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- Elemento Primário - Medição de vazão

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(1)

IBP -Cur so Con trole R egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005

Elemento Primário

-Medição de vazão

ρ

∆P

F

Q

=

MEDIÇÃO

×

egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005

- Elemento Primário - Medição de vazão

• Principais problemas para o controle:

– Instalação inadequada: erros de medição, falta

de repetibilidade, etc.

– Ruídos

– Rangeabilidade inadequada (recalibrar, uso de

dois transmissores, uso de medidores de alta

rangeabilidade: coriolis, vortex, etc.)

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IBP -Cur so Con trole R egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005

Elemento Final

-Válvula de Controle

“Aprender é a única coisa

de que a mente nunca

se cansa nunca tem

medo e nunca se

arrepende”

Leonardo da Vince

trole R egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005

Válvulas de Controle

Entrada

Controlador

PLANTA

Saída

MEDIDOR

SENSOR

Valor

Desejado

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Elemento final de Controle

Válvula de Controle:

Líquido

-Gás

-[kg/h],[bar],[kg/m

3

],[K]

γ

)

P

-(P

C

F

27,3

w

=

×

P

×

V

×

1

2

×

T

k

1

1

V

1

P

x

F

3

x

-1

Y

P

P

x

z

T

M

x

Y

C

P

F

94,8

w

×

×

=

=

×

×

×

×

×

×

×

=

egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005

Válvula de Controle

• Internos da

válvula

(4)

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Tipos de Válvulas

trole R egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005

Atuadores Hidráulicos

• t

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Elemento final de Controle

• O que são característica inerente [g(m)] e

característica instalada [f(m)] de válvula?

– Q = Q

MAX

* f(m)

• Q - Vazão volumétrica

• m - Abertura [0-1]

– CV = CV

MAX

* g(m)

• CV - Coeficiente de vazão da válvula

egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005

Característica Inerente

• Linear:

• Igual percentagem:

– R - Rangeabilidade

• Parabólica modificada:

m

m

g

(

)

=

)

1

(

)

(

=

m

R

m

g

2

2

3

)

(

m

m

m

g

=

(6)

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Elemento final de Controle

Característica Inerente

Características Inerente 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 A b e r t u r a ( %)

linear "=%" PM Abertura Rápida

trole R egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005

Característica Inerente

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Característica Instalada

egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2

005

Característica Instalada x Inerente

• Válvula:

• Perda de Carga:

2

2

V

f

V

C

Q

G

P

=

2

2

R

f

T

C

Q

G

P

=

(8)

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005

Característica Instalada x Inerente

• Onde:

(

)

[

]

(

2

2

)

2

)

(

1

)

(

+

+

=

m

g

C

C

m

f

EQ

V

C

C

C

=

0

(

)

(

)

2

3

0

2

1

1

1

+

=

EQ

V

C

C

P

P

P

P

trole R egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005

Característica Instalada

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 LINEAR "=%" PM

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Característica Instalada

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Característica Instalada

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Escolha da Característica

Instalada

• Compensar as não-linearidades do

processo.

• Compensar as perdas de carga do

sistema de maneira que a característica

instalada seja linear.

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Elemento final – Outros aspectos

importantes para o controle

(11)

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Elemento final – Outros aspectos

importantes para o controle

• Dinâmica da Válvula

=> “a” – deslocamento da

haste da válvula

2

2

haste

mola

atrito

v

v

diafragma

atuador

dt

a

d

M

a

K

F

A

∆P

A

∆P

×

×

×

=

×

dt

dx

C

F

atrito

=

×

1

s

K

s

K

M

K

A

)

(

∆P

a(s)

mola 2 mola haste mola diafragma atuador

⎟⎟

⎜⎜

+

+

=

C

s

egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005

Elemento final de Controle

• O posicionador aumenta a ordem do

modelo, que na prática é aproximada por

um “tempo morto”

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005

Elemento final – Outros aspectos

importantes para o controle

• A característica dinâmica da válvula

costuma ser definida pela função de

transferência:

1

s

T

H(s)

63

s

T

d

+

=

e

trole R egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005

Elemento final de Controle

Especificação

Teste real

Tamanho

Td

T63

T98

pol

cm

segundos segundos segundos

0-2

0-5

0,1

0,3

0,7

>2-6

>5-15

0,2

0,6

1,4

>6-12

>15-30

0,4

1,2

2,8

>12-20

>30-50

0,6

1,8

4,2

>20+

>50+

0,8

2,4

5,6

Válvula Fisher V150 4"

Ação da válvula

Degrau

Td

T63

T98

%

segundos segundos segundos

Abrindo

2

0,25

0,34

1,33

Fechando

-2

0,5

0,74

1,8

Abrindo

5

0,16

0,26

0,49

Fechando

-5

0,22

0,42

1,02

Abrindo

10

0,19

0,33

0,87

Fechando

-10

0,23

0,46

0,96

1

s

T

H(s)

63 s Td

+

=

e

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Banda Morta da Válvula

• Banda morta é definida como a faixa onde um

sinal de entrada pode ser variado, considerando

uma reversão do sinal, sem produzir ou iniciar

uma variação observável no sinal de saída do

processo.

• No caso da válvula de controle de vazão, em

qualquer momento em que o sinal de controle

inverte a sua direção, existe uma banda morta sem

que qualquer variação na vazão ocorra.

egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005

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Banda Morta da Válvula

• Em uma auditoria elaborada por um grande

fabricante de válvulas [FISHER-1998] mostrou

que 30 % das válvulas apresentavam uma banda

morta da ordem de 4% ou maior, e

aproximadamente 65 % das válvulas tinham uma

banda morta maior que 2%.

• A maioria das ações de controle regulatório

consiste de pequenas variações, da ordem 1 % ou

menos, nestes casos podemos afirmar que a

maioria da malhas de controle não teria uma ação

efetiva no processo para responder a estas

pequenas variações.

trole R egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005

Banda Morta da Válvula

• Para um bom desempenho de uma malha de

controle, a recomendação de banda morta

de uma válvula de controle é da ordem de

1% ou menos.

• Este problema fica agravado quando a

válvula for superdimensionada, pois o

processo irá necessitar de pequenas

variações de abertura que correspondem a

variações significativas de vazão.

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Banda Morta da Válvula

• Exemplo prático

(válvula linear):

Dados (1000 pontos) 15,50 15,60 15,70 15,80 15,90 16,00 16,10 16,20 16,30 16 16,5 17 17,5 18 18,5 19 egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005

Banda Morta da Válvula

• Exemplo prático

(válvula linear):

Data 2400,00 2450,00 2500,00 2550,00 2600,00 2650,00 PV

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Banda Morta da Válvula

• A banda morta de uma válvula pode ter diversas

causas. O atrito é a maior causa da banda

morta em uma válvula. As válvulas rotativas são

as mais suscetíveis ao atrito devido ao alto torque

exigido para obter estanqueidade de alguns selos.

• O tipo do atuador da válvula também tem um

impacto profundo no atrito de válvula de controle.

Geralmente, os atuadores tipo mola-diafragma têm

um atrito menor do que os do tipo pistão.

• As folgas mecânicas (backlash ou slacks) também

resultam em discontinuidade de movimento

quando há inversão da direção de atuação da

válvula de controle.

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Agarramento da Válvula

Data 11 12 12 13 13 14 14 15 03/12 7:40:48 03/12 7:43:41 03/12 7:46:34 03/12 7:49:26 03/12 7:52:19 03/12 7:55:12 03/12 7:58:05 03/12 8:00:58 Time OP ( % )

Data

2350

2400

2450

2500

2550

2600

2650

03/12

03/12

03/12

03/12

03/12

03/12

PV

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Agarramento da Válvula

• Exemplo prático:

Plot-0 Saida Do O-636 Gasolina P/ N612 Carga P/ M505A Carga P/ M505A Carga P/ M505A 25/04/2003 11:04:47 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 FC_60616 m3/d FC_50205 m3/d FC_50203 m3/d FC_50203.OP % FC_50203.SP m3/d 3150 3200 3250 3300 3350 3400 3450 3500 3550 3100 3600 1700 2200 2500 3000 50 80 2500 3000 3148.80981 1803.88000 2892.95264 61.72005 2882.94092 FC_60616 m3/d FC_50205 m3/d FC_50203 m3/d FC_50203.OP % FC_50203.SP m3/d egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005

Agarramento da Válvula

• Exemplo prático:

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 3650 3700 3750 3800 3850 3900 PV 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 200077 78 79 80 81 82 Amos tras OP 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 3650 3700 3750 3800 3850 3900 PV 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 200077 78 79 80 81 82 Amos tras OP

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Super-Dimensionamento da Válvula

• O superdimensionamento, fará com que

pequenas variações no sinal de controle

gerem grandes variações de vazão para o

processo. Logo o ganho da função de

transferência do processo associado ao

controlador da vazão será muito alto, o que

implicará que este controlador deverá ter

um ganho muito baixo, prejudicando o seu

desempenho.

trole R egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005

Super-Dimensionamento da Válvula

• Observa-se que quanto maior a válvula, mais

fechada ela estará na condição de projeto =>

“Abertura rápida”

20

40

60

80

100

120

140

Cv=10

Cv=15

Cv=20

Cv=50

Cv=100

Pto operação

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Elemento final de Controle

∆U < 0.1% ⇒ Não há movimento

(resolução)

• 0.1 < ∆U < 1% ⇒ Pulos, histereses e

backlash (não-linear)

∆U > 10% ⇒ Velocidade depende da

potência de ar do acionador.

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Plano

• Introdução

• Projeto de Sistemas de Controle

• Tipos de Controladores PID

• Dinâmica dos Processos

• Estratégias de Controle Regulatório Avançado

• Sintonia de Controladores PID

• Exemplos e Trabalhos Práticos

– Controle de Bombas

Referências

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