Escolha e Seleção de Controles

Este tutorial se concentrará nas opções de controle automático disponíveis (como auto-ajustável, pneumático ou elétrico) e nas decisões que devem ser tomadas antes da seleção. Orientação é oferecida com base nas três considerações mais importantes: segurança, estabilidade e precisão.

Este Módulo se concentrará nas opções de controle automático disponíveis e nas decisões que devem ser tomadas antes da seleção. Orientação é oferecida aqui em vez de um conjunto de regras, pois as decisões reais dependerão de fatores variáveis; alguns dos quais, como custo, preferências pessoais e tendências atuais, não podem ser incluídos aqui.

Aplicação

É importante refletir sobre os três parâmetros básicos discutidos no início do Módulo 5.1: Segurança, Estabilidade e Precisão. Para selecionar a válvula de controle correta, são necessários detalhes da aplicação e do processo em si. Por exemplo:

• Existem recursos de segurança envolvidos? Por exemplo, a válvula deve falhar aberta ou falhar fechada em caso de falha de energia? É necessário controle separado para limites alto e baixo?
• Qual propriedade deve ser controlada? Por exemplo, temperatura, pressão, nível, vazão?
• Qual é o meio e suas propriedades físicas? Qual é a vazão?
• Qual é a pressão diferencial através de uma válvula de controle em toda a faixa de carga?
• Quais são os materiais da válvula e as conexões de extremidade?
• Que tipo de processo está sendo controlado? Por exemplo, um trocador de calor usado para aquecimento ou fins de processo?
• Para controle de temperatura, a temperatura de setpoint é fixa ou variável?
• A carga é estável ou variável e, se for variável, qual é a escala de tempo para mudança, rápida ou lenta?
• Quão crítica é a temperatura a ser mantida?
• É necessário controle de malha única ou multi-malha?
• Quais outras funções (se houver) devem ser realizadas pelo controle? Por exemplo, controle normal de temperatura de um sistema de aquecimento, mas com proteção contra congelamento adicional durante os períodos de desligamento?
• A planta ou processo está em uma área perigosa?
• A atmosfera ou o ambiente é corrosivo por natureza ou a válvula deve ser instalada externamente ou em uma área ‘suja’?
• Qual força motriz está disponível, como eletricidade ou ar comprimido, e em qual voltagem e pressão?

Força motriz

Esta é a fonte de energia para operar o controle e acionar a válvula ou outro dispositivo controlado. Normalmente será eletricidade, ou ar comprimido para um sistema pneumático, ou uma mistura de ambos para um sistema eletropneumático. Sistemas de controle auto-ajustáveis não requerem forma externa de energia para operar; geram sua própria energia a partir de um sistema hidráulico ou de pressão de vapor fechado. Até certo ponto, os detalhes da aplicação em si podem determinar a escolha da energia de controle. Por exemplo, se o controle estiver em uma área perigosa, controles pneumáticos ou auto-ajustáveis podem ser preferíveis a controles elétricos/eletrônicos intrinsecamente seguros ou à prova de explosão caros. As seguintes características são listadas como um comentário geral sobre as várias opções de fonte de energia:

Controles auto-ajustáveis

Vantagens:

• Robustos, simples, tolerantes a ambientes ‘hostis’.
• Fáceis de instalar e comissionar.
• Fornecem controle proporcional com faixa de turndown muito alta.
• Controles podem ser obtidos que falham abertos ou falham fechados em caso de ultrapassagem inaceitável de temperatura.
• São seguros em áreas perigosas.
• Relativamente livres de manutenção. Desvantagens:
• Controles de temperatura auto-ajustáveis podem ser relativamente lentos para reagir, e as funções de controle Integral e Derivativo não podem ser fornecidas.
• Dados não podem ser retransmitidos.

Controles pneumáticos

Vantagens:

• Robustos.
• Operam muito rapidamente, tornando-os adequados para processos onde as variáveis de processo mudam rapidamente.
• Os atuadores podem fornecer uma alta força de fechamento ou abertura para operar válvulas contra altas pressões diferenciais.
• O uso de posicionadores de válvula garantirá controle preciso e repetível.
• Controles pneumáticos puros são intrinsecamente seguros e os atuadores fornecem operação suave.
• Podem ser dispostos para fornecer operação falha aberta ou falha fechada sem custo ou dificuldade adicional. Desvantagens:
• O sistema de ar comprimido necessário pode ser caro de instalar, se nenhuma fornecimento já existir.
• Manutenção regular do sistema de ar comprimido pode ser necessária.
• O modo de controle básico é liga/desliga ou proporcional, embora combinações de P+I e P+I+D estejam disponíveis, mas geralmente a um custo maior do que um sistema de controle eletrônico equivalente.
• Instalação e comissionamento são simples e de natureza mecânica.

Controles elétricos

Vantagens:

• Posicionamento altamente preciso.
• Controladores estão disponíveis para fornecer alta versatilidade com modos de controle liga-desliga ou P+I+D, e saídas multifuncionais. Desvantagens:
• As válvulas elétricas operam relativamente devagar, o que significa que nem sempre são adequadas para parâmetros de processo que mudam rapidamente, como controle de pressão em cargas que mudam rapidamente.
• A instalação e o comissionamento envolvem ofícios elétricos e mecânicos, e o custo de cabeamento e instalação de uma fonte de alimentação separada deve ser considerado.
• Atuadores elétricos tendem a ser menos suaves que seus equivalentes pneumáticos. Atuadores com retorno de mola são necessários para funções de falha aberta ou falha fechada: isso pode reduzir substancialmente a força de fechamento disponível e geralmente custam mais.
• Controles elétricos intrinsecamente seguros ou à prova de explosão são necessários para uso em áreas perigosas; são uma opção cara e, como tal, uma solução pneumática ou eletropneumática pode ser necessária, conforme descrito abaixo. Técnicas de instalação especiais são necessárias para esses tipos de áreas perigosas.

Controles eletropneumáticos

Vantagens:

• Controles eletropneumáticos podem combinar as melhores características de controles eletrônicos e pneumáticos. Tais sistemas podem consistir em válvulas acionadas pneumaticamente, controladores elétricos/eletrônicos, sensores e sistemas de controle, além de posicionadores ou conversores eletropneumáticos. A combinação fornece a força e a operação suave de um atuador/válvula pneumática com a velocidade e precisão de um sistema de controle eletrônico. Operação falha aberta ou falha fechada pode ser fornecida sem penalidade de custo e, usando barreiras adequadas e/ou confinando a parte elétrica/eletrônica do sistema de controle em áreas ‘seguras’ (não perigosas), eles podem ser onde a segurança intrínseca é necessária. Desvantagens:
• Fornecimentos elétricos e de ar comprimido são necessários, embora isso normalmente não seja um problema em ambientes de processamento industrial. Existem três fatores importantes a serem considerados ao avaliar a aplicação e a fonte de energia necessária:
• Mudanças na carga.
• Se o valor de setpoint é crítico ou não crítico.
• Se o valor de setpoint precisa ser variado. Os diagramas nas Figuras 5.4.1 e 5.4.2 ajudam a explicar.

Que tipo de controles devem ser instalados?

Diferentes aplicações podem exigir diferentes tipos de sistemas de controle. Controles auto-ajustáveis e pneumáticos podem ser usados se as variações de carga forem razoavelmente lentas e se o offset puder ser aceito, caso contrário, controles eletropneumáticos ou elétricos devem ser usados. A Figura 5.4.3 mostra algumas aplicações diferentes e sugestões sobre qual método de controle pode ser aceitável.

Tipos de válvulas e atuadores

O tipo de atuador é determinado pela força motriz que foi selecionada: auto-ajustável, elétrica, pneumática ou eletropneumática, juntamente com a precisão de controle e a velocidade do atuador necessárias. No que diz respeito à seleção de válvulas, com vapor como meio fluido, a escolha é restrita a uma válvula de duas vias. No entanto, se o meio for água ou outro líquido, há a escolha entre válvulas de duas vias ou três vias. Seus efeitos básicos na dinâmica do sistema de tubulação já foram discutidos. Uma aplicação com água normalmente determinará se uma válvula de três vias é usada para misturar ou desviar o fluxo de líquido. Se as mudanças na pressão do sistema com válvulas de duas vias forem aceitáveis, suas vantagens em comparação com válvulas de três vias incluem menor custo, simplicidade e uma instalação menos dispendiosa. A escolha de válvulas de duas vias também pode permitir que a mudança inerente da pressão do sistema seja usada para ligar bombas sequenciais, ou para reduzir ou aumentar a taxa de bombeamento de uma bomba de velocidade variável de acordo com a demanda de carga. Ao selecionar a válvula real, todos os fatores considerados anteriormente devem ser levados em conta, incluindo: material do corpo, limites de pressão/temperatura do corpo, conexões necessárias e o uso do método de dimensionamento correto. Também é necessário garantir que a seleção da combinação válvula/atuador possa operar contra a pressão diferencial experimentada em todos os estados de carga. (A pressão diferencial em sistemas de vapor é geralmente considerada como a pressão absoluta máxima do vapor a montante. Isso permite a possibilidade de vapor a pressão subatmosférica no lado a jusante da válvula).

Controladores

A segurança é sempre de grande importância. Em caso de falha de energia, a válvula deve falhar de forma segura na posição aberta ou fechada? O controle deve ser de ação direta (sinal de saída do controlador aumenta com o aumento da variável medida) ou de ação reversa (sinal de saída do controlador diminui com o aumento da variável medida)? Se a aplicação exigir apenas controle liga/desliga, um controlador pode não ser necessário. Um atuador de duas posições pode ser operado a partir de um dispositivo de comutação, como um relé ou um termostato. Quando uma aplicação exige versatilidade, a capacidade multifuncional de um controlador eletrônico é necessária; talvez com controle de temperatura e tempo, multi-malha, multi-entrada/saída. Tendo determinado que um controlador é necessário, é necessário determinar qual ação de controle é necessária, por exemplo, liga/desliga, P, P I ou P I D. A escolha feita depende da dinâmica do processo e dos tipos de resposta considerados anteriormente, além da precisão de controle necessária. Antes de prosseguir, é útil definir o que se entende por ‘bom controle’. Não há uma resposta simples para esta questão. Considere as diferentes respostas a mudanças de carga conforme mostrado na Figura 5.4.4.

O controle auto-ajustável é normalmente adequado para aplicações onde há uma capacidade térmica ‘lado secundário’ muito grande em comparação com a capacidade ‘lado primário’.

Considere um calorífero de armazenamento de água quente conforme mostrado na Figura 5.4.5, onde o grande volume de água armazenada é aquecido por uma serpentina de vapor.

Quando a água no vaso estiver fria, a válvula estará bem aberta, permitindo que o vapor entre na serpentina, até que a água armazenada seja aquecida à temperatura desejada. Quando a água quente for retirada do vaso, a água fria que entra no vaso para substituí-la reduzirá a temperatura da água no vaso. Os controles auto-ajustáveis terão uma banda proporcional relativamente grande e, assim que a temperatura cair, a válvula começará a abrir. Quanto mais fria a água, mais aberta a válvula de vapor.

A Figura 5.4.6 mostra um trocador de calor de placas sem armazenamento com pouca capacidade de armazenamento térmico tanto no lado primário quanto no secundário, e com um tempo de reação rápido. Se a carga mudar rapidamente, pode não ser possível para um sistema de controle auto-ajustável operar com sucesso. Uma solução melhor seria usar um sistema de controle que reaja rapidamente às mudanças de carga e forneça precisão ao mesmo tempo.