SISTEMA DE CONTROLE DE NÍVEL DE ÁGUA DE UM TANQUE

Prévia do material em texto

SISTEMAS DE CONTROLE 
1. INTRODUÇÃO
Para obtenção de valores desejados de saída para uma determinada variável de entrada é fundamental que exista um sistema de controle do processo. Dentre muitos processos de controle pode-se destacar o de temperatura, vazão, velocidade e o de nível. A finalidade do controle de processos é manter as variáveis de processo nas condições desejadas com um mínimo custo operacional [1]. 
Mudança nas condições de alimentação do processo e no ambiente (perturbações) estão sempre acontecendo e se nenhuma ação for tomada importantes variáveis do processo não alcançarão as condições desejadas. Porém, esta ação deve ser estabelecida de modo que se assegure a segurança dos equipamentos e dos trabalhadores, a qualidade do produto e produção com um mínimo custo de investimento [2]. 
Os elementos básicos que compõem um sistema de controle são: 
· Processo – conjunto de atividades ou passos que objetivam atingir uma meta, onde ocorrerão as mudanças
· Variável controlada – variável sobre a qual o controle atua, no sentido de manter um determinado comportamento desejável no processo
· Variável manipulada – qualquer variável do processo que causa uma variação rápida na variável controlada e que seja fácil de manipular
· Valor desejado (setpoint) – sinal de entrada que estabelece o valor desejado da variável controlada. O setpoint e a variável controlada são expressos nas mesmas unidades
· Variável de perturbação: variável que produz desvio entre a variável controlada e o valor desejado
· Medidor: elemento através do qual é mostrado o comportamento das variáveis. 
· Controlador: instrumento que avalia as condições e cuja saída é modificada para regular uma variável controlada.
· Atuador: parte do elemento final de controle que recebe o sinal de acionamento.
Assim, o problema de controle consiste em determinar os sinais adequados a serem aplicados a partir da saída desejada e do conhecimento do processo [3]. 
2. SISTEMA DE CONTROLE DE NÍVEL DE TANQUE
 O controle de nível é bastante comum nas indústrias dos ramos químico, petroquímico, de celulose e de alimentos. A medição de nível no contexto industrial consiste na capacidade de avaliação do estoque de tanques de armazenamento e no controle dos processos contínuos em que existam volumes líquidos ou sólidos, de acumulação temporária, amortecimento, mistura, dosagem, resistência, entre outros. Assim, esse processo quando utilizado de maneira criteriosa e planejada, reduz custos, aumenta a produtividade e contribui com a qualidade e a segurança da produção [4]. 
O sistema analisado consiste em uma bomba centrífuga com 3380 rpm com um reservatório que alimenta com água um tanque com secção transversal constante. O nível de água no tanque é medido utilizando-se um sensor de pressão diferencial que mede a diferença de pressão entre as suas duas entradas e pode ser calibrado para fornecer um sinal analógico proporcional à altura da coluna de água. A Figura 1 a seguir mostra os principais componentes do sistema analisado.
Figura 1 – Esquema do processo analisado. Fonte: próprio autor.
O objetivo desse sistema é manter o nível de água na altura desejada ajustando o fluxo de entrada. Os elementos do sistema são:
· Processo: nível de tanque de água 
· Variável controlada: nível do tanque
· Variável manipulada: fluxo de entrada
· Valor desejado: altura máxima de 40 cm
· Variável de perturbação: fluxo de saída
· Medidor: sensor de pressão diferencial calibrado
· Atuador: inversor de frequência Sinamics G110
· Controlador: computador
O sistema ocorre em malha fechada que é caracterizado pela existência de uma realimentação. Dessa maneira, é possível realizar correções no erro entre o valor desejado o valor do processo, o sinal de erro é a diferença entre os sinais de entrada e o de realimentação, que normalmente é o sinal de saída do sistema [5]. O diagrama de blocos a seguir ilustra a malha de controle. 
Figura 2 – Diagrama de blocos do sistema de controle. Fonte: próprio autor.
O controle do processo visa manter o nível em uma altura máxima de 40 cm, o sensor de pressão diferencial detecta o nível do tanque e o resultado dessa medição é comparado com o valor desejado. Com a diferença entre os valores, realiza-se uma ação. O inversor de frequência atua na velocidade da bomba, quando a altura está próxima do nível máximo a velocidade de rotação diminui e quando está distante da altura máxima a velocidade aumenta, assim manipula-se o fluxo de entrada e, consequentemente a altura do fluido dentro do tanque. 
3. SISTEMA DE CONTROLE DE AQUECIMENTO DE AR
O controle de temperatura apresenta grande importância nas diversas matrizes, sejam elas cotidianas, ou de aplicações industriais. O controle de temperatura é feito a partir de um sinal recebido de um elemento sensor para que este gere a ação desejada de manter a temperatura pré-estabelecida após passar pelos demais componentes do sistema, cuja composição variará de acordo com suas características de aplicação [6]. 
O sistema analisado consiste em um processo de aquecimento do ar com resistência elétrica, o objetivo é aquecer o fluxo de ar, mantendo uma temperatura de 20°C até 80°C. O sistema apresenta os seguintes componentes:
· Controlador Watlow 93: baseado em microprocessador com entrada única e saída dupla, utilizado para controlar a temperatura do sistema, fornecendo o sinal de saída quando a temperatura está fora de uma faixa específica [7].
· Relé de estado sólido: um componente semicondutor destinado a realizar modificações súbitas, mas predeterminadas em um ou mais circuitos de saída, não possuindo elementos mecânicos ou peças móveis em seus mecanismos [8].
· Resistência: utilizada para o aquecimento do sistema com potência de 2000 W, trabalhando com a tensão de 220V monofásico, com uma corrente passando de 10A. 
· PT100: um sensor de temperatura que contêm um resistor que altera o valor da resistência conforme sua temperatura se altera. O PT-100 apresenta uma resistência de 100Ω na temperatura de 0°. Esta resistência varia (praticamente) de forma linear com a variação de temperatura. A platina é geralmente utilizada no sensor, por poder ser utilizada em uma larga faixa de temperaturas, variando entre -248 ºC e 962 ºC, além de ser resistente contra oxidação [9].
A Figura 3 a seguir apresenta uma representação esquemática dos principais componentes do sistema de aquecimento de ar descrito anteriormente. 
 Figura 3 – Esquema do sistema de aquecimento
O objetivo do sistema de controle é manter a temperatura do ar de saída no valor desejado. Os elementos do sistema são:
· Processo: aquecimento de ar
· Variável controlada: temperatura de saída do ar
· Variável manipulada: potência elétrica da resistência 
· Valor desejado: entre 20° e 80° C
· Variável de perturbação: perda de calor para ambiente
· Medidor: sensor de temperatura PT100
· Atuador: relé de estado sólido 
· Controlador: Watlow 93
O sistema ocorre em malha fechada utilizando a realimentação para reduzir o erro do sistema, ajustando as variáveis para compensar as perturbações do sistema. O diagrama de blocos a seguir ilustra a malha de controle. 
 Figura 4 – Diagrama de blocos do sistema de aquecimento de ar
A temperatura de saída do ar é influenciada pela potência elétrica da resistência de aquecimento, a temperatura do ar de admissão, a perda de calor para o ambiente entre outros fatores. Assim, o sistema de controle do processo visa manter a temperatura do ar na saída na faixa entre 20°C e 80°C. O sensor de temperatura PT100 irá detectar a temperatura na operação, e o resultado da sua medição é comparado com o valor desejado da temperatura. Com base na diferença entre os valores, o controlador Watlow 93 recebe o sinal enviado pelo sensor e aciona os comandos para aquecer ou resfriar, a fim de alcançar ou manter a temperatura desejada. Quando a temperatura do ar de saída é inferior à temperatura desejada, a potência da resistência elétrica de aquecimento é aumentada. E quando a temperatura é superior, a potênciaé reduzida. O controlador Watlow 93 manda o sinal de comando para o atuador que irá acionar a carga, assim o relé de estado sólido executa o mecanismo. 
4. REFERÊNCIAS
[1] GOSMANN, H. L. Um Sistema multivariável de tanques acoplados para avaliação de técnicas de controle. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Faculdade de Tecnologia, Universidade de Brasília, Distrito Federal, 2002.
[2] KALID, R. A. Controle de processos. Notas de aula. Disponível em: <http://www.lacoi.ufba.br/upload/Controle%20de%20Processos%20Quimicos.pdf>. Acesso em: 16 de jun. de 2021. 
[3] BAYER, F. M.; ARAÚJO, O. C. B. Controle automático de processos. Curso técnico em automação industrial. 3. ed. Santa Maria, 2011.
[4] O QUE É MEDIÇÃO DE NÍVEL? LINCE – Instrumentação industrial. Disponível em: <https://instrumentos-lince.com.br/o-que-e-medicao-de-nivel/>. Acesso em: 16 de jun. de 2021.
[5] JARDIM, I. V. Sistema didático de controle de nível em tanques acoplados. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal do Espírito Santo, Vitória, 2019. 
[6] SOUZA, L. C.; ROCHA, A. F. F.; VIANA, T. N. Análise da implementação do controle de temperatura em uma indústria automotiva. XII Simpósio de Excelência em Gestão e Tecnologia, Resende, Rio de Janeiro, 2015. Disponível em: <https://www.aedb.br/seget/arquivos/artigos15/21622462.pdf>. Acesso em: 16 de jun. de 2021.
[7] USING THE WATLOW SERIES 93 TEMPERATURE CONTROLLER IN A THERMO SCIENTIFIC SOLA II SYSTEM. Thermo Fisher Scientific. Disponível em: <https://assets.thermofisher.com/TFS-Assets/LSG/Warranties/D20395~.pdf > Acesso em: 16 de jun. de 2021.
 [8] O QUE É RELÉ DE ESTADO SÓLIDO?. Mundo da eletrica. Disponível em: <https://www.mundodaeletrica.com.br/o-que-e-rele-de-estado-solido/>. Acesso em: 16 de jun. de 2021.
 [9] SENSOR DE TEMPERATURA PT100. Iope. Disponível em: <https://www.iope.com.br/ sensor-temperatura-pt100>. Acesso em: 16 de jun. de 2021.