INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS
CONTROLADORES - ESCOLHA
Introdução
A escolha do tipo de controlador mais adequado para um determinado processo ê
baseada, em grande parte, na experiência anterior que o projetista "possa ter, em
processos semelhantes.
A primeira vista, o controlador mais elaborado, ou seja, proporcional-integralderivativo.seria a melhor opção.
Entretanto, por razões praticas, entre as quais o fator econômico não pode ser
esquecido, são utilizados controladores mais simples, as vezes até com desempenho
mais satisfatório do que o obtido com controladores mais complexos.
Daremos, a seguir, alguns comentários que poderão servir de guia na seleção de
controladores para as grandezas físicas mais comumente encontradas na prática.
Temperatura
O controle de temperatura consiste basicamente no controle de um processo de
transferência de calor. Devido à própria natureza desse processo, as capacidades,
constantes de tempo, e tempos mortos são em geral maiores do que quando se
controla outras variáveis.
Um fator muito importante a ser considerado ê o atraso de medição. O elemento de
medição ê geralmente colocado no interior de um poço de proteção, destinado a
protegê-lo de choques mecânicos e da corrosão do meio. A velocidade de resposta
depende das dimensões e do material do poço, e da velocidade do fluido cuja
temperatura se deseja determinar. Sempre que possível, deve se evitar instalar o poço
num ponto onde a velocidade do fluido seja baixa.
Processos de grande capacidade e pequeno atraso de medição e tempo morto podem
muitas vezes ser controlados com um sistema liga-desliga. Muitos fornos elétricos
caem nessa classificação. As vezes utiliza-se o controle de 3 zonas, para obter um
aquecimento rápido, aliado a um controle mais preciso quando a temperatura chega
ao valor desejado.
Controladores do tipo proporcional podem ser utilizados quando as oscilações devidas
ao controle liga-desliga não forem toleradas. Deve ser considerado, entretanto, o
problema do "offset", particularmente quando houver perturbações frequentes ou de
grande amplitude.
Consegue-se melhorar o controle utilizando uma diferença de temperatura pequena
entre o agente de controle e o meio controlado. Nesse caso, a banda proporcional
será estreita, reduzindo-se dessa maneira o "offset".
Controladores do tipo proporcional-integral devem ser usados quando houver um
atraso considerável na medição, bem como quando houver perturbações grandes e
frequentes. Casos típicos são trocadores de calor e fornos contínuos.
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A adição da ação derivativa pode ser útil em processos com pelo menos duas
constantes de tempo grandes, ou quando o atraso to de medição for grande. Quando
houver tempo morto longo, a vantagem é reduzida.
Convém sempre analisar as perturbações possíveis e procurar minimizar seus efeitos,
seja por controle em separado de vazões, pressões, etc., ou usando-se controle em
cascata.
Processos descontínuos ("batch") podem apresentar um "overshoot" da temperatura
quando o equipamento é posto em operação com um controla dor que possua ação
integral (Fig.1]
o "overshoot" se deve ao fato de que, durante o tempo em que a temperatura se
encontra abaixo do "setpoint", a ação integral desloca efetivamente a banda
proporcional para cima do "setpoint". Assim, quando o processo é iniciado, a ação do
controlador só principia quando a variável ultrapassa o "setpoint". Para sanar esse
inconveniente, pode-se utilizar uma das seguintes soluções;
a) Incorporando ao controlador pneumático uma chave "batch" ("anti-reset windup relay"), ou, especificando um controlador eletrônico com limitador da
corrente de saída. Dessa maneira, tanto no caso do controlador pneumático
como no do eletrônico, o sinal de saída fica limitado a um valor máximo,
impedindo a acumulação da ação integral;
b) Utilizando um controlador pneumático especial, no qual a ação derivativa
precede as ações proporcional e integral;
c) Utilizando um transmissor de temperatura que soma ao sinal normal um outro
sinal, proporcional ã derivada da temperatura.
As válvulas utilizadas são em geral do tipo "igual-porcentagem".
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Pressão
A pressão de gases e de vapor em geral não apresenta grandes problemas de
controle. São frequentemente utilizadas válvulas reguladoras de pressão autoperadas, que funcionam como controladores proporcionais de banda proporcional
estreita (menos de 5%). Essas válvulas são instaladas diretamente na tubulação,
recomendando-se fazer a tomada de pressão a pelo menos 10 diâmetros da tubulação
a jusante da válvula, para eliminar efeitos de turbulênciase perdas na linha. A pressão
do processo ê aplicada diretamente ao diafragma do atuador, ou através de uma
válvula piloto.
Utilizam-se controladores convencionais quando o diâmetro da válvula for grande, ou
quando houver necessidade de ajustes frequentes do setpoint, ou se o offset não for
tolerado (utilizando-se, nesse caso, controlador proporcional-integral). Não há
necessidade de ação derivativa.
A pressão de líquidos necessita para o controle adequado um controlador
proporcional-integral rápido. A válvula recomendada ê do tipo linear. Os problemas
apresentados são semelhantes aos do controle de vazão (vide mais adiante).
A pressão de vapores, cujo controle se faz agindo sobre o aquecimento, requer um
controlador do mesmo tipo que o utilizado para temperatura, ou seja, proporcionalintegral, podendo adicionar-se ação derivativa. A válvula recomendada é de igual
porcentagem.
Nível
Processos em. que se controla nível possuem uma capacitância considerável.
Tanques de grandes diâmetros, com vazões de entrada e saída relativamente
pequenas, não apresentam grandes problemas de controle.
Quando o diâmetro é pequeno, ou as vazões são elevadas, o controle é mais difícil.
Tanques submetidos ã pressão atmosférica são, em maio ou menor escala, autoregulados: quanto maior o nível, maior a pressão no fundo do tanque, e portanto maior
é a vazão de saída.
Sistemas de controle de nível podem ser classificados em:
a) Controle de nível alto-baixo;
b) Controle de nível preciso;
c) Controle de nível médio.
O controle de nível alto-baixo é utilizado quando o nível pode oscilar entre um limite
alto e um limite baixo, sem afetar o processo. Para tanto, podem ser usados
controladores liga-desliga com faixa diferencial. Se a capacitância for grande, o nível
se mantém dentro da faixa sem dificuldade. Deve-se somente prever que a vazão de
entrada seja maior que a vazão de saída máxima, para evitar o esvaziamento do
tanque.
O controle de nível preciso é utilizado quando há necessidade de se manter o nível
num valor exato. Em tangues de grande capacitância, geralmente um controlador
proporcional e suficiente. Quando a capacitância é pequena, convém adicionar ação
integral.
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O controle de nível médio é usado quando não há necessidade de se manter um nível
exato, sendo o principal objetivo manter a vazão de saída aproximadamente
constante. Em geral, o tanque sob controle é parte de um processo de vários estágios,
e a descarga de um é a alimentação de outro. O tanque atua portanto como
amortecedor, para absorver variações violentas de carga. O nível tem possibilidade
de variar consideravelmente,desde que se mantenha dentro de certos limites. O
controlador é do tipo proporcional-integral, com faixa proporcional bastante larga. As
vezes utilizam-se controladores especiais, de ganho dual ou "reset" dual. Na faixa de
nível intermediária, o ganho é baixo, e o "reset" é lento; se o nível ultrapassar
determinados limites para cima ou para baixo, o ganho passa a ser alto, ou o "reset"
passa a ser rápido. A válvula deve ser dotada de posicionador.
Em muitos casos a pressão interna do tanque pode oscilar violentamente, causando
variações na variação de saída, e prejudicando dessa maneira o controle de nível. É
interessante, então, utilizar um controle em cascata, sendo o controlador de nível o
primário, e um controla dor da vazão de saída o secundário. Ambos os controladores
deverão ser do tipo proporcional-integral.
Para o controle de nível, a característica da válvula não ê importante.
Vazão
Sistemas de controle de vazão tem resposta extremamente rápida. Os atrasos
ocorrem no sistema de medição, transmissão pneumática e válvula.
O controlador normalmente utilizado é do tipo proporcional-integral, com uma banda
proporcional bastantelarga (em geral de mais de 100%), e ação integral rápida. Não
deve ser usada ação derivativa.
O elemento de medição mais comum é a placa de orifício. Se a válvula for instalada a
montante da placa, deve-se prever cerca de 30 diâmetros da tubulação entre a válvula
e a placa, para evitar turbulências que possam prejudicar a medição. É preferível
instalar a válvula a jusante da placa, visto que um afastamento de cerca de 5
diâmetros é suficiente.
No caso de gases, a medição é afetada pela pressão estática. Se a pressão a
montante for constante, convém montar a válvula a jusante da placa. Se a pressão a
jusante for constante, convém instalar a válvula a montante da placa.
Quando a vazão e obtida a partir de uma bomba centrífuga, a válvula pode ser
colocada na tubulação de saída. Quando a bomba for do tipo de deslocamento
positivo, a válvula deve ser colocada numa tubulação em derivação, ligando a saída a
entrada da bomba. A válvula nunca deve ser colocada na entrada da bomba, para
evitar uma baixa pressão no lado da sucção. É frequente o controle da vazão através
da própria bomba de deslocamento positivo, agindo-se sobre o curso da bomba, ou
sobre a vazão de vapor ou a potência elétrica fornecidas à mesma.
A resposta de um sistema pneumático de controle de vazão pode ser muito lenta,
quando o transmissor e a válvula estiverem a uma distância considerável (mais de 100
metros) do controlador, devido ao tempo necessário para a propagação do sinal do
transmissor para o controlador, e deste para a válvula. São propostas as seguintes
soluções:
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a) Utilizar-se indicador-controlador local;
b) Utilizar-se controlador montado no campo, com indicação (e/ou registro),
controle manual, chave de transferência automático/manual e indicações da
saída e da posição da válvula no painel. Esse sistema exige 4 a 5 tubos de
interligação entre o painel e o campo;
c) Utilizar-se relés "booster" (repetidores), com relação 1:1 na linha;
d) Aumentar-se o diâmetro das linhas pneumáticas de 1/4" para 3/8";
e) Utilizar-se instrumentos eletrônicos, que não apresentam esse problema.
Recomenda-se, para o controle de vazão, o uso de válvulas com característica linear,
quando o elemento primário tiver característica quadrática (placa de orifício, Venturi,
bocal, etc.). A válvula deverá ser do tipo de igual porcentagem, quando o elemento
primário tiver característica linear (medidor magnético, rotâmetro), ou quando o sinal
quadrático for linearizado através de um extrator de raiz quadrada .
Densidade
O tipo de controlador adequado para o controle de densidade depende do processo.
Se deseja controlar, p.ex., a densidade de um líquido na saída de um evaporador, o
processo e essencialmente térmico, e serão válidas as considerações referentes ao
controle de temperatura. Por outro lado, se o processo consiste na mistura de dois
ingredientes para se obter a densidade desejada, e o "processo tiver grande
capacidade, provavelmente será suficiente um controlador proporcional,
eventualmente com ação integral.
Umidade
O controle de umidade se obtém através de aquecimento, resfriamento, umidificação e
desumidificação. Geralmente se usa resfriamento para remover umidade, e vapor ou
"spray" de água para aumentá-la. Quando se mede a umidade através de um sistema
de bulbo seco e bulbo úmido, há necessidade de controlar tanto a temperatura do
bulbo seco como a do bulbo úmido.
Se as perturbações forem pequenas e pouco frequentes, o controle de duas posições
ou proporcional será suficiente. Entretanto, a maioria dos processos que dependem de
um controle preciso necessitam de controladores do tipo proporcional mais integral.
pH
Um exemplo de processo em que o controle de pH é bastante simples é o de
fermentação, em que um reagente deve ser adicionado para manter o pH num valor
ótimo. Para esse caso, um controle do tipo liga-desliga é geralmente suficiente.
Em processos contínuos, nos quais um reagente é adicionado continuamente a uma
solução para neutralizá-la ou obter um pH desejado, o controle pode ser bem mais
difícil. Em muitos casos, uma pequena variação na proporção de reagente pode alterar
de forma acentuada o valor do pH. Em geral, há necessidade de controle proporcionalintegral, eventualmente com ação derivativa. O uso de dois tanques de mistura em
série, em que se leva o pH da saída do primeiro até um valor próximo do desejado, e
efetuando-se o controle final no segundo tanque, pode ser uma solução.
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