INFLUÊNCIA DOS DEFEITOS MECÂNICOS DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE TIPO GLOBO NO MODELO MATEMÁTICO DE UMA MALHA DE NÍVEL EM UMA PLANTA DIDÁTICA

INFLUÊNCIA DOS DEFEITOS MECÂNICOS DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE TIPO GLOBO NO MODELO MATEMÁTICO DE UMA MALHA DE NÍVEL EM UMA PLANTA DIDÁTICA

Karol Ferreira, Sávio Novais, Ronaldo Ribeiro1

1 Cenibra, Brasil 

RESUMO

No presente trabalho é apresentado um estudo sobre os defeitos mecânicos decorrentes em uma válvula de controle tipo globo, simulados em uma planta didática. A escolha pelo modelo da válvula se deu em função da disponibilidade desta no laboratório de instrumentação e controle do Centro Universitário do Leste de Minas Gerais (UNILESTE). Como forma de simulação de defeitos na válvula alterou-se a pressão de alimentação do atuador, com o desejo de causar perturbações no suprimento de ar de alimentação do mesmo. Atualmente a variabilidade no controle destas válvulas gera grande desperdício de energia, alto índice de paradas não programadas para manutenção, além de perdas da qualidade dos processos. Estima-se que entre 20 a 30% das malhas de controle apresentam falhas por influência de defeitos mecânicos. Utilizando uma planta didática foi levantado o modelo matemático de uma malha de nível e com o auxílio do software MatLab foi reproduzido o modelo do funcionamento real do sistema estudado, bem como o modelo matemático que descreve o comportamento da curva de reação do sistema depois de inserida uma condição capaz de simular o defeito mecânico de variação da pressão de alimentação na válvula de controle, a fim de observar as influências desta falha no modelo global da malha. Os resultados evidenciaram que influências no comportamento da válvula de controle alteram significativamente o modelo de referência. Portanto, o objetivo deste trabalho é estudar e comparar o comportamento da curva de um sistema de controle de nível onde seu elemento final de controle apresenta defeito mecânico por meio de simulações.

Palavras-chave: Válvula de Controle. Modelagem. Controle.

1. INTRODUÇÃO

O controle de processos industriais tem por finalidade manter a qualidade dos quesitos operacionais no que se refere à fabricação de seus produtos. Tais controles baseiam-se em parâmetros pré-estabelecidos. Estes são, normalmente, variáveis que devem ser acompanhadas e comparadas, com o intuito de garantir a continuidade do processo.

A influência de descontinuidades em válvulas de controle, muitas vezes oriundas de problemas mecânicos, podem causar perturbações no processo, oscilações da malha de controle e histerese, por exemplo. Além disto, a variabilidade no controle das válvulas gera grande desperdício de energia, alto índice de parada para manutenção não programada, além de perda da qualidade dos processos.

Srinivasan e Rengaswamy (2005) afirmam que entre 20 a 30% das malhas de controle auditadas por eles apresentam oscilações no controle das válvulas devido problemas mecânicos. Diante do exposto questiona-se: será que as oscilações são provenientes de problemas mecânicos? O trabalho visa responder: qual a influência dos defeitos mecânicos presentes em uma válvula controladora no modelo matemático de um sistema de controle de nível.

O objetivo do trabalho é comparar o comportamento da curva de reação de um sistema de controle de nível onde seu elemento final de controle apresenta defeito mecânico por meio de simulações com uma curva gerada pela função de transferência da malha de controle sem defeito.

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É apresentado ainda uma revisão bibliográfica do apanhado histórico da automação industrial, das válvulas de controle e seus componentes principais, as não linearidades típicas destas válvulas e um estudo de caso para verificação da influência que os defeitos mecânicos presentes nos elementos finais de controle ocasionam no controle da variável de um processo.

A metodologia utilizada no estudo de caso foi a elaboração do modelamento matemático capaz de descrever o funcionamento do processo da malha de controle estudada, desenvolvido por meio do método de identificação de sistemas que consiste em obter a função de transferência compatível com o comportamento do processo estudado. A simulação dos defeitos mecânicos foi realizada diminuindo de forma manual a pressão de alimentação do atuador da válvula de controle para simular defeito típico de diferencial de pressão.  E com o auxílio do software MatLab validou-se o modelo obtido por meio da função de transferência do processo. Sendo então possível a comparação entre as curvas de reação, identificando e analisando a influência deste defeito na malha de controle do processo.

1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

1. Apanhado histórico

O desenvolvimento da tecnologia proveniente da primeira revolução industrial caracterizou o surgimento da automação. Com a criação inglesa da máquina a vapor a força humana passou a ser substituída pela força das máquinas, impulsionando a produção de artigos manufaturados e criando meios de transportes para grandes volumes de produtos (SILEVIRA; LIMA, 2016).

No século XIX a indústria cresceu e se solidificou, com o emprego da energia elétrica, a utilização do motor a combustão e a substituição do ferro pelo aço o crescimento industrial na Europa e nos Estados Unidos cresceu exponencialmente. Desta forma cientistas passaram a se dedicar na formulação de teorias e no invento de máquinas capazes de reduzir os custos e o tempo de fabricação de produtos, para que pudessem ser produzidos em escalas cada vez maiores. À criação destas tecnologias, e a outros acontecimentos que seguiram, foi dado o título de segunda Revolução Industrial (SOUZA, 2016).

A utilização da eletrônica e da informática para aperfeiçoar o processo produtivo na década de 60 deu início à terceira Revolução Industrial. Com um grande aliado, a automação passou a utilizar os controladores lógicos programáveis (CLP) para comandar equipamentos de forma a reprogramá-los a cada demanda de determinado produto, dando início às linhas contínuas de produção automatizada (MAITELLI, 2016).

Atualmente a sociedade presencia a era denominada por muitos como a quarta Revolução Industrial, onde a integração de equipamentos ocorre de maneira mais natural, isto é, a combinação entre indústria e dispositivos eletrônicos que são comumente utilizados no dia a dia das pessoas torna o acesso à informação dentro das empresas mais fácil e mais preciso. O objetivo desta combinação é gerir o processo produtivo de maneira mais ampla, melhorando a eficiência na produção (BEUREN; MARTINS, 2001).