Objetivo:
Este post explica a função de malha fechada simples com o exemplo do sistema de controle de nível de água da caldeira. Esta mensagem é útil para entender o princípio básico de um loop de controle e seus componentes.
Caldeiras a vapor são muito comuns na indústria, principalmente porque a energia a vapor é tão útil. Os Usos mais comuns para o vapor na indústria incluem fazer trabalho mecânico (por exemplo, uma máquina a vapor movendo algum tipo de máquina), aquecer, produzir vácuos (através do uso de “ejetores de vapor”) e aumentar processos químicos (por exemplo, reforma do gás natural em hidrogênio e dióxido de carbono).
Quem já cozinhou uma panela de água para cozinhar sabe como funciona esse processo. Fazer vapor continuamente, no entanto, é um pouco mais complicado. Uma variável importante para medir e controlar em uma caldeira contínua é o nível de água no “tambor de vapor” (o recipiente superior em uma caldeira de tubo de água(aguatubular)). A fim de produzir com segurança e eficiência um fluxo contínuo de vapor, devemos garantir que o tambor de vapor nunca fique muito baixo ou muito alto. Se não houver água suficiente no tambor, os tubos de água podem secar e queimar pelo calor do fogo. Se houver muita água no tambor, a água líquida pode ser transportada junto com o fluxo de vapor, causando problemas a nos sistemas dependentes do vapor.
Nesta ilustração a seguir, você pode ver os elementos essenciais de um sistema de controle de nível de água, mostrando o transmissor, o controlador e a válvula de controle:
FIG 01
O primeiro instrumento neste sistema de controle é o transmissor de nível, ou "LT". O objetivo deste dispositivo é detectar o nível de água no tambor de vapor e relatar ("transmitir") essa medição para o controlador na forma de um sinal. Neste caso, o tipo de sinal é do tipo eletrônico Transmissor de Nível DP. Quanto maior o nível de água no tambor, mais corrente saída de sinal pelo transmissor de nível. A saída do transmissor de nível estará na faixa de 4 a 20mA, onde 4mA é igual a 0% do nível do sinal e 20mA é 100% do nível do sinal.
O transmissor de nível enviará este sinal de nível medido na forma de 4-20mA para o sistema de controle (PLC / DCS). Em nosso exemplo, temos um aplicativo de controle de nível, portanto, usaremos um controlador de indicação de nível ou "LIC" na lógica. O dispositivo de entrada que é o transmissor de nível e seu dispositivo de saída cujo controle está conectado a este "LIC" na lógica. Aqui, o "LIC" é uma lógica suave nos sistemas PLC / DCS.
O objetivo desta "LIC" é comparar o sinal do transmissor de nível com um valor de “setpoint” inserido pelo operador humano representando o nível de água desejado no tambor de vapor. O controlador gera então um sinal de saída dizendo à válvula de controle para introduzir mais ou menos água na caldeira para manter a água no nível do tambor de vapor no ponto de ajuste. A saída do controlador também está na forma de sinal 4-20mA.
O último instrumento neste loop de sistema de controle é a válvula de controle, operada diretamente pelo sinal de pressão de ar emitido pelo controlador. Sua finalidade é influenciar a vazão de água na caldeira, "estrangulando" o fluxo de água mais ou menos conforme determinado pelo controlador. Este tipo particular de válvula de controle usa um diafragma grande e uma mola grande para mover a válvula ainda mais aberta com mais pressão de sinal e ainda fechada com menos pressão de sinal. A saída do controlador está na forma atual enquanto o controle opera em Pneumático (Pressão). Por isso, precisamos de um conversor I / P (conversor de corrente para pressão) para converter o sinal de 4-20 mA em sinal de 3-15psi padrão equivalente. Este Conversor I / P pode ser um dispositivo separado adicionado entre o controlador e a válvula de controle ou pode ser colocado embutido na válvula de controle.
Quando o controlador é colocado no modo “automático”, ele moverá a válvula de controle para qualquer posição necessária para manter um nível constante de água no tambor de vapor. A frase “qualquer posição necessária” sugere a relação entre o sinal de saída do controlador, o sinal da variável de processo (PV) e o “setpoint” (SP) é complexo. Se o controlador detectar um nível de água acima do “setpoint”, ele fechará a válvula o quanto for necessário para diminuir o nível da água até o ponto de ajuste. Por outro lado, se o controlador detectar um nível de água abaixo do ponto de ajuste, ele abrirá a válvula o quanto for necessário para elevar o nível da água até o ponto de ajuste.
O que isto significa em um sentido prático é que o sinal de saída do controlador (igual à posição da válvula) no modo automático é tanto uma função da carga do processo (ou seja, quanto vapor está sendo usado da caldeira) como é uma função do setpoint (ou seja, onde desejamos que o nível da água seja). Considere uma situação em que a demanda de vapor da caldeira é muito baixa. Se não houver muito vapor sendo extraído da caldeira, isso significa que haverá pouca água fervida no vapor e, portanto, pouca necessidade de água de alimentação adicional a ser bombeada para a caldeira. Portanto, nesta situação, seria de esperar que a válvula de controlo pairasse perto da posição totalmente fechada, permitindo apenas água suficiente na caldeira para manter o nível de água do tambor de vapor no ponto de ajuste. Se, no entanto, houver uma alta demanda por vapor desta caldeira, a taxa de evaporação será muito maior. Isso significa que o sistema de controle deve adicionar água de alimentação à caldeira a uma taxa de fluxo muito maior, a fim de manter o nível de água do tambor de vapor no ponto de ajuste. Nesta situação, esperamos ver a válvula de controle muito mais próxima de estar totalmente aberta, pois o sistema de controle “trabalha mais duro” para manter um nível constante de água no tambor de vapor. Assim, vemos como o controlador posiciona automaticamente a válvula de controle para reagir a diferentes condições de operação da caldeira, mesmo quando o ponto de ajuste é fixo.
Um operador humano que supervisiona esta caldeira tem a opção de colocar o controlador no modo “manual”. Neste modo, a posição da válvula de controle está sob controle direto do operador humano, com o controlador essencialmente ignorando o sinal enviado pelo transmissor de nível de água. Sendo um controlador indicador, a placa controladora ainda mostrará a quantidade de água no tambor de vapor, mas agora é responsabilidade exclusiva do operador humano mover a válvula de controle para a posição apropriada para manter o nível de água no ponto de ajuste - no modo manual o controlador não toma nenhuma ação corretiva própria. O modo manual é útil para operadores humanos durante as condições de partida e parada. Também é útil para instrumentar técnicos para solucionar problemas de sistemas de controle mal comportados. Colocar um controlador no modo manual é como desativar o controle de cruzeiro em um automóvel, transferindo o controle da potência do motor do computador do carro de volta para o motorista humano. Pode-se facilmente imaginar um mecânico de automóveis precisando acelarar o motor de um carro “manualmente” (ou seja, com o controle de cruzeiro desligado), a fim de diagnosticar corretamente um problema no motor ou no trem de acionamento. Isso vale também para os processos industriais, em que os técnicos de instrumentos podem precisar colocar um controlador no modo manual para diagnosticar adequadamente os problemas do transmissor ou da válvula de controle.
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