sintonia do controlador de umidade de um desumidificador de uma sala de...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DIRETORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA

CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

JOÃO HENRIQUE NICOLOTTE

SINTONIA DO CONTROLADOR DE UMIDADE DE UM DESUMIDIFICADOR DE UMA SALA DE ARQUIVOS

MONOGRAFIA DE ESPECIALIZAÇÃO

CURITIBA

2017



Monografia de Especialização, apresentado ao Curso de Especialização em Automação Industrial, do Departamento Acadêmico de Eletrônica, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, como requisito parcial para obtenção do título de Especialista.

Orientador: Prof. Dr. Guilherme Alceu Schneider

CURITIBA 2017

TERMO DE APROVAÇÃO


por


Esta Monografia foi apresentada em 12 de Dezembro de 2017 como requisito parcial para a obtenção do título de Especialista em Automação Industrial. O candidato foi arguido pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.

__________________________________ Prof. Dr. Guilherme Alceu Schneider

Orientador

___________________________________ Prof. Ubiradir Mendes Pinto

Membro titular

___________________________________ Prof. Dr. Kleber Kendy Horikawa Nabas

Coordenador do Curso

- O Termo de Aprovação assinado encontra-se na Coordenação do Curso -

Ministério da Educação

Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Campus Curitiba

DIRPPG

DAELN

CEAUT

À minha família, que incentivou e possibilitou desta maneira a realização deste curso de pós-graduação.

AGRADECIMENTOS

Agradeço ao professor Dr. Guilherme Alceu Schneider pela orientação desta pesquisa e aos professores do curso de pós-graduação em Automação Industrial da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.

A todos os meus colegas de trabalho e em especial a empresa Bry-Air Brasil Climatização que forneceu o espaço, equipamentos e a documentação necessária para a realização deste trabalho.

RESUMO

NICOLOTTE, João Henrique. SINTONIA DO CONTROLADOR DE UMIDADE DE UM DESUMIDIFICADOR DE UMA SALA DE ARQUIVOS. 2017. 64 f. Monografia (Curso de Especialização em Automação Industrial), Departamento Acadêmico de Eletrônica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2017. Este trabalho apresenta a sintonia do controlador de umidade de um desumidificador para uma sala de arquivos. No trabalho estão descritos os conceitos e os tipos de desumidificação. Também apresenta as condições para o tratamento do ar dentro da sala, o preparo do ambiente, do equipamento e a coleta dos dados. O estudo apresenta por meio matemático uma maneira de obter a função de transferência de uma planta física e os parâmetros para sintonizar o controlador deste sistema. Também aborda a comparação entre o controlador encontrado via software e o controlador da planta física. O objetivo é implementar um sistema de controle fino de umidade. Por fim, apresentam-se as conclusões, como a sugestão para trabalhos futuros e os resultados finais do estudo da sintonia do controlador com as influências dos seus parâmetros para o um sistema. Palavras chave: Desumidificação. Controlador. Sintonia.

ABSTRACT

NICOLOTTE, João Henrique. TUNING OF A DEHUMIDIFIER MOISTURE CONTROLLER IN A FILE ROOM. 2017. 64 f. Monografia (Curso de Especialização em Automação Industrial), Departamento Acadêmico de Eletrônica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2017. This paper presents the tuning of a dehumidifier moisture controller for file room. Here is described the definition and types of dehumidification. It also presents the conditions for air treatment inside the room, preparation of the environment, equipment and data collection. The study presents a way to obtain the transfer function and the parameters to tuning the system. It also addresses the comparison between the controller found by software and the physical plant controller. The goal is to implement a precise moisture control system. Finally, we present the conclusions, such as the suggestion of future paper and the final results of the controller’s adjustment study with the influences of its parameters on the system. Keywords: Dehumidification. Controller. Tuning.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Exemplo de sala de arquivos .......................................................................... 11

Figura 2 – Vista interna do desumidificador químico e seus fluxos de ar ............................ 12

Figura 3 – Esquemático da sala de arquivos e conexão o com desumidificador ................... 14

Figura 4 – Carta Psicrométrica ...................................................................................... 18

Figura 5 – Temperatura de bulbo seco ............................................................................ 19

Figura 6 – Temperatura de bulbo úmido ......................................................................... 20

Figura 7 – Umidade Relativa ......................................................................................... 21

Figura 8 – Umidade Absoluta ........................................................................................ 22

Figura 9 – Pressão de vapor .......................................................................................... 23

Figura 10 – Ponto de orvalho ........................................................................................ 23

Figura 11 – Entalpia ..................................................................................................... 24

Figure 12 – Efeito Peltier.............................................................................................. 25

Figure 13 – Circuito de refrigeração ............................................................................... 27

Figura 14 – Desumidificação mecânica .......................................................................... 27

Figura 15 – Ciclo desumidificação por dessecante ........................................................... 29

Figura 16 – Rotor dessecante ......................................................................................... 30

Figura 17 – Desumidificação por dessecante ................................................................... 30

Figura 18 – Grelha de retorno e transmissor de umidade relativa ....................................... 32

Figure 19 – Transmissor de umidade relativa .................................................................. 32

Figura 20 – Duto de insuflamento .................................................................................. 33

Figura 21 – Desumidificador – Dutos do ar de processo ................................................... 34

Figura 22 – CLP Kinco K506EA-30DT .......................................................................... 35

Figura 23 – Quadro de comando e entrada do ar de reativação .......................................... 35

Figura 24 – Quadro de força e saída do ar de reativação ................................................... 36

Figura 25 – Relé de estado sólido linear ......................................................................... 36

Figura 26 – Ilustração da malha de controle .................................................................... 37

Figura 27 – Componentes e fluxos de ar no desumidificador FFB 170 ............................... 38

Figura 28 – Medições da PV com a MV em 100% ........................................................... 40

Figura 29 – Pareto da umidade relativa ........................................................................... 40

Figura 30 – PV x MV (Planta Física) ............................................................................. 43

Figura 31 – Modelo de simulação no MatLab para a planta da sala de arquivos .................. 45

Figura 32 – Comparação entre a curva da planta física e a curva obtida por Broida ............. 46

Figura 33 – Validação da Planta por Broida .................................................................... 47

Figura 34 – PID paralelo CLP da Kinco ......................................................................... 48

Figura 35 – Bloco PID Ladder....................................................................................... 49

Figura 36 – Entradas e Saídas bloco PID ........................................................................ 50

Figura 37 – Simulação PID_0 ........................................................................................ 51

Figura 38 – Resposta da simulação PID_0 ...................................................................... 52





Figure 43 – Controle PID de umidade relativa na planta física_1 ....................................... 57

Figure 44 – Controle PID de umidade relativa na planta física_2 ....................................... 58

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Análise Pareto ............................................................................................. 41

Tabela 2 – Valores Kp, Ti e Td por CHR – servo sem sobre sinal...................................... 50

Tabela 3 – Valores PID para diferentes valores do tempo morto ........................................ 51

Tabela 4 – Valores PID para validação ........................................................................... 54

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÔNIMOS

Btu British thermal unit

CLP Controlador Lógico Programável

DB Dry Bulb

E Erro

F Fahrenheit

FT Função de Transferência

IHM Interface Homem Máquina

I/O Input/Output

K Ganho do Processo

Kp Ganho Proporcional

L Tempo Morto do Processo

MV Manipulated Variable

PA Pascal

PID Proporcional Integral Derivativo

PV Process Variable

RH Relative Humidity

SP Setpoint

T Constante de Tempo do Processo

Td Tempo Derivativo

Ti Tempo Integral

u.t. Unidades de Tempo

SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO .................................................................................................. 11

1.1 PROBLEMA ...................................................................................................... 13

1.2 OBJETIVOS ....................................................................................................... 15

1.2.1 Objetivo Geral ................................................................................................ 15

1.2.2 Objetivos Específicos ...................................................................................... 15

1.3 JUSTIFICATIVA ................................................................................................ 16

1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO .......................................................................... 16 2. DESUMIDIFICAÇÃO ........................................................................................ 18

2.1 PROPRIEDADES DO AR ................................................................................... 19

2.1.1 Temperatura de bulbo seco ............................................................................... 19

2.1.2 Temperatura de bulbo úmido ............................................................................ 20

2.1.3 Umidade relativa ............................................................................................. 21

2.1.4 Umidade absoluta ............................................................................................ 21

2.1.5 Pressão de vapor ............................................................................................. 22 2.1.6 Ponto de orvalho ............................................................................................. 23

2.1.7 Entalpia .......................................................................................................... 24

2.2 TIPOS DE DESUMIDIFICAÇÃO ........................................................................ 24

2.2.1 Eletrônica ou desumidificador de Peltier............................................................ 25

2.2.2 Desumidificador mecânico (Compressor / Refrigerante) ...................................... 26

2.2.3 Desumidificador por dessecante ........................................................................ 28 3. CONTROLE DE UMIDADE NA SALA DE ARQUIVOS .................................... 31

3.1 CONEXÕES DO DESUMIDIFICADOR DA SALA E SEUS COMPONENTES ...... 31

3.2 COMPONENTES DA MALHA DE CONTROLE .................................................. 37

3.3 PROCEDIMENTOS PARA O LEVANTAMENTO DE DADOS ............................. 39 3.3.1 Critério de parada ............................................................................................ 39 4. IDENTIFICAÇÃO, SINTONIA, SIMULAÇÃO E TESTES ................................. 42

4.1 IDENTIFICAÇÃO DO SISTEMA - MÉTODO DE BROIDA.................................. 42

4.2 SINTONIA DO PID E SIMULAÇÃO NO MATLAB ............................................... 48 4.3 TESTE NA PLANTA FÍSICA .............................................................................. 56 5. CONSIDERAÇÔES FINAIS ............................................................................... 59

REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 61

11

1. INTRODUÇÃO

A desumidificação é essencial na preservação de objetos raros, tais como:

mídias, pinturas e livros para as futuras gerações. Portanto, a umidade é um inimigo

natural da preservação, desta maneira com os processos de desumidificação, é

possível manter a umidade na medida certa e estável de forma a prevenir ou

retardar a formação, por exemplo, do mofo. Em museus e livrarias devesse manter a

umidade relativa entre 40% e 45%, já para a conservação de filmes fotográficos e

desenhos este valor é por volta dos 30% de umidade relativa (Bry-Air, 2008).

Este mesmo conceito pode ser empregado para propiciar um ambiente de

trabalho em condições seguras e confortáveis, assim como em residências (NACE,

2000).

Na Figura 1, temos um exemplo de aplicação da desumidificação; É uma

sala de arquivos onde pode ser necessário tratamento de ar ambiente de forma a

manter as boas condições de qualidade dos documentos.

Figura 1 – Exemplo de sala de arquivos Fonte: Montel, (2017).

Algo muito utilizado no ambiente profissional, as salas de arquivos que antes

eram dominadas por papéis, atualmente estão sendo atualizadas para mídias.

Contudo, mesmo com a economia de espaço obtidas com o uso das mídias, ainda é

necessário manter uma condição ambiente favorável para garantir a integridade, dos

documentos.

12

Segundo Bry-Air (2010), a utilização de desumidificares químicos é uma das

maneiras mais fáceis de obter um ar seco. Tais tipos de desumidificares utilizam

materiais que por natureza tem afinidade com água. Basicamente o ar passa pelo

dessecante onde é seco sem a necessidade de processos elaborados de

resfriamento e compressão. Após o processo de secagem este dessecante é

reativado por aquecimento para realizar novamente outro ciclo.

Como no exemplo da Figura 2, o ar a ser tratado (representado em azul)

passa pelo dessecante para remover a umidade do ar até certo ponto. Um segundo

fluxo de ar passa pelo dessecante (representado em vermelho) em alta temperatura

reativando o dessecante. Nesta monografia será utilizado um desumidificador de

fabricação Bry-Air, modelo FFB170 com vazão de ar de 170m³/h e rotor dessecante

de sílica gel.

Figura 2 – Vista interna do desumidificador químico e seus fluxos de ar Fonte: Bry-Air Brasil, (2017).

Também serão levantados pontos importantes a respeitos da

desumidificação, e esclarecidas dúvidas recorrentes a respeito da relação entre

umidade e temperatura. Além disso, vai ser abordado a diferenciação dos tipos de

13

desumidificação e um estudo de caso de uma sala de arquivos, onde será levantada

a dinâmica da sala e modelado um sistema para o controle da umidade.

1.1 PROBLEMA

O caso de estudo será realizado, na empresa Bry-Air Brasil Climatização em

Almirante Tamandaré, Paraná, onde a empresa possui uma sala de arquivos. A

grande maioria dos documentos estão impressos em sulfite e arquivados em pastas

em prateleiras de madeira. Esta sala não conta com sistema de ventilação, sendo o

único acesso, uma porta de vidro que permanece fechada para evitar a entrada de

animais indesejados, pessoas não autorizadas e detritos. A sala tem três paredes

constituídas de drywall e uma de alvenaria, o teto em placa cimenticia e o piso em

cimento.

Na Figura 3, temos como ficará o sistema de desumidificação conectado na

sala. O ar de insuflamento é o ar já tratado, ou seja, com baixa umidade e será

insuflado na parte superior da sala. No lado oposto se encontra o ar de retorno,

próximo ao piso com um transmissor de umidade relativa, o qual enviará um sinal

para o CLP (Controlador Lógico Programável) a fim de controlar a umidade.

14

Figura 3 – Esquemático da sala de arquivos e conexão o com desumidificador Fonte: Autoria própria.

Foram verificadas que as folhas dos arquivos aparentavam estar úmidas,

além do cheiro de mofo dentro da sala. Segundo o Grupo Santa Maria de Papel e

Celulose (2017), o papel é constituído de celulose que tem a característica de

absorver a umidade do ambiente se esta estiver muito alta. Este é um dos motivos

para que a embalagem das folhas de papel sejam de polietileno, pois este material

protege o papel do contato direto com a umidade no armazenamento e transporte.

Desta maneira fica evidente a necessidade do controle de umidade para a

sala do estudo em questão a fim de evitar a degradação dos documentos e a

consequente perda de informações relevantes para a empresa.

No contexto pretende-se obter a identificação do modelo matemático da

dinâmica da planta através de técnicas de controle de processos, estabelecer uma

qualidade do ar para este ambiente.

Um dos métodos de controle de processo contínuo é o controlador

Proporcional – Integral – Derivativo (PID), que é muito utilizado na indústria e se

15

destaca pelo seu desempenho robusto, certa simplicidade funcional e pode ser

aplicado em diferentes processos (NI, 2017).

1.2 OBJETIVOS

Nesta seção são apresentados os objetivos geral e específicos do trabalho,

relativos ao problema anteriormente apresentado.

1.2.1 Objetivo Geral

Aplicar a metodologia de controle de processos contínuos para levantar o

modelo matemático da dinâmica do ambiente do sistema e sintonizar um algoritmo

PID para proporcionar um controle fino da umidade relativa do sistema.

1.2.2 Objetivos Específicos

Explicar e esclarecer tópicos sobre a desumidificação e afins.

Preparar a sala dos arquivos para o teste.

Calibrar o sistema e o desumidificador.

Levantar os dados de umidade em diferentes condições de set up do

equipamento.

Levantar o modelo matemático para o sistema.

Calcular os parâmetros do PID e sintonizar.

Implementar o algoritmo no CLP.

Testar o sistema com o PID sintonizado.

Levantar os resultados e conclusões.

16

1.3 JUSTIFICATIVA

Visto o grau de importância do controle de umidade para diferentes processos

e em específico para este estudo de caso da sala de arquivos, este trabalho será de

grande importância para a empresa Bry-Air que é referência no ramo da

desumidificação. Espera-se proporcionar um entendimento de como realizar o

controle fino de processos contínuos, sendo capaz de aplicar este conhecimento

para outros casos, sendo assim, propiciando um melhor desempenho do sistema

como um todo e a satisfação do cliente final.

A qualidade do ar é essencial para manter diversos processos e produtos em

condições de utilização e armazenamento, desde alimento até medicamentos. Como

exemplo os arquivos, onde todas as informações de uma empresa como desenhos

de fabricação de equipamentos e dados de clientes são armazenados em salas sem

tratamento de umidade. Assim verificou-se a necessidade de elaborar um estudo

baseado em soluções matemáticas para validar um sistema onde o controle seja

preciso evitando um gasto oneroso com os prejuízos das perdas de produção ou dos

documentos, perdas estas muitas vezes irreversíveis.

1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO

O trabalho terá a estrutura baixo apresentada.

Capítulo 1 – Introdução: será apresentado o tema, o problema, os objetivos da

pesquisa, a justificativa e a estrutura geral do trabalho.

Capítulo 2 – Desumidificação: Conceitos e tipos de desumidificação.

Capítulo 3 – Controle de Umidade na Sala de Arquivos: será abordada a

condição ideal que a sala deverá atingir, o preparo da sala e do equipamento para o

controle da umidade e o levantamento dos dados.

Capítulo 4 – Identificação, Sintonia, Simulação e Testes: tendo como base os

procedimentos Metodológicos, neste capítulo será descrito o processo para levantar

o modelo da planta do sistema, o cálculo e a sintonia do PID, implementação em

17

software (MatLab) para gerar uma simulação, implementação do controle no CLP,

testes in loco e levantamento de dados finais.

Considerações Finais: será apresentada a avaliação dos resultados e sugestões

para trabalhos futuros.

18

2. DESUMIDIFICAÇÃO

Antes de abordar os processos de desumidificação é necessário conhecer

termos comumente utilizados na psicrometria, ciência que estuda as propriedades

da umidade no ar (MUNTERS, 2002).

Todas as propriedades servem para o entendimento da carta psicrométrica

(Figura 4), que rege a engenharia do ar condicionado.

Nesta carta temos as seguintes propriedades:

Temperatura de Bulbo Seco (Dry Bulb Temperature).

Temperatura de Bulbo Úmido (Wet Bulb Temperature).

Umidade Relativa (Relative Humidity).

Umidade Absoluta (Humidity Ratio).

Pressão de Vapor (Vapor Pressure).

Ponto de Orvalho (Dew Point).

Entalpia (Enthalpy).

Figura 4 – Carta Psicrométrica

Fonte: Munters, (2002).

19

A seção 2.1 apresenta as principais propriedades do ar com exemplos e

ilustrações. Na seção 2.2 são abortados alguns dos diferentes tipos de

desumidificação.

2.1 PROPRIEDADES DO AR

Nesta seção são abordadas as seguintes propriedades do ar: temperatura de

bulbo seco, temperatura de bulbo úmido, umidade relativa, umidade absoluta,

pressão de vapor, ponto de orvalho e entalpia.

2.1.1 Temperatura de bulbo seco

É a temperatura usual, que também pode ser chamada de temperatura

sensível (MUNTERS, 2002).

A Figura 5 mostra o termômetro medindo uma temperatura de 70°F com a

sua superfície imersa em ar. Pode ser observado que a temperatura de bulbo seco

aumenta à medida que se desloca para a direita do gráfico e tem seu valor

constante nas linhas verticais.

Figura 5 – Temperatura de bulbo seco

Fonte: Adaptado de Munters, (2002).

20

2.1.2 Temperatura de bulbo úmido

É medida envolvendo a ponta do termômetro com um algodão umedecido.

Desta forma, será medida a temperatura em que a água passará do estado líquido

para gasoso, ou seja, a transformação de fase (MUNTERS, 2002).

Também pode ser chamada de temperatura latente.

A Figura 6 mostra dois termômetros, um medindo uma temperatura de 70°F

com a sua superfície imersa em ar e outro com a ponta envolvida em um algodão

umedecido, medindo uma temperatura de bulbo úmido de 58,5°F. Pode-se observar

que a temperatura de bulbo úmido aumenta à medida que se desloca para a direita

em diagonal no gráfico e tem seu valor constante nas linhas diagonais.

Figura 6 – Temperatura de bulbo úmido


A diferença de medição entre o bulbo úmido e o bulbo seco, mostra o quanto

o ar pode secar. Por exemplo, se os dois bulbos estão com valores muito próximos,

o ar está saturado e terá dificuldade de absorver mais umidade. Já se o bulbo seco

for maior que o úmido o ar tem grande capacidade de absorção de umidade

(MUNTERS, 2002).

21

2.1.3 Umidade relativa

Expressa a quantidade de umidade presente no ar em relação ao quanto de

umidade o ar ainda pode reter em uma determinada temperatura (HYPERPHYSICS,

2017).

Como exemplo o ar com uma temperatura de bulbo seco elevada, tem baixa

umidade relativa e, portanto, consegue reter muita umidade.

A Figura 7 mostra o comportamento da umidade relativa na carta

psicrométrica.

Figura 7 – Umidade relativa


2.1.4 Umidade absoluta

Definida como a relação entre a massa de vapor d’água presente no ar e a

massa do ar. Como o exemplo da figura 8, mostra que tem-se 7000 grains (que

corresponde a uma libra, de ar e vapor d’água), sendo que o ar está a 70°F (DB –

Dry Bulb) e 55% (RH – Relative Humidity), assim pela carta psicrométrica tem-se 55

grains de vapor d’água por libra de ar (MUNTERS, 2002).

Em algumas castas psicrométricas é possível encontrar a umidade absoluta

em gramas de vapor d’água por quilograma de ar, ou para o exemplo anterior basta

dividir por 7 e obtém-se o valor aproximado:

22

��

��

� ≈ 7,85

��

�� [1]

Na Figura 8, verifica-se que a umidade absoluta aumenta no sentido vertical

para cima da carta psicrométrica.

Figura 8 – Umidade absoluta


2.1.5 Pressão de vapor

É a pressão exercida pelas moléculas de vapor d’água presentes no ar.

Representada normalmente em polegadas de mercúrio. Como exemplo pode-se

utilizar um ambiente com alta umidade absoluta, ou seja, o ar está com grande

quantidade de moléculas de vapor d’água, assim a pressão de vapor também será

elevada. Desta forma a umidade migrará deste ambiente de maior pressão para

outro de menor pressão de vapor, ou seja, menor umidade (MUNTERS, 2002).

Na Figura 9, pode-se verificar que a pressão de vapor aumenta a aumenta no

sentido vertical para cima da carta psicrométrica. Nota-se a relação direta com a

umidade absoluta.

23

Figura 9 - Pressão de vapor


2.1.6 Ponto de orvalho

É uma temperatura limite, onde o ar começa a condensar o seu vapor d’água.

Quanto maior a umidade no ar, maior o ponto de orvalho (MUNTERS, 2002).

No exemplo da Figura 10, o ar tem um ponto de orvalho de 50°F e está a

70°F de bulbo seco e um recipiente a uma temperatura de bulbo seco de 50°F. O ar

que entrar em contato com o recipiente irá resfriar de 70°F para 50°F atingindo a

temperatura de ponto de orvalho, ou seja, irá iniciar um processo de condensação

da umidade nele presente (MUNTERS, 2002).

Nota-se na Figura 10, que a temperatura de ponto de orvalho cresce a

medida que a umidade absoluta aumenta.

Figura 10 - Ponto de orvalho


24

2.1.7 Entalpia

Ela mensura a energia total presente no ar. Quando o ar está com uma

temperatura elevada ele tem alta entalpia. Da mesma forma se o ar está muito

úmido a sua entalpia também é alta, pois é preciso muito calor para evaporar esta

umidade (MUNTERS, 2002).

A figura 11, mostra um ar nas condições de 70°F de temperatura de bulbo

seco e com 55 grains por libra de ar de umidade absoluta. Por meio da leitura no

gráfico pode-se observar que o total de energia neste ar é de 25,4 Btu (British

thermal unit) por libra de ar.

Figura 11 - Entalpia


2.2 TIPOS DE DESUMIDIFICAÇÃO

Existem diversos tipos de desumidificação, cada qual com a sua vantagem e

desvantagem, mas nesta monografia será abordado a desumidificação por meio de

material dessecante. Segundo a companhia Andatech (2017), em conjunto com a

desumidificação por dessecante, existem outros dois métodos que formam as três

principais tecnologias de desumidificação (Peltier, mecânica e dessecante).

25

2.2.1 Eletrônica ou desumidificador de Peltier

Neste tipo de desumidificação é utilizado o efeito Peltier. Neste caso, são

colocados dois metais semicondutores em contato dispostos em um circuito elétrico

fechado. Este circuito é submetido a uma corrente elétrica resultando no

aquecimento de uma junção e no resfriamento da outra. (Efeito é o contrário do que

acontece em um termopar) (MSPC, 2008).

Como pode ser observado na Figura 12, com o circuito fechado, existe um

fluxo de calor entre as junções.

Figure 12 - Efeito Peltier Fonte: MSPC, (2008).

Desta forma este processo é similar a desumidificação mecânica, onde o

objetivo é resfriar o ar até que o vapor de água nele presente de condense, ou seja,

o ar em contato com uma temperatura abaixo da sua temperatura de ponto de

orvalho, começa a condensar o seu vapor d’água, removendo umidade. Deste

modo, pode-se dizer que a diferença destes dois métodos é a maneira de gerar a

remoção do calor.

Este processo é muito barato, sem partes móveis e silencioso, mas em contra

partida tem uma eficiência muito baixa, sendo assim utilizado para casos domésticos

de pequena necessidade de remoção de umidade (ANDATECH, 2017).

26

2.2.2 Desumidificador mecânico (Compressor / Refrigerante)

Este é o mesmo processo utilizado nos aparelhos de ar condicionado,

geladeiras e refrigeradores. Contudo, neste caso o objetivo é a remoção da

umidade, desta maneira a temperatura do ar de saída deve ser inferior ao ponto de

orvalho de maneira a condensar o vapor d’água presente no ar.

Na Figura 13, tem-se um circuito da refrigeração simples. Se este aparelho for

dimensionado para temperaturas abaixo do ponto de orvalho do local da instalação,

se transforma em um desumidificador mecânico. Basicamente, os seguintes

componentes compõe o equipamento:

Compressor.

Condensador.

Tanque de líquido.

Válvula de expansão.

Evaporador.

Fluído refrigerante (gás que sofre transformações de fase durante o

processo).

Este sistema é instalado de maneira que o conjunto compressor, condensador

e tanque de líquido estejam em um ambiente e o conjunto válvula de expansão e

evaporador em outro, mais precisamente no ambiente a ser climatizado ou

desumidificado.

O ciclo inicia pelo evaporador da seguinte forma, uma serpentina que tem a

função de evaporar o líquido quente a baixa pressão proveniente da válvula de

expansão. O liquido ao evaporar nesta serpentina absorve o calor do ar que está

passando pelas aletas do evaporador resfriando-o e consequentemente

desumidificando se for o caso. Após o evaporador tem-se o gás à baixa pressão.

Este gás é succionado pelo compressor o qual eleva a sua pressão e temperatura.

O gás é descarregado para o condensador, este é outra serpentina que tem a

função de condensar o gás quente, para líquido quente a alta pressão o qual irá

ceder calor para o ar que está passando pelas aletas do condensador, aquecendo o

27

ar. Após passar pelo condensador o líquido quente em alta pressão passa pela

válvula de expansão, a qual representa uma grande perda de carga para o sistema,

reduzindo drasticamente a pressão do líquido que inicia o ciclo novamente no

evaporador.

Figure 13 – Circuito de refrigeração Fonte: Munters, (2002).

A Figura 14 mostra que após certa temperatura de resfriamento, o ar entra na

faixa de desumidificação, ou seja, passa a remover além do calor sensível o calor

latente, onde ocorre a desumidificação.

Figura 14 - Desumidificação mecânica


28

Este processo pode remover grandes quantidades de umidade, mas tem

como desvantagens: o seu desempenho que reduz em baixas temperaturas (baixa

umidade), e o compressor que requer manutenção e gera ruído sonoro quando em

funcionamento. Ainda cabe destacar que o sistema precisa de cuidados no que se

refere à carga do gás, vazamentos e limpeza. Além do consumo de energia ser

razoavelmente elevado (ANDATECH, 2017).

2.2.3 Desumidificador por dessecante

Os desumidificadores por dessecante trabalham de uma forma diferente da

desumidificação por resfriamento ou mecânica. Neste processo a base de

funcionamento é a pressão de vapor, onde o dessecante cria uma zona de baixa

pressão de vapor que atrai a umidade do ar (MUNTERS, 2002).

Segundo Munters (2002), os materiais dessecantes podem ser de dois tipos:

Adsorventes: Normalmente são sólidos como a sílica gel.

Absorventes: Podem ser líquidos ou sólidos, sendo que estes últimos se

tornam líquidos ao absorverem umidade. O sal de cozinha é um material

absorvente.

Quando o material dessecante está seco e frio, ele apresenta baixa pressão

de vapor, mas depois de absorver a umidade e se tornar úmido e quente a sua

pressão de vapor aumenta (MUNTERS, 2002).

Na Figura 15, observa-se o ciclo da desumidificação por dessecante, que

basicamente é um ciclo de pressão de vapor a qual está diretamente ligada a

umidade absoluta.

Etapa 1 – 2: Chamada de absorção ou adsorção, nesta etapa o dessecante

está frio e seco (baixa pressão de vapor). Neste ponto se inicia a captura da

umidade do ar (alta pressão de vapor) (MUNTERS, 2002).

Etapa 2 – 3: Chamada de dessorção, neste ponto o dessecante está saturado

e não consegue remover mais umidade, pois não existe a diferença de pressão de

vapor entre ele e o ar. Desta forma é necessário colocar o dessecante em contato

com um fluxo de ar quente para remover a umidade retida no dessecante. Este ar

29

quente tem baixa umidade relativa, ou seja, alta capacidade de absorver a umidade.

Como a pressão de vapor é baixa a umidade migrará do dessecante para o ar

(MUNTERS, 2002).

Etapa 3 – 1: Chamada de resfriamento, nesta etapa o dessecante está seco,

mas quente e com uma pressão de vapor que não é a ideal para coletar a umidade

do ar. É o momento onde o dessecante é resfriado e o ciclo volta para o início

(MUNTERS, 2002).

Figura 15 - Ciclo desumidificação por dessecante


Para melhor exemplificar o sistema de desumidificação por dessecante,

observe a Figura 16. O sistema é composto por um rotor impregnado com material

dessecante, cuja característica se assemelha a uma colmeia. Este ar será

desumidificado e o rotor será reativado pelo fluxo de ar contrário proveniente do ar

aquecido pelo efeito do aquecedor. Tal aquecedor que pode ser elétrico, a vapor ou

a gás.

Pode-se notar uma divisão entre o ar de processo e o de reativação em que

¼ da área fica reservada para a reativação. Esta divisão é vedada por uma borracha

especial, assim como todo o perímetro da roda, impedindo a contaminação do ar

seco, com o ar úmido.

30

Figura 16 - Rotor dessecante Fonte: Adaptado de Munters, (2002).

A Figura 17, tem-se o processo de desumidificação por dessecante. Neste

processo o ar é desumidificado (o valor na coluna Moisture reduz) e ocorre um

aumento na sua temperatura. Em conjunto com a Figura 11, podemos observar que

o deslocamento do ar de processo está basicamente na mesma entalpia. Na

realidade ocorre um leve aumento da entalpia, pois o processo de regeneração

acaba aquecendo o dessecante e este ao entrar no ar de processo, transfere o calor

(MUNTERS, 2002).

Figura 17 - Desumidificação por dessecante


31

3. CONTROLE DE UMIDADE NA SALA DE ARQUIVOS

Neste capítulo é abordado o desenvolvimento da instalação dos

equipamentos, a malha de controle e a coleta dos dados. A seção 3.1 mostra os

equipamentos e a instalação necessária para o projeto. Na seção 3.2 é apresentada

a malha de controle e na seção 3.3 o procedimento de coleta e avaliação dos dados.

3.1 CONEXÕES DO DESUMIDIFICADOR DA SALA E SEUS COMPONENTES

Na Figura 18, tem-se a grelha, que fornece sustentação ao duto do ar de

retorno. Esta grelha impede a entrada de animais indesejados.

Junto a esta tomada de ar, tem-se o transmissor de umidade relativa na

Figura 19, que é o responsável por enviar para o CLP o sinal do transmissor de

umidade relativa, fechando a malha e possibilitando o controle.

O local da fixação do transmissor está do lado contrário do ar de insulamento,

garantindo uma melhor leitura da mistura do ar no interior da sala.

O transmissor de umidade relativa utilizado é o modelo RHT-WM da Novus

com saída de 4 a 20 mA linear para o range de 0 a 100% RH.

32

Figura 18 - Grelha de retorno e transmissor de umidade relativa Fonte: Autoria Própria.

Figure 19 - Transmissor de umidade relativa Fonte: Novus, (2017).

A Figura 20 mostra o duto de insuflamento do ar tratado, ou seja, o ar

desumidificado.

33

Figura 20 - Duto de insuflamento Fonte: Autoria Própria.

Pode-se observar na Figura 21, a conexão dos dutos de retorno e

insuflamento do desumidificador. O duto de insuflamento contém um damper, com

uma alavanca para restringir o fluxo de ar, alterando a perda de carga do sistema e

desta maneira corrigindo a vazão de ar. Este equipamento pode ser alocado caso

aja espaço no entreforro, onde a entrada e a saída do ar da reativação deve conter

um duto.

34

Figura 21 – Desumidificador – Dutos do ar de processo Fonte: Autoria Própria.

Na Figura 23, encontra-se o quadro de comando, com o IHM (Interface

Homem Máquina) modelo Kinco MT4414TEHMI. Nela estão localizados os

componentes de controle do desumidificador, como o CLP de marca Kinco (Figura

22), modelo K506EA-30DT, com a seguinte configuração:

Alimentação 21,6~28,8 Vcc.

14 x Entradas Digitais.

10 x Saídas Digitais a Transistor.

4 x Entradas Analógicas (0~10 Vcc / 4~20 mA).

2 x Saídas Analógicas (0~10 Vcc / 4~20 mA).

35

Figura 22 – CLP Kinco K506EA-30DT Fonte: Kinco, 2017.

A Figura 23 mostra o quadro de comando e acima deste está à entrada do ar

da reativação.

Figura 23 – Quadro de comando e entrada do ar de reativação

Fonte: Autoria Própria.

36

A Figura 24 mostra o quadro de força. É neste quadro onde estão localizados

os componentes responsáveis pela proteção e acionamento dos motores e do banco

de aquecimento o equipamento. Acima do quadro de força encontra-se a saída do ar

da reativação com um damper para regular a vazão.

Figura 24 – Quadro de força e saída do ar de reativação Fonte: Autoria Própria.

Na Figura 25 tem-se o componente da responsável pelo controle proporcional

do banco de aquecimento, um relé de estado sólido linear com entrada de controle

de 4 a 20 mA modelo AFC-1 da Contemp.

Figura 25 - Relé de estado sólido linear Fonte: Contemp, (2017).

37

3.2 COMPONENTES DA MALHA DE CONTROLE

A Figura 26 apresenta a malha de controle. Neste sistema será informado via

IHM para o CLP o SP (setpoint) de umidade relativa. No CLP será calculado o E

(Erro) através do sinal da PV (Process Variable), que é fornecido pelo transmissor de

umidade relativa instalado dentro da sala de arquivos. O bloco PID do CLP irá

utilizar estas informações e enviar um sinal analógico de 4 a 20 mA para o relé. Este

atuador é um relé de estado sólido linear que atua no banco de aquecimento da

reativação do desumidificador e desta maneira controlará a umidade na sala.

Figura 26 – Ilustração da malha de controle Fonte: Adaptado de CONTEMP, NOVUS e KINCO, (2017).

O desumidificador em questão contém três motores, um motor de 90 W,

monofásico de 2 pólos que é responsável por acionar o ventilador. O outro, motor

também com as mesmas características, aciona um ventilador para o ar da

reativação. Por último, o terceiro motor de 25 W, monofásico, aciona um conjunto de

redução, que por sua vez através de uma correia síncrona gira o rotor dessecante.

38

Este processo faz com que o rotor tenha sempre uma parte de sua área passando

pela reativação durante todo o processo.

Na Figura 27, podem ser observados os diferentes fluxos de ar e

componentes do desumidificador, onde:

1 – Ar de retorno (processo) – úmido.

2 – Ar de insuflamento (processo) – seco.

3 – Rotor dessecante (3/4 processo).

4 – Filtro metálico G2 (processo) – reter partículas.

5 – Ventilador (processo).

6 – Entrada de ar (reativação).

7 – Filtro metálico G2 (reativação) – reter partículas.

8 – Banco de aquecimento elétrico (reativação) – monofásico 2,3 kW.

9 – Ventilador (reativação).

10 – Rotor dessecante (1/4 reativação).

11 – Saída de ar (reativação).

Figura 27 - Componentes e fluxos de ar no desumidificador FFB 170 Fonte: Bry-Air Brasil, (2017).

39

3.3 PROCEDIMENTOS PARA O LEVANTAMENTO DE DADOS

Após instalação do equipamento, foram calibradas as vazões de processo e

reativação. Isso foi feito a partir do diferencial de pressão do rotor dessecante, sendo

30 PA (Pascal) na reativação e 20 PA (Pascal) no processo. O desumidificador

contém pontos próprios para esta medição de pressão, sendo essencial para

garantir a vazão nominal do equipamento, que é 170 m³/h no processo e 60 m³/h na

reativação.

Em seguida foram realizadas três medidas de umidade com o banco de

aquecimento da reativação em 100% da sua capacidade.

Os valores foram gravados pelo datalogger do IHM com intervalos de 1

minuto entre cada medição. Durante as medições a porta da sala foi mantida

fechada para evitar perturbações externas, uma vez que a entrada de pessoas é

esporádica.

Basicamente o equipamento foi ligado com uma potência comandada pela

MV (Manipulated Variable) e foram registrados os valores da PV.

3.3.1 Critério de parada

O sistema foi excitado com um degrau de 0 para 100% da MV e coletado os

dados da PV. Observam-se os dados na curva da Figura 28. A umidade relativa tem

o seu valor reduzido de aproximadamente 68% para 37%.

40

Figura 28 - Medições da PV com a MV em 100% Fonte: Autoria Própria.

Para avaliar os dados verificou-se a necessidade de utilizar a análise de

Pareto (Figura 29). Segundo Siteware (2017), a análise de Pareto ordena as

frequências de determinadas ocorrências. Nota-se na figura 29 que o maior número

de ocorrências estava entre o valor de 41% de umidade relativa.

Figura 29 - Pareto da umidade relativa Fonte: Autoria Própria.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

10

:42:

26

10

:52:

26

11

:02:

26

11

:12:

26

11

:22:

26

11

:32:

26

11

:42:

26

11

:52:

26

12

:02:

26

12

:12:

26

12

:22:

26

12

:32:

26

12

:42:

26

12

:52:

26

13

:02:

26

13

:12:

26

13

:22:

26

13

:32:

26

13

:42:

26

13

:52:

26

14

:02:

26

14

:12:

26

14

:22:

26

14

:32:

26

14

:42:

26

14

:52:

26

15

:02:

26

15

:12:

26

15

:22:

26

15

:32:

26

Um

idad

e R

ela

tiva

[%

]

Horário [HH:MM:SS]

31/01/2017 - 30 Pa_R e 20 Pa_P - (100%)

0 10 20 30 40 50 60 70 80

68

59

50

41

32

23

14

5

Número de Ocorrências

Um

ida

de

Rel

ativ

a [%

]

Pareto

41

Na Tabela 1 observa-se que 51,6% das amostras estão dentro da faixa de

37% e 39% de umidade relativa, isto mostra que esta faixa é o ponto onde o

equipamento está em sua capacidade máxima de trabalho, ou seja, na capacidade

máxima de remoção de umidade. O equipamento poderá ficar ligado por muitas

horas, que este resultado não terá uma variação significativa para o mesmo sistema.

Tabela 1 – Análise Pareto

Quantidade de amostras

Quantidade de amostras acima de 40 ocorrências

Valores com umidade relativa entre as 40 de

maior incidência

300 155 37% – 38% – 39%

Percentual 100% 51,6% -


Desta forma está levantada a curva de comportamento da planta (sala de

arquivos) para uma resposta ao degrau de 0% a 100% da MV.

No próximo capítulo a curva do comportamento da planta física, será utilizada

para modelar uma planta matemática e sintonizar o PID. Após este processo o PID

será implementado no MatLab e no CLP da KINCO, com a finalidade de validar o

modelo proposto e tirar as devidas conclusões.

42

4. IDENTIFICAÇÃO, SINTONIA, SIMULAÇÃO E TESTES

Este capítulo mostra a identificação do sistema bem como a sintonia do

controlador PID e a simulação na planta física. A seção 4.1 aborda o método para

identificação do modelo matemático da planta. A seção 4.2 apresenta a sintonia e a

simulação via software. A seção 4.3 apresenta o teste na planta física.

4.1 IDENTIFICAÇÃO DO SISTEMA - MÉTODO DE BROIDA

Para iniciar a identificação do sistema, foi utilizado o MatLab com os dados da

PV e da MV para gerar o gráfico da função pelo software, sendo assim possível

iniciar o método de Broida.

Observa-se na Figura 30 o comportamento da planta com a excitação da MV

(Red) e o decaimento da umidade relativa (Blue) dentro de período de 300 minutos.

43

Figura 30 – PV x MV (Planta Física) Fonte: Autoria Própria.

O comportamento da curva na Figura 30, mostra que esta é uma função de

primeira ordem, a qual pode ser descrita da seguinte maneira:

�� = ��

�� [2]

Onde:

K – Ganho do processo.

L – Tempo morto do processo.

T – Constante de tempo do processo.

Ganho: Razão entre as variáveis de saída (PV) pelas variáveis de entrada

(MV). Ele transmite o grau de sensibilidade da saída em referência às mudanças na

entrada.

� = ��

�� ∴

��

�� ∴

��

��= 0,32 = 32% [3]

0 50 100 150 200 250 3000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tempo [Min]

%M

V (

Red)

%U

mid

ade R

ela

tiva (

Blu

e)

Resposta Planta 100% MV

44

Tempo morto: É o tempo de delay entre a excitação pelo degrau e a mudança

na saída.

Constante de Tempo: É o tempo necessário após a excitação do sistema pelo

degrau até o sistema atingir 63% do seu valor de variação total.

��% = � + � ∴ (32 ∗ 0,63) ∴ |20,16 − 68| ∴ 47,84% (�� ) ∴ 25 �. �.

��% = 25 = � + � [4]

��%= � +�

3 ∴ (32 ∗ 0,28) ∴ |8,96 − 68| ∴ 59,04% (�� ) ∴ 5 �. �.

��%= 5 = � +�

� [5]

Resolvendo o sistema de duas equações 4 e 5 e duas incógnitas, temos:

�� + � = 25

� +�

3= 5

� = 30

� = −5

O valor do tempo morto negativo não é possível, uma vez que ele é uma

resposta à excitação da entrada, ou seja, L pode ser zero (inicia com a excitação),

mas nunca negativo.

Verifica-se na Figura 30, que o tempo morto é zero (L = 0), pois o sinal inicia

com uma queda praticamente retilínea após a excitação.

Substituindo os valores encontrados de K, T e L, na equação 1, tem-se o

modelo matemático para o sistema, neste caso também chamado Função de

Transferência (FT):

��% �� = �,��

�� [6]

Utilizando o Simulink do MatLab, tem-se a Figura 31. Com este modelo é

possível simular a planta física.

Na Figura 31, tem-se o bloco To Workspace do Simulink, com o qual é

possível enviar o resultado da saída para o Workspace e plotar a curva do modelo

em conjunto com a curva da Figura 30.

45

Figura 31 – Modelo de simulação no MatLab para a planta da sala de arquivos Fonte: Autoria Própria.

Próximo passo será comparar a curva do modelo encontrado pelo método de

Broida, com a curva da planta física, Figura 32.

46

Figura 32 – Comparação entre a curva da planta física e a curva obtida por Broida Fonte: Autoria Própria.

Observa-se na Figura 32, uma pequena divergência entre as curvas. O

próximo passo será alterar os valores de K e T, até obter-se um resultado mais

próximo ao da planta física.

Após algumas tentativas os seguintes valores foram definidos:

� = 0,30

� = 35

��% �� = �,��

�� [7]

Com estes valores, pode-se gerar o gráfico da Figura 33, validando a

equação 7.

47

Figura 33 – Validação da Planta por Broida Fonte: Autoria Própria.

48

4.2 SINTONIA DO PID E SIMULAÇÃO NO MATLAB

Para a sintonia do PID, deve-se verificar qual a configuração do PID disponível

no CLP da Kinco.

Na Figura 34, tem-se o bloco do PID tipo paralelo, sendo o erro calculado

através da diferença entre a PV e o SP (normalizados). Este erro irá para o PID o

qual irá gerar uma saída de controle normalizada e outra entre os valores 0 e 1.

Figura 34 – PID paralelo CLP da Kinco Fonte: Kinco, (2017).

Nas Figuras 35 e 36, tem-se o bloco a ser inserido nas linhas de código Ladder

e a descrição de suas entradas e saídas.

O bloco PID possui os seguintes I/Os (Input/Output):

49

EN – Enable input.

AUTO – Automático [0 – Manual / 1 – Automático].

PV – Variável de Processo [4 – 20 mA].

SP – Setpoint [4 – 20 mA].

X0 – Valor manual [Valor fixo de saída do PID quando está em manual].

KP – Ganho proporcional.

TR – Tempo derivativo [s].

TD – Tempo integral [s].

PV_H – Valor máximo da variável de processo [20 mA].

PV_L – Valor mínimo da variável de processo [4 mA].

X OUTP_H – Valor máximo da saída do PID [20 mA].

X OUTP_L – Valor máximo da saída do PID [4 mA].

CYCLE – Scan do PID [100 ms].

ENO – Enable output.

XOUT – Saída PID [0.0 – 1.0].

XOUTP – Saída PID [4 – 20 mA] – valor para saída analógica.

Figura 35 – Bloco PID Ladder Fonte: Kinco, (2017).

50

Figura 36 – Entradas e Saídas bloco PID Fonte: Kinco, (2017).

A sintonia do PID é facilitada com a utilização de algum método para definir os

valores Kp (Ganho Proporcional), Ti (Tempo Integral) e Td (Tempo Derivativo)

iniciais do sistema. O método escolhido para este trabalho foi o CHR – servo sem

sobre sinal.

Na Tabela 2, tem-se as fórmulas para calcular os parâmetros do PID.

Tabela 2 – Valores Kp, Ti e Td por CHR – servo sem sobre sinal

Controlador Kp Ti Td

PID �, � � �

� ∗ �

� �

�


Como o tempo morto está em zero, pode-se arbitrar dois valores para L: [0,1

e 1]. Assim aplica-se na malha com o PID para observar o comportamento e definir

os melhores valores para iniciar a sintonia.

51

Utilizando os valores de K e T da equação 7, na tabela 2 gerou-se os

seguintes parâmetros na Tabela 3.

� = 0,30

� = 35

Tabela 3 – Valores PID para diferentes valores do tempo morto

L Controlador Kp Ti Td

0,1 PID ��

1,0 PID ��


Na Figura 37 observa-se a simulação do sistema com os valores do PID da

tabela 3, onde o L foi considerado 0,1.

Nesta simulação tem-se uma perturbação de 2% no instante 100 u.t.

(Unidades de Tempo) representando um aumento da carga de umidade, como por

exemplo, uma abertura de porta e um ruído de amplitude 0,1%, referente a

interferências externas ao sistema.

Figura 37 - Simulação PID_0 Fonte: Autoria Própria.

52

Na Figura 38, a reposta não foi à esperada, pois com o ganho elevado o

sistema convergiu muito bem, mas em uma planta real como a do gráfico da Figura

30, onde o banco de aquecimento estava ligado no máximo durante os testes, não

teve este comportamento, ou seja, a simulação não condiz com a realidade de

controle da sala.

Figura 38 – Resposta da simulação PID_0 Fonte: Autoria Própria.

Considera-se o fato de que os valores da primeira linha da Tabela 3 não

apresentaram uma resposta condizente. Assim será utilizada a segunda linha de

valores da Tabela 3.

Na Figura 39, tem-se a simulação do sistema com os valores do PID da

tabela 3, onde o L foi considerado 1.

53

Figura 39 – Simulação PID_1 Fonte: Autoria Própria.

Na Figura 40, a reposta ainda apresenta uma velocidade elevada, desta

forma pode-se concluir que o ganho ainda está elevado divergindo da planta real

como a do gráfico da Figura 30.

54


Pode-se concluir que um ganho proporcional muito elevado gera uma

resposta muito rápida, seria ideal, mas conforme o sistema analisado, isto não é

verdade. Este tipo de sistema tem um tempo de resposta lento, devida a inercia

térmica e outros fatores, logo verificou-se a necessidade de sintonizar novamente o

PID a fim de chegar a um valor com melhor tempo de resposta baseado na planta da

sala de arquivos.

Na Tabela 4, observa-se os valores dos parâmetros PID a serem implementos

na planta física, com a finalidade de validar estes valores.

Tabela 4 – Valores PID para validação

Controlador Kp Ti Td

PID � ��


55

Na Figura 41, temos a simulação do sistema com os valores do PID da

Tabela 4.

Figura 41 – Simulação PID_2 Fonte: Autoria Própria.

Na Figura 42, a reposta se aproxima ao do gráfico da planta real da Figura 30,

pois em aproximadamente 100 u.t. o sistema atingiu o valor de 45% de umidade

relativa.

56


A estratégia da sintonia foi alterar o ganho e assim o tempo da resposta de

maneira a obter no período transitório um comportamento parecido com o gráfico da

Figura 30 (curva da planta física) e desta forma se aproximar da realidade.

No próximo tópico será realizado o teste na planta física com o modelo

sintonizado no MatLab (PID_2) com o objetivo de validar os parâmetros.

4.3 TESTE NA PLANTA FÍSICA

No sistema instalado na sala de arquivos, foi inserido no bloco PID do CLP os

seguintes valores:

AUTO – Automático [0 – Manual / 1 – Automático].

57

PV – Variável de Processo [4 – 20m A].

SP – Setpoint [4 – 20m A].

X0 – Valor manual [Valor fixo de saída do PID quando está em manual].

KP – 5.

TR – 35.

TD – 0.

PV_H – Valor máximo da variável de processo [20m A].

PV_L – Valor mínimo da variável de processo [4m A].

X OUTP_H – Valor máximo da saída do PID [20m A].

X OUTP_L – Valor máximo da saída do PID [4m A].

CYCLE – Scan do PID [100m s].

XOUT – Saída PID [0.0 – 1.0].

XOUTP – Saída PID [4 – 20m A] – valor para saída analógica.

O sistema foi ligado e foram coletados os dados pelo data logger do PLC

durante 300 minutos. Com esta medição foi possivel gerar a Figura 43, onde a

planta consegue se manter em um valor entre 44 a 48% de umidade relativa.

Figure 43 – Controle PID de umidade relativa na planta física_1 Fonte: Autoria Própria.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

08:1

2:2

7

08:2

2:2

7

08:3

2:2

7

08:4

2:2

7

08:5

2:2

7

09:0

2:2

7

09:1

2:2

7

09:2

2:2

7

09:3

2:2

7

09:4

2:2

7

09:5

2:2

7

10:0

2:2

7

10:1

2:2

7

10:2

2:2

7

10:3

2:2

7

10:4

2:2

7

10:5

2:2

7

11:0

2:2

7

11:1

2:2

7

11:2

2:2

7

11:3

2:2

7

11:4

2:2

7

11:5

2:2

7

12:0

2:2

7

12:1

2:2

7

12:2

2:2

7

12:3

2:2

7

12:4

2:2

7

12:5

2:2

7

13:0

2:2

7

Um

idad

e R

ela

tiva

[%

]

Horário [HH:MM:SS]

Controle PID na Planta Física_1

58

O comportamento da Figura 43 é aceitavél uma vez que grande parte dos

projetos existe uma faixa de tolerância de +/- 3% na umidade relativa. Este fato se

deve a problemas na medição, como a exatidão dos transmissores. Assim, verifica-

se a necessidade de alterar os valores do PID para obter um resultado mais preciso

no controle do sistema.

Para melhorar este controle deve-se reduzir o ganho até se encontrar um

ponto que após um período de tempo o sistema se mantenha com a menor variação

possível.

Na Figura 44, tem-se o sistema com os seguintes valores so PID:

KP – 0,3.

TR – 35.

TD – 0.

Pode-se verificar que nos primeiros 200 minutos o sistema teve uma

oscilação até encontrar o valor do setpoint e após este período transitório conseguiu

fixar no valor requerido e garantindo um controle fino do sistema. Desta forma estes

serão os valores ideiais para a operação do desumidificador de maneira a gerar um

controle eficiente para este projeto em questão.

Figure 44 – Controle PID de umidade relativa na planta física_2 Fonte: Autoria Própria.

0

10

20

30

40

50

60

70

13

:42

:18

13

:52

:18

14

:02

:18

14

:12

:18

14

:22

:18

14

:32

:18

14

:42

:18

14

:52

:18

15

:02

:18

15

:12

:18

15

:22

:18

15

:32

:18

15

:42

:18

15

:52

:18

16

:02

:18

16

:12

:18

16

:22

:18

16

:32

:18

16

:42

:18

16

:52

:18

17

:02

:18

17

:12

:18

17

:22

:18

17

:32

:18

17

:42

:18

17

:52

:18

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Controle PID na Planta Física_2

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5. CONSIDERAÇÔES FINAIS

O problema inicial de controle de umidade foi resolvido, conforme a Figura 44,

o ambiente foi mantido em 45% de umidade relativa, gerando um acondicionamento

ideal para os arquivos armazenados uma vez que o odor de bolor e as páginas

úmidas já não são mais observados.

Desta maneira o objetivo geral foi atingido uma vez que foi possível obter a

planta da sala, sintonizar um controlador PID e como resultado um controle fino da

umidade relativa do sistema.

Os objetivos específicos foram contemplados, já que o trabalho consegue

entregar ao leitor uma abordagem rápida sobre a desumidificação e como

implementar um controlador para um sistema de desumidificação. Sendo a parte

mais difícil a instalação do sistema na sala, onde demandou mão-de-obra e

materiais. Já a parte mais demorada foram os testes in loco para se obter os valores

de umidade relativa através do data logger.

Os resultados justificaram a realização deste trabalho, gerando um

conhecimento que pode ser aplicado em novos clientes que necessitam de um

controle de umidade fino. E como relatado neste trabalho, o conhecimento sobre o

comportamento do sistema baseado nos parâmetros do PID pode ser aplicado em

diferentes sistemas.

Para trabalhos futuros, poderá ser implementado um controle PID em cascata,

devido ao fato deste tipo de equipamento trabalhar com uma temperatura de

reativação na sílica de 140°C geralmente. Assim quando o equipamento é ligado e a

carga de umidade é muito elevada, a temperatura de reativação pode ultrapassar os

140°C. desta maneira um controle em cascata deverá atuar de maneira a chegar no

setpoint de umidade sem ultrapassar esta temperatura limite de operação. Neste

trabalho em questão este fato não ocorreu, pois a máquina (FFB 170) é de uma

série compacta que dificilmente ultrapassa este valor, devido a fatores construtivos.

Uma grande contribuição deste trabalho, que foi possível através do curso de

pós-graduação em automação industrial da UTFPR, foi compreender os valores do

controlador PID, onde é possível prever o comportamento do sistema. Isto ocorre

muito na indústria, onde o sistema é muito complexo ou os testes para se obter a

60

planta são inviáveis. Desta forma é possível com os conhecimentos dos parâmetros

de ganho proporcional, integral e derivativo definir valores a fim de regular o sistema.

Por exemplo, o ganho proporcional afeta diretamente a velocidade do sistema,

ou seja, o quanto maior este ganho, mais rápido o sistema responde a uma

excitação. O valor integral reduz o erro no regime estacionário para zero. E o valor

derivativo reduz o valor da saída se a variável estiver variando rapidamente.

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REFERÊNCIAS

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