3.ª Prática Controle (PID) de Vazão na Bancada da Bomba Centrífuga

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1 1 3.ª Prática Controle (PID) de Vazão na Bancada da Bomba Centrífuga OBJETIVO: 1. Fazer o controle (PID) de Vazão na bancada da bomba centrífuga. DATA: / /. Nome dos alunos: São Paulo Prof. Dr. Cesar da Costa

2 2 1. CONCEITOS BÁSICOS DE CONTROLE O Controle realimentado ou controle em malha fechada é uma operação que reduz a diferença entre a saída (resposta) de um sistema ou planta a uma referência externa preestabelecida. Com o sistema de controle em malha fechada surge a figura do controlador, que compara o valor desejado com o valor medido, e se houver um desvio entre estes valores, manipula a sua saída de forma a eliminar este desvio ou erro. Desta maneira, o controle em malha fechada mantém a variável do processo no seu valor desejado, compensando as perturbações externas e as possíveis nãolinearidades do sistema. O Controle PID ou controlador Proporcional Integral Derivativo (PID) é o algoritmo de controle mais tradicional na indústria. Um controlador PID calcula inicialmente o erro entre a sua variável controlada e seu valor desejado, e em função deste erro gera um sinal de controle, de forma eliminar este desvio. O algoritmo PID usa o erro em três módulos distintos para produzir a sua saída ou variável manipulada. O controlador Proporcional Integral e Derivativo (PID) gera a sua saída proporcionalmente ao erro, proporcionalmente à integral do erro e proporcionalmente à derivada do erro. A Equação 1 apresenta a representação matemática do controle PID. O fator multiplicativo (TD) é conhecido como o tempo derivativo do controlador. Para se obter a sintonia do controlador PID, para um processo com dinâmica conhecida, deve-se definir o critério de desempenho desejado para a malha. O principal critério para ajuste de uma malha de controle, e que deve ser satisfeito, é a estabilidade. A Figura 1 apresenta o diagrama de bloco da malha de controle PID de vazão da bancada de bomba centrífuga. Figura 1 - Malha de controle PID de vazão Para o controle da vazão em uma tubulação, tem-se uma malha simples de controle PID, constituída pelo transmissor de vazão FIT-01 e pela válvula de controle de vazão (FV-01), localizada na tubulação de abastecimento do tanque de acrílico TQ-

3 3 01. A diferença de pressão detectada pela placa de orifício (FE-01) é convertida em vazão por meio da extração da raiz quadrada no transmissor FIT O valor da vazão diferente do seu set point provoca a modulação da válvula de controle da vazão FV A Figura 2 apresenta o fluxograma da bancada da bomba centrífuga para um melhor entendimento da instrumentação utilizada no controle PID. Figura 2 Fluxograma de funcionamento da instrumentação da bancada da bomba centrífuga. 2. CONTROLE PID NA PLANTA Para realizar o controle PID, o sistema supervisório possui uma tela específica, conforme mostrado na Figura 3. Na tela do fluxograma da bomba, clicar em PID, localizado abaixo da válvula de vazão FV-01. Pode-se fazer o controle de vazão pela válvula ou pelo inversor de frequência, selecionando válvula ou inversor como mostra na Figura 3. Figura 3 Tela de controle PID.

4 4 Indicações: P Controle proporcional (de 0 a ); I Controle integral (de 0 a ); D Controle derivativo (de 0 a ); SP Set Point: é o valor desejado de vazão, para o controle em automático (valor desejado em m3/h); PV Variável de processo: é a variável de processo (valor da vazão medida em m3/h), indica o valor atual de vazão medido no sistema (FIT-01); MV Variável manipulada: Indica, em valores percentuais, a medida da abertura da válvula de controle FV-01. Faixas: SP de 0 a 5 m3/h; MV de 0 a 100% PID recomendado: P = 5 I = 15 D = 0 No controle manual o campo MV fica habilitado para a operação. Nele é inserido um valor que representa uma porcentagem da abertura da válvula de controle FV 01, ou a rotação da bomba B Não obstante, o campo SP fica desabilitado, pois só é utilizado na operação em automático. Por fim, o campo PV, somente de leitura, indica o valor da variável de processo (vazão do sistema) em função do valor presente no campo MV. Nota-se que este tipo de processo atua diretamente no dispositivo controlador, realizando um controle indireto da vazão. Como o dispositivo de controle é acionado diretamente, o PID não atua na configuração em manual. No controle automático o campo SP fica habilitado para operação. Nele é inserido o valor de vazão que se deseja para o sistema e, agora, o controle PID, que naturalmente é realizado através de realimentação, atua para estabilizar a vazão no valor desejado para o SP. Novamente o campo PV indica o valor da variável de processo (vazão do sistema) em função do valor presente no campo SP, mostrando a evolução da variação do valor de vazão, cujo tempo dependerá dos valores préestabelecidos nos campos P, I e D. Nota-se que este tipo de processo atua diretamente na variável vazão e através do controle de malha fechada, o acionamento do dispositivo controlador é realizado automaticamente em função do erro existente entre o valor de referência (SP) e o valor físico real (PV). Portanto, o processo em automático é caracterizado pelo controle direto da vazão. Quando selecionar Inversor e manual, a válvula de controle FV-01 ficará aberta 100%, digitar na MV (variável manipulada) o valor desejado de 0 a 100%, no SP (set point) também o valor desejado de 0 a 5 m3/h. Dependendo da rotação da bomba a vazão esperada não será alcançada, para isto deverá aumentar o valor da MV.

5 5 Quando selecionar Inversor e automático, a válvula de controle FV-01 ficará aberta 100%, digitar no SP (set point) o valor desejado de 0 a 5 m3/h. Digitar os valores de P, I, e D para ter o controle da malha. O inversor irá variar para alcançar o valor desejado (SP). NOTA: 1. Atualmente o inversor de frequência não está funcionando corretamente, evitar este tipo de acionamento. 2. O tipo de motor utilizado (alto rendimento cor verde ou convencional cor azul) e o tipo de acionamento (direta, soft start ou inversor) serão informados na tela principal do supervisório. 3. ENERGIZANDO O PAINEL DE COMANDO Verificar se o painel foi alimentado corretamente, alimentação 220 Vca (bifásico) + neutro. Verificar se o botão de emergência não está acionado. Figura 3 Painel de comando da alimentação da bancada Procedimento para ligar o comando geral da planta: 1 - Gire a chave seletora (foto acima) para a posição 2 Procedimento para desligar o comando geral da planta: 1 - Gire a chave seletora (da foto acima) para a posição 1 Após energizado o painel e ligado, ligar o microcomputador e o monitor. NOTAS: 1. A pressão da rede de ar comprimido deverá ser de 6 kgf/cm2. 2. O sistema deve ser abastecido com água. O abastecimento poderá ser feito pelo reservatório superior (TQ-01) ou pelo inferior (TQ-02) até o valor máximo 100%.

6 6 3. Na tela do fluxograma da bomba, no supervisório, observe que o mesmo somente estará disponível se um dos motores estiver acoplado (motor normal cor azul ou motor de alto rendimento cor verde). Se nenhum motor for acoplado a bomba, a mesma não aparecerá na tela. 4. PARTE PRÁTICA: COLOCANDO A PLANTA EM OPERAÇÃO a) Ligar o microcomputador e o monitor, selecionar o ícone do sistema supervisório. Logar -se no sistema e selecionar no Menu Principal, Bomba Centrífuga; b) Na tela do fluxograma da bomba, clicar em PID, localizado abaixo da válvula de vazão FV-01. Selecionar no retângulo PID a opção AUTOMATICO e VÁLVULA. Ajustar os valores na tela do PID (P = 5, I =15 e D = 0), MV= 100 e SP= 2,00, com o objetivo de estabelecer a vazão em 2,00m 3 /h, conforme apresentado na Figura 4. Figura 4 Tela de controle PID do supervisório. c) Clicar na válvula XV-1, selecionar a opção AUTOMÁTICA, opção fecha. Para abrir a válvula XV-1, no caso de necessitar esvaziar o tanque TQ-1, selecionar opção AUTOMÁTICA, opção abre.

7 7 d) Na tela principal do sistema de supervisão da planta de bombeamento clicar no retângulo COMANDO (1), selecionar partida direta (2) e motor de alto rendimento (3), conforme Figura 5. Figura 5 Tela do supervisório onde se faz a seleção de tipo de motor e de partida. Nota: Para a partida direta não tem ajuste de aceleração e desaceleração. e) Na janela de COMANDO, clicar no retângulo Liga. A bomba centrífuga é acionada. O motor da bomba muda da cor verde para a cor vermelha. A válvula XV-2 é aberta automaticamente pelo sistema (cor vermelha). O reservatório superior (TQ-1) começa a encher e tem seu nível de água monitorado pelo medidor de nível (LIT-01). A partir deste momento explique o comportamento das variáveis PV e MV durante os próximos 5 minutos. f) Durante o processo de bombeamento (20 minutos) preencha os dados requisitados na Tabela 1. g) Informe o consumo de energia medido (Wh) no sistema durante o teste 1.

8 8 Motor: Alto Rendimento Set Point da Vazão: 2 m 3 /h Tempo Teste: 20 minutos Teste 1 - Bomba Centrífuga Acionamento do Motor: Partida Direta Controle da Vazão: Válvula Proporcional Eletropneumática Momento Analisado Tensão Média Corrente Média FP Fase Potência Ativa Potência Reativa SP (Vazão) - (V) (I) - (W) (VAr) (m 3 /h) Partida 0,00 Após 5 min 2,00 Após 10 min 2,00 Após 15 min 2,00 Parada h) Na tela PID, altere o set point (SP) do sistema para 3 m3/h. Acione o sistema. A partir deste momento, explique o comportamento das variáveis PV e MV durante os próximos 5 minutos. i) Durante o processo de bombeamento (20 minutos) preencha os dados requisitados na Tabela 2. j) Informe o consumo de energia medido (Wh) no sistema durante o teste 2. Motor: Alto Rendimento Set Point da Vazão: 3 m 3 /h Tempo Teste: 20 minutos Teste 2 - Bomba Centrífuga Acionamento do Motor: Partida Direta Controle da Vazão: Válvula Proporcional Eletropneumática Momento Analisado Tensão Média Corrente Média FP Fase Potência Ativa Potência Reativa SP (Vazão) - (V) (I) - (W) (VAr) (m 3 /h) Partida 0,00 Após 5 min 3,00 Após 10 min 3,00 Após 15 min 3,00 Parada CONCLUSÃO Faça um relatório sobre o controle PID, que atua para estabilizar a vazão no valor desejado para o SP (set point).