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.)
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 005Válvulas de Controle
Entrada
Controlador
PLANTA
Saída
MEDIDOR
SENSOR
Valor
Desejado
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 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 005Válvula de Controle
• Internos da
válvula
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
Tipos de Válvulas
trole R egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005Atuadores Hidráulicos
• t
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 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
−
=
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 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
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
Característica Instalada
egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2005
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
=
∗
∆
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
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 005Característica Instalada
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 LINEAR "=%" PMIBP -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
Característica Instalada
egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005Característica Instalada
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
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.
trole R egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005
Elemento final – Outros aspectos
importantes para o controle
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 – 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 005Elemento final de Controle
• O posicionador aumenta a ordem do
modelo, que na prática é aproximada por
um “tempo morto”
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 – 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 005Elemento 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
−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
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
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
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 005Banda 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.
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
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 005Banda Morta da Válvula
• Exemplo prático
(válvula linear):
Data 2400,00 2450,00 2500,00 2550,00 2600,00 2650,00 PVIBP -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
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.
trole R egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005Agarramento 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
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
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 005Agarramento 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 OPIBP -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
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 005Super-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
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 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.
egulatório Avançado e Si nt on ia de C ont rola dore s P ID – Se temb ro /2 005IBP -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