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AUTOMAÇÃO

 / Instrumentação

10/07/2008 11:10:47

Instrumentação Básica Posicionadores de Válvulas - Parte 3

Confira neste artigo, os principais tipos de válvulas de controle e atuadores e detalhes sobre a função e funcionamento do posicionador, além de informações sobre diagnóstico inteligente e as tendências dos posicionadores de válvulas.

Rogério Souza da Mata

Você provavelmente já ouviu aquele velho ditado que diz: “quem controla as válvulas, controla a planta”. E não é exagero. A válvula, como principal elemento final no controle de processos, é talvez o dispositivo mais crítico, tanto para a performance da planta quanto para sua segurança operacional. Assim, conhecer os principais tipos de posicionadores de válvulas e como funcionam é de suma importância para os profissionais de Automação.

O que é uma válvula de controle?

Vamos adotar a definição simples de que uma válvula de controle é um equipamento usado para modificar a vazão de um fluido em um processo. Como elemento final de controle, as válvulas são normalmente culpadas por todo e qualquer problema que ocorre no processo. Quando falamos de válvula de controle podemos imaginar apenas a válvula, ou seja, o dispositivo mecânico instalado na tubulação que controla a passagem do produto, seja ele líquido, gás ou um mistura destes.

Contudo, aqui vamos nos referir às válvulas com controle automático de posição, lembrando que ela é, na verdade, um conjunto formado por três partes:

1-a válvula propriamente dita, que restringe mecanicamente o produto na tubulação onde está instalada;2-um atuador, que transforma a energia elétrica, pneumática ou hidráulica em movimento para a válvula;3-e um posicionador, um circuito eletrônico, eletropneumático ou eletro-hidráulico que

controla o atuador para otimizar o funcionamento da válvula.

Tipos de Válvulas

Forma geométrica do elemento de restrição

Existem talvez centenas de formatos para as válvulas de controle. As formas geométricas mais comuns podem ser vistas na figura 1.

F1. Geometrias mais comuns para válvulas de controle

Gaveta: É indicada para processos que exigem abertura rápida, do tipo 0-100-0%. Não trabalham com modulação freqüente.

Aplicações: óleo, gás, ar, lodo, líquidos densos, vapor, gases não-condensados e líquidos corrosivos.Vantagens: alta capacidade de vazão; boa vedação; baixo custo; baixa queda de pressão na linha.Desvantagens: controle pobre (baixa resolução); cavitação em baixas pressões; não indicada para controle com modulação.

Globo: É indicada para controle linear e igual porcentagem, controle de vazão e operação em modulação freqüente.

Aplicações: líquidos em geral, vapores, gases, substâncias corrosivas, lodo.Vantagens: modulação eficiente com boa velocidade de resposta; controle fino (boa resolução); opções com múltiplas geometrias. Desvantagens: alta queda de pressão na linha; é relativamente cara comparada aos outros tipos.

Esfera: Indicada para processos com abertura rápida ou linear. Recomendada também para operações On-Off e/ou modulação limitada.

Aplicações: maioria dos líquidos, inclusive em altas temperaturas; lodo, lama, água com sólidos em suspensão. Vantagens: baixo custo, alta capacidade, boa vedação com baixo torque e baixa manutenção. Desvantagens: baixa capacidade de modulação com velocidade de resposta limitada. Susceptível a cavitação.

Borboleta: Para controle linear e igual porcentagem. Recomendada para processos com abertura e fechamento rápidos ou com modulação.

Aplicações: líquidos, gases, lodo e outros líquidos com sólidos em suspensão. Vantagens: baixo custo e pouca manutenção; alta capacidade de vazão. Desvantagens: alto torque necessário para o controle; muito usada em conjunto com atuadores elétricos. Sofre cavitação em baixas pressões.

Resolução no movimento da válvula

On-Off: É o tipo mais simples. Pode estar totalmente aberta ou fechada. Normalmente não precisa de um atuador e um posicionador, basta um solenóide elétrico.

Abertura gradual ou com modulação: Permite o controle do curso do elemento restritor entre 0 e 100% de abertura. Dessa forma, é possível controlar com precisão a quantidade do produto que passa por ela. Porém, é necessário um sistema de controle mais sofisticado, com atuador e posicionador.

Direção do movimento da válvula

Linear: Para abrir ou fechar a válvula há uma haste que se movimenta no eixo longitudinal. Observa-se que o fluxo é tortuoso, havendo queda de pressão na passagem pelo corpo da válvula. É mais usada para aplicações de alta pressão ou com pequenas vazões. O tempo de fechamento é usualmente maior que no tipo rotativo. Veja nas figuras 2 e 4.

F2. Esquema básico de válvula linear

F4. Conjunto para válvula linear

Rotativo: Neste tipo o eixo gira para obstruir ou deixar passar o produto. Possui uma

velocidade de recuperação (fechamento) maior que a linear, mas em compensação trabalha com pressões menores. Aceita produtos abrasivos de maneira melhor que o tipo linear. observe as figuras 3 e 5.

F3. Esquema básico de válvula rotativa

F5. Conjunto para válvula rotativa

Características de abertura

De acordo com o tipo de válvula e o processo que se deseja controlar, a curva característica da abertura da válvula em função do set point (SP) pode ser Linear, Quadrática, Igual Porcentagem, dentre outras. Veja o exemplo na figura 6.

F6. Curvas características de abertura de válvulas

Comportamento em caso de falha

Após especificar e fazer a escolha da geometria mais adequada, outra questão que não pode ser esquecida é: como a válvula vai se comportar no caso de uma falha no sinal de

controle? Por exemplo, o cabo foi rompido. A válvula deve abrir, fechar, ficar a meio curso? Ou então no caso do ar comprimido faltar, o que deve acontecer?

Para cada situação há um tipo de válvula e um tipo de atuador. O posicionador pode em geral ser configurado para abrir ou fechar, caso perca o sinal de controle. Há atuadores e posicionadores com as seguintes características:

Ação Dupla: O posicionador deve ter duas saídas, cada uma das quais é conectada a uma das entradas do atuador. Há a possibilidade de ser tanto “ar para abrir (fecha a válvula em caso de falha)” quanto “ar para fechar (abre a válvula em caso de falha)”.

Ação Simples: Apenas uma saída do posicionador é conectada na entrada do atuador. O movimento no sentido oposto ao do atuador é feito por uma mola interna.

Tipos de atuadores

Os atuadores mais usados são, sem dúvida, os pneumáticos de diafragma, mas outros tipos também são utilizados, como veremos a seguir.

Atuador por diafragma: O movimento da válvula acontece através de uma mola e de um diafragma flexível que sofre a ação da força do ar comprimido injetado pelo posicionador. É o preferido por sua construção simples, econômica e sua flexibilidade de aplicações. Podem ser de dois tipos: ação direta, onde o ar age diretamente no diafragma empurrando o eixo para baixo, ou com ação reversa, onde o ar comprimido força o eixo para cima (figura 7).

F7. Atuador com diafragma

Atuador por pistão: São usados com pressões da ordem de 150 psi, eliminando muitas vezes a necessidade de reguladores de pressão. Permitem altas velocidades de operação. São normalmente de dupla ação, garantindo máxima força e velocidade de atuação nos dois sentidos (veja figura 8).

F8. Atuador por pistão

Atuador eletro-hidráulico: Emprega uma combinação de sinal elétrico para controlar a posição da válvula e um sistema hidráulico que fornece a energia para o movimento, de forma análoga ao eletropneumático que será visto adiante.

Atuador manual: São usados em conjunto com outros tipos de atuadores para permitirem o controle manual da válvula em caso de manutenção no sistema de controle ou de alguma falha (observe figura 9).

F9. Atuador manual para válvula rotativa

Atuador elétrico: Utilizar um motor elétrico para mover a válvula. O tipo rotativo é o mais comum, usado para movimentar grandes válvulas do tipo borboleta. Aplicações em saneamento e distribuição de água são bastante comuns (acompanhe na figura 10).

F10. Atuador elétrico com válvula borboleta de grande porte

Posicionadores digitais

Não basta usar um conversor I/P (corrente/pressão) para fazer o posicionamento da válvula em um sistema de controle. A resposta não é tão simples. Em alguns sistemas, pode ser que um conversor I/P (4-20mA para 3-15 psi) resolva o problema, mas existem algumas boas razões para usarmos um posicionador inteligente sempre que possível.

- Aumenta a resolução do sistema de controle, permitindo um controle mais fino;- Permite o uso de válvulas com curvas de abertura complexas (tabelas);- Minimiza os efeitos de stiction;- Compensa os efeitos de variações abruptas de pressão na linha;- Aumenta a velocidade de resposta da válvula às mudanças no processo;- Permite a configuração split-range, isto é, duas válvulas recebendo o mesmo sinal de controle simultaneamente operando em diferentes faixas do set point;- Acomoda uma ampla gama de variações na vazão, operando desde 0 até 100% de seu curso em condições normais;- Permite o uso de atuadores lineares ou rotativos;- Facilita a operação das malhas de controle;- Permite fácil diagnóstico em caso de problemas, facilitando a manutenção.

A tecnologia das válvulas e dos atuadores está bastante madura. Entretanto, com o crescente avanço da eletrônica, em especial dos protocolos de comunicação digitais, os posicionadores desempenham um papel cada vez mais importante no uso das válvulas de controle. As funcionalidades embutidas no posicionador, muitas vezes, são o diferencial que torna o conjunto válvula+atuador+posicionador mais eficiente. Podemos dividir o posicionador em duas partes para melhor compreensão (veja figura 11).

F11. Exemplo de posicionador digital eletropneumático

Cabeçote: Fica na parte superior, onde estão os elementos de interface com o usuário e com o sistema de controle, tais como display, teclas, bornes de conexão, etc.

Transdutor: Fica na parte inferior, onde estão as conexões com o ar comprimido e com

o atuador pneumático.

Diagrama de blocos

Acompanhe na figura 12 o diagrama de blocos de um posicionador eletropneumático 4-20mA+HART, usando sensor Hall para realimentação da posição real da válvula.

F12. Exemplo de posicionador digital eletropneumático

Transdutor Eletropneumático

O transdutor eletropneumático é o coração do posicionador inteligente (figura 13). Ele realiza a conversão de um sinal elétrico (por exemplo, 4-20mA) para um sinal pneumático correspondente (por exemplo, 3-15 psi), que por sua vez alimenta o atuador pneumático para movimentar a válvula até a posição desejada.

F13. Exemplo de transdutor digital eletropneumático

O exemplo ilustrado na figura 14 apresenta um transdutor com sistema bico-palheta que utiliza um cristal piezoelétrico no controle do fluxo de ar para as saídas. Dessa forma, a pressão no atuador pneumático é controlada e, conseqüentemente, a posição da válvula.

F14. Exemplo de transdutor com cristal piezo-elétrico

Acoplamento entre posicionador e válvula

O posicionador inteligente tem uma característica fundamental: o controle da posição da válvula é feito em malha fechada. Os posicionadores modernos normalmente possuem um controlador PID, chamado servo-PID, que toma o set point enviado pelo sistema de controle e compara com a posição real da válvula, procurando minimizar o erro dessa posição. Para que o posicionador tenha a realimentação da posição real da válvula é necessário que haja um sensor acoplando o posicionador à válvula. Esse acoplamento

pode ser feito de várias formas:

Com contato: Utiliza-se potenciômetros, chaves lineares ou rotativas. A vantagem é a imunidade a ruídos eletromagnéticos e precisão bastante grande, com boa velocidade de resposta. Sua principal desvantagem é que as parte móveis sofrem desgaste com o uso e precisam de manutenção freqüente para garantir a confiabilidade do conjunto.

Sem contato: Pode usar sensores capacitivos, indutivos, ópticos ou magnéticos (Hall). A grande vantagem desse tipo de acoplamento é sua robustez, uma vez que não há partes móveis que sofrem desgaste com o tempo, reduzindo drasticamente a manutenção. Como desvantagem, há a suscetibilidade a ruídos eletromagnéticos. Veja na figura 15 um exemplo de posicionador com sensor Hall.

F15. Sensor Hall para realimentação da posição real da válvula

Cuidados em relação ao fornecimento de ar

O posicionador eletropneumático deve receber um suprimento de ar adequado para seu funcionamento. Uma das principais causas dos problemas com os posicionadores eletro-pneumáticos é a utilização de ar comprimido de baixa qualidade, com excessiva umidade, poeira ou contaminado por óleo. O ar de instrumentação deve ser de qualidade superior ao ar comprimido industrial de uso geral.

Conforme a norma ANSI/ISA S7.0.01 - 1996 - Quality Standard for Instrument Air, o ar de instrumentação deve ter as seguintes características:O DE- Tamanho das partículas: 40μm (Máximo) / 5μm (recomendável);- Conteúdo de óleo: 1 ppm (w/w) - (Máximo);- Contaminantes: livre de gases corrosivos ou inflamáveis.

A norma recomenda que a captação do compressor esteja em um local livre de respingos do processo e que use um filtro adequado. É preciso também que sejam usados compressores do tipo nãolubrificado para prevenir contaminação do ar por óleo lubrificante.

Onde forem usados compressores do tipo lubrificado, devem ser aplicados recursos para remoção do lubrificante no ar fornecido. Veja na figura 16 um exemplo de sistema de compressão e condicionamento do ar comprimido para alimentação dos posicionadores e da instrumentação pneumática em geral.

F16. Exemplo de sistema de condicionamento de ar comprimido

Considerações Finais

O intuito deste artigo é fornecer informações básicas e motivar os técnicos, estudantes e engenheiros interessados em Automação a buscarem novos conhecimentos sobre o assunto. Vamos concluir o trabalho chamando a atenção para o diagnóstico avançado de válvulas e indicando algumas tendências do setor.

Diagnóstico de válvulas

No mercado existem vários softwares que operam em conjunto com os posicionadores inteligentes, permitindo a avaliação de sua performance e um diagnóstico bastante avançado dos problemas ocorridos nas válvulas de controle. As funções de autodiagnóstico são grandes aliadas nas estratégias de manutenção pró-ativas. Além disso, os softwares de manutenção são um complemento indispensável nas plantas modernas e competitivas. É através deles que se torna possível montar uma base de dados com informações sobre o processo e desempenho de equipamentos, construindo um histórico sobre cada equipamento monitorado.

Dessa forma, é possível identificar ao longo do tempo os equipamentos ou áreas mais problemáticas da planta, deslocando mais atenção para eles. As ferramentas de manutenção on-line oferecem interfaces bastante amigáveis, com recursos não aprenas para diagnóstico, mas também para configuração e calibração.

Tirando vantagem dos modernos recursos de rede e arquitetura de software, como Microsoft DNA e acesso via WEB, essas ferramentas oferecem ao usuário ampla visibilidade da planta, em qualquer lugar, seja através de um PC, PDA ou telefone celular (WAP, SMS). É comum encontrarmos ferramentas no mercado que utilizam o próprio WEB Browser como plataforma para as interfaces gráficas com o usuário (GUIs), como ilustrado na figura 17.

Como um recurso nativo da maioria dos sistemas operacionais mais usados (Windows, Linux, Solaris, QNX etc), o uso de WEB Browsers simplifica o treinamento e manutenção do próprio sistema, além de eliminar a tradicional atualização dos clientes.

F17.Exemplo de software para diagnóstico avançado de válvulas

Tendências

Para aplicações em sistemas de controle distribuídos, os posicionadores serão cada vez mais poderosos, com inúmeros diagnósticos sobre a válvula, o atuador e o processo, além de grande capacidade de autodiagnóstico e registro de eventos e alarmes. Uma das características é possuírem CPUs e conversores A/D e D/A extremamente rápidos.

O custo desses equipamentos continuará alto, com amortização feita no longo prazo devido à maior disponibilidade do processo e redução nos custos de manutenção. Esse tipo de equipamento pode elevar a disponibilidade total da planta, embora exija mais qualificação dos instrumentistas. Diversos fabricantes oferecem produtos nessa linha, pois agregam maior valor ao produto, embora em algumas aplicações o custo ainda seja restritivo.

Em aplicações com sistemas de controle centralizado, os posicionadores com média capacidade de diagnóstico, mas com alta confiabilidade devem proliferar. Nesse segmento, o custo será o principal fator de diferenciação dos produtos, além de promover o surgimento de equipamentos com interface para vários tipos de redes de controle (4-20mA, HART, Profibus PA, FOUNDATION Fieldbus).

Assim, o conjunto posicionador, atuador e válvula, deverá possuir o menor custo possível. A maioria dos fabricantes ainda reluta em oferecer produtos nessa linha, mas há evidências de que o mercado pressiona nessa direção. Outro fator importante é que este tipo de equipamento não exige tanta qualificação dos profissionais de campo, que podem inclusive acumular a manutenção de outros tipos de máquinas na planta.

Referências

Smar, “Manual de instruções, operação e manutenção: atuadores elétricos”, Julho de 2001.

Smar, “Manual de instruções, operação e manutenção: posicionador inteligente de válvulas”, Março de 2005.

Fisher, “Control Valve Handbook”, 4th Edition, 2005.

Site www.maintenanceresources.com/ReferenceLibrary/ControlValves/, pesquisado em 10/07/2006.

Site www.cheresources.com, pesquisado em 12/09/2006.

*Originalmente publicado na revista Mecatrônica Atual - Ano 4 - N°4 - Nov/2006

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