SUMÁRIO: Estratégias de Controle

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1 SUMÁRIO: Estratégias de Controle 1 ESTRATÉGIAS DE CONTROLE CONTROLE CASCATA Regras para Selecionar a Variável Secundária Seleção das Ações do Controle Cascata e sua Sintonia CONTROLE DE RELAÇÃO OU RAZÃO CONTROLE OVERRIDE OU SELETIVO CONTROLE DE COMBUSTÃO COM LIMITES CRUZADOS Com Analisador de Oxigênio CONTROLE SPLIT-RANGE OU RANGE DIVIDIDO CONTROLE ANTECIPATIVO OU FEEDFORWARD Lead/Lag (Antecipação/Atraso) NÍVEL EM CALDEIRAS CONTROLE DE NÍVEL CONTROLE DE NÍVEL A UM ELEMENTO CONTROLE DE NÍVEL A DOIS ELEMENTOS CONTROLE DE NÍVEL A TRÊS ELEMENTOS

2 1 ESTRATÉGIAS DE CONTROLE 1.1. CONTROLE CASCATA Uma das técnicas para melhorar a estabilidade de um circuito complexo é o emprego do controle tipo cascata. Sua utilização é conveniente quando a variável controlada não pode manter-se no valor desejado, por melhores que sejam os ajustes do controlador, devido as perturbações que se produzem devido as condições do processo. Figura 01 Trocador de Calor Podemos ver claramente a conveniência do controle cascata examinando o exemplo da figura 01. Quando a temperatura medida se desvia do set-point, o controlador varia a posição da válvula de vapor, e se todas as características do vapor permanecerem constante o controle será satisfatório. Entretanto se uma das características, por exemplo, a pressão da linha variar a vazão através da válvula também variará, embora tivéssemos a válvula fixa. Teremos então uma mudança de temperatura do trocador de calor e após um certo tempo, dependendo das características da capacitância, resistência e tempo morto do processo, a variação da temperatura chegará ao controlador, e este reajustará a posição da válvula de acordo com as ações que dispusermos. Será uma casualidade se as correções do controlador eliminarem totalmente as perturbações na temperatura provocada por variação na pressão do vapor. Note que a vazão não está sendo controlada, e é interesse secundário porém é evidente que sua variação afetará a variável temperatura, que é de interesse principal no controle do processo. Seria conveniente o ajuste rápido do posicionamento correto da válvula de controle toda vez que houvesse uma perturbação na vazão do vapor devido problemas externos como por exemplo a pressão da linha, para evitar um desvio na temperatura que será a variável principal. Se o sinal de saída do controlador de temperatura (primário ou mestre) atua como set-point remoto de um instrumento que controla a vazão de vapor, o sinal de saída deste por sua vez determinará a posição da válvula de vapor, este segundo controlador (secundário ou escravo) permitirá corrigir rapidamente as variações de vazão provocadas por perturbações na pressão do vapor, mantendo o sistema a todo momento capacitado para controlador a temperatura através do controlador primário. -2-

3 Estes 2 controladores ligados em série atuam para manter a temperatura constante, o controlador de temperatura determina e o de vazão atua. Esta disposição se denomina controle cascata o qual podemos ver na figura 02: Figura 02 - Controle em Cascata Figura 03 - Controle em Cascata montado no processo -3-

4 Regras para Selecionar a Variável Secundária Regra 1 Identificar a variável que provoca a maioria dos distúrbios, ou seja, aquela que mais atrapalha a variável principal. Regra 2 O loop escravo ou secundário deve possuir uma constante de tempo pequena. É interessante, mas não essencial, que a constante de tempo do loop secundário seja pelo menos 3 vezes menor que a constante de tempo do loop primário ou mestre Seleção das Ações do Controle Cascata e sua Sintonia Se ambos os controladores do controle cascata tem três ações de controle, no total teremos seis ajustes para serem feitos. E portanto a dificuldade para fazer a sintonia do controlador aumenta. No controlador secundário ou escravo é padrão incluir a ação proporcional. Há pouca necessidade de incluir a ação integral para eliminar o off-set porque o set-point do controlador secundário será continuamente ajustado pela saída do controlador primário. Ocasionalmente, a integral será adicionada ao controlador secundário, caso o loop apresente a necessidade de utilizar algum filtro na variável. Já o controlador primário deve conter a ação proporcional e provavelmente a ação integral para eliminar o off-set. O uso da ação derivativa somente se fará necessário se o loop possuir uma constante de tempo muito grande. A sintonia dos controladores cascata é feita da mesma maneira que todos os controladores, mas é mais prático primeiro fazer a sintonia do controlador secundário e depois do controlador primário. O controlador primário deve ser colocado em manual, e então deve-se proceder a sintonia do controlador secundário. Quando o controlador secundário estiver devidamente ajustado então faz-se o ajuste do controlador primário. Quando se faz isto, o loop primário, vê o loop secundário como parte integrante do processo. Normalmente o ganho do loop secundário deve ser pequeno para que a malha de controle fique com uma boa estabilidade. Seguindo estas recomendações, não haverá maiores problemas para ajustar o controle cascata CONTROLE DE RELAÇÃO OU RAZÃO Como o próprio nome determina, temos neste tipo de controle uma razão entre 2 variáveis. No controle de razão ou relação uma variável é controlada em relação a uma segunda variável. Vimos que o controle cascata é somente um método que melhora o controle de uma variável, controle de relação ou razão satisfaz uma necessidade especifica no processo entre 2 grandezas tais como na figura 04. O sinal do extrator de raiz quadrada é dividido ou multiplicado por um fator manual ou automaticamente. O sinal de saída do divisor ou multiplicador será o set-point do controlador de vazão do fluído secundário, o qual atuará diretamente na válvula de controle. -4-

5 Figura 04 - Controle de razão ou relação 1.3. CONTROLE OVERRIDE OU SELETIVO Caso a variável controlada deva ser limitada em um valor máximo ou mínimo, ou caso o número de variáveis controladas exceda o número de variáveis manipuladas, o controle a ser utilizado deverá ser o controle seletivo. O controle seletivo opera basicamente em função de seletores de sinal (alto ou baixo). Um exemplo de controle seletivo está mostrado na figura 05. Esta malha foi estruturada visando consumir-se gás combustível em função da demanda e, ao mesmo tempo, controlar-se a pressão deste gás, de acordo com o ponto de ajuste colocado no controlador de pressão de gás (PIC). Nesta malha, o seletor de sinal baixo (PY) recebe os sinais de demanda proveniente da malha de controle de combustão e o sinal do controlador de pressão do gás combustível (PIC) seleciona o menor dos sinais e envia como ponto de ajuste do controlador de vazão de gás combustível (FIC). -5-

6 Figura 05 - Controle override ou seletivo Com esta configuração, enquanto a demanda for menor ou igual à disponibilidade de gás combustível, a pressão do gás estará no ponto de ajuste ou acima dele, consequentemente, o sinal de saída do PIC (controlador com ação direta) estará acima do sinal de demanda, pois o seletor de sinal baixo seleciona o sinal de demanda como ponto de ajuste do FIC do gás combustível. Caso a demanda se torne superior à disponibilidade do gás combustível a pressão deste gás começará a cair e a saída do controlador de gás irá diminuir até se equilibrar com o sinal de demanda. No momento em que ocorrer este equilíbrio, o fluxo de gás deixará de aumentar de acordo com a demanda, pois o sinal de controlador de pressão (PIC) passará a ser selecionado pelo PY e enviado como ponto de ajuste do FIC de gás combustível, ou seja, a vazão de gás combustível passará a ser controlada em função da sua pressão (que é controlado pelo PIC); caso a pressão do gás caia abaixo do ponto de ajuste, o PIC diminuirá seu sinal de saída diminuindo a saída do seletor PY, fazendo com que a vazão de gás seja diminuída de forma a manter sua pressão. O sinal de demanda voltará a ser o ponto de ajuste do FIC (voltará a ser selecionado pelo PY), no momento em que a demanda voltar a ser menor que a disponibilidade de gás combustível e a pressão deste gás começar a aumentar. -6-

7 1.4. CONTROLE DE COMBUSTÃO COM LIMITES CRUZADOS Neste sistema de controle são utilizados dois relês seletores, sendo um seletor de sinal baixo e outro seletor de sinal alto. A utilização destes relês permite se operar com baixos valores de excesso de ar, sem que ocorram problemas de combustão, pois estes seletores não permitem que o excesso de ar caia baixo do valor ajustado, tanto no caso de aumento como no caso de diminuição de carga de caldeira. O funcionamento desta malha de controle só será correto se os instrumentos forem dimensionados adequadamente, pois os sinais recebidos pelos seletores de sinal deverão ser iguais, sempre que o sistema estiver estabilizado e operando nas condições especificadas. Caso ocorra aumento de consumo de vapor, a pressão diminuirá, fazendo com que o sinal de saída do PRC aumente; este aumento não será sentido pelo controlador de vazão do combustível, pois a saída do seletor de sinal baixo continuará a mesma. O controlador de vazão do ar de combustão sentirá imediatamente este aumento, pois a saída do seletor de alta passará a ser o sinal do PRC; com isto, haverá um aumento imediato da vazão do ar de combustão. À medida que a vazão for aumentando, a saída do seletor de baixa irá aumentar igualmente, com um conseqüente aumento da vazão de combustível; isto acontecerá até que o sistema se equilibre na nova situação de consumo. Vê-se, então, que no caso de um aumento de consumo de vapor, haverá inicialmente um aumento da vazão de ar de combustão e, a seguir, de combustível. A vazão de combustível só será aumentada após o aumento da vazão de ar. Durante a transição, o ponto de ajuste da vazão de combustível será dado pelo transmissor de vazão de ar. Se ocorrer diminuição do consumo de vapor, a pressão aumentará, fazendo com que a saída do PRC diminua; esta diminuição não será sentida pelo controlador de vazão do ar de combustão, pois a saída do seletor de sinal alto continuará a mesma. O controlador de vazão de combustível sentirá imediatamente esta diminuição, pois a saída do seletor de baixa passará a ser o sinal do PRC; com isto, haverá uma diminuição imediata da vazão de combustível. À medida que a vazão de combustível for diminuindo, a saída do seletor de alta irá diminuir igualmente, com uma conseqüente diminuição da vazão do ar de combustão; isto acontecerá até que o sistema se equilibre na nova situação de consumo. Vê-se, então, que no caso de uma -7-

8 Figura 06 - Controle de combustão com limites cruzados diminuição do consumo do vapor, haverá inicialmente uma diminuição da vazão de combustível e a seguir, de ar. A vazão do ar de combustão só será diminuída após a diminuição da vazão de combustível. Durante a transição, o ponto de ajuste da vazão do ar de combustão será dado pelo transmissor de vazão de combustível. Neste sistema de controle, o controlador de pressão comanda as malhas de vazão enquanto se está em regime de equilíbrio; durante as transições, o controlador de pressão comanda uma das malhas de vazão enquanto essa malha de vazão comanda a outra. Quando se utiliza a malha de controle básica, o operador poderá fazer pequenos ajustes na razão ar/combustível, atuando no relê de razão (FY). -8-

9 COM ANALISADOR DE OXIGÊNIO O sistema de controle anterior pode ser melhorado utilizando-se um analisador de oxigênio. Neste caso, o analisador de oxigênio irá medir continuamente a porcentagem de oxigênio existente nos gases da combustão e enviará sua saída ao controlador (ARC), que após compará-lo com o ponto de ajuste, atuará no relê de razão (FY), mantendo-se assim, automaticamente, o excesso de ar desejado. É recomendável limitar-se a influência do analisador de oxigênio na malha de controle, pois ele é utilizado apenas para ajustes finos, uma vez que os instrumentos de vazão já foram dimensionados para uma determinada relação ar/combustível e, no caso de ocorrência de defeito no sistema de análise de oxigênio, não ocorrerão grandes problemas no controle de combustão. A ação do analisador é restringida, utilizando-se um limitador de sinal (AY) na saída do controlador (ARC). Da mesma forma e com configuração semelhante, o analisador e o controlador de oxigênio (ARC) poderão ser utilizados nas malhas vistas nos itens anteriores, de forma a manter, automaticamente, o excesso de oxigênio no valor ajustado pelo operador. Figura 7 - Controle de combustão com limites cruzados, com analisador de oxigênio -9-

10 1.5. CONTROLE SPLIT-RANGE OU RANGE DIVIDIDO No controle split-range ou range dividido normalmente envolve duas válvulas de controle operadas por um mesmo controlador. O controle split-range é uma forma de controle em que a variável manipulada tem preferência com relação a outra. Na figura 08 pode-se ver este tipo de controle aplicado a dois trocadores em série. O processo se utiliza deste recurso para aquecer um produto cuja vazão sofre muita variação. Quando tivermos com vazão baixa basta apenas um trocador de calor para aquecer o produto e quando tivermos com vazões altas teremos a necessidade de utilizarmos dois trocadores de calor. Suponhamos que do ponto de vista de segurança, as válvulas devem fechar em caso de falta de ar, teremos então o controlador de ação reversa (ao aumentar a temperatura, diminui o sinal de saída). Se a vazão do produto é baixa atuará a válvula de vapor V-1 porque teremos o sinal de saída do controlador compreendido entre 0% e 50% (3 à 9 PSI). A medida que aumenta a vazão, o controlador de temperatura aumenta o seu sinal de saída, até quando tivermos o sinal maior que 50% (9 PSI) a válvula V-1 permanecerá totalmente aberta, teremos então o primeiro trocador de calor trabalhando no máximo de seu rendimento, e teremos a válvula V-2 começando a abrir e iniciando o funcionamento do segundo trocador de calor. Quando tivermos o máximo de vazão determinada teremos as duas válvulas totalmente abertas e os dois trocadores de calor trabalhando no máximo de sua potência. Normalmente na passagem de uma condição limite para outra teremos uma faixa morta de aproximadamente 5%, sendo que o valor desta faixa varia com a sua aplicação. Este tipo de malha de controle não é muito utilizado em caldeiras, porém é muito utilizado em outras partes do processo, principalmente em indústrias petroquímicas. Figura 08 - Controle Split - Range ou Range Dividido -10-

11 1.6. CONTROLE ANTECIPATIVO OU FEEDFORWARD Um controle utilizando realimentação negativa, por definição, requer que exista uma diferença entre o ponto de ajuste e a variável controlada (ou seja, exista erro) para que a ação de controle possa atuar. Neste tipo de controle, só haverá correção enquanto existir erro: no momento em que o erro desaparecer a correção cessará. A temperatura de saída do trocador será controlada, adequadamente, por uma malha de controle com realimentação negativa enquanto não ocorrem variações freqüentes na vazão e/ou na temperatura de entrada do fluído a ser aquecido. Caso ocorram variações deste tipo, elas irão influenciar a temperatura de saída do trocador, dificultando sobremaneira o controle. Neste caso a temperatura de saída do trocador só será controlada, adequadamente, se utilizar-se um controle antecipativo. O controle antecipativo mede uma ou mais variáveis de entrada (no caso vazão e/ou temperatura de entrada do fluído a ser aquecido), prediz seu efeito no processo e atua diretamente sobre a variável manipulada, como forma de manter a variável controlada no valor desejado. Figura 09 - Controle Antecipativo ou Feedforward Puro -11-

12 Na figura 09, tem-se um controle antecipativo puro. Neste caso, só se mede a vazão do fluído a ser aquecido, pois se supôs que somente esta variável está variando. O computador analógico FY recebe uma referência externa (temperatura desejada na saída do trocador) e o sinal de vazão do fluído a ser aquecido; calcula quanto vapor deve ser adicionado ao processo em função da equação f (x) e atua diretamente na válvula de vapor. A vazão de vapor será corrigida antes que a temperatura varie em função das variações na vazão do fluido a ser aquecido, ou seja, há uma antecipação da correção. Vê-se pela figura, que no controle antecipativo a variável controlada não é medida nem utilizada no cálculo efetuado pelo computador analógico FY. Consequentemente, para que o sistema possa funcionar adequadamente, o computador analógico deverá simular exatamente a equação do processo que relaciona a vazão de entrada do fluído a ser aquecido com a temperatura de saída do trocador; ou seja, o controle antecipativo puro só irá funcionar corretamente se forem consideradas as características estáticas e dinâmicas do processo, as perdas de energia para o ambiente, as influências da pressão do vapor e a temperatura de entrada do fluído a ser aquecido irão causar na variável controlada e se não existirem atrasos e/ou histerese na medição e na correção. Destas observações conclui-se facilmente, que o controle antecipativo puro não irá funcionar na prática. Em aplicações de controle de processos industriais, o que se faz é unir o controle utilizando realimentação negativa com o controle antecipativo. Figura 10 - Controle Antecipatório ou Feedforward com Realimentação -12-

13 A figura 10 mostra um controle antecipatório com realimentação. Neste caso, a temperatura de saída do trocador passou a ser medida e realimentada ao processo. O somador (FY) recebe os sinais do FT e do TRC e envia a resultante destes dois sinais para a válvula de controle de vapor. Nas condições de equilíbrio, a saída do somador variará basicamente em função do sinal recebido do FT, uma vez que a temperatura estará no ponto de ajuste e a saída do TRC não está variando. Caso a temperatura saia do ponto de ajuste, a saída do controlador (TRC) variará e, consequentemente, a saída do somador passará a variar em função dos sinais recebidos do TRC e do FT; isto irá ocorrer até que o sistema volte às condições de equilíbrio, ou seja, até que a temperatura volte ao ponto de ajuste. A utilização desta malha permite que a temperatura na saída do trocador seja mantida de forma estável, mesmo quando ocorram variações na vazão do fluido a ser aquecido. Uma das maiores aplicações deste tipo de malha de controle é no controle de nível de caldeiras como veremos à seguir Lead/Lag (Antecipação/Atraso) Existe ainda algo muito importante a ser acrescentado ao controle antecipatório: comportamento dinâmico. Quando uma pessoa está dirigindo pela estrada e encontra uma curva a aproximadamente um quilômetro à frente, em geral ela espera até chegar à curva para virar o volante. Da mesma forma, no controle antecipatório, não é necessário desencadear uma ação imediatamente após a medida de um distúrbio. Considerando a dinâmica do processo, pode ser aconselhável esperar um pouco antes de ajudar a variável manipulada. A dinâmica do distúrbio e a da variável manipulada deveriam ser equiparadas, para que o efeito de anulação da variável manipulada alcance a variável controlada no instante certo. Isto pode ser obtido no controle antecipatório acrescentando-se compensação dinâmica. Existem vários elementos dinâmicos básicos: constantes de tempo, tempo morto e processos instáveis. Controladores por antecipação em regime estacionário controlam as diferenças entre o ganho que relaciona o distúrbio medido e a variável controlada, e o ganho que relaciona a variável manipulada com a variável controlada, e o ganho que relaciona a variável manipulada com a variável controlada. Isto é uma forma complicada para dizer que a ação do controlador por antecipação cancela o efeito dos distúrbios. Da mesma forma, a compensação dinâmica controla as diferenças que possam existir entre as variáveis de entrada e saída no que diz respeito a constantes de tempo, tempo morto, e assim por diante. Como exemplo, considere um processo onde exista um tempo morto de 30 segundos após a medição de um distúrbio, e um tempo morto de 20 segundos entre uma mudança na variável manipulada e o início da mudança correspondente na variável controlada, ver figura

14 Figura 11 - Resposta de um processo em malha aberta, para diferentes tipos de distúrbios. Figura 12 - Controle antecipatório com Lead/Lag -14-

15 Depois de medida uma mudança no distúrbio, deveria haver uma espera de 10 segundos antes de ajustar convenientemente a variável manipulada. O que importa é a diferença entre tempos mortos e não os seus valores individuais. Desta forma, se as constantes de tempo para estes dois pares de entrada/saída são diferentes, pode-se usar circuito de antecipação/atraso também conhecido como Lead/Lag. O circuito Lead/Lag fornece a compensação dinâmica necessária para controlar as diferenças entre as constantes de tempo e pode ser ajustado ou sintonizado para satisfazer as necessidades do processo. Se a constante de tempo associada com as mudanças na variável manipulada for menor do que uma constante de tempo no distúrbio, então a ação da variável manipulada deve ser atrasada para poder coincidir com o efeito do distúrbio, isto é, o controle precisa de um atraso (Lag). Se a constante de tempo da variável manipulada for maior do que a constante de tempo da variável de distúrbio, então a ação da variável manipulada precisa ser acelerada ou acentuada, isto é, o controle precisa de uma ação de antecipação (Lead). A figura 13 mostra as características de um processo com diferentes constantes de tempo. Figura 13 - Constantes de tempo diferentes 2 - NÍVEL EM CALDEIRAS Conforme citado anteriormente o lado de água ou sistema vapor - água de uma caldeira aquatubular é composto de dois ou mais tubulões cilíndricos, conectados por tubos. O tubulão superior (também chamado de tubulão de vapor), tem seu nível de água controlado em cerca de 50% e o inferior trabalha totalmente cheio de água. -15-

16 Figura 14 - Vista em corte de tubulão superior da caldeira Conforme mostrado na figura 14, o tubulão superior, além de liberar o vapor produzido e receber injeção de água de alimentação da caldeira (a água de alimentação é adicionada com temperatura menor que a água contida no tubulão), também faz a separação vapor - água. Se uma caldeira aquatubular estiver operando em condições estáveis, lado de água conterá uma certa massa de água e vapor. Esta massa de água e vapor tem uma densidade média, função das condições operacionais naquele momento. A densidade média da mistura e a proporção volumétrica vapor - água permanecerão constantes durante todo o tempo em que a taxa de evaporação da caldeira permanecer constante. Caso a carga da caldeira seja aumentada, a concentração de bolhas de vapor abaixo da superfície de água crescerá, ocasionando uma variação da proporção volumétrica na mistura vapor - água e um decréscimo de densidade média da mistura. Como neste momento a massa de água e vapor variou de forma insignificante, mas a densidade média da mistura vapor - água decresceu, o resultado será um aumento imediato no volume da mistura vapor - água. Como no lado de água da caldeira o único local onde pode ocorrer expansão volumétrica é no tubulão superior, ocorre um aumento imediato no nível da água deste tubulão ainda que não tenha sido colocada água adicional no sistema. Este efeito de aumento súbito no nível de água do tubulão superior, ocasionado pelo aumento da taxa de vaporização, é conhecido como expansão (swell). -16-

17 Quando a carga da caldeira é diminuída, a concentração de bolhas de vapor na mistura diminui, ocasionando um aumento na densidade média da mistura. Como neste momento a massa de água e vapor praticamente não variou, mas a densidade média da mistura vapor - água aumentou, o resultado é uma diminuição de volume da mistura vapor - água. Esta diminuição de volume causa uma diminuição imediata no nível de água de tubulão superior, ainda que não tenha sido retirada água adicional do sistema. Este efeito de diminuição súbita no nível de água do tubulão superior, ocasionado pela diminuição da taxa de vaporização, é conhecido como contração (shrink). Existem vários fatores que podem influenciar a magnitude da expansão ou contração, em função de uma dada variação de carga da caldeira. Os principais fatores são: tamanho do tubulão superior (comparado com o total de água existente na caldeira) e pressão de operação da caldeira. No primeiro fator citado, quanto maior o tubulão, menor a magnitude da expansão ou contração; no segundo, quanto maior a pressão, maior a densidade do vapor, menor o efeito da densidade na mistura vapor - água e menor a magnitude da expansão e da contração. As variações na vazão de água de alimentação também causam grandes variações no nível do tubulão, pois este nível representa uma integração do excesso ou falta de água de alimentação adicionada ao tubulão CONTROLE DE NÍVEL As malhas de controle de nível mantêm o nível do tubulão superior dentro dos limites desejados, variado a vazão de água adicionada ao tubulão, através da válvula de controle de nível. Estas malhas também deverão procurar eliminar a interação existente entre o controle de nível e o de combustão e evidenciada pela vazão irregular da água de alimentação. Neste caso, as pulsações na vazão da água de alimentação podem causar perturbações na pressão do vapor, ocasionando variações na taxa de aquecimento, sem que tenha ocorrido variações na demanda de vapor. As variações na taxa de aquecimento provocam expansão ou contração, que por sua vez, acentuam e dão continuidade ao problema. As dificuldades para o controle de nível são provenientes da expansão e contração e das variações na pressão do sistema de fornecimento de água de alimentação da caldeira. Quanto maior a capacidade da caldeira, mais estreitos serão os limites de variação do nível e consequentemente, mais complexa deverá ser a malha de controle utilizada CONTROLE DE NÍVEL A UM ELEMENTO No controle de nível a um elemento, utiliza-se malha comum com realimentação negativa, que opera com um transmissor (LT) e um controlador de nível (LRC). Na malha de controle de nível mostrada na figura 15, o transmissor envia o sinal de nível ao controlador (LRC), o controlador compara este sinal com o ponto de ajuste e envia um sinal de correção para a válvula de controle que aumenta ou diminui a vazão de água adicionada ao tubulão. Como neste caso está se utilizando uma malha comum com realimentação negativa, o controlador de nível só corrigirá a vazão de água de alimentação depois que o nível tiver variado. Esta malha com realimentação negativa será fortemente influenciada pelas ocorrências de expansão ou contração que venham a acontecer no lado de água da caldeira. -17-

18 Figura 15 - Malha de controle de nível a um elemento Como normalmente a faixa de variação do nível deve ser muito estreita, em função de suas deficiências, este sistema de controle terá sua utilização limitada aos casos de caldeiras pequenas, onde o nível não é uma variável muita crítica CONTROLE DE NÍVEL A DOIS ELEMENTOS Conforme comentado anteriormente, o controle de nível utilizando malha comum com realimentação negativa só será aceitável em caldeiras onde o nível não é crítico. Nas caldeiras de grande porte, geralmente, o nível é uma variável crítica, uma vez que o volume do tubulão é muito pequeno, quando comparado com a vazão de vapor; consequentemente, pequenas deficiências no controle de nível poderão originar problemas operacionais e de segurança. -18-

19 Figura 16 - Malha de controle de nível a dois elementos Como nas caldeiras de grande porte, o nível deve ser mantido com precisão e, as variações na vazão de vapor geram, como conseqüência, variações no nível, a vazão de vapor, em geral, é utilizada para fazer a correção antecipada do nível e, consequentemente, para se obter um controle mais eficiente desta variável. Teoricamente, o nível poderia ser controlado com um controle antecipativo puro de maneira análoga ao que vimos anteriormente, de onde podemos concluir que o controle antecipatório puro não irá funcionar adequadamente. No controle antecipatório com realimentação, ou controle de nível a dois elementos conforme a figura 16, a vazão de vapor fará a correção antecipada do nível e a realimentação será feita pelo transmissor e pelo controlador de nível. Na malha de controle de nível mostrada anteriormente, os sinais do controlador de nível (LRC) e do transmissor de vapor (FT) são enviados ao somador (FY). O somador recebe os sinais do FT e do LRC e envia a resultante para a válvula de controle de nível. Nas condições de equilíbrio, a saída do somador será função do sinal recebido do transmissor de vazão de vapor, uma vez que a saída do LRC ficará estável enquanto o nível estiver no ponto de ajuste; caso o nível saia do ponto de ajuste, a saída do LRC variará e, consequentemente, a saída do somador passará a ser função dos sinais recebidos do FT e do LRC; isto irá ocorrer até que o sistema volte às condições de equilíbrio, ou seja, até que o nível volte ao ponto de ajuste. -19-

20 No controle de nível a dois elementos, o sinal de correção antecipada fornecido pelo transmissor de vazão de vapor, opõe-se às influências de expansão ou contração no sistema vapor - água causam na malha de realimentação da caldeira, minimizando as perturbações que estas ocorrências geram às malhas de controle de nível. Esta malha de controle é bastante utilizada, pois seu custo de implantação é baixo e o controle é bastante estável. Neste tipo de malha, a água de alimentação deve ter pressão constante, pois caso ocorram variações nesta pressão, a vazão através da válvula se alterará, obrigando o sistema de controle a fazer correções continuamente. Assim, não é recomendável a utilização desta malha de controle, quando uma mesma bomba alimenta diversas caldeiras ao mesmo tempo CONTROLE DE NÍVEL A TRÊS ELEMENTOS O controle de nível a três elementos foi desenvolvido visando eliminar os problemas de controle, causados pelas variações na pressão de água de alimentação. Existem diversas versões desta malha de nível; em todas as versões o terceiro elemento é a vazão de água de alimentação. Neste tipo de malha, normalmente se coloca o transmissor de vazão de água após a válvula. A vantagem desta posição é a de evitar-se que as oscilações de pressão que venham ocorrer na água de alimentação influenciem no controle, uma vez que, neste ponto, a pressão é constante e igual à pressão do tubulão, que é mantida pelo controlador de pressão de vapor. Esta malha utiliza controle antecipatório com realimentação, combinando com controle cascata. Neste caso, a correção antecipada do nível será feita pela vazão de vapor e a realimentação será feita pelo transmissor e pelo controlador de nível, de forma idêntica à descrita anteriormente, enquanto a vazão de água será mantida pela malha escrava de controle de água, em função do ponto de ajuste recebido do somador. Nesta malha, a saída do somador será função do sinal recebido do transmissor de vazão de vapor enquanto o nível estiver no ponto de ajuste, uma vez que nestas condições a saída da LRC ficará estável. Caso o nível saia do ponto de ajuste, a saída do LRC variará e, consequentemente, a saída do somador passará a ser função dos sinais recebidos do FT e do LRC; isto irá ocorrer até que o sistema volte às condições de equilíbrio, ou seja, até que o nível volte ao ponto de ajuste. O controlador da malha escrava de vazão de água de alimentação atuará na válvula de controle de forma a manter a vazão de água de alimentação adicionada à caldeira, de acordo com o ponto de ajuste recebido do somador. Esta malha de controle de nível é bastante funcional; a desvantagem é a utilização de dois controladores, aumentando assim o custo de instalação e dificultando o trabalho de otimização dos controladores. Outra desvantagem decorrente da utilização de dois controladores é que, mesmo quando colocado em ponto de ajuste local, o LRC não atua direto na válvula de controle; face a isto, não se consegue controlar o nível manualmente de forma independente das demais variáveis utilizadas nesta malha de controle. -20-

21 Figura 17 - Malha de controle de nível a três elementos -21-