Resultados Experimentais

Esta seção apresenta os resultados experimentais obtidos em uma planta didática da SMAR, que pertence ao Laboratório de Automação em Petróleo (LAUT) da UFRN.

Ambiente Experimental

Para a realização dos testes práticos foi utilizada uma planta didática da SMAR, apresentada na Figura 10. Essa planta possui um controlador multi loop, o CD600, que tem capacidade de controlar simultaneamente 4 loops (simples ou cascata) com mais de 8 PIDs (4 com controle avançados) e com mais de 120 blocos avançados de controle que se comunicam com os instrumentos de medição e atuação através do protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer). No que se refere à comunicação entre o computador e a planta didática (CD600), o sistema responde pelo protocolo aberto OPC (OLE for Process Control), onde via software Matlab/Simulink(R) da Mathworks é possível implementar os algoritmos de controle.

O protocolo de comunicação HART é um padrão de comunicação industrial que trabalha com instrumentos microprocessados os quais possuem sinais de corrente entre 4-20 mA. Esses sinais são largamente utilizados como forma de transmitir uma informação do processo para um elemento de controle, como um computador, por exemplo.

O objetivo da planta é demonstrar didaticamente a operação das diversas malhas de controle utilizando os mesmos equipamentos e ferramentas de configuração, em software, desenvolvidos para aplicação em controle industrial. O esquema da Figura 11 representa a instrumentação da planta, mostrando os principais componentes que a constituem e os caminhos físicos para o fluido do processo.

O funcionamento consiste basicamente na circulação de líquido em tanques, podendo existir estratégias diferentes de atuação sobre esse líquido. Como visto, existe um tanque de abastecimento responsável por armazenar o fluido a ser usado no processo. Nesse tanque central não existe nenhum controle nem automatismo. Para ser transportado, o fluido pode ser retirado por duas bombas, sendo que uma o destina para o tanque de aquecimento e a outra para o tanque de mistura. Na entrada de cada um desses tanques possui uma válvula controladora equipada com um posicionador, que controla a vazão de saída, sendo comandada pelo sinal analógico de 4-20 mA proveniente do CD600, além de válvulas de operação manual. Ao longo das tubulações e nos tanques, existem alguns transdutores que são utilizados para mensurar as grandezas físicas, como: vazão, nível e temperatura. Ao final, o fluido retorna para o tanque de abastecimento.

Malha de Vazão

Os experimentos se destinam ao controle de vazão, desta forma, foi feita uma configuração na planta com as válvulas manuais, de modo que o líquido circulasse apenas por uma parte da tubulação, sendo possível sua medição e controle. Para o controle em malha fechada de vazão, foi utilizado um controlador PI. Como será visto mais adiante, esse processo é um pouco ruidoso, devido também à atuação da válvula. Nas Figuras 12 e 13 estão apresentados os principais componentes da planta utilizados para o controle da malha de vazão e o seu fluxograma, respectivamente.

Medidor de Vazão, Válvula de Controle, Posicionador e Sensor HALL

A medição da vazão da planta didática é feita pelo LD301 (SMAR), instrumento transmissor de pressão que possui um algoritmo de controle PID incorporado e suporte à tecnologia HART. Esse transmissor foi projetado para o uso em controle de processos industriais, sendo bastante robusto. Ele é capaz de medir pressão diferencial, absoluta, manométrica, nível e vazão, de fluídos de processos que trabalham com líquidos, gases ou vapores. Possui um display que mostra a variável medida, no caso a vazão do processo. O sensor utilizado por esse transmissor para medir pressão é do tipo célula capacitiva, que é constituído por dois capacitores de valores variáveis.

O LD301 pode ser configurado para operar no modo transmissor ou modo controlador. No primeiro modo, o equipamento gera um sinal de corrente de acordo com o nível medido. Já no segundo modo, ele é capaz de controlar a corrente de saída para manipular o atuador, obedecendo a uma determinada lei de controle. Neste trabalho o LD301 está configurado para o modo transmissor.

A Figura 14 apresenta o conjunto da válvula de controle, posicionador e sensor de efeito HALL.

A válvula de controle da Valtek Sulamericana é do tipo globo, com sede simples, que é responsável pelo controle do fluxo de água na malha. O corpo da válvula possui um diâmetro de 0.5", gaxetas de teflon, característica de vazão de igual porcentagem. Possui atuador do tipo multimola e tamanho diafragma 6, com uma excursão completa da haste de 3/4". A válvula em uso é do tipo ar para abrir, caso ocorra uma pane no sistema, por exemplo, a falta de suprimento de ar na tubulação pneumática, a válvula se fecha.

O posicionador de válvulas é o FY301 (SMAR) em sistema HART, para válvulas de controle pneumáticas linear de ação simples ou dupla e válvulas de controle rotativo. Possui medidores de pressão dentro das câmaras internas. São instrumentos microprocessados que convertem sinais de corrente para posição. Posiciona de 0% a 100% a válvula, ou seja, produz a pressão de saída requerida para posicionamento de acordo com a corrente de 4-20 mA recebida do instrumento de controle. Na Figura 15 é apresentado o diagrama de blocos do posicionador atuando no controle de posição da haste da válvula.

Na malha de controle a qual estamos estudando (planta didática da SMAR), não existe um conversor I/P, aqui o posicionador é o instrumento responsável por ajustar a pressão para alimentação da válvula de controle.

O FY301 permite a configuração de vários parâmetros, como tempo de abertura, tempo de fechamento, linearização do set point da válvula, parâmetros PI (proporcional e integral) e outros. Existem, também, os parâmetros avançados que podem determinar, por exemplo, se o ar comprimido é para abrir ou fechar a válvula (princípio de funcionamento pneumático). Isso permite a obtenção de várias curvas de resposta, de acordo com as necessidades do projeto. A característica de vazão da válvula de controle é do tipo igual porcentagem, porém foi configurado no posicionador uma característica de vazão linear.

Para o funcionamento adequado, o fabricante recomenda ar comprimido seco, limpo, não corrosivo e com pressão entre 1,4 Bar (20 Psi) a 7 Bar (100 Psi), respeitando as normas de qualidade do ar para a instrumentação. O posicionador não necessita de fonte externa para alimentação. A própria corrente de 4-20 mA da linha de transmissão HART (a dois fios) é encarregada de alimentá-lo.

O sensor HALL determina a posição atual do atuador e faz a realimentação para o controle, sem contato mecânico. Não existe contato entre a válvula e o sensor de posição. O sensor de efeito HALL detecta mudanças no fluxo magnético através da movimentação dos imãs que estão montados no eixo da válvula, fornecendo, assim, um sinal proporcional da posição real. Como não existe nenhum contato entre o imã e o sensor de posição, o posicionador não é afetado pela vibração.