INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS CONTROLADORES - ESCOLHA Introdução A escolha do tipo de controlador mais adequado para um determinado processo ê baseada, em grande parte, na experiência anterior que o projetista "possa ter, em processos semelhantes. A primeira vista, o controlador mais elaborado, ou seja, proporcional-integralderivativo.seria a melhor opção. Entretanto, por razões praticas, entre as quais o fator econômico não pode ser esquecido, são utilizados controladores mais simples, as vezes até com desempenho mais satisfatório do que o obtido com controladores mais complexos. Daremos, a seguir, alguns comentários que poderão servir de guia na seleção de controladores para as grandezas físicas mais comumente encontradas na prática. Temperatura O controle de temperatura consiste basicamente no controle de um processo de transferência de calor. Devido à própria natureza desse processo, as capacidades, constantes de tempo, e tempos mortos são em geral maiores do que quando se controla outras variáveis. Um fator muito importante a ser considerado ê o atraso de medição. O elemento de medição ê geralmente colocado no interior de um poço de proteção, destinado a protegê-lo de choques mecânicos e da corrosão do meio. A velocidade de resposta depende das dimensões e do material do poço, e da velocidade do fluido cuja temperatura se deseja determinar. Sempre que possível, deve se evitar instalar o poço num ponto onde a velocidade do fluido seja baixa. Processos de grande capacidade e pequeno atraso de medição e tempo morto podem muitas vezes ser controlados com um sistema liga-desliga. Muitos fornos elétricos caem nessa classificação. As vezes utiliza-se o controle de 3 zonas, para obter um aquecimento rápido, aliado a um controle mais preciso quando a temperatura chega ao valor desejado. Controladores do tipo proporcional podem ser utilizados quando as oscilações devidas ao controle liga-desliga não forem toleradas. Deve ser considerado, entretanto, o problema do "offset", particularmente quando houver perturbações frequentes ou de grande amplitude. Consegue-se melhorar o controle utilizando uma diferença de temperatura pequena entre o agente de controle e o meio controlado. Nesse caso, a banda proporcional será estreita, reduzindo-se dessa maneira o "offset". Controladores do tipo proporcional-integral devem ser usados quando houver um atraso considerável na medição, bem como quando houver perturbações grandes e frequentes. Casos típicos são trocadores de calor e fornos contínuos. 1
A adição da ação derivativa pode ser útil em processos com pelo menos duas constantes de tempo grandes, ou quando o atraso to de medição for grande. Quando houver tempo morto longo, a vantagem é reduzida. Convém sempre analisar as perturbações possíveis e procurar minimizar seus efeitos, seja por controle em separado de vazões, pressões, etc., ou usando-se controle em cascata. Processos descontínuos ("batch") podem apresentar um "overshoot" da temperatura quando o equipamento é posto em operação com um controla dor que possua ação integral (Fig.1] o "overshoot" se deve ao fato de que, durante o tempo em que a temperatura se encontra abaixo do "setpoint", a ação integral desloca efetivamente a banda proporcional para cima do "setpoint". Assim, quando o processo é iniciado, a ação do controlador só principia quando a variável ultrapassa o "setpoint". Para sanar esse inconveniente, pode-se utilizar uma das seguintes soluções; a) Incorporando ao controlador pneumático uma chave "batch" ("anti-reset windup relay"), ou, especificando um controlador eletrônico com limitador da corrente de saída. Dessa maneira, tanto no caso do controlador pneumático como no do eletrônico, o sinal de saída fica limitado a um valor máximo, impedindo a acumulação da ação integral; b) Utilizando um controlador pneumático especial, no qual a ação derivativa precede as ações proporcional e integral; c) Utilizando um transmissor de temperatura que soma ao sinal normal um outro sinal, proporcional ã derivada da temperatura. As válvulas utilizadas são em geral do tipo "igual-porcentagem". 2
Pressão A pressão de gases e de vapor em geral não apresenta grandes problemas de controle. São frequentemente utilizadas válvulas reguladoras de pressão autoperadas, que funcionam como controladores proporcionais de banda proporcional estreita (menos de 5%). Essas válvulas são instaladas diretamente na tubulação, recomendando-se fazer a tomada de pressão a pelo menos 10 diâmetros da tubulação a jusante da válvula, para eliminar efeitos de turbulências e perdas na linha. A pressão do processo ê aplicada diretamente ao diafragma do atuador, ou através de uma válvula piloto. Utilizam-se controladores convencionais quando o diâmetro da válvula for grande, ou quando houver necessidade de ajustes frequentes do setpoint, ou se o offset não for tolerado (utilizando-se, nesse caso, controlador proporcional-integral). Não há necessidade de ação derivativa. A pressão de líquidos necessita para o controle adequado um controlador proporcional-integral rápido. A válvula recomendada ê do tipo linear. Os problemas apresentados são semelhantes aos do controle de vazão (vide mais adiante). A pressão de vapores, cujo controle se faz agindo sobre o aquecimento, requer um controlador do mesmo tipo que o utilizado para temperatura, ou seja, proporcionalintegral, podendo adicionar-se ação derivativa. A válvula recomendada é de igual porcentagem. Nível Processos em. que se controla nível possuem uma capacitância considerável. Tanques de grandes diâmetros, com vazões de entrada e saída relativamente pequenas, não apresentam grandes problemas de controle. Quando o diâmetro é pequeno, ou as vazões são elevadas, o controle é mais difícil. Tanques submetidos ã pressão atmosférica são, em maio ou menor escala, autoregulados: quanto maior o nível, maior a pressão no fundo do tanque, e portanto maior é a vazão de saída. Sistemas de controle de nível podem ser classificados em: a) Controle de nível alto-baixo; b) Controle de nível preciso; c) Controle de nível médio. O controle de nível alto-baixo é utilizado quando o nível pode oscilar entre um limite alto e um limite baixo, sem afetar o processo. Para tanto, podem ser usados controladores liga-desliga com faixa diferencial. Se a capacitância for grande, o nível se mantém dentro da faixa sem dificuldade. Deve-se somente prever que a vazão de entrada seja maior que a vazão de saída máxima, para evitar o esvaziamento do tanque. O controle de nível preciso é utilizado quando há necessidade de se manter o nível num valor exato. Em tangues de grande capacitância, geralmente um controlador proporcional e suficiente. Quando a capacitância é pequena, convém adicionar ação integral. 3
O controle de nível médio é usado quando não há necessidade de se manter um nível exato, sendo o principal objetivo manter a vazão de saída aproximadamente constante. Em geral, o tanque sob controle é parte de um processo de vários estágios, e a descarga de um é a alimentação de outro. O tanque atua portanto como amortecedor, para absorver variações violentas de carga. O nível tem possibilidade de variar consideravelmente, desde que se mantenha dentro de certos limites. O controlador é do tipo proporcional-integral, com faixa proporcional bastante larga. As vezes utilizam-se controladores especiais, de ganho dual ou "reset" dual. Na faixa de nível intermediária, o ganho é baixo, e o "reset" é lento; se o nível ultrapassar determinados limites para cima ou para baixo, o ganho passa a ser alto, ou o "reset" passa a ser rápido. A válvula deve ser dotada de posicionador. Em muitos casos a pressão interna do tanque pode oscilar violentamente, causando variações na variação de saída, e prejudicando dessa maneira o controle de nível. É interessante, então, utilizar um controle em cascata, sendo o controlador de nível o primário, e um controla dor da vazão de saída o secundário. Ambos os controladores deverão ser do tipo proporcional-integral. Para o controle de nível, a característica da válvula não ê importante. Vazão Sistemas de controle de vazão tem resposta extremamente rápida. Os atrasos ocorrem no sistema de medição, transmissão pneumática e válvula. O controlador normalmente utilizado é do tipo proporcional-integral, com uma banda proporcional bastante larga (em geral de mais de 100%), e ação integral rápida. Não deve ser usada ação derivativa. O elemento de medição mais comum é a placa de orifício. Se a válvula for instalada a montante da placa, deve-se prever cerca de 30 diâmetros da tubulação entre a válvula e a placa, para evitar turbulências que possam prejudicar a medição. É preferível instalar a válvula a jusante da placa, visto que um afastamento de cerca de 5 diâmetros é suficiente. No caso de gases, a medição é afetada pela pressão estática. Se a pressão a montante for constante, convém montar a válvula a jusante da placa. Se a pressão a jusante for constante, convém instalar a válvula a montante da placa. Quando a vazão e obtida a partir de uma bomba centrífuga, a válvula pode ser colocada na tubulação de saída. Quando a bomba for do tipo de deslocamento positivo, a válvula deve ser colocada numa tubulação em derivação, ligando a saída a entrada da bomba. A válvula nunca deve ser colocada na entrada da bomba, para evitar uma baixa pressão no lado da sucção. É frequente o controle da vazão através da própria bomba de deslocamento positivo, agindo-se sobre o curso da bomba, ou sobre a vazão de vapor ou a potência elétrica fornecidas à mesma. A resposta de um sistema pneumático de controle de vazão pode ser muito lenta, quando o transmissor e a válvula estiverem a uma distância considerável (mais de 100 metros) do controlador, devido ao tempo necessário para a propagação do sinal do transmissor para o controlador, e deste para a válvula. São propostas as seguintes soluções: 4
a) Utilizar-se indicador-controlador local; b) Utilizar-se controlador montado no campo, com indicação (e/ou registro), controle manual, chave de transferência automático/manual e indicações da saída e da posição da válvula no painel. Esse sistema exige 4 a 5 tubos de interligação entre o painel e o campo; c) Utilizar-se relés "booster" (repetidores), com relação 1:1 na linha; d) Aumentar-se o diâmetro das linhas pneumáticas de 1/4" para 3/8"; e) Utilizar-se instrumentos eletrônicos, que não apresentam esse problema. Recomenda-se, para o controle de vazão, o uso de válvulas com característica linear, quando o elemento primário tiver característica quadrática (placa de orifício, Venturi, bocal, etc.). A válvula deverá ser do tipo de igual porcentagem, quando o elemento primário tiver característica linear (medidor magnético, rotâmetro), ou quando o sinal quadrático for linearizado através de um extrator de raiz quadrada. Densidade O tipo de controlador adequado para o controle de densidade depende do processo. Se deseja controlar, p.ex., a densidade de um líquido na saída de um evaporador, o processo e essencialmente térmico, e serão válidas as considerações referentes ao controle de temperatura. Por outro lado, se o processo consiste na mistura de dois ingredientes para se obter a densidade desejada, e o "processo tiver grande capacidade, provavelmente será suficiente um controlador proporcional, eventualmente com ação integral. Umidade O controle de umidade se obtém através de aquecimento, resfriamento, umidificação e desumidificação. Geralmente se usa resfriamento para remover umidade, e vapor ou "spray" de água para aumentá-la. Quando se mede a umidade através de um sistema de bulbo seco e bulbo úmido, há necessidade de controlar tanto a temperatura do bulbo seco como a do bulbo úmido. Se as perturbações forem pequenas e pouco frequentes, o controle de duas posições ou proporcional será suficiente. Entretanto, a maioria dos processos que dependem de um controle preciso necessitam de controladores do tipo proporcional mais integral. ph Um exemplo de processo em que o controle de ph é bastante simples é o de fermentação, em que um reagente deve ser adicionado para manter o ph num valor ótimo. Para esse caso, um controle do tipo liga-desliga é geralmente suficiente. Em processos contínuos, nos quais um reagente é adicionado continuamente a uma solução para neutralizá-la ou obter um ph desejado, o controle pode ser bem mais difícil. Em muitos casos, uma pequena variação na proporção de reagente pode alterar de forma acentuada o valor do ph. Em geral, há necessidade de controle proporcionalintegral, eventualmente com ação derivativa. O uso de dois tanques de mistura em série, em que se leva o ph da saída do primeiro até um valor próximo do desejado, e efetuando-se o controle final no segundo tanque, pode ser uma solução. 5