INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS
SISTEMAS DE CONTROLE
Introdução
Na maior parte das aplicações, um sistema de controle e composto de:
a) Um medidor, que reage as variações da variável controlada;
b) Um controlador, que reage ao desvio entre o valor medido e o ponto de
ajuste, produzindo uma saída;
c) Um elemento final de controle geralmente uma válvula que é acionado pela
saída do controlador, e que faz variar uma variável manipulada.
Em alguns casos, o sistema de controle é mais complexo, como veremos a seguir.
Faixa Dividida - "Split Range"
Em alguns casos, há a necessidade de mover duas válvulas a partir de um único
controlador.
Consideremos, por exemplo, um processo de reação química de polimerização, em
que determinados produtos são colocados em um reator, devendo ser aquecidos
para que se chegue a temperatura correta de reação. Ao se iniciar a reação,
entretanto, há desenvolvimento de calor (a reação é exotérmica), e torna-se
necessário resfriar o reator, para que a temperatura se mantenha no ponto desejado.
Nesse caso, convém, eventualmente, usar o arranjo da fig. 1 .
Os atuadores das válvulas serão de "ação dividida". A válvula de água fria estará
aberta com 3 psig no atuador, e fechada com 9 psig ou mais. A válvula de vapor
estará fechada com 9 psig, ou menos, e aberta com 15 psig. O controlador devera ser
de ação reversa, ou seja, a sua saída deve diminuir com o aumento da temperatura.
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Controle em Cascata
Suponhamos que um controlador de temperatura esteja sendo usado para atuar
uma válvula na linha de combustível utilizado em um processo. Variações na
temperatura farão com que varie a saída do controlador, abrindo-se ou fechando-se a
válvula de conformidade com as necessidades do processo.
Vamos supor agora que a pressão do combustível a montante da válvula esteja
sujeita a variações. Essas variações, por sua vez, causarão variações na vazão do
combustível. Entretanto, a correção só será efetuada quando o controlador de
temperatura apresentar um desvio, Se o processo tiver um tempo morto ou um atraso
De resposta considerável, pode ocorrer um desvio grande da temperatura em relação
ao "setpoint".
Um controlador de vazão instalado na linha de combustível e operando o atuador da
válvula iria corrigir as variações de vazão de combustível causadas por variações de
pressão. Vamos imaginar, agora, que o "setpoint" do controlador de vazão seja
alterado automaticamente, pelo sinal de saída do controlador de temperatura. (Fig. 2).
Suponhamos que o sistema, num determinado instante, esteja sendo controlado
corretamente. Se houver uma variação na pressão de combustível, haverá uma
variação na vazão do mesmo. Essa variação será sentida pelo controlador de vazão, o
qual imediatamente abrira ou fechara a válvula, de maneira a obter a vazão correta.
Por outro lado, se as condições do processo causarem uma variação de temperatura,
o controlador respectivo terá sua saída alterada. Essa alteração modificara o
"setpoint" o controlador de vazão, o qual imediatamente agira sobre a válvula.
O controlador de temperatura é chamado de "primário", enquanto o controlador de
vazão é chamado de "secundário".
O sistema, chamado "controle em cascata", é usado quando uma variável é difícil de
ser controlada, devido a perturbações causadas por variações de uma outra variável.
Controle de Razão
Em muitos processos há a necessidade de manter a vazão de um produto em
proporção exata em relação a vazão de outro produto. Um sistema de controle de
razão permite obter esse resultado. Uma das vazões pode ser considerada
"independente", enquanto a outra será "dependente". Vamos supor que as medições
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das vazões sejam feitas com sistemas de flange-placa de orifício, e transmissores de
pressão diferencial. O controle preciso da vazão dependente pode ser feito de duas
maneiras:
a) Utilizando-se um instrumento convencional (fig. 3)
Os sinais de dois transmissores de pressão diferencial serão levados a um
"controlador de razão". A vazão dependente pode ser registrada, se desejado. O sinal
correspondente a vazão independente é aplicado a um fole receptor, o qual, através
de um sistema de alavancas, posiciona o"setpoint"do controlador. A relação entre as
vazões independente e dependente em termos de % da faixa de medição dos
transmissores respectivos pode ser ajustada, sendo indicada num dial graduado.
b) Utilizando um instrumento miniatura (fig. 4)
Nesse caso, o sinal do transmissor da vazão independente é levado a um "rele de
razão" ou "rele de relação", onde ele é multiplicado em termos de % da faixa de
medição por um fator ajustado manualmente. O sinal de saída constitui o "setpoint"
do controlador de vazão da variável dependente.
OBS.: O conceito de "controle de razão" tem sido utilizado também em diversos casos
em que as necessidades do processo impõem que o valor de uma variável guarde
uma relação linear com o valor de uma outra variável. Os arranjos de instrumentos
serão semelhantes aos descritos acima.
Controle "Override"
Em oleodutos, diversas bombas são colocadas a intervalos, para bombear o liquido.
A fig. 5 mostra um esquema de controle "override" para a proteção de uma bomba.
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Enquanto a saída não passar do limite máximo,e a entrada não estiver abaixo do
mínimo admissível de pressão, a válvula deve estar aberta.
Utiliza-se nesse esquema um "rele seletor de mínima pressão", que recebe duas
entradas pneumáticas, e fornece uma saída igual a menor das duas entradas.
O sistema "override" é utilizado quando duas (ou mais) condições anormais podem
existir em um processo. O comando do elemento final de controle é feito pela
condição anormal que existir.
Controle "Feedforward"
No esquema representado pela fig. 6, um aquecedor de ar é controlado pela
temperatura de saída, adicionando-se um sinal correspondente a vazão de ar.
Dessa maneira, variações na vazão de ar resultarão numa imediata variação na
posição da válvula de controle.
Esse sistema, chamado "feedforward" é aplicável quando a principal fonte de
perturbação pode ser medida e seu efeito pode quantificar-se antes que provoque
desvios na variável primaria.
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Controle de Limites Cruzados
O controle de limites cruzados é usado, p.ex. 'no controle da combustão em caldeiras
(Fig. 7).
A variável primária é a pressão de vapor, que deve ser mantida constante. O sinal de
saída do controlador de pressão é levado.
a um seletor de alta pressão, e a um seletor de baixa pressão. Esses seletores
recebem também, respectivamente, sinais de vazão de óleo combustível e de ar, que
são passados por extratores de raiz quadrada pneumáticos (para obter sinais
lineares), sendo ainda o sinal de vazão de ar multiplicado por uma constante através
de um rele de razão.
Para estudarmos a operação, suponhamos que num dado instante todos os sinais de
entrada é de saída dos seletores sejam de 9 psig (50%). Vamos supor, agora, que
haja uma queda na pressão de vapor. O controlador de pressão tem sua saída
aumentada imediatamente para 10 psig. O seletor de alta pressão terá sua saída
também aumentada para 10 psig. O controlador de vazão de ar, dado o aumento de
"setpoint", abre a válvula de ar.
Conforme a vazão de ar aumenta, o sinal para o seletor de baixa pressão também
aumenta. Em conseqüência, aumenta o "setpoint" do controlador de vazão de óleo, Só
então depois que a vazão de ar aumentou que pode aumentar a vazão de óleo.
Dessa maneira, nunca haverá um excesso de óleo não queimado, que poderia causar
fuligem e explosões.
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Programadores
Em muitos processos, a variável controlada deve sofrer variações durante o tempo, de
acordo com um programa pré-determinado.
Um instrumento adaptado para essa função pode ser visto na (fig. 8).
O ponteiro de "setpoint" segue o contorno de um carne de plástico ou alumínio,
cortado de conformidade com o programa desejado. O carne e movido pelo próprio
motor que move a carta de gráfico do instrumento, ou por um motor separado.
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