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<p>P3 – Controle de Processo Químico</p><p>Laboratório Engenharia Química IV</p><p>Controle de vazão básico: Operação de um sistema de controle</p><p>de vazão em malha fechada.</p><p>Resumo</p><p>A prática realizada teve como objetivo controlar a taxa de vazão de um líquido (água) utilizando um sensor de roda de pás</p><p>-paddlewheel- em conjunto com um controlador PID em uma configuração de malha fechada. Durante o experimento, foi</p><p>possível observar a eficácia da ação de controle proporcional na manutenção da vazão desejada, ajustando-se conforme o erro</p><p>medido. Ademais, em situações onde os distúrbios eram rápidos o suficiente para causar oscilações no sistema, a inclusão da</p><p>ação derivativa se mostrou necessária para proporcionar uma resposta imediata às variações de carga.</p><p>Introdução</p><p>A medição e o controle da vazão são procedimentos</p><p>essenciais em diversos sistemas de controle de processos.</p><p>Independentemente da variável de processo em questão,</p><p>como temperatura, nível ou pressão, a vazão</p><p>frequentemente constitui a variável manipulada. A</p><p>precisão na medição e o controle eficaz da vazão são</p><p>fundamentais para a otimização do desempenho do</p><p>sistema e a manutenção da estabilidade operacional.</p><p>Em uma malha de controle de nível, o sensor é</p><p>projetado para medir o nível do fluido e fornecer um sinal</p><p>de realimentação ao controlador. No caso de uma malha</p><p>de controle de vazão, o sensor de nível é configurado para</p><p>medir a vazão do fluido. O controlador, baseado no sinal</p><p>de realimentação, determina a ação necessária para ajustar</p><p>a saída do elemento final, como uma válvula. Esta</p><p>válvula, por sua vez, modula a vazão do fluido,</p><p>ajustando-a para que se aproxime ou iguale ao valor de</p><p>setpoint desejado (Amatrol, 2013). A Figura 1 ilustra um</p><p>exemplo típico de controle de vazão.</p><p>Figura 1. Malha de controle de vazão.</p><p>O método de controle mais frequentemente empregado</p><p>em sistemas de controle de vazão é o controle</p><p>Proporcional-Integral (PI). Este método é particularmente</p><p>eficaz em lidar com perturbações de carga frequentes,</p><p>permitindo uma resposta rápida a essas variações (Kalid,</p><p>2004), conforme ilustrado na Figura 2.</p><p>Figura 2. Resposta do sistema usando o Controle PI.</p><p>No entanto, se as perturbações causadas pela carga</p><p>forem suficientemente grandes e rápidas a ponto de</p><p>induzir oscilações no sistema, pode ser necessário</p><p>adicionar o modo Derivativo ao controle PI. A inclusão</p><p>do modo Derivativo proporciona uma resposta imediata às</p><p>mudanças na carga e ajuda a prevenir a ocorrência de</p><p>oscilações, conforme mostrado na Figura 3. Este método</p><p>é conhecido como controle</p><p>Proporcional-Integral-Derivativo (PID).</p><p>Figura 3. Resposta do sistema usando o Controle PID.</p><p>O objetivo desta prática foi controlar a taxa de vazão,</p><p>medida por um sensor de roda de pás (paddlewheel),</p><p>utilizando um controlador PID em uma configuração de</p><p>malha fechada.</p><p>Módulo da Prática</p><p>Após ligar o compressor de ar, iniciou-se a</p><p>prática ajustando a pressão para 20 psi, até o reservatório</p><p>encher. Com o reservatório totalmente cheio abriu-se as</p><p>válvulas manuais de dreno, e com elas abertas abriu-se as</p><p>válvulas manuais de controle de vazão.</p><p>Com todas as válvulas abertas foi conectado o</p><p>circuito que possibilita medir, monitorar e controlar a</p><p>vazão utilizando linhas de processo.</p><p>Assim, com todas as válvulas e parâmetros</p><p>ajustados, ligou-se o lockout-tagout, o interruptor</p><p>principal do circuito foi ligado. A bomba foi acionada e</p><p>ajustou-se a válvula de controle até que a vazão fosse de</p><p>1,2 gpm.</p><p>Para automatizar o controle de vazão ligou-se a</p><p>bomba de circulação, com a função man-auto, e a tecla</p><p>lower display que mostrou a saída do controlador.</p><p>Observou-se o Pv alcançado e que o mesmo permaneceu</p><p>sem modificações por mais de 2 minutos considerado</p><p>estável. Com o controlador estável, desligou-se a bomba,</p><p>o processo que acima foi repetido, foi registrado o tempo</p><p>necessário para estabilizar o controlador.</p><p>No caso de distúrbios, para poder provar que os</p><p>mesmos ocorreram, foi utilizado o modo manual, ativado</p><p>pela tecla man-auto, foi alterada a saída do controlador</p><p>para 0,0. Ajustou-se a válvula de vazão manualmente, até</p><p>uma vazão de 1,0 gpm, com essa vazão o controlador foi</p><p>colocado no modo automático, usando a tecla man-auto,</p><p>com ele já automatizado, acionou-se a tecla lower display</p><p>para mostrar a saída do controlador. Anotou-se os dados</p><p>obtidos aṕos o sistema se manter estável durante 2</p><p>minutos, o mesmo processo foi feito para vazões</p><p>diferentes.</p><p>Utilizando o modo manual alterou-se o SP para</p><p>um valor maior, deixando a referência em 1,2 gpm,</p><p>colocando o controlador no modo automático e depois</p><p>utilizando o lower display para mostrar a saída. Com o</p><p>controlador estável, foram anotados os resultados.</p><p>Repetiu-se o mesmo processo, com alteração do valor de</p><p>SP para 0,5 gpm.</p><p>Para controlar a vazão, utilizando o controlador</p><p>proporcional, foi desligada a bomba de circulação e</p><p>colocado o controlador no modo manual com a vazão</p><p>zerada. Em seguida, no menu setup, o controlador foi</p><p>alterado para função algorithm e os parâmetros foram</p><p>ajustados para PD+MR. Ajustou-se também o tuning,</p><p>alterando o parâmetro MAINSET para 0. Com todos</p><p>esses parâmetros alinhados colocou-se o ponto de</p><p>referência em 0,8 gpm e a bomba foi ligada, com o</p><p>controlador no automático e o display de saída do</p><p>controlador ligado, foram observados os dados obtidos</p><p>com o sistema estável. O processo foi repetido, utilizando</p><p>uma referência de 0,90 gpm.</p><p>Com a bomba ligada ajustou-se os parâmetros de</p><p>SP para 0,8 gpm, com o controlador no modo automático</p><p>e o display ligado, anotou-se os resultados com o sistema</p><p>estável. Desligou-se a bomba e quando a vazão atingiu o</p><p>valor zero, o controlador foi alterado para modo manual.</p><p>No o setup foi selecionada a ação tuning, usando a tecla</p><p>func loop foi selecionada a opção de gain e ajustada para</p><p>3,2. Com todos os parâmetros ajustados, a bomba foi</p><p>ligada e o controlador foi colocado no modo automático,</p><p>ligou-se o display e verificou-se os resultados com o</p><p>sistema estável. Repetiu-se o mesmo processo para um</p><p>gain de 15,0.</p><p>Com todos os passos seguidos, a bomba foi</p><p>desligada, todas as válvulas foram fechadas, o compressor</p><p>de ar e o interruptor principal foram desligados, e o</p><p>circuito foi desconectado.</p><p>Resultados e Discussão</p><p>A Figura 4 mostra a configuração dos</p><p>parâmetros no controlador HoneyWell UDC 3500 durante</p><p>o processo.</p><p>Figura 4. Parâmetros do controlador PID</p><p>No quadro 1 a seguir estão dispostos os</p><p>resultados obtidos durante a prática de controle de vazão</p><p>básica.</p><p>Quadro 1. Resultados obtidos.</p><p>Laboratório de Engenharia Química I – 1º semestre/2024</p><p>Controle Automático de Vazão</p><p>PV estável (gpm) 0,80</p><p>Saída do controlador (%) 60</p><p>Erro (gpm) 0</p><p>Efeito de Mudança na Configuração Integral (RSET</p><p>MIN em 0,1 minutos)</p><p>Tempo para estabilização (s) 90</p><p>PV estável (gpm) 0,80</p><p>Saída do controlador (%) 60,5</p><p>Erro (gpm) 0</p><p>Efeito de Mudança na Configuração Integral (RSET</p><p>MIN em 0,05 minutos)</p><p>Tempo para estabilização (s) 70</p><p>PV estável (gpm) 0,80</p><p>Saída do controlador (%) 60,5</p><p>Erro (gpm) 0</p><p>Resposta do sistema a um distúrbio provocado</p><p>PV estável (gpm) 0,80</p><p>Saída do controlador (%) 49</p><p>Erro (gpm) 0</p><p>Resposta do sistema ao aumento do valor de SP</p><p>PV estável (gpm) 0,80</p><p>Saída do controlador (%) 55,2</p><p>Erro (gpm) 0</p><p>Resposta do sistema a diminuição do valor de SP</p><p>Saída do controlador (%) 73</p><p>Controle da vazão usando controle proporcional</p><p>PV estável (gpm) 1,05</p><p>Saída do controlador (%) 41,7</p><p>OFFSET (gpm) 0,25</p><p>Resposta proporcional do sistema usando SP = 1,0 gpm</p><p>PV estável (gpm) 1,17</p><p>Saída do controlador (%) 28,5</p><p>OFFSET (gpm) 0,17</p><p>Resposta proporcional do sistema usando SP = 0,8 gpm</p><p>PV estável (gpm) 1,06</p><p>Saída do controlador (%) 43,7</p><p>OFFSET (gpm) 0,26</p><p>Resposta proporcional do sistema usando GAIN = 3,2</p><p>PV estável (gpm) 1,01</p><p>Saída do controlador (%) 44,2</p><p>OFFSET (gpm) 0,21</p><p>Resposta proporcional do sistema usando GAIN = 15,0</p><p>PV estável (gpm) 0,85</p><p>Saída do controlador (%) 54,2</p><p>OFFSET (gpm) 0,0</p><p>Na etapa de controle automático de vazão,</p><p>notou-se que o controlador alcançou um estado estável</p><p>em 8,0 gpm, e o erro foi de 0</p><p>gpm. É possível alcançar o</p><p>SP por causa do controle integral. O sistema levou</p><p>aproximadamente 4 minutos para alcançar o estado</p><p>estável.</p><p>Na etapa de mudança do RSET MIN em 0,1</p><p>minutos, o sistema alcançou o estado estável em</p><p>aproximadamente 90 segundos. O aumento na ação</p><p>integral faz com que o sistema responda mais rápido e</p><p>ainda torna-se estável no valor de SP. A saída do</p><p>controlador é próxima ao valor de saída obtido na etapa</p><p>de controle automático.</p><p>Com a mudança do RSET MIN para 0,05</p><p>minutos, o sistema estabilizou em 70 segundos,</p><p>novamente o aumento na ação integral faz com que o</p><p>sistema responda mais rápido e ainda torna-se estável no</p><p>valor de SP. A saída do controlador é próxima ao valor</p><p>de saída obtido na etapa de controle automático.</p><p>A resposta do sistema a um distúrbio provocado</p><p>é a diminuição da saída do controlador. Isto ocorre porque</p><p>a válvula de controle de diafragma deve ser mais aberta</p><p>para manter a vazão em 0,8 gpm com uma vazão máxima</p><p>menor.</p><p>O aumento do valor de SP deveria alterar a saída</p><p>do controlador para 0%, pois como a vazão máxima é de</p><p>1,2 gpm, a válvula deve estar totalmente aberta para</p><p>permitir que PV seja igual ao SP. O valor de saída do</p><p>controlador encontrado foi de 55,2%, provavelmente</p><p>houve um erro no ajuste da vazão, que deveria ser</p><p>exatamente 1,2 gpm.</p><p>A diminuição do valor de SP aumenta a saída do</p><p>controlador para 73% para fechar a válvula de diafragma</p><p>e diminuir a vazão para o valor de SP de 0,5 gpm.</p><p>Na etapa de controle da vazão utilizando</p><p>somente controle proporcional, o controlador alcança um</p><p>estado estável em 1,05 gpm, e offset de 0,17 gpm. Não é</p><p>Laboratório de Engenharia Química I – 1º semestre/2024</p><p>possível alcançar o SP porque não existe controle</p><p>integral.</p><p>A resposta proporcional do sistema usando SP</p><p>de 1,0 gpm é de um valor de PV estável em 1,17 gpm, e</p><p>offset de 0,17 gpm. Novamente não é possível alcançar o</p><p>SP porque não existe controle integral.</p><p>A resposta proporcional do sistema usando SP</p><p>de 0,8 gpm é de um valor de PV estável em 1,06 gpm, e</p><p>offset de 0,26 gpm. Novamente não é possível alcançar o</p><p>SP porque não existe controle integral.</p><p>Na resposta proporcional do sistema usando um</p><p>valor de GAIN de 3,2, observou-se que o valor de PV</p><p>ultrapassa o valor de SP e então foi estabilizado em 1,01</p><p>gpm. A saída do controlador em estado estável é próxima</p><p>a saída encontrada no passo anterior. O aumento do ganho</p><p>proporcional piora a resposta transiente e não reduz</p><p>significantemente o offset.</p><p>Na resposta proporcional do sistema usando um</p><p>valor de GAIN de 15,0, observou-se que o valor de PV</p><p>oscilou entre 0,80 gpm e 0,85 gpm e a saída do</p><p>controlador oscilou entre 50% e 55%. O ponto central da</p><p>oscilação de PV está mais próximo do SP que nos</p><p>resultados anteriores, mas mesmo com o ganho maior, o</p><p>ponto central da oscilação de PV está acima do valor de</p><p>SP. A oscilação contínua na saída do controlador reduz</p><p>significantemente a vida da válvula. A oscilação contínua</p><p>em PV é inaceitável para um ponto de operação do</p><p>controle de processo.</p><p>Conclusões</p><p>A prática realizada com o sensor de vazão tipo</p><p>paddlewheel demonstra a importância do controle de</p><p>vazão em processos industriais. O experimento permitiu,</p><p>assim, observar o comportamento do sistema de controle</p><p>de vazão quando submetido a distúrbios, como mudanças</p><p>na demanda do processo.</p><p>Nesse contexto, a ação de controle proporcional</p><p>demonstrou ser eficaz na manutenção da vazão desejada,</p><p>ajustando a resposta de acordo com o erro medido. No</p><p>entanto, quando os distúrbios eram rápidos o suficiente</p><p>para causar oscilações no sistema, a adição da ação</p><p>derivativa se tornou necessária para proporcionar uma</p><p>resposta imediata às mudanças de carga.</p><p>Ademais verificou-se que, em sistemas de</p><p>controle de vazão, a vazão atua tanto como variável</p><p>controlada quanto como variável de medição. O</p><p>controlador PID, que combina ações proporcional,</p><p>integral e derivativa, é amplamente utilizado nesse tipo de</p><p>aplicação, pois permite uma resposta rápida e precisa às</p><p>mudanças no processo.</p><p>Comparado a outros sistemas de controle de</p><p>variáveis de processo, os sistemas de controle de vazão</p><p>tendem a responder de forma mais ágil, devido às</p><p>características inerentes ao fluxo de fluidos. Nesse</p><p>contexto, o sensor de vazão desempenha um papel crucial</p><p>ao fornecer o sinal de realimentação necessário para que o</p><p>controlador atue de maneira eficaz.</p><p>Em conclusão, a prática com o sensor</p><p>paddlewheel e o controlador PID reforçou a importância</p><p>do controle de vazão na indústria, destacando a</p><p>necessidade de um sistema de controle bem projetado e</p><p>ajustado para garantir a estabilidade e a eficiência do</p><p>processo. A compreensão dos conceitos de controle</p><p>proporcional, integral e derivativo, assim como das</p><p>características específicas do controle de vazão, é</p><p>fundamental para o desenvolvimento de soluções robustas</p><p>e confiáveis.</p><p>Referências</p><p>1. Kalid, R. A. Controle de Processos Químicos.</p><p>Universidade Federal da Bahia -UFBA. Salvador,</p><p>junho de 2004.</p><p>2. AMATROL, INC. Medição e Controle de Vazão,</p><p>2013. Acesso em 26 de Agosto de 2024.</p><p>Laboratório de Engenharia Química I – 1º semestre/2024</p>