161012_proc_ind

Processos IndustriaisMarco Aurlio da Fontoura Gonalves

2011Santa Maria - RS

Presidncia da Repblica Federativa do Brasil

Ministrio da Educao

Secretaria de Educao a Distncia

Comisso de Acompanhamento e ValidaoUniversidade Federal de Santa Catarina/UFSC

Coordenao InstitucionalAraci Hack Catapan/UFSC

Coordenao do ProjetoSilvia Modesto Nassar/UFSC

Cordenao de Design InstrucionalBeatriz Helena Dal Molin/UNIOESTE

Designers IntrucionaisHelena Maria Maullmann/UFSCJorge Luiz Silva Hermenegildo/CEFET-SC

WEB DesignersBeatriz Helena Dal Molin/UNIOESTEMrcia Freire Rocha Cordeiro Machado/ETUFPR

Superviso de Projeto GrficoAna Carine Garca Montero/UFSC

DiagramaoJoo Ricardo Zattar/UFSCLus Henrique Lindler/UFSC

RevisoLcia Locatelli Flres/UFSC

Comisso de Acompanhamento e ValidaoColgio Tcnico Industrial de Santa Maria/CTISM

Coordenador InstitucionalPaulo Roberto Colusso/CTISM

Professor-autorMarco Aurlio da Fontoura Gonalves/CTISM

Coordenao TcnicaIza Neuza Teixeira Bohrer/CTISM

Coordenao de DesignErika Goellner/CTISM

Reviso Pedaggica Andressa Rosemrie de Menezes Costa/CTISMFrancine Netto Martins Tadielo/CTISMMarcia Migliore Freo/CTISM

Reviso TcnicaEduardo Lehnhart Vargas/CTISM

Reviso TextualLourdes Maria Grotto de Moura/CTISMVera da Silva Oliveira/CTISM

Diagramao e IlustraoGustavo Schwendler/CTISMLeandro Felipe Aguilar Freitas/CTISMMarcel Santos Jacques/CTISMMuren Fernandes Massia/CTISMMara Rodrigues/CTISMRafael Cavalli Viapiana/CTISMRicardo Antunes Machado/CTISM

Ficha catalogrfica elaborada por Maristela Eckhardt CRB 10/737Biblioteca Central da UFSM

Colgio Tcnico Industrial de Santa MariaEste material didtico foi elaborado em parceria, entre o Colgio Tcnico Industrial de Santa Maria e a Universidade Federal de Santa Catarina para o Sistema Escola Tcnica Aberta do Brasil e-Tec Brasil.

G635p Gonalves, Marco Aurlio FontouraProcessos Industriais/Marco Gonalves. 3. ed. Santa Maria:

Universidade Federal de Santa Maria, Colgio Tcnico Industrialde Santa Maria, Curso Tcnico em Automao Industrial, 2009.

59p. : il. ; 21 cm.

1. Processos industriais 2. Metrologia 3. Vlvulas de controle4. Programa Escola Aberta do Brasil I. Universidade Federal deSanta Maria. Curso Tcnico em Automao Industrial.

CDU 62-5

e-Tec Brasil33

Apresentao e-Tec Brasil

Prezado estudante,

Bem-vindo ao e-Tec Brasil!

Voc faz parte de uma rede nacional pblica de ensino, a Escola Tcnica Aberta

do Brasil, instituda pelo Decreto n 6.301, de 12 de dezembro 2007, com o

objetivo de democratizar o acesso ao ensino tcnico pblico, na modalidade

a distncia. O programa resultado de uma parceria entre o Ministrio da

Educao, por meio das Secretarias de Educao a Distncia (SEED) e de Edu-

cao Profissional e Tecnolgica (SETEC), as universidades e escolas tcnicas

estaduais e federais.

A educao a distncia no nosso pas, de dimenses continentais e grande

diversidade regional e cultural, longe de distanciar, aproxima as pessoas ao

garantir acesso educao de qualidade, e promover o fortalecimento da

formao de jovens moradores de regies distantes dos grandes centros

geograficamente ou economicamente.

O e-Tec Brasil leva os cursos tcnicos a locais distantes das instituies de ensino

e para a periferia das grandes cidades, incentivando os jovens a concluir o

ensino mdio. Os cursos so ofertados pelas instituies pblicas de ensino

e o atendimento ao estudante realizado em escolas-polo integrantes das

redes pblicas municipais e estaduais.

O Ministrio da Educao, as instituies pblicas de ensino tcnico, seus

servidores tcnicos e professores acreditam que uma educao profissional

qualificada integradora do ensino mdio e educao tcnica, capaz

de promover o cidado com capacidades para produzir, mas tambm com

autonomia diante das diferentes dimenses da realidade: cultural, social,

familiar, esportiva, poltica e tica.

Ns acreditamos em voc!

Desejamos sucesso na sua formao profissional!

Ministrio da Educao

Janeiro de 2010

Nosso contato

[email protected]

e-Tec Brasil5

Indicao de cones

Os cones so elementos grficos utilizados para ampliar as formas de

linguagem e facilitar a organizao e a leitura hipertextual.

Ateno: indica pontos de maior relevncia no texto.

Saiba mais: oferece novas informaes que enriquecem o assunto ou curiosidades e notcias recentes relacionadas ao

tema estudado.

Glossrio: indica a definio de um termo, palavra ou expresso utilizada no texto.

Mdias integradas: sempre que se desejar que os estudantes desenvolvam atividades empregando diferentes mdias: vdeos,

filmes, jornais, ambiente AVEA e outras.

Atividades de aprendizagem: apresenta atividades em diferentes nveis de aprendizagem para que o estudante possa realiz-las e

conferir o seu domnio do tema estudado.

Tecnologia da Informticae-Tec Brasil 6

e-Tec Brasil7

Sumrio

Palavra do professor-autor 9

Apresentao da disciplina 11

Projeto instrucional 13

Aula 1 Processos 151.1 Processos contnuos 15

1.2 Processos discretos ou manufaturas 16

1.3 Estudos de um processo 16

1.4 Autorregulao 21

1.5 Propriedades 24

1.6 Distrbios de processo 27

1.7 Funes bsicas do controle 27

1.8 Diagrama de bloco de uma malha de controle fechada 30

1.9 Modos de controle 30

Aula 2 Conceitos fundamentais de metrologia 372.1 Classes dos instrumentos 37

2.2 Caractersticas, padres e erros dos instrumentos 38

2.3 Tipos dos instrumentos 39

2.4 Sistemas de medio 42

2.5 Normas da instrumentao ISA e simbologia 45

Aula 3 Vlvulas de controle 493.1 Vlvulas direcionais e vlvulas proporcionais 49

3.2 Sistema de controle em malha aberta e fechada 49

3.3 Sistema de controle malha fechada x sistema de controle malha aberta 50

3.4 Tipos de vlvulas de controle mais utilizadas 51

3.5 Operaes da vlvula 54

3.6 Dimensionamento 55

3.7 Cavitao em vlvulas de controle 56

e-Tec Brasil

Referncias 58

Currculo do professor-autor 59

e-Tec Brasil9

Palavra do professor-autor

Nas ltimas dcadas, a evoluo tecnolgica, baseada na eletrnica e, prin-

cipalmente na computao, fez com que a Automao Industrial dentro dos

processos industriais atingisse o patamar de tecnologia estratgica em todos os

sistemas de gesto. O processo antigo que se baseava no trabalho do homem

em sua plenitude, deu espao para os sistemas automatizados, atingindo graus

de produtividade, de qualidade e de otimizao muito elevados necessrios

para uma economia globalizada e de muita competitividade.

O objetivo da disciplina de Processos Industriais fazer com que o aluno tome

conhecimento da nomenclatura, dos sistemas usados nos processos industriais

bem como adquirir noo de como funcionam os processos, conhecendo

indicaes bsicas de instrumentao e equipamentos para esse fim. Nessa

perspectiva, ser possibilitado um nivelamento de conhecimento que servir

de base terica para outras disciplinas.

O presente material est dividido em trs unidades onde as temticas se rela-

cionam conforme o projeto instrucional apresentado a seguir. Sugere vdeos

e indicao de sites a serem assistidos para uma melhor assimilao do texto.

Boa sorte nos estudos. Juntos atingiremos nossos objetivos!

Professor Marco Gonalves

e-Tec Brasil11

Apresentao da disciplina

Processos Industriais so identificados como procedimentos que fazem parte

da manufatura de um ou vrios itens na fabricao em grande escala. Sur-

giram para que a qualidade, otimizao de tempo, custo e outras variveis

pudessem ser melhoradas. A expresso planta industrial ou planta utilizada

no setor qumico significando uma unidade industrial, ou setor dentro de uma

indstria que produza algum composto qumico especfico como a planta de

amnia e a planta de benzeno. O uso de controladores microprocessados e

computadores aplicados ao controle automtico aumenta a necessidade do

conhecimento prtico em relao ao comportamento do sistema controlado

e aos mtodos para alcanar o funcionamento do mesmo.

Nessa perspectiva, as unidades estudadas, proporcionaro ao aluno ferra-

mentas, como as para obter os parmetros de estado estveis e transitrios

requeridos para a anlise de um sistema controlado automaticamente, e para

usar esses mesmos parmetros no ajuste e sintoniza do sistema, otimizando

o processo.

Assista a um vdeo sobre automao na sociedade contemporneahttp://www.youtube.com/watch?v=Wh-VqQkhf1w

Palavra do professor-autor

e-Tec Brasil13

Disciplina: Processos Industriais (carga horria: 30h).

Ementa: Processos, conceitos fundamentais de metrologia, vlvulas de controle.

AULA OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM MATERIAISCARGA

HORRIA(horas)

1. ProcessosCompreender os processos industriais.Identificar a nomenclatura usada no processo.

Ambiente virtual: plataforma moodle. Apostila didtica. Recursos de apoio: links de leitura complementar indicados na apostila.

10

2. Conceitos fundamentais de metrologia

Conhecer os principais instrumentos de medio dos processos industriais.Identificar os sistemas de medio no processo.Conhecer a normalizao ISA para instrumentao.


10

3. Vlvulasde controle

Conhecer as vlvulas de controle.Aplicar e dimensionar as vlvulas de controle.


10

Projeto instrucional

e-Tec Brasil

Aula 1 Processos

Objetivos

Compreender os processos industriais.

Identificar a nomenclatura usada no processo.

1.1 Processos contnuosPodemos citar como exemplo indstrias petrolferas, qumicas, petroqumicas,

de papel e celulose, alimentcias, cimenteiras, metalrgicas, de tratamento

de gua, gerao e distribuio de energia eltrica, entre outras. (ALVES,

2005). Veja na Figura 1.1 uma refinaria representando um processo contnuo.

Figura 1.1: Processo contnuo refinariaFonte: http://www.instrumentacao.net/introducao/iniciacoes.php

e-Tec BrasilAula 1 - Processos 15

1.2 Processos discretos ou manufaturasA produo medida em unidades produtivas tal como na indstria automo-

bilstica (Figura 1.2) e fbricas em geral.

Figura 1.2: Processo discreto ou manufatura montagemFonte: http://www.instrumentacao.net/introducao/iniciacoes.php

1.3 Estudos de um processoO termo processo significa as operaes usadas na transformao de uma

matria-prima. Nesta aula, vamos estudar um processo simples, como em um

trocador de calor mostrado na Figura 1.3.

Processos Industriaise-Tec Brasil 16

Figura 1.3: Trocador de calorFonte: CTISM

A operao de adicionar energia calorfica gua um processo. J o

vapor, o reservatrio, as tubulaes e as vlvulas constituem o circuito

no qual o processo de aquecimento realizado. A temperatura da

gua quente e a vazo de vapor so as principais variveis do processo.

(TEIXEIRA, 2006).

1.3.1 Controle Automtico de Processos (CAP)Controle Automtico de Processos obteve essa denominao, quando os proce-

dimentos de controle de automao foram aplicados para tornar mais eficiente

e segura a manufatura de produtos. O CAP , em grande parte, responsvel

pela otimizao e qualificao dos processos de produo ocorridos nas ltimas

dcadas. So exemplos de CAP as indstrias petrolferas e automotivas.


O principal objetivo do CAP conseguir que uma varivel dinmica possa ser

controlada. Consideremos que a temperatura da gua na sada do trocador

de calor se mantenha constante em um valor especfico ou em um valor

definido. Conforme a Figura 1.4, temos como varivel dinmica o valor da

temperatura da gua na sada do trocador.

Figura 1.4: Varivel dinmica a ser controlada (varivel controlada)Fonte: CTISM

O sistema apresentado ter que medir a temperatura da gua na sada e

comparar com o valor desejado, mandando indicaes para que a vlvula de

controle de vazo abra ou feche, liberando mais ou menos vapor, possibili-

tando, assim, o controle da temperatura prxima do desejado.

1.3.2 Variveis As variveis do processo indicam o valor desejado do produto. J o sistema

de aquecimento de gua, tem como finalidade fornecer gua aquecida. A

varivel mais importante a temperatura da gua de sada do aquecedor,

que por definio, conforme Figura 1.4, a varivel controlada.

A maneira mais indicada para garantir que o valor da temperatura se man-

tenha dentro dos padres desejados, manter um controle direto sobre a

temperatura da gua aquecida.

Um controle indireto sobre uma varivel secundria do processo pode ser

necessrio quando o controle direto for difcil de implementar. Um exemplo

disso o forno de uma linha de destala de fumo que tem como objetivo retirar

umidade do produto. A varivel controlada deveria ser o valor de umidade

concentrada no produto na sada do forno.


Figura 1.5: FornoFonte: CTISM

Entretanto, muito difcil que essa medida seja obtida com simples

instrumentos. Normalmente, a temperatura do forno tomada como

varivel controlada. Para isso feito um estudo e estabelecido que

exista uma relao entre a temperatura do forno e a quantidade de

umidade no produto. Geralmente, o controle indireto menos eficaz

que o controle direto, porque nem sempre existe uma relao definida

e invarivel entre a varivel secundria e a qualidade do produto que se

deseja controlar. (TEIXEIRA, 2006).

A varivel manipulada que aquela sobre a qual o controlador automtico

atua. Este pode ser uma vlvula comandada por Controlador Lgico Progra-

mvel (CLP) que, conforme a variao de temperatura, envia o comando para

a vlvula, a fim de controlar a vazo do vapor, mantendo a varivel controlada

no valor desejado. A Figura 1.6 mostra uma vlvula de controle.


Figura 1.6: Vlvula de controle de vazoFonte: http://www.eibis.com/eibis/eibiswww/eibisdoc/4221pt.htm

A varivel manipulada pode ser qualquer varivel do processo que causa uma

variao rpida na varivel controlada e que seja fcil de manipular. Para o

sistema em estudo a varivel manipulada pelo controlador dever ser a vazo

de vapor, como mostra a Figura 1.7.

Figura 1.7: Varivel manipuladaFonte: CTISM


As variveis de carga ou secundrias do processo so todas as outras variveis,

com exceo das variveis manipuladas e controladas. Com relao ao trocador

de calor em estudo, a temperatura da gua de entrada uma varivel de

carga ou secundria, como vemos na Figura 1.8.

Figura 1.8: Varivel de carga ou secundriaFonte: CTISM

1.3.3 Reservatrio de troca de energiaA energia que entra no processo passa por vrias trocas (troca calor com as

paredes da tubulao, com o ar e vrios elementos), e sai como energia de

sada. A quantidade de energia na sada igual quantidade de energia na

entrada, menos as perdas e a energia armazenada no processo.

1.4 AutorregulaoO processo que tem a condio de balancear a sua energia de sada com a

energia de entrada chamado de processo estvel.

No processo da Figura 1.9, a vazo na sada R tende a se igualar vazo

atravs da vlvula A. Se a vlvula A for mais aberta ou mais fechada, o

nvel do tanque ir aumentar ou diminuir at que a vazo de sada atravs

de R seja igual nova vazo na entrada.


Ento, atravs de amplos limites, o processo ir estabilizar e sua vazo de

sada ser igual a sua vazo de entrada. O limite desse exemplo depende

da profundidade do tanque. Esse tipo de processo chamado de processo

estvel ou autorregulado.

Figura 1.9: Processo estvel ou autorreguladoFonte: CTISM


Podemos distinguir os processos estveis (Figura 1.9) dos processos instveis

(Figura 1.10). No processo instvel a vazo de sada mantida constante por

uma bomba de deslocamento positivo e velocidade constante.

Figura 1.10: Processo instvel ou no autorreguladoFonte: CTISM

Caso a vazo de entrada seja diferente da vazo de sada, o tanque ir esva-

ziar completamente ou transbordar, pois no existe tendncia deste processo

equilibrar sua sada com sua entrada. (BEGA, 2003).


O processo estvel facilita as aplicaes do controle automtico, j o processo

instvel ir torn-las difceis, ou talvez impossveis.

1.5 Propriedades Para controlar a temperatura da gua no processo, seria preciso observar o

termmetro de gua quente, conferir com o valor desejado e corrigir a aber-

tura da vlvula de vapor de maneira a manter ou mudar a temperatura da

gua. Os processos se caracterizam por atrasarem as indicaes das variaes,

aumentando demais as dificuldades do controle. Esses retardos so chamados

atrasos de tempo do processo.

Os atrasos de tempo do processo so causados por trs propriedades que

so: resistncia, capacitncia e tempo morto.

1.5.1 ResistnciaSo as partes do processo que resistem a uma transferncia de energia ou

de material. Como exemplo temos, as paredes das serpentinas no processo

estudado, a resistncia passagem de um fluido em uma tubulao, a resis-

tncia transferncia de energia, etc.

1.5.2 Capacitncia uma mudana na quantidade contida, por unidade mudada na varivel

de referncia. (BEGA, 2003).

Tome cuidado para no confundir capacitncia com capacidade, pois capa-

cidade so as partes do processo que tm condies de armazenar energia

ou material.

Note que embora os tanques tenham a mesma capacidade (por exemplo,

100 m3), apresentam capacitncias diferentes.


Conforme a Figura 1.11, a capacitncia representa a relao entre a variao

de volume e a variao de altura do material do tanque.

Figura 1.11: Tanques de armazenamentoFonte: CTISM

Um exemplo do problema que a capacitncia pode trazer para o processo,

que ficaria difcil o operador controlar manualmente o processo, devido

pequena massa de lquido que circula pelo trocador de calor, variando, assim,

constantemente a temperatura final da gua aquecida.

1.5.3 Tempo mortoO tempo morto o intervalo de tempo onde uma resposta do sistema no

verificada. Isso ocorre devido a vrios fatores, um deles diretamente ligado a

distncia percorrida e velocidade.

Como os outros elementos fundamentais (resistncia e capacitncia), rara-

mente ocorrem sozinhos, so poucos os processos onde no est presente o

tempo morto. Para qualquer projeto o tempo morto deve ser considerado.

(BEGA, 2003).

Um exemplo de processo que consiste basicamente de tempo morto o

sistema de controle de peso do produto sobre uma correia transportadora

(Figura 1.12). O tempo morto entre a ao da vlvula e a variao resultante

no peso, igual a distncia entre a vlvula e a clula detectora de peso dividida

pela velocidade de transporte da correia.


Figura 1.12: Mesa transportadora com detector de pesoFonte: CTISM

Se o fluido flui a uma velocidade de 4 m/s e a distncia igual a 20 m, o

tempo morto ser de 5 s.

Outro exemplo de tempo morto est ilustrado na Figura 1.13. No processo

qumico em que acrescentado o neutralizante custico ao produto cido,

deve-se esperar para que ocorram a mistura e as reaes qumicas para depois

fazer a medio e verificar o pH. Conforme o valor medido, deve-se abrir ou

fechar a vlvula de neutralizante custico, para que o valor de neutralidade

medida seja o esperado.

Figura 1.13: Medio de pHFonte: CTISM


Em um sistema de controle com realimentao, uma ao corretiva aplicada

na entrada do processo baseada na observao da sua sada. Um processo que

possui tempo morto no responde imediatamente ao de controle, fato que

complica bastante a efetividade do controle. Por esta razo, o tempo morto

considerado como o elemento mais trabalhoso que existe em sistemas fsicos.

1.6 Distrbios de processoNo processo, o controle automtico deve considerar particularmente trs dos

vrios tipos de distrbios de processo que podem ocorrer.

1.6.1 Distrbios relacionados alimentaoRelacionado mudana de energia ou material na entrada do processo. No

trocador de calor, as mudanas na temperatura do vapor, na entrada de gua

fria ou na abertura da vlvula, so distrbios de alimentao.

1.6.2 Distrbios relacionados demanda uma mudana de energia ou material na sada do processo. No exemplo do

trocador de calor, a mudana da vazo de gua fria devido a um aumento da

vazo de gua aquecida um distrbio de demanda.

1.6.3 Distrbios relacionados setpoint uma mudana no ponto de trabalho do processo, elas so geralmente

aplicadas muito repentinamente ou elas so geralmente mudanas na alimen-

tao e, por isso, devem atravessar o processo inteiro para serem medidas e

controladas.

1.7 Funes bsicas do controle Medio o transmissor, cujo elemento primrio est em contato com

a varivel, transforma o valor lido em sinal padro e envia-o para o con-

trolador.

Comparao o controlador, ao receber o sinal, compara-o com o valor desejado (setpoint).

Correo caso exista desvio, o controlador emite um sinal de correo para o elemento final de controle.


1.7.1 Atrasos de tempo do processo Os processos tm caractersticas que atrasam as mudanas nos valores das

variveis, o que, consequentemente, dificulta a ao de controle.

Capacitncia a capacidade em que partes do processo tm de arma-zenar energia ou material.

Resistncia so as partes do processo que resistem a uma transfern-cia de energia ou material, entre capacitncias.

Tempo morto o tempo verificado entre a ocorrncia de uma altera-o no processo e a sua percepo pelo elemento sensor (transmissor).

1.7.2 Atrasos na malha de controle So os atrasos inerentes associao de instrumentos, como atrasos na

medio, na transmisso dos controladores e do elemento final de controle.

1.7.2.1 Processo monocapacitivo (processo de 1 ordem)

Figura 1.14: Processo monocapacitivoFonte: CTISM

ObservaoAmbas as curvas indicam que a varivel comea a aumentar exatamente ao

mesmo tempo em que o distrbio provocado.


1.7.2.2 Processo bicapacitivo (processo de 2 ordem)

Figura 1.15: Processo bicapacitivoFonte: CTISM

ObservaoNote que a varivel, em vez de mudar imediatamente, comea a subir de forma

lenta. Por este motivo, as correes s so apli-cadas aps um determinado

tempo. A resposta deste processo apresenta sempre um atraso em relao

resposta do monocapacitivo.

1.7.2.3 Processo multicapacitivo Possui mais de duas capacitncias, porm seu comportamento similar ao

processo bicapacitivo.

O sistema de controle ento um equipamento sensvel ao desvio e autocor-

retivo. Ele toma um sinal na sada de um processo e o realimenta na entrada

do processo. Ento, o controle em malha fechada tambm comumente

chamado controle realimentao (feedback).


1.8 Diagrama de bloco de uma malha de controle fechada

Figura 1.16: Diagrama de bloco malha fechadaFonte: CTISM

1.9 Modos de controle a maneira pela qual um controlador faz a correo em resposta a um desvio

da varivel controlada.

Os modos de controle so quatro:

Duas posies (on-off) Proporcional

Integral (reset) Derivativo (rate ou pre-act)

Industrialmente, os controladores convencionais so construdos com os

seguintes modos:

Duas posies (on-off);

Proporcional;

Proporcional + Integral (P + I);


Proporcional + Derivativo (P + D);

Proporcional + Integral + Derivativo (P + I + D).

1.9.1 Controle on-off o mais simples e mais barato. Este modo de controle s permite duas posies

do elemento final: aberto/fechado ou ligado/desligado. Veja a Figura 1.17.

Figura 1.17: Controle on-offFonte: CTISM

O uso do controle on-off fica restrito a processos que apresentam grande capacitncia ou a processo em que a oscilao no seja prejudicial. um

controle muito utilizado em sistemas de segurana.

1.9.2 Controle proporcional Nesse controle, a amplitude de correo proporcional amplitude do

desvio. O elemento final se move para uma determinada posio, para cada

valor de desvio. (GONALVES, 2003).

A informao de variao do processo chega ao controlador onde se constata

o desvio do valor desejado. Nesse momento o controlador comea a dar uma

correo proporcional a esse erro, mandando abrir ou fechar a vlvula para que a

varivel possa retornar ao valor desejado. Como nesse modo de controle a correo

proporcional ao tamanho do erro, a vlvula reagir para determinada posio,

que trar uma nova situao de equilbrio ao processo (diferente da anterior).


Aps esse equilbrio, verifica-se a presena de um erro final chamado de offset ou erro de regime. Esse erro torna-se limitante para o uso do controlador

puramente proporcional.

Vale ressaltar que este erro pode ser minimizado e no eliminado automatica-

mente, o que pode ser feito atravs de um ajuste do controlador proporcional.

1.9.3 Controle proporcional + integral o melhor dos dois modos de controle. O modo proporcional, que corrige os

erros instantaneamente e o integral que se encarrega de eliminar, ao longo

do tempo, o offset caracterstico do modo proporcional. Nesse controlador, o modo integral executa automaticamente o reajuste manual que o operador

faria para eliminar o offset. A ao integral ocasiona uma correo tal, que a velocidade de correo proporcional amplitude do desvio. O modo de

correo integral no utilizado sozinho, pois corrige muito lentamente.

Figura 1.18: Controlador PIFonte: CTISM

1.9.4 Controle proporcional + derivativo Resulta da associao entre o controlador proporcional e o derivativo. O modo

derivativo acarreta uma correo proporcional velocidade do desvio.

Quando a varivel se afasta do setpoint, o modo derivativo faz com que a sada varie mais do que ocorreria somente com o modo proporcional. Como

consequncia, a varivel tende a se aproximar mais rapidamente do setpoint. Quando a varivel est retornando ao setpoint, o modo derivativo exerce uma


ao contrria, reduzindo as eventuais oscilaes e diminuindo o tempo de esta-

bilizao, diferentemente do que se houvesse somente a correo proporcional.

O efeito estabilizante do modo derivativo permite que se utilize uma faixa

proporcional menor, ocasionando um offset menor.

Note-se, entretanto, que o modo derivativo no capaz de eliminar o offset, visto que no exerce qualquer ao quando se tem um desvio permanente.

Figura 1.19: Controlador PDFonte: CTISM

1.9.5 Controle proporcional + integral + derivativo Resulta da associao dos trs tipos de controle. Combinam-se dessa maneira

as vantagens de cada um dos modos de controle. A vantagem de se incluir

a ao derivativa no controlador P + I.

Note que, com o P + I + D, o processo se estabiliza mais rapidamente e temos

um desvio mximo reduzido.


Figura 1.20: Comparao dos controladoresFonte: CTISM

ObservaoO controlador P + I + D tem trs parmetros de ajuste:

Ganho ou faixa proporcional;

Taxa de reset ou tempo integral;

Tempo derivativo.

utilizado quando se deseja uma grande rapidez de correo, ausncia de

offset, aliado a um desvio mximo reduzido. Em geral, no h necessidade de ao derivativa no controle de nvel e presso.

No caso de vazo, utilizam-se os modos proporcional e integral. A adio do

modo derivativo em vazo se torna contraproducente. O modo derivativo

adicionado normalmente no controle de temperatura por ser considerada

uma varivel de reao lenta.

ResumoPara um melhor entendimento dos processos industriais, necessrio o estudo

e conhecimento de nomenclaturas e dispositivos lgicos com sua conceituao,

para que se estabelea um padro de estudo referente s plantas industriais.


Atividades de aprendizagem1. Diferencie processos contnuos e processos discretos ou manufaturas.

2. Defina varivel controlada do processo.

3. Defina varivel manipulada do processo.

4. Defina varivel de carga ou secundria do processo.

5. Qual a frmula que define a troca de energia no processo?

6. Explique resistncia, capacitncia e tempo morto.

7. Quais as funes bsicas do controle?

8. Cite os modos de controle e explique.

Poste as atividades no AVEA em um arquivo com as respostas das questes,

para que elas faam parte de sua avaliao.


e-Tec Brasil

Aula 2 Conceitos fundamentais de metrologia

Objetivos

Conhecer os principais instrumentos de medio dos processos

industriais.

Identificar os sistemas de medio no processo.

Conhecer a normalizao ISA para instrumentao.

2.1 Classes dos instrumentosOs processos so diferentes para diversos tipos de produtos, como, a fabricao

dos derivados do petrleo, produtos alimentcios, a indstria de papel e

celulose, etc.

Presso, vazo, temperatura, nvel, pH, condutividade, velocidade, umidade,

so exemplos de variveis cujo controle importante para manter constantes

seus valores nos processos.

O sistema de controle que permite fazer isto se define como aquele que compara

o valor da varivel do processo com o valor desejado e toma uma atitude de

correo de acordo com o desvio existente, sem a interveno do operador.

Figura 2.1: Malha de controle fechadaFonte: CTISM

e-Tec BrasilAula 2 Conceitos fundamentais de metrologia 37

As malhas de controle podem ser abertas ou fechadas. Na Figura 2.1 vemos

uma malha fechada e na Figura 2.2, uma malha de controle aberta.

Figura 2.2: Malha de controle abertaFonte: CTISM

2.2 Caractersticas, padres e erros dos instrumentosAlves (2005) aponta os principais instrumentos de controle:

Faixa de medida (range) so os valores medidos no instrumento que esto dentro do limite mnimo e mximo da capacidade indicada.

Alcance (span) a diferena algbrica entre o valor superior e o inferior da faixa de medida do instrumento.

Erro a diferena entre o valor lido ou transmitido pelo instrumento em relao ao valor real da varivel medida.

Exatido quando o instrumento de medio d respostas prximas a um valor verdadeiro.

Rangeabilidade (largura de faixa) a relao entre o valor mximo e o valor mnimo, estes lidos com a mesma exatido na escala de um instrumento.

Zona morta a mxima variao que a varivel pode ter sem que provoque alterao na indicao ou sinal de sada de um instrumento.

Sensibilidade a mnima variao que a varivel pode ter, provocando alterao na indicao ou sinal de sada de um instrumento.


Histerese o erro mximo apresentado por um instrumento para um mesmo valor em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a varivel percorre toda

a escala nos sentidos ascendente e descendente.

Repetibilidade a mxima diferena entre diversas medidas de um mesmo valor da varivel, adotando sempre o mesmo sentido de variao.

2.3 Tipos dos instrumentos Podemos denominar os instrumentos e dispositivos utilizados em instrumen-

tao de acordo com a funo que desempenham no processo.

2.3.1 IndicadorDispositivo que apenas indica o valor de uma determinada varivel de pro-

cesso sem interferir no processo. (ALVES, 2005). Como podemos observar

na Figura 2.3.

Figura 2.3: IndicadorFonte: http://www.vicro.com.br/tacometrospainel.htm

2.3.2 RegistradorInstrumento que registra a varivel atravs de um trao contnuo ou pontos

em um grfico. Atualmente as informaes so armazenadas em modo digital.

Observamos na Figura 2.4, um registrador grfico.


Figura 2.4: RegistradorFonte: http://www.instrumentacao.net/introducao/iniciacoes.php

2.3.3 TransmissorA Figura 2.5 apresenta um instrumento que determina o valor de uma varivel

no processo atravs de um elemento primrio, tendo o mesmo sinal de sada

(pneumtico ou eletrnico) cujo valor varia apenas em funo da varivel do

processo.

Figura 2.5: TransmissorFonte: http://www.instrumentacao.net/introducao/iniciacoes.php


2.3.4 Controlador A Figura 2.6 mostra um instrumento que compara a varivel controlada com

um valor desejado e fornece um sinal de sada, a fim de manter a varivel

controlada em um valor especfico ou entre valores determinados. A varivel

pode ser medida diretamente pelo controlador ou indiretamente atravs do

sinal de um transmissor ou transdutor.

Figura 2.6: Controlador do processoFonte: http://www.contemp.com.br/produtos.php?area=1&segment=1&categoria=1&subcategoria=1&produto=5&tiposegmento=0

2.3.5 Elemento final de controle Observe na Figura 2.7 esse instrumento. Ele modifica diretamente o valor da

varivel manipulada de uma malha de controle.


Figura 2.7: Vlvula de controleFonte: http://www.eibis.com/eibis/eibiswww/eibisdoc/4221pt.htm

2.4 Sistemas de medio2.4.1 Telemetria Chamamos de telemetria a tcnica de transportar medies obtidas no processo

a distncia, em funo de um instrumento transmissor. Veja a Figura 2.8.

Figura 2.8: TelemetriaFonte: CTISM


2.4.2 Transmissores Os transmissores so instrumentos que medem uma varivel do processo e

a transmitem a distncia a um instrumento receptor, indicador, registrador,

controlador ou a uma combinao desses. Existem vrios tipos de sinais de

transmisso: pneumticos, eltricos, hidrulicos e eletrnicos.

2.4.2.1 Transmisso pneumticaEm geral, os transmissores pneumticos geram um sinal pneumtico varivel.

Isto est dentro de normas que garantem uma margem de presso para esta

modalidade.

Figura 2.9: Vlvula de transmisso pneumticaFonte: http://www.eibis.com/eibis/eibiswww/eibisdoc/4221pt.htm

2.4.2.2 Transmisso eletrnica Os transmissores eletrnicos geram vrios tipos de sinais em painis. Os mais

utilizados so 4 a 20 mA, 10 a 50 mA e 1 a 5 V.

2.4.2.3 Protocolo HART (Highway Adress Remote Transducer) O HART baseado no sistema mestre/escravo, permitindo a existncia de

dois mestres na rede simultaneamente. As desvantagens so uma limitao

Para saber mais sobre os benefcios do protocolo de comunicao HART em sistemas de instrumentao inteligentes, acesse:http://www.smar.com/brasil2/hart.asp


quanto velocidade de transmisso das informaes e a falta de economia

de cabeamento (precisa-se de um par de fios para cada instrumento).

Figura 2.10: O protocolo HART permite que dois equipamentos mestres acessem informao de um mesmo equipamento de campo (escravo)Fonte: CTISM

2.4.2.4 Fieldbus um sistema de comunicao digital bidirecional que interliga equipamentos

inteligentes de campo com o sistema de controle ou com equipamentos

localizados na sala de controle, como mostra a Figura 2.11.

Esse padro permite comunicao entre uma variedade de equipamentos

tais como: transmissores, vlvulas, controladores, CLP, etc. Eles podem ser

de fabricantes diferentes (interoperabilidade) e ter controle distribudo (cada

instrumento tem a capacidade de processar um sinal recebido e enviar infor-

maes a outros instrumentos para correo de uma varivel presso, vazo,

temperatura, etc.).

Uma grande vantagem a reduo do nmero de cabos do controlador

ligados aos instrumentos de campo. Apenas um par de fios o suficiente para

a interligao de uma rede fieldbus, como se pode observar na Figura 2.11.

Para saber mais sobre arquitetura foundation

fieldbus, acesse:http://www.smar.com/brasil2/

fieldbus.asp


Figura 2.11: Sistema fieldbusFonte: CTISM

2.5 Normas da instrumentao ISA e simbologia

As normas de instrumentao estabelecem smbolos, grficos e codi-

ficao para identificao alfanumrica de instrumentos ou funes

programadas, que devero ser utilizadas nos diagramas e malhas

de controle de projetos de instrumentao. De acordo com a norma

ISA-S5, cada instrumento ou funo programada ser identificado por

um conjunto de letras que o classifica funcionalmente e um conjunto

de algarismos que indica a malha qual o instrumento ou funo pro-

gramada pertence. (CASTRUCCI, 1990).

Eventualmente, para completar a identificao, poder ser acrescido um

sufixo. O quadro abaixo (Figura 2.12) mostra um exemplo de instrumento

identificado de acordo com a norma preestabelecida.


Figura 2.12: Exemplo de identificao de instrumento conforme normaFonte: CTISM

As simbologias apresentadas nas Figuras 2.13 e 2.14 so utilizadas em fluxo-

gramas de processo e engenharia e seguem a Norma ANSI/ISA-S5.1.

Figura 2.13: Simbologia para fluxogramaFonte: CTISM


Figura 2.14: Simbologia para fluxogramaFonte: CTISM

ResumoNesta aula estudamos a base da instrumentao, verificamos a nomenclatura

e tipos de instrumentos, passando pela norma ISA e simbologia.

Atividades de aprendizagem1. Diferencie malha aberta e malha fechada.

2. Cite tipos de instrumentos do processo.

3. Cite caractersticas dos instrumentos.

4. Escreva sobre os sistemas de medio estudados.

5. Qual a finalidade das normas de instrumentao?

6. Qual o objetivo da simbologia da instrumentao?


para que elas faam parte de sua avaliao.


e-Tec Brasil

Aula 3 Vlvulas de controle

Objetivos

Conhecer as vlvulas de controle.

Aplicar e dimensionar as vlvulas de controle.

3.1 Vlvulas direcionais e vlvulas proporcionaisOs circuitos onde se utilizam vlvulas de controle podem ser definidos basi-

camente como circuitos de controle discreto ou on-off e circuitos de controle continuo. No primeiro caso empregam vlvulas que recebem sinais de ampli-

tude discreta a fim de modificar a varivel de sada, que pode ser presso

vazo ou direo, de forma discreta. J nos circuitos com atuao contnua

empregam-se vlvulas com que recebem sinais de amplitude contnua a fim

de modificar a varivel de sada em valores contnuos.

3.2 Sistema de controle em malha aberta e fechadaCom relao a forma de implementao os sistemas de controle, podem ser

classificados de duas formas: em malha aberta e em malha fechada.

Nestes sistemas de controle o sinal de sada no afeta a ao de controle,

ou seja, no se mede o sinal de sada nem este sinal enviado de volta para

comparao com o sinal de entrada.

Malha aberta quando o controlador gera o sinal para o atuador, com base no sinal piloto, sem obter nenhuma informao sobre o andamento

do processo. um sistema sem realimentao, sendo que o sinal de en-

trada o prprio setpoint.

e-Tec BrasilAula 3 - Vlvulas de controle 49

Figura 3.1: Malha aberta (sem realimentao)Fonte: CTISM

Portanto, o sinal de erro excita o controlador de modo a reduzir o erro e trazer

o valor do sinal de sada para o valor desejado. O controle em malha fechada

recai no uso do sinal do transdutor, tambm definido como realimentao ou

retroao, a fim de reduzir o erro do sistema.

Malha fechada quando o controlador gera o sinal para o atuador, com base no sinal piloto, porm agora ele recebe informao sobre o anda-

mento do processo, atravs de um transdutor. O sinal entrada, no caso,

corresponde diferena entre o setpoint e o sinal do transdutor, por isso, tambm chamado de sinal de erro.

Figura 3.2: Malha fechada (com realimentao)Fonte: CTISM

3.3 Sistema de controle malha fechada x sistema de controle malha abertaO controle em malha fechada apresenta a vantagem de ser relativamente

insensvel a perturbaes externas e a alteraes de parmetros do sistema.

Em contrapartida os sistemas em malha aberta apresentam menores problemas


em relao a sua estabilidade. Portanto, em sistemas que no apresentam

distrbios e as entradas so conhecidas antecipadamente, o controle malha

aberta apresenta bons resultados. Caso haja a possibilidade de ocorrerem

perturbaes externas e ou variaes nos parmetros dos componentes, a

soluo de controle malha fechada mais vantajosa.

3.4 Tipos de vlvulas de controle mais utilizadas3.4.1 Vlvula globoAs vlvulas globo funcionam abrindo e fechando o caminho de passagem

do fludo, atravs de um obturador, que se movimenta por uma haste que

desliza verticalmente, encaixando o obturador sobre um assento horizontal

chamado sede localizado no centro da vlvula.

Em funo do seu tipo construtivo, as vlvulas globo fazem com que o fluido

seja submetido a mudanas de direo e tambm a um turbilhonamento em seu

interior. Esta condio causa uma elevada perda de carga no interior da vlvula.

Figura 3.3: Esquema bsico de vlvula globoFonte: CTISM

Assista a um vdeo sobreGLOBE VALVE - ABV - HOThttp://www.youtube.com/watch?v=hdd4qllOSOA


3.4.2 Vlvula esferaA vlvula esfera funcionalmente semelhante ao conceito da vlvula globo,

contudo seu controle realizado girando a haste, assim movimentando a

esfera, a qual permitir um fluxo determinado dependendo da sua posio

de abertura. Este tipo de vlvula vem substituindo as vlvulas de gaveta em

funo de algumas vantagens como menor tamanho e peso, sistema de

vedao mais eficiente e tambm apresentam menores perdas de carga.

Figura 3.4: Esquema bsico de vlvula esfera segmentadaFonte: CTISM

3.4.3 Vlvula borboletaA vlvula borboleta controla o fluxo atravs de um disco circular, geralmente

do dimetro da tubulao a qual ir ser aplicada. O disco tambm movi-

mentado por uma haste rotativa, onde a inclinao em graus desse disco ir

controlar o fluxo atravs da tubulao.

Este tipo de vlvula tem maior aplicao em situaes onde se necessita de

tubulaes de dimetro elevado, e que operem a presses baixas. Estas vlvulas

podem ser utilizadas tambm em operaes onde se tenha um meio altamente

corrosivo, desde que recebam previamente um tratamento anticorrosivo em

seus principais componentes.

Assista a um vdeo sobreLuiz DErcole

http://www.youtube.com/watch?v=-jKTS4gBomc

Assista a um vdeo sobre EMECH-CCM

http://www.youtube.com/watch?v=1onPR8jsZSM


Figura 3.5: Esquema bsico de vlvula borboletaFonte: CTISM

3.4.4 Vlvula de controle tipo diafragma ou saundersEste tipo de vlvula, cuja configurao totalmente diferente das outras

vlvulas de controle, utilizada no controle de fludos corrosivos, lquidos

altamente viscosos e lquidos com slidos em suspenso. A vlvula de controle

tipo diafragma consiste de um corpo em cuja parte central apresenta um

encosto sobre o qual um diafragma mvel, preso entre o corpo e o castelo,

se desloca para provocar o fechamento. Neste sentido, o elemento flexivel,

definido como diafragma, isola completamente o mecanismo de acionamento

do contato direto com o fludo, permitindo que sejam usados materiais com

baixa resistncia a corroso para a construo deste mecanismo.

Para saber mais sobre vlvulas de diafragma tipo D passagem reta, acesse:http://www.peresfernandes.com.br/produtos.asp?id=33


Figura 3.6: Vlvula de controle tipo diafragma ou saunderFonte: www.flowserve.com

3.5 Operaes da vlvulaQuando se decide usar a vlvula de controle, deve-se selecionar o tipo correto.

Para a seleo da vlvula certa deve-se entender completamente o processo

que a vlvula controla. Conhecer as condies normais de operao e as

exigncias que a vlvula deve satisfazer durante as condies de partida,

desligamento do processo e emergncia.

O bom desempenho da vlvula de controle significa que a vlvula:

1. estvel em toda a faixa de operao do processo.

2. No opera prxima de seu fechamento ou de sua abertura total.

3. suficientemente e rpida para corrigir os distrbios e as variaes de carga do processo.

4. No requer a modificao da sintonia do controlador depois de cada variao de carga do processo.


Um fator de mrito muito importante no estudo da vlvula de controle a

sua rangeabilidade. Por definio, a rangeabilidade da vlvula de controle a

relao matemtica entre a mxima vazo sobre a mnima vazo controlveis

com a mesma eficincia. desejvel se ter alta rangeabilidade, de modo que

a vlvula possa controlar vazes muito pequenas e muito grandes, com o

mesmo desempenho.

3.6 DimensionamentoO dimensionamento da vlvula de controle o procedimento de calcular o

coeficiente de vazo ou o fator de capacidade da vlvula (Cv).

Uma vez calculado o Cv da vlvula e conhecido o tipo de vlvula usada, o

projetista pode obter o tamanho da vlvula do catlogo do fabricante.

Quando se diz que a vlvula tem o Cv igual a 10, significa que, quando a

vlvula est totalmente aberta e com a presso da entrada maior que a da

sada em 1 psi e a temperatura ambiente de 15,6oC, sua abertura deixa

passar uma vazo de 10 gpm. O Cv basicamente um ndice de capacidade,

atravs do qual o engenheiro capaz de estimar, de modo rpido e preciso,

o tamanho de uma restrio necessria, em qualquer sistema de fluido.

A equao bsica para dimensionar uma vlvula de controle para servio em

lquido a mesma para todos os fabricantes.

3.6.1 Queda de presso na vlvulaDeve-se entender que a vlvula de controle manipula a vazo absorvendo uma

queda de presso do sistema. Esta queda de presso uma perda econmica

para a operao do processo, desde que a presso fornecida por uma

bomba ou compressor. Assim, a economia deve ditar o dimensionamento da

vlvula, com pequena perda de presso. A queda de presso projetada afeta

o desempenho da vlvula.


Uma boa regra de trabalho considera um tero da queda de presso do sistema

total (filtros, trocadores de calor, bocais, medidores de vazo, restries de

orifcio, conexes e a tubulao com atrito) absorvido pela vlvula de controle.

As vazes normal e mxima usadas no dimensionamento devem ser baseadas

nas condies reais de operao, sem aplicao de qualquer fator de segurana.

3.7 Cavitao em vlvulas de controleCom o aumento da velocidade a presso diminui, como comprova o teorema

de Bernoulli. Em determinadas situaes, esta presso fica abaixo da presso de vapor do fludo para a temperatura de trabalho, provocando a cavitao.

Logo aps passar pela regio de vena contracta (menor presso) a presso

tende a recuperar, quando estas cavidades so implodidas.

Estas cavidades no causam nenhum efeito malfico vlvula, o grande

problema so as sucessivas imploses destas bolhas que dissipam uma grande

quantidade de energia (ondas de choque localizadas que podem chegar a

10000 PSI) causando corroso muito peculiar. Ainda, danifica no somente

os internos, mas tambm o corpo da vlvula, este fenmeno ocorre tambm

em bombas e rotores de turbinas hidroeltricas.

Os danos provocados pela cavitao dependem da intensidade da cavitao,

ao tempo de exposio cavitao, da dureza do material utilizado e do tipo

de vlvula.

ResumoNessa aula estudamos tipos mais comuns de vlvulas de controle, verificamos

conceito de dimensionamento e a frmula geral para este fim, estudamos

alguns efeitos na vlvula de controle como a cavitao que deve ser observado

em um projeto.

Assista a um vdeo sobre Portflio Tiago

Maricate cavitao http://www.youtube.com/

watch?v=wb6cOKM9vOw


Atividades de aprendizagem1. Quais as caractersticas da vlvula globo?

2. Quais as caractersticas da vlvula de esfera?

3. Quais as caractersticas da vlvula borboleta?

4. Quais as caractersticas da vlvula tipo diafragma?

5. Cite a equao bsica para dimensionar uma vlvula de controle.

6. O que a cavitao nas vlvulas de controle?


para que as mesmas faam parte de sua avaliao.


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CASTRUCCI, P. Controle Automtico: teoria e projeto. So Paulo: Edgard Brcher, 1990.

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FIALHO, A. B. Instrumentao Industrial: conceitos, aplicaes e anlises. 2. ed. So Paulo: rica, 2004.

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HELFRICK, A. D.; COOPER, W. D. Instrumentao Eletrnica Moderna e Tcnicas de Medio. 1. ed. Rio de Janeiro: Prentice-Hall do Brasil, 1994.

INMETRO. Vocabulrio Internacional de Termos Fundamentais de Metrologia: portaria INMETRO n 029 de 1995 / INMETRO, SENAI Departamento Nacional. 5. ed. Rio de Janeiro: Ed. SENAI, 2007.

OGATA, K. Engenharia de Controle Moderno. 5 ed. So Paulo: Pearson Education do Brasil, 2010.

SILVEIRA, P. S.; SANTOS, W. E. dos. Automao e Controle Discreto. So Paulo: rica, 1998.

TEIXEIRA, Paulo R. F.; FARIA, Rubens A. Instrumentista de Sistemas. Fundamento de Controle Universidade Tecnolgica Federal do Paran UTFPR, 2006. PETROBRAS Petrleo Brasileiro S.A.

TELLES, Pedro C. S. Tubulaes Industriais: materiais, projeto, montagem. 10 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2001.


Currculo do professor-autor

Marco Aurlio da Fontoura Gonalves natural de Santa Maria - RS e professor do Colgio Tcnico Industrial (CTISM) da Universidade Federal de

Santa Maria (UFSM). graduado em Engenharia Mecnica pela UFSM, graduado

em Formao Pedaggica Licenciatura Plena em Ensino Profissionalizante pela

Universidade de Santa Cruz do Sul (UNISC) e Tcnico em Sistemas Hidrulico

e Pneumtico pela Escola de Especialistas da Aeronutica (EEAER), So Paulo.

Trabalhou por vrios anos na iniciativa privada atuando na manuteno de

aeronaves, projetista de mquinas, supervisor de manuteno, gerente de

produo. No CTISM ministra as disciplinas CAD/CAM/CAE. coordenador

do Curso Tcnico em Eletromecnica (ps-mdio), membro do Ncleo de

Ensino a Distncia e participante em projetos de extenso junto a Pr-Reitoria

de Extenso.

e-Tec Brasil59

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