CONTROLE PID AUTO-AJUSTÁVEL EM VENTILADORES INDUSTRIAIS VISANDO A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA.

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1 CONTROLE PID AUTO-AJUSTÁVEL EM VENTILADORES INDUSTRIAIS VISANDO A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA. Felie de Azevedo Guimarãe, Otacílio da Mota Almeida, Adon Bezerra Moreira, Victor de Paula Brandão Aguiar, Celo Rogério Schmidlin Júnior. Univeridade Federal do Ceará Laboratório de Eficiência Energética em Sitema Motrize Deartamento de Engenharia Elétrica Caixa Potal 6001, Camu do Pici, Bloco 705, , Fortaleza, Ceará, Brail. Abtract: In thi article a elf tunning PID i ued to control the volumetric flow of indutrial fan, two fan ytem an axial and centrifugal one are ued. The main objective i the energy aving, however other advantage, a the control for any level of volumetric flow and a bigger robutne to external diturbance, alo are gotten with the ue of thi control. Coyright 2007 CBEE/ABEE Keyword: elf tunning PID, indutrial fan, energy efficiency. Reumo: Nete artigo é uado o controle PID auto-ajutável ara o controle da vazão em ventiladore indutriai, dua diferente conceçõe uma com itema axial e outra com itema centrífugo ão utilizada. O rincial objetivo é a economia de energia, orém outra vantagen, como o controle ara qualquer nível de vazão e uma maior robutez a erturbaçõe externa, também ão obtido com o uo da etratégia areentada.. Palavra Chave: PID auto-ajutável, ventiladore indutriai, economia de energia. 1 INTRODUÇÃO Com a globalização e a cometitividade em todo o nívei do etor indutrial a qualidade do roduto final e tornou de imortância crecente. Por outro lado a conervação de energia no etor indutrial areentoue como fator imortante na indútria moderna. O conumo de energia elétrica do etor indutrial rereenta 45,5% do conumo total do Paí. A força motriz rereenta a maior arte dete conumo chegando a er uerior a 80% no etor têxtil e no de ael e celuloe. Ete trabalho areenta uma itematização ara de rojeto de malha de controle que, embora conhecido no etor indutrial, não ão eficientemente emregado e for coniderando ob o foco da conervação da energia na indutria. A etratégia utilizada contitui-e de uma aociação do controlador PID convencional com uma identificação frequêncial da dinâmica do roceo indutrial a er controlado, reultando em um itema auto-ajutável. O controlador PID autoajutável foi utilizado no controle eficiente de um ventiladore indutriai, um ventilador axial e um centrífugo. Com a itematização do método de controle emregado, obervou-e uma econômia de energia ubtancial quando comarado a outro método de controle convencionai, que muita veze utilizam omente o damer na tubulação do ventiladore. Sitema de ventilação ão batante utilizado na indutria e ão reonável or um coniderável conumo de energia. É imortante a alicação, rincialmente em roceo indutriai, de forma eficiente atravé de um controle ótimo do eu acionamento, tendo em vita a racionalização eficiente e inteligente do conumo de energia. Aim o Laboratório de Força Motriz do Deartamento de Engenharia Elétrica tem invetido eforço no entido de auxiliar o etor indutriai na definição da melhore etrutura mécânica de automação e de controle ara itema de ventiladore indutrai. Na automação roota nete artigo ara o itema de ventilação utilizou-e um de controlador lógico rogramável (CLP) tio CPU224-XP da Siemen, ara II Congreo Braileiro de Eficiência Energética - IICBEE. Todo o direito reervado ABEE IICBEE_ART098-1

2 alicação de médio e equeno orte, interligado or uma rede Modbu a um itema uerviório baeado no Elie E3 Studio. Ete artigo etá organizado da eguinte forma: na eção 2 ão decrito o itema de ventilação, na eção 3 areenta-e a técnica de auto-ajute e na eção 4 o reultado obtido. A concluõe ão areentada na eção 5. 2 VENTILADORES INDUSTRIAIS A ventilação indutrial é a oeração realizada atravé de meio mecânico que via o controlede arâmetro, tai como: a temeratura, a ditribuição do ar, a umidade, e eliminar agente contaminante ou oluente, entre ele: gae, vaore, oeira, névoa, microorganimo e odore. Além de remover o elemento contaminante de um dado local, o controle de oluição or meio de ventilação requer muita veze que o elemento oluidore, deoi de catado, eja dada uma detinação adequada, de modo a não contaminarem a nívei que tragam dano à aúde, evitando que tai agente e dierem na atmofera, endo rejudicial a um número coniderável de eoa, afetando a condiçõe ecológica imrecindívei à vida. com a forma do rotor em: centrífugo ou radiai, mito e axiai. O centrífugo odem oerar equena vazõe e grande reõe (VIANA, 2002). Nete a trajetória de uma artícula gaoa no rotor e realiza em uma uerfície que é um lano erendicular ao eixo (MACINTYRE, 1990). Um ventilador centrífugo conite em um rotor com á chamado imelidor, uma carcaça de converão de reão e um motor de acionamento. O ar entra no centro do rotor em movimento na entrada, endo acelerado ela á e imulionado da eriferia do rotor ara fora da abertura de decarga (ASHRAE HVAC Sytem & Equiment Handbook, 2000). O ventilador uado nete artigo tem um diametro 400mm e é acionado or um motor de indução trifáico de 2 h que ode er ligado diretamente na rede elétrica ou ode er acionado or um inveror de frequência. A Figura 1 motra o ventilador centrífugo uado. O itema de ventilação e claificam em itema de ventilação geral e em itema de ventilação local exautora. O itema de ventilação geral roorciona a ventilação de um determinado ambiente, de um modo geral e global. Pode er natural, quando não ão utilizado recuro mecânico ara roorcionar o delocamento do ar. O delocamento do ar é realizado atravé de janela, orta e entre outro. A ventilação é dita geral diluidora, quando e utiliza equiamento mecânico (ventiladore) ara a ventilação do recinto. A ventilação geral diluidora ode er atravé de: inuflação, exautão, inuflação e exautão combinada, contituindo o chamado itema mito. Ete tem or finalidade: Manter o conforto ambiental; Manter a aúde e a egurança humana; Conervar em bom etado materiai e equiamento. O itema de ventilação local exautora realiza-e com um equiamento cator de ar róximo a fonte oluidora, ito é, que roduz oluente nocivo à aúde, de forma a remover o ar da fonte oluidora ara a atmofera. O ar da fonte oluidora é removido atravé de itema de exautão, devendo er tratado, com a finalidade de er convenientemente entregue a atmofera, em qualquer rico de oluição ambiental. (Moreira, 2006) Segundo a norma técnica braileira (ABNT - NBR 10131, 1987), o ventiladore e claificam de acordo Figura 1 - Ventilador centrífugo. O ventiladore axiai odem oerar grande vazõe e equena reõe(viana, 2002). A trajetória que a artícula de gá decreve no rotor é uma hélice decrita em uma uerfície de revolução aroximadamente cilíndrica (MACINTYRE, 1990). O ventilador axial roduz reão a artir da velocidade adquirida elo fluido ao atravear o imelidor (ASHRAE HVAC Sytem & Equiment Handbook, 2000). O ventilador axial uado nete artigo tem um diametro de 680mm e tem 6 hélice, é acionado or um motor de indução trifáico de 1,5 h que ode er ligado diretamente na rede elétrica ou ode er acionado or um inveror de frequência. A Figura 2 motra o ventilador axial uado. Figura 2 - Ventilador axial. II Congreo Braileiro de Eficiência Energética - IICBEE. Todo o direito reervado ABEE IICBEE_ART098-2

3 O mito ou hélico-centrífugo odem oerar média reõe e média vazõe(viana, 2002). A artícula no interior do rotor mito decreve uma hélice obre a uerfície de revolução cônica, cuja geratriz é uma linha curva (MACINTYRE, 1990). Nete trabalho não é uado o ventilador mito. 3 CONTROLADOR PID AUTO- AJUSTÁVEL O controlador PID de etrutura fixa, ainda correonde a uma da etrutura de controle mai utilizada a nível indutrial devido à ua imlicidade de imlementação e caacidade de atifazer a maioria do requiito de rojeto (ÅSTRÖM & HÄGGLUND, 1995; TAKATSUN & ITOH, 1999). Entretanto, memo endo uma etratégia conhecida e dominada elo engenheiro de controle, aecto de intonia continuam endo, a nível de engenharia e equia, um deafio (TAKATSUN & ITOH, 1999; UNAR & SHAH, 1996). Procurando conferir imlicidade de rojeto ao controladore PID, memo em ituaçõe de difícil oeração e em a neceidade de definir um modelo exlícito ara o roceo a er controlado, vário método de auto-ajute têm ido rooto (Åtröm & Witenmark, 1995; Schei, 1994; HO et. al., 1995). Como exemlo de método de auto-ajute, ode-e citar o método do relé, inicialmente rooto or Åtröm & Hägglund (1984). Ete método ode er coniderado como um marco no deenvolvimento de abordagen PID auto-ajutávei e or utilizar uma não-linearidade do tio relé na malha de realimentação do roceo. Eta intonia é conhecida como o método do relé. O método do relé e variaçõe areentam caracterítica de uma imortância ara o controle de roceo indutriai: 1. Simle de rojetar e imlementar. 2. Economizam temo de rojeto, rincialmente or não er neceário a identificação exlícita de um modelo ara o roceo, 3. Na fae de etimação do roceo, a variável de controle fica em um atamar róximo ao deejado, não rovocando o deligamento do roceo na fae de ajute. 4. Muito controladore lógico rogramávei (CLP) já têm incluo o controle PID. A identificação do roceo é feita a artir da etimação em freqüência da função de tranferência do roceo em malha aberta. Para tanto utiliza-e uma nãolinearidade tio relé realimentando o itema, figura 3. Da aída do roceo e da eecificação da nãolinearidade, determinam-e o arâmetro relevante (amlitude e freqüência de ocilação) neceário ara a etimação da função de tranferência do roceo em malha aberta G(jω). O relé com hiteree (figura 4) ode er modelado no domínio do temo or imle regra linguítica decrevendo o comortamento da hiteree, ito é Se [ (e(t) >ε & e(t)>0] então u(t)=d Se [ (e(t) >ε & e(t)<0] então u(t)=-d Se [ (e(t) <ε & u(t-1)=d] então u(t)=d Se [ (e(t) <ε & u(t-1)=-d] então u(t)=-d Figura 4: Relé com hiteree. O inai e(t) e u(t) ão motrado na figura 5. A aída do relé u(t), variável de controle, correonde a uma onda quadrada. Com o inal da figura 5, como entrada ara o roceo e, coniderando-e que a reota do roceo em malha fechada eja dominada ela comonente de baixa freqüência, a aída ocila de forma enoidal como motra a figura 5. Figura 5: Saída do relé u(t), onda quadrada; aída do roceo y(t), caracterítica enoidal A artir da modelagem do relé or função decritiva e da oeração do itema ob o controle do relé, ode-e determinar a função de tranferência do roceo conforme a equação: G( jw) π 4d 2 2 πε a ε j 4d = (1) Figura 3: Realimentação do roceo atravé do relé. II Congreo Braileiro de Eficiência Energética - IICBEE. Todo o direito reervado ABEE IICBEE_ART098-3

4 Onde d e ε ão definido conforme a figura 4, a é a amlitude de ocilação do inal na aída do roceo e w é a freqüência de ocilação medida. A artir do arâmetro obtido do método do relé, torna-e imle generalizar um método de cálculo do arâmetro do controlador onde outro onto do diagrama de Nyquit ão delocado ara oiçõe eecificada em termo de fae e ganho ara o itema comenado (PID + Proceo). A figura 6 ilutra a ituação em que um onto P de ganho r e fae ϕ é movido ara um onto S de ganho r e fae ϕ atravé da ação de um controlador PID. Etendendo-e a redução do ganho e o atrao na fae ao outro onto do diagrama de Nyquit obtém-e uma nova curva ara o itema comenado que reulta em uma melhor etabilidade relativa e, ortanto, melhore caracterítica dinâmica ara o itema comenado. Todo o cálculo neceário nete método de ajute foram feito elo itema uerviório, haja vita que o controlador lógico rogramável (CLP) uado nete roceo não oui o recuro neceário ara imlementar o cálculo. onde ε e d ão o arâmetro do relé e a é a amlitude de ocilação da aída do itema. A artir da eecificaçõe de fae e ganho ara o itema comenado obtém-e o arâmetro de intonia (K c, T i, T d ) ara o controlador PID. Suondo-e que a função de tranferência ara o itema comenado eja dada or G jϕ ( jw) = r e (5) onde r e ϕ ão o módulo e a fae eecificado, como arâmetro de rojeto, A função de tranferência de malha aberta do itema comenado é dada or G ( jw) G ( jw) G ( jw) = c (6) Da equaçõe (2), (5) e (8) obtém-e k r co( ϕ ϕ ) = (7) r 1 tan( ϕ ϕ ) = ( wtd ) (8) wt i Figura 6: O onto P é movido ara o onto S ela ação do controlador PID. Alicando um relé com hiteree na malha de realimentação, cuja função decritiva é dada or N(a), o onto S da figura 6 ode er calculado. O valor da função de tranferência do roceo, numa freqüência de ocilação ecolhida ara rojeto, ode er determinada. Suondo-e a função de tranferência do roceo na frequência (w) dada or G jϕ ( jw) = re (2) O ganho K do controlador é calculado atravé da equação (7). A equação (8) tem doi arâmetro (T i e T d ) a erem determinado e um grau de liberdade. Uma condição adicional deve er introduzida ara determinar o arâmetro T i e T d. Um método comum é eecificar uma relação contante entre ee doi arâmetro, garantindo que o controlador tenha etrutura PID, tal que T d =αt i (9) com 0< α < 1. Uma ecolha uual ara α é 0.25 (ÅSTRÖM & WITTENMARK, 1990). tem-e ε ϕ = arctan( ) 2 2 (3) a ε Portanto, da equação (2.14) e (2.15) reulta que T d 1 = 2w d 2 [ tan( ϕ ϕ ) + 4α + tan ( ϕ ϕ )] (10) πa r = (4) 4d 1 T i = T d (11) α II Congreo Braileiro de Eficiência Energética - IICBEE. Todo o direito reervado ABEE IICBEE_ART098-4

5 O controlador obtido a artir da equaçõe (7), (10) e (11) deloca um onto determinado ela função de tranferência de malha aberta do roceo, cuja freqüência é determinada elo onto de oeração obtido da intereção do lugare geométrico de G(jw) com o invero negativo da função decritiva do relé, no lano G() ara o onto eecificado or ϕ e r. Pelo fato do CLP não ouírem caacidade de realizar todo o cálculo ara obter o arâmetro do PID, o algoritmo ara determinação do arâmetro do controlador PID é feito de forma conjunta entre o CLP e o itema uerviório. O algoritmo or eecificação de fae e ganho ara o itema comenado, ode er intetizado no eguinte ao: 1. Etimar, com o relé, cujo todo algoritmo é imlementado no rório CLP, r e ϕ em uma freqüência w determinada elo onto de oeração obtido da intereção do lugar geométrico de G(jw) com o invero negativo da função decritiva do relé. Reultado atifatório ão obtido ajutandoe o onto de oeração na freqüência do ólo dominante do itema ante da comenação. O CLP envia ela rede Modbu, o arâmetro neceário ara o cálculo, tai arâmetro ão: a amlitude máxima da ocilaçõe e o eríodo da ocilaçõe. 2. Eecificar o ganho r e a fae ϕ. Ea etaa é feita elo itema uerviório. 3. Calcular o arâmetro do controlador atravé da equaçõe (7), (10) e (11). Ea etaa também é realizada elo itema uerviório. aó obtido o arâmetro, o uerviório envia o arâmetro já calculado ara o CLP. Segue abaixo a tela rincial do ventilador centrífugo rojetada no itema Elie. Figura 8 Tela de auto-ajute do ventilador centrífugo. A tela do ventilador axial têm o memo formato da tela motrada acima. 4 RESULTADOS Foi execultado o algoritmo de auto- ajute decrito na eção 2 ara o ventilador centrífugo e axial. Foram ecolhido doi onto de rojeto e uado o onto que obteve a melhor reota. Seguem a reota do ventilador centrífugo. Vazão(m3/ 1,800 1,600 1,400 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 Reota Ráida PID Temo(eg) VelMotor(Hz Vazão Radial [m³/] SetPoint Vel.M.Radial [Hz] Figura 9 - Ponto com módulo de 0,6 e ângulo de 60º Reota Lenta PID Vazão(m3/ 1,600 1,400 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0, VelMotor(Hz Figura 7 Tela do ventilador centrífugo. Todo o arâmetro neceário ara realizar o autoajute ão inerido na tela de auto-ajute motrada abaixo. No cao do ventilador centrífugo o dado do roceo identificado atravé do exerimento com o relé foram: Tc=0,373min (eríodo crítico) e a=1,1202 amlitude de ocilação na aída do roceo. A eecificação de módulo e fae ara o roceo foi: r = 0,6 e ϕ =85 o. Temo(eg) Vazão Radial [m³/] SetPoint Vel.M.Radial [Hz] Figura 10 - Ponto de módulo 0,6 e ângulo de 85º A reota lenta foi ecolhida ara fazer a análie de econômia de energia orque não ocorreu o obre-inal e o ventilador não areentou mudança bruca na ua velocidade. Foram feito enaio no ventiladore axial e centrífugo em doi modo de oeração. O modo convencional, que é com o uo do damer ara controlar a vazão retringindo a aagem de ar, nee modo o motor é II Congreo Braileiro de Eficiência Energética - IICBEE. Todo o direito reervado ABEE IICBEE_ART098-5

6 ligado diretamente a rede elétrica. Do modo rooto, com o uo do controle PID auto-ajutável, o controlador varia a velocidade do motor elo inveror, de modo que a vazão emre ermaneça no valor deejado, o damer é totalmente aberto nee tio de oeração. O enaio tem duração de 10 minuto e o dado de conumo de energia ão obtido atravé de um multimedidor digital de grandeza elétrica. O modelo do equiamento é o Power Logic PM850 fabricado ela Schneider Electric, o dado ão enviado ao itema uerviório SMS 1500, or uma rede Modbu, onde ão retirado o relatório de conumo de energia. O PM850 é certificado ela ANSI C12.20 e ela IEC 60687, ete equiamento tem clae de exatidão de 0.5S. Segue abaixo a tabela de comaração do conumo de energia aó realizado o doi enaio ara diferente onto de oeração ara o ventilador centrífugo. Tabela 1: Análie de economia de energia do ventilador centrífugo. Conumo(kWh) SetPoint(m3/) DAMPER PID Economia % 1 0,1506 0, ,81 1,2 0,1539 0, ,88 1,5 0,159 0, ,71 Tabela 2: Análie de economia de energia do ventilador axial. Conumo(kWh) SetPoint(m3/) DAMPER PID Economia % 1,8 0,2268 0, ,26 2,7 0,1773 0, ,06 3,5 0,1684 0, ,19 5 CONCLUSÕES Conforme o reultado obtido, ode-e contatar a imortância da economia de energia obtida elo uo do controlador PID auto-ajutável ara o controle do itema. Nota-e que a economia é maior quando a vazão deejada é menor, io e dá devido a menor velocidade do motor que é requerida ara menore valore de vazão. Com uo do controle PID auto-ajutável, além da economia de energia, obte-e o controle da vazão em vária faixa de oeração. A mudança de onto de oeração ão facilmente execultada, diferente do que ocorre com o uo do damer, que na maioria da alicaçõe fica ajutado ara um único onto oeracional. Outra grande vantagem obtida é que não e faz neceário a curva do ventilador, uma vez que o roceo é identificado e o controle rojetado ara o roceo real. Com o acumulo de ujeira no duto, na entrada e aída de ar e no filtro, o que geralmente ocorre no itema de ventilação, a vazão tende a cair rejudicando a eficiência da alicação. Com o controle PID, o algoritmo de controle corrige automaticamente ea erturbaçõe do itema, de forma que ua eficiência ermaneça a mema. Pode-e concluir que o uo do controlador PID autoajutável traz inúmera vantagen, como: economia de energia, o controle total da vazão e o aumento da robutez a erturbaçõe que ocorrem em itema de ventilação. Agracedimento Agradecimento a Fundação Cearene de Aoio ao Deenvolvimento Científico e Tecnológico (FUNCAP). 6 REFERÊNCIAS Atrom, K.J and Hagglund, T. PID Controller: Theory, Deign and Tuning, Intrument Society of America, Reearch Triangle Park, NC Takatu H., Itoh, T, (1999), Future Need for Control Theory in Indutry Reort of the Control technology Survey in Jaanee Indutry, IEEE Tranaction on Control Sytem Technology, 37(3), Unar, M. A., D. J. Murray-Smith and S. F. Shah, (1996), Deign and Tuning of Fixed Structure PID Controller: A Survey, Faculty of Engineering, Glagow G12 8QQ, Scotland Technical Reort CSC Atrom, KJ and Wittenmark, B. Adative control Addion-Weley. Boton, MA, USA. Schei, T. S. (1994). Automatic tuning of PID controller baed on tranfer function etimation, Automática. 30(12): Ho, W. K. ; Hang C. C.; Cao L. S., (1995), Tuning of PID controller baed on gain and hae margin ecification; Automatica, vol. 31 No. 3, Atrom, KJ and Wittenmark, B. Comuter controlled ytem, 1990, Prentice Hall Englewood Cliff, NJ. Viana, C. N. A., Manual do Programa de Eficientização Indutrial - Módulo:Ventiladore e Exautore. ELETROBRÁS / PROCEL, Rio de Janeiro, Macintyre, Archibald Joeh. Ventilação Indutrial e controle deoluição. Ed. LTC, Rio de Janeiro,1990, 2a. ed. ASHRAE HVAC Sytem & Equiment Handbook, ABNT - NBR Bomba hidráulica de fluxo. Moreira, A. B. Análie da oeração de itema de ventilação indutrial viando à eficiência energética. Diertação de Metrado, II Congreo Braileiro de Eficiência Energética - IICBEE. Todo o direito reervado ABEE IICBEE_ART098-6