overshoot .

2 . 2 T e s t e s d u r a n t e a o p e r a ç ã o n o r m a l

Testes in-process fornecem a resposta da válvula nas condições atuais ou próximas às atuais.

São mais difíceis de serem realizados que os testes em bancada ou em laboratório. Os sinais

de entrada na válvula e algumas variáveis de processo podem ser muitas vezes medidas

diretamente a partir da instrumentação existente na planta se a constante de tempo, tempo de

amostragem, resolução e acuracidade estão conforme o requerido.

As limitações do procedimento operacional da planta ou os requisitos de segurança podem não

permitir os testes completos como definidos na norma. Todos os fatores operacionais e de

segurança devem ser levados em consideração durante o planejamento dos testes. Muitas

vezes apenas testes muito próximos às condições operacionais normais são permitidos.

Cuidados anteriores à realização dos testes:

Verificação da escala do gráfico das variáveis monitorados no sistema supervisório

ou DCS;

Verificação da existência de compressão e filtro no sistema de aquisição de dados.

Caso existam devem ser retirados;

Verificação do tempo de amostragem no sistema de aquisição de dados, que deve

ser o menor possível durante a realização do teste;




P á g i n a 1 7 d e 3 0

Verificação das condições operacionais da planta. Qualquer distúrbio que possa

afetar o teste deve ser reportado. Se for um impedimento que comprometa

significativamente as condições operacionais normais o teste deve ser adiado.

2 . 2 . 1 T e s t e d e s e n s i b i l i d a d e d a m a l h a

Este teste visa determinar a sensibilidade da malha e possíveis problemas mecânicos.

São dados pequenos incrementos na saída do controlador, começando-se com 0.1%, até que

se possa visualizar claramente uma alteração na posição da válvula de controle. É necessária

a presença de alguém no painel de controle para realizar pequenos incrementos na saída do

controlador e alguém no campo, com um rádio, para visualização das alterações na válvula.

2 . 2 . 2 T e s t e d a l i n h a d e r e f e r ê n c i a ( B a s e l i n e t e s t )

Este teste é normalmente conduzido primeiro, mas é opcional. É usado para avaliar a

intensidade do ruído, a presença de ciclo limite na válvula ou outro comportamento similar e

para determinar o tempo de resposta na linha de referência, T 86b. A Figura 2-3 mostra um

exemplo do teste, durante o qual os seguintes passos devem ser seguidos:

• Ajuste o sinal de controle ao valor de referência desejado e permita que a válvula se fixena condição de estado estacionário. Normalmente, o sinal de controle já estará no ajuste

desejado e o controlador só deverá ser posto em manual.

• Monitore as variáveis por 3 minutos usando um intervalo de amostragem, ∆ts, não maior

que 0.5 s ou igual a4

86T , o que for menor.

• Eleve o sinal de entrada de um degrau de 2% e continue monitorando as variáveis por um minuto ou mais.

• Repita a elevação de degrau até aparecer uma mudança, então dê mais um degrau até

obter uma resposta satisfatória.

• Diminua a entrada de um degrau de 2% e continue monitorando a variável por mais umminuto3.

• Repita a diminuição de degrau em 2% até a válvula retornar a sua posição inicial.

• Avalie os dados para evidenciar o ciclo limite. Se existe algum, estime a magnitudemáxima e o período de ciclo limite.

3 Todos os tempos citados podem e devem ser alterados conforme a dinâmica de cada processo.




P á g i n a 1 8 d e 3 0

• Para a última parte do degrau ascendente, determine o tempo de resposta T861. Se existir overshoot , determine a magnitude e o tempo decorrido do início do degrau até atingir a posiçãofinal.

• Para o último degrau descendente, determine o tempo de resposta T862. Se existe

overshoot , determine a magnitude e o tempo decorrido do início do degrau até atingir a posiçãofinal.

• Determine o tempo de resposta de referência, T86b como o maior valor entre T861 e T862.

• Se existir algum overshoot , determine o overshoot e o tempo de overshoot a partir domaior valor ocorrido entre os degraus ascendentes e descendentes no sinal de entrada.

F igura 2 -3 : Teste da L inha de Referênc ia .

2 . 2 . 3 T e s t e d o P e q u e n o D e g r a u ( S m a l l S t e p T e s t )

O Teste do Pequeno Degrau é usado para determinar a banda morta e resolução. Esse teste

pode ser omitido se o Teste do Tempo de Resposta prover as informações necessárias na

acuracidade requerida. A Figura 2-4 mostra o sinal versus o tempo em um teste típico. Cujos

passos são listados abaixo:

• Ajuste o sinal de entrada para o valor nominal em qualquer ponto, esperando 3 minutosse o teste de linha de referência não tenham sido realizado ou 30.0 s caso o teste tenha sidoexecutado (este teste pode ser realizado logo em seguida ao Teste da Linha de Referência).

• Eleve o sinal de entrada de um valor ∆s e depois espere um tempo específico, ∆tw.

• Monitore a entrada de sinal, posição da válvula (se possível) e a variável de processo

com um intervalo amostral ∆ts.




P á g i n a 1 9 d e 3 0

• Continue este processo para n degraus.

• Neste ponto, espere 2 períodos de tempo, 2*∆tw, então aplique n de degraus

descendentes, de um valor ∆s (igual ao anterior) e depois espere um tempo específico, ∆tw para cada degrau.

• Espere 2*∆tw novamente e repita a mesma série de degrau ascendente e descendente.

Os parâmetros ∆s, ∆tw, ∆ts e ∆tsc devem apresentar os seguintes critérios:

( )morta bandaouresoluçãoda2

1≤∆ s , o que for menor

Desde que a resolução e banda morta aproximada não sejam conhecidas com antecedência,

pode-se utilizar o valor ∆s = 0.1% da escala e então verificar se as condições tenham sidoatendidas. É possível que a banda morta e a resolução sejam menores do que o valor máximo

do ciclo limite. Se for o caso, a banda morta e resolução real não podem ser medidas, mas

seus valores podem ser declarados como sendo não maiores do que o valor máximo do ciclo

limite.

n ≥ 4 ou( )

s∆

+ resoluçãomorta banda*2.1 , o que for maior

Esta exigência deve garantir que haja pelo menos um degrau em adição ao degrau que causou

o movimento inicial.

0.5sou20

86b s

T t ≤∆ , o que for menor

Se T86b não foi avaliado, devido a não execução do Teste da Linha de Referência, uma

aproximação de T86 pode ser determinada usando ∆ts igual a 0.5s, ou um valor menor, durante

este teste ou depois ajustando o ∆ts adequado usando 2*T86 ao invés de T86.

∆tw ≥ 4*(constante de tempo medida do processo) ou 30.0 s, se a constante de

tempo do processo não for conhecida.

20

86b sc

T t ≤∆




P á g i n a 2 0 d e 3 0

F igura 2 -4 : Teste do Pequeno Degrau .

2 . 2 . 4 T e s t e d o T e m p o d e R e s p o s t a ( R e s p o n s e T i m e T e s t s )

Este teste consiste numa série de degraus para determinar o tempo de resposta, T86, versus a

dimensão do degrau, ∆s, a cada seqüência de incremento no tamanho do degrau. Este teste

pode fornecer também os valores aproximados para a banda morta e a resolução. Se valores

mais incertos para banda morta e resolução são aceitáveis, o Teste do Tempo de Resposta

pode ser usado no lugar do Teste do Pequeno Degrau. O tempo de espera, ∆tw, no sinal de

entrada nominal pode ser aumentado para 2 minutos para se determinar o ciclo limite,

preferencialmente, à realização do Teste da Linha de Referência.

Para cada amplitude de degrau deve ser aplicado um degrau ascendente (ou séries de

degraus), 2 (ou mais) degraus descendentes e então um degrau (ou séries de degraus)

ascendente, cada um seguido de um tempo de espera, ∆tw. O número de degraus

descendentes (ndown) é duas vezes o número de degraus ascendentes então o sinal retorna ao

valor nominal depois da segunda seqüência de degraus ascendentes. A Figura 2-5 mostra umexemplo onde o número de degraus, nup, é igual a um, e o número de degraus, ndown, é igual a

dois e o número de degraus de retorno ascendente, nup, igual a um. Os sinais da variável de

entrada e saída (ou posição da válvula) devem ser coletados a cada degrau. A amplitude do

degrau para o primeiro teste de resposta deve ser igual ou um pouco maior que a resolução

(ou banda morta, o que for menor). Se não foi realizado o Teste do Pequeno Degrau, o Teste

de Resposta Degrau será usado para determinar os valores aproximados de banda morta e

resolução, a seqüência completa de degraus padrão (ao menos que limitado pelas condições

operacionais) deve começar com 0.1% e terminar com 10%, ao menos que se saiba que a

magnitude da banda morta e resolução ou outros dados necessários sejam maiores.




P á g i n a 2 1 d e 3 0

O número mínimo de degraus ascendentes, nup, requeridos para cada ciclo são determinados

abaixo de maneira que a mudança total no sinal de entrada (o número de degraus em cada

amplitude) em uma direção exceda a quantidade 1.2*(banda morta + resolução). Isso deve

assegurar que mudanças de sinal suficiente para superar a banda morta e mover mais uma vez

na mesma direção. Uma amplitude muito pequena pode requerer uma quantidade maior de

degraus.

Valores de T86 são determinados para cada ciclo a partir dos dados de posição da válvula ou

saída do controlador e podem ser tabulados ou apresentados em forma de gráfico. Os dados

necessários para este teste são listados abaixo.

Informações de cada Teste do Tempo de Resposta é usado para determinar o ganho, GZ, da

resposta do degrau de amplitude Z, de um degrau próximo do final de uma série de degrausnuma mesma direção onde pareça ter alcançado uma resposta satisfatória, e dividido por ∆s.

O ganho encontrado com o degrau de 2%, GZ02, é usado como um ganho de referência para se

determinar a razão de ganho02 Z

Z

G

G. O valor ideal da razão entre o ganho em relação a um

degrau de amplitude qualquer z e o degrau com amplitude igual a 2% é 1(hum).

O ∆s para o primeiro teste pode ser ajustado para o menor degrau igual ou maior que a banda

morta para a seqüência de degraus.

Selecionar faixas de percentagens da escala como sinal de entrada, continuar o teste até

encontrar os resultados satisfatórios. Por exemplo: Se a resolução esperada é de 0.3% e este

valor é menor que a banda morta, execute o teste de tempo de resposta com ∆s de 0.5, 1.2, 5

e 10 da escala como sinal de entrada. Testes extras podem ser realizados como degraus de

amplitudes diferentes, de acordo com a necessidade.

Equação 2 -1 86*5 T t w ≤∆

Deste que T86 não seja conhecido para um degrau particular, o ∆tw mínimo permitido é o do

degrau anterior, o menor degrau pode ser usado normalmente para encontrar este valor para

os subseqüentes.

Equação 2 -220

86b s

T t ≤∆

Equação 2 -3 2086b

sc T t ≤∆




P á g i n a 2 2 d e 3 0

Equação 2 -4

( ) s

nup∆

+=

resoluçãomorta banda*2.1

Equação 2 -5 updown nn *2=

F igura 2 -5 : Teste do Tempo de Resposta .

2 . 3 C á l c u l o s

Abaixo são descritos a fórmula para se calcular os principais parâmetros do desempenho

dinâmico da válvula de controle e em anexo é apresentado um modelo de formulário para a

catalogação dos resultados.

2 . 3 . 1 H i s t e r e s e

Histerese é a resposta diferente que os sistemas físicos apresentam quando submetidos a

processos em sentidos diferentes, por exemplo, a vazão que uma válvula deixa passar segue

valores diferentes quando estamos abrindo de 40 para 50% comparando com as vazõesalcançadas quando a válvula é fechada de 50 para 40%.

A histerese pode ser calculada pela Equação 2-6, conforme pode ser visto na Figura 2-6.

Equação 2 -6

OP PV

PV Histerese

∆∆

=1

2




P á g i n a 2 3 d e 3 0

F igura 2 -6 : Cá lcu lo da h is terese .

2 . 3 . 2 B a n d a M o r t a e S e n s i b i l i d a d e

Banda morta (dead band ) é o intervalo máximo no qual um estímulo pode variar em ambos os

sentidos sem produzir variação na resposta.

Sensibilidade, neste caso específico, é a menor mudança na saída do controlador para a qual o

sistema de controle poderá responder. A sensibilidade é do sistema, portanto calculada a partir do sinal de entrada e de saída do mesmo, no caso do conjunto válvula/medidor de vazão, o

sinal de entrada é o sinal de saída do controlador, ou do conversor I/P e o sinal de saída é a

vazão medida pelo instrumento de medição.

Resolução (Resolution) em válvula é o menor degrau que uma válvula de controle apresenta

em resposta a uma mudança de entrada do sinal. A resolução é do instrumento, portanto

calculada a partir do sinal de entrada e de saída do mesmo, no caso da válvula, o sinal de

entrada é o sinal de saída do controlador, ou do conversor I/P e o sinal de saída é a posição da

haste.

Conforme as definições acima e observando a Figura 2-7, pode-se perceber que a banda

morta é calculada durante a realização de degraus descendentes e a resolução durante os

degraus ascendentes. Quando se monitora a variação da posição da haste da válvula em

função da mudança na saída do controlador pode-se verificar a resolução da válvula, caso seja

acompanhado a saída do controlador versus a vazão que passa pela válvula o que se verifica é

a sensibilidade da válvula.




P á g i n a 2 4 d e 3 0

F igura 2 -7 : Grá f ico de Reso lução e Banda Mor ta .

2 . 3 . 3 O v e r s h o o t

Overshoot é a quantidade que a resposta ao degrau excede o valor final no estado

estacionário, conforme pode ser vista na Figura 2-8 e calculado pela Equação 2-7.

Equação 2 -7MV

PV Overshoot

∆

∆=

∆MV

∆PV

F igura 2 -8 : Overshoot .




P á g i n a 2 5 d e 3 0

2 . 3 . 4 R u í d o

Para a determinação do ruído de medição é suficiente se calcular a amplitude (variação da

vazão durante o período em que a saída do controlador se manteve constante) e seu desvio

padrão, conforme pode ser observado na Tabela 2-1 (em vermelho é o sinal de saída do

controlador e em azul a variação na vazão que passa pela válvula).

Tabe la 2 -1 : Tabe la de resu l tados da ava l iação do ru ído .

FIC211 - RUIDO

4,000

4,040

4,080

4,120

9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 Tempo (min)

V a z ã o d e A D ( l / h )

19.5

20.0

20.5

S a í d a d o c o n t r o l a d o r ( % )

Média 4,064.10Desvio padrão 12.17

Amplitude 94.22Mínimo 4,019.59Máximo 4,113.81




P á g i n a 2 6 d e 3 0

C a p í t u l o 3 . C O N C L U S Õ E S

A resolução dos problemas citados anteriormente e o entendimento do processo que está

sendo controlado são essenciais para a melhoria do desempenho do sistema.

O diagnóstico prévio das malhas de controle problemáticas evita fracassos nas tentativas de

sintonia dos controladores. As malhas de controle fechadas após a resolução dos problemas

identificados apresentarão um desempenho mais satisfatório e com um índice maior de

permanência em automático em contraste a não realizam desta auditoria preliminar, resultando

em um impacto bastante positivo na estabilização das plantas e na diminuição das

intervenções necessárias por parte dos operadores.

A prática comum de tentativa de fechamento de malhas ignorando esta etapa de análise

criteriosa das malhas de controle, embora bastante tentadora, é altamente ineficiente e

inaceitável com as altíssimas e crescentes exigências de desempenho das plantas e recursos

humanos cada vez mais escassos; segundo a literatura essa prática é a maior responsável

pelo grande número de retrabalhos (inúteis) de sintonia e insatisfações.

Como as malhas de controle são formadas por sistemas físicos estes podem se deteriorar com

o tempo, podem haver alterações nas condições de processos, dentre outras variáveis que

podem alterar seu desempenho. Assim, essa auditoria preliminar deve ter continuidade, ou

seja, parte da equipe, deve continuar fazendo a manutenção do sistema, agora com um maior

conhecimento sobre as características inerentes de cada processo.

Todas as informações sobre o desempenho dinâmico da válvula de controle devem ser

apresentadas em uma folha de dados (“data sheet”), análogo ao hoje utilizado no projeto e

especificação das válvulas de controle. Em anexo segue uma sugestão de folha de dados do

dinâmico da válvula de controle.

Recursos mais sofisticados tais como válvulas digitais, com sistema de monitoramento emtempo real, e software de diagnóstico da malha de controle, que avalia o comportamento em

linha dos transmissores à válvulas de controle, estão disponíveis no mercado e devem ser

considerados em fase do papel importante que desempenha neste contexto.




P á g i n a 2 7 d e 3 0

R E F E R Ê N C I A S B I B L I O G R Á F I C A S ANSI/ISA-75.25.01-2000 – Test Procedure for Control Valve Response Measurement from

Step Inputs. ISA – The Instrumentation, Systems, and Automation Society. Aprovado em

10.jan.01.

ELONKA, Stephen M., PARSONS, Alonzo R., Manual de Instrumentação - vol.II: Sistemas

de controle. 1.ed. São Paulo: McGraw-Hil do Brasil, 1976-77. 256p.

EMERSON Process Management. Disponível em

<www.emersonprocess.com/ams/successstories/ articles/ics4_99.pdf>. Acesso em 08

jan.2004.

EMERSON Process Management. Disponível em <www.emersonprocess.com/ams>. Acesso

em 08 jan.2004.

KALID, Ricardo A., EMBIRUÇU, Marcelo, FONTES, Nadja S., SILVA, Márcia M. C., EPSTEIN,

Frederico, ESTRELLA, Lucio R. S., MULLER, Ricardo G., CAILLEAUX, Jean C., BRITTO,

Marcos A. N., PEREIRA, Yuri G. Relatório do projeto: Melhoria do Desempenho de Malhas

de Controle Preditivo Multivariáveis (MPC). Universidade Federal da Bahia, Salvador, 2001.

MENEZES, Lise Maria Tourinho de, SANTOS, Maurício Moreno, Uma experiência industrialde sucesso na pesquisa de problemas de controladores PID residentes em SDCD . In:

Congresso de Automação Industrial da ABIQUIM, 4, 1999.

SENAI – Departamento Regional do Espírito Santo, CST – Companhia Siderúrgica de Tubarão.

Instrumentação - Metrologia Básica. Espírito Santo, 1999,

SENAI – Departamento Regional do Espírito Santo, CST – Companhia Siderúrgica de Tubarão.

Instrumentação – Elementos Finais de Controle. Espírito Santo, 1999, 180p.




P á g i n a 2 8 d e 3 0

D E F I N I Ç Õ E S Ação da válvula Um posicionar cuja pressão de ar de saída aumenta

conforme aumenta o sinal de entrada é denominado de posicionador de ação direta e um

posicionador cujo sinal de saída diminui conforme aumenta o sinal de entrada é

denominado posicionador de ação reversa.

Ciclo limite São oscilações causadas pelo comportamento não

linear da malha feedback . Essas oscilações têm amplitude e freqüência fixas e podem ser

toleradas em malhas feedback se o a mudança na entrada for zero. Em sistemas

lineares, a amplitude das oscilações instável cresce, teoricamente, para o infinito, mas o

efeito das não linearidades pode limitar este crescimento.

Tempo de resposta Intervalo de tempo entre o instante em que umestímulo é submetido a uma variação brusca e o instante em que a resposta atinge e

permanece dentro de limites especificados em torno do seu valor final estável.

Tempo morto (Dead time) É o tempo depois de iniciado uma mudança no sinal

de entrada e antes do começo da resposta resultante observável.




P á g i n a 2 9 d e 3 0

A B R E V I A T U R A S E S Í M B O L O S Abreviaturas

ANSI American National Standards Institute

D Valor do tempo derivativo

GAP diferença ou salto

H High, alto

HH High high, muito alto

I Valor do tempo integral

ISA The Instrumentation, Systems, and Automation Society

L Low, baixo

LL Low low, muito baixo

MV Manipulable Variable (Variável Manipulada)

ndown Amplitude do degrau descendente

nup Amplitude do degrau ascendente

P Valor do ganho proporcional

P&I Diagrama de Processo e Instrumentação

PFD Fluxograma de processo

PV Process Variable (Variável de Processo)

T86 Tempo em que a resposta alcança 86.5% do seu valor final

Símbolos

∆ts Tempo de resposta

∆tsc Tempo de mudança do degrau (tempo entre o início da aplicação do degrau na

entrada e quando este alcança seu valor máximo)




P á g i n a 3 0 d e 3 0

∆tw Tempo de espera entre dois degraus consecutivos

Símbolos gregos

τ Constante de tempo

τd Tempo morto

desempenho dinamico de valvulas de controle - ufba

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