inertes de gás

Artigo técnico
Válvulas proporcionais em malha fechada de controle
de gases inertes na automação de processos
Em muitas aplicações de automação de processo a pressão e a vazão de gases são controlados. Exigências de proteção
contra explosões significam que uma atmosfera inerte geralmente é criada e mantida em reatores e tanques de
processo em uma unidade fabril. Normalmente isto é feito com nitrogênio e, em alguns casos, com argônio. Outras
aplicações incluem a transferência de materiais entre tanques de processo e o envasamento, usando gases inertes,
ar, ar estéril, e dióxido de carbono. A pressurização de selos mecânicos com gás é outra aplicação. Principalmente as
seguintes funções são cobertas:
•Inertização, isto é, completa substituição do volume de gás contido (não controlado, alta taxa de vazão)
•Controle de pressão do gás inerte em tanques fechados
•Transbordo em recipientes e tanques de processo (controle de vazão)
•Transferência de material (controle de pressão)
•Pressurização e monitoramento de selos mecânicos com gás
A figura
circuito de controle
malha
fechada
com
um
Figure1 1mostra
showsum
a closed-loop
controlem
circuit
with
a single
closed-loop
controlador
fechada simples.
Em um the
circuito
de controle
em malha
controller.em
Inmalha
a closed-loop
control circuit,
control
unit receives
fechada
a unidade
deabout
controle
o real valor
da variável
regular
feedback
therecebe
actualfeedback
value of sobre
the controlled
variable
x.
controlada
x. Elethis
compara
com o valor
dew,
referência
w, calcula
It compares
value este
with valor
the setpoint
value
calculates
the o
desvio
do sistema
e extrapola
a variável manipulada,
que é variable,
transmitida
ao
system
deviation
e and extrapolates
the manipulated
which
posicionador.
O
posicionador
reajusta
a
válvula
e
reduz
o
desvio.
A
presença
is transmitted to the positioner. The positioner readjusts the valve
A tecnologia de válvula proporcional representa uma alternativa
de várias variáveis de perturbação z, tais como quedas de pressão na rede
and reduces the deviation. The presence of various disturbance
Proportional
valve
technology
represents
an
interesting
alternative
for
interessante para controle de malha fechada de gases inertes na
a montante e a jusante da válvula, significa que, em geral, estes circuitos
variables z, such as pressure drops in the network upstream and
closed-loop
control
of
inert
gases
in
process
automation.
It
achieves
automação de processos. Ela alcança a mesma exatidão que a
de controle estão trabalhando constantemente. A velocidade e a exatidão
downstream of the valve, mean that, in general, these control circuits
the
same
accuracy
as
the
existing
technology,
but
the
level
of
tecnologia existente, porém o nível de instalação e investimento
de um sistema de controle em malha fechada dependem do design geral do
are constantly working. The speed and accuracy of a closed-loop
installation
investment
required
isde
lower.
Installing
control
exigido
é mais and
baixo.
Instalar uma
estação
controle
em umapainel
sistema controlado, do tipo de controle em malha fechada e dos componentes
control system depend on the general design of the controlled
de controle compacto também economiza espaço e simplifica o
utilizados.
system, the type of closed-loop controller and the components used.
access
to all os
process
components.
The ability
to integrate
acesso
a todos
componentes
do processo.
A capacidade
de integrar
válvulas
proporcionais
a terminais
de válvulas
reduzspace
exigências
de
proportional
valves on
valve terminals
reduces
requirements,
espaço, simplifica a automação e dá mais opções de diagnósticos. Em
alguns
casos,
processos
antes
executados
ser
cases,
processes
which
have
previouslymanualmente
been carriedpodem
out manually
automatizados
de forma
simples
econômica.
can be automated
simply
andecost-effectively.
Para
cobrir these
estas funções,
sãodedicated
requeridas
linhas
dedicadas
comvalves
válvulas
To cover
functions,
lines
with
regulating
and
reguladoras e medidores de vazão em muitas aplicações existentes para
cada
nível de
gásgas
e pressão.
Dependendo
requerimentos
pressure
and
level. Depending
on do
theprocesso
processeand
industry
industriais,
os
custos
de
investimento
para
este
tipo
de
controle
podem
requirements, the investment costs for this type of control can
be
estar
entre
€
3.000
e
10.000
por
unidade
de
controle.
between € 3,000 – 10,000 per control circuit.
1. Tecnologia de válvula proporcional
Válvulas proporcionais ou reguladores de pressão proporcionais são
1. Proportional valve technology
válvulas de controle dinâmicas que permitem não apenas posições
Proportional
valves orcomo
proportional
pressure
regulators
are dynamic
distintas
de comutação,
aberto/fechado,
mas,
quando combinadas
control
valves
which
not
only
enable
discrete
switching
positions
com um solenoide proporcional ou duas válvulas comutadoras como like
open/closed,
but, when
combined
with aregulatório
proportional
solenoid
válvulas
piloto, também
permitem
o controle
constante
daor two
switching
valvesElas
as também
pilot valves,
also enable
dynamic
closed-loop
pressão
de saída.
fornecem
um meiothe
fácil
de controle
em
control
of thedaoutlet
They also provide
an easy
means of
malha
fechada
vazãopressure.
quando combinadas
com sensores
a jusante
adequados.
downstream sensors.
Comparador
Controlador em
malha fechada
(eletrônica integrada)
Desvio de sistema e
Variável de
referencia w
Elemento de
controle de
malha fechada
(valor nominal)
Sinal de feedback r
(saída de válvula e todos
os componentes a jusante)
Variável de perturbação z
(p.ex. vazamento)
(pistão de válvula)
Sistema
controlado
Atuador
Variável controlada
x (pressão)
Dispositivo
de medição
Figura 1: circuito de controle em malha fechada convencional
Valor de
referência
Regulador
de pressão
de trabalho
Regulador
de pressão
do diafragma
Bobinas
piloto
Etapa de
controle
piloto
Etapa
principal
Volume de
trabalho
Sensor 1
Valor real
Sensor 2
Figura 2: controle multissensor (controle em cascata) do regulador de pressão proporcional VPPM Festo com dois sensores de pressão integrados
Figura 2: controle multissensor (controle em cascata) do regulador de pressão proporcional VPPM Festo com dois sensores de pressão integrados
2
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2
(Figure 3).
Pressão (bar, relativa)
O Cascade
controle em
cascata
aumenta
a exatidão
a estabilidade
um
control
improves
the
accuracyeand
stability ofde
a controlled
sistema
controlado.
Emcontrols,
controlesseveral
em cascata
diversoscontrol
circuitos
de
system.
In cascade
closed-loop
circuits
are
controle
malha
fechada
sãoThe
agrupados
um dentro do
outro.isOdivided
sistema
nestedem
inside
one
another.
overall controlled
system
controlado
geral
é dividido
emare
circuitos
queThis
são increases
mais fáceisthe
de
into smaller
circuits
which
easiermenores
to control.
controlar.
Isto
aumenta
a
exatidão
e
a
estabilidade
do
sistema
de
controle
accuracy and stability of the closed-loop control system compared
emwith
malha
fechada, se comparado
a um
controlador
deproportional
malha fechada
a direct-action
closed-loop
controller.
Festo
de atuação direta. Os reguladores de pressão proporcional Festo têm
pressure regulators feature integrated multi-sensor control (Figure 2)
controle multissensor integrado (figura 2) baseado em dois sensores
based on two pressure sensors and feedback circuits. This results in
de pressão e circuitos de feedback. Isto resulta em características de
extremely stable and accurate control characteristics in combination
controle extremamente estáveis e exatas, combinadas com o controlador
with the integrated PID controller, even in challenging applications
PID integrado, mesmo em aplicações desafiadoras (figura 3).
Controle estável: próximo à
curva de referencia ideal com
controle multissensor
2. Tecnologia de válvula proporcional na automação de processos
Na automação de processos, gases inertes e ar são regulados em
tanques, reatores, fermentadores, misturadores e outros equipamentos
de processamento. Nós gostaríamos de lhe apresentar esta tecnologia
e sua implementação prática usando um laboratório para produzir
ingredientes farmacêuticos ativos (API) como exemplo.
Valor de referência
Curva de pressão de trabalho
“controlador simples”
Curva de pressão de trabalho
“controlador em cascata”
Figura 3: comparação da curva de pressão de trabalho de um controlador de malha
fechada simples e o controlador de malha fechada em cascata de um regulador
de pressão proporcional.
2.1. Definição de tarefa
Exigências de proteção contra explosões significam que deve ser possível
criar e manter uma atmosfera inerte em tanques de processo (reatores)
em uma fábrica. Isto é feito por meio do uso de nitrogênio e argônio, que,
dependendo da etapa do processo, devem ser controlados por meio de
2. Proportional
pressão
ou vazão. valve technology in process automation
Módulos
PLC + I/O
In process automation, inert gases and air are regulated at tanks,
Principalmente
as seguintes
funções
são cobertas:
reactors, fermenters,
mixers
and other
process equipment.
We would like to introduce you to this technology and its practical
•Inertização, isto é, completa substituição do volume de gás contido
implementation
using
a laboratory
(não
controlado, alta
taxa
de vazão) for producing active
pharmaceutical
ingredients
(API)em
astanques
an example.
•Controle de pressão do gás inerte
fechados
Válvula
reguladora
Válvula
reguladora
DCS
Sensor
•Transbordo em recipientes e tanques no processo contínuo (controle de vazão)
Explosion protection
requirements
mean(controle
that it must
be possible to
•Transferência
de material
para a centrífuga
de pressão)
create and maintain an inert atmosphere in process tanks (reactors)
Para
fornecer
os selos
dos agitadores
in arealizar
plant. estas
This isetapas
done eusing
nitrogen
andmecânicos
argon which,
depending
e centrífugas,
fábricas
projetadas
estágiosor
de
on the process
step,anteriormente
have to be regulated
byexigiam
means três
of pressure
pressão (40 mbar, 2,5 bar e 9 bar) com sistemas de tubulação dedicados.
A tubulação de aço inoxidável era equipada com válvulas reguladoras
(válvulas
de assento)
e medidores
de vazão.covered:
The following
functions
are essentially
PIRC
Figura 4: controle de gás inerte em um reator químico para produzir APIs.
• Inertisation, i.e. complete replacement of the contained gas volume
• Pressure blanketing (pressure control)
•
• Material transfer to the centrifuge (pressure control)
In order to realise these steps and supply the mechanical seals of the
agitators and centrifuges, previous plants required three pressure
stages (40 mbar, 2.5 bar and 9 bar) with dedicated pipe systems. The
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3
3
Normalmente,
algumas
destas
sãohandled
controladas
o uso de
Some of these
functions
arefunções
normally
usingcom
manually
redutores
de pressão
manualmente
ou válvulas
alívio de
adjustable
pressure
reducers or ajustáveis
pressure relief
valves.deDynamic
pressão.
Sistemas
de controle
em malha
fechada
geralmente
closed-loop
control
systemsdinâmicos
are generally
realised
using
regulating
são realizados pelo uso de válvulas reguladoras (válvulas de assento).
Dependendo
medidores
de vazão
na tubulação
e/ouor process
pipeline to da
thefunção,
tank and/or
a pressure
sensor
at the tank
sensores de pressão no tanque ou equipamentos de processamento são
necessários para transmitir a taxa de vazão e valores de pressão para
to the open-loop control system. Open-loop control and setpoint
o sistema de controle em malha aberta. O controle em malha aberta
e a especificação de valores de referência são feitos pelo sistema de
integrated closed-loop control module. The illustration on the right
controle da planta e o módulo de controle em malha fechada integrado. A
ilustração à direita (figura 5) mostra uma instalação simplificada em um
manufacturing
APIs.de APIs.
reator
para a produção
Módulo de medição de pressão
para monitorar a pressão de entrada
2 x 3 válvulas proporcionais
VPPM para controle de
pressão e vazão
O The
reator
mostrado
é um
sistema
multipropósito
no qual
reactor
shown
is típico
in a typical
multi-purpose
system
where the
os parâmetros de processo precisam ser ajustados flexível e
frequentemente.
O reatorwith
é pressurizado
com nitrogênio
ou com argônio
reactor is pressurised
either nitrogen
or argon depending
on the
dependendo do produto e do processo. A pressão requerida e/ou a taxa
derate
vazão
gasesgases
inertesare
são
reguladasaccording
conformeto
a etapa
do processo.
of dos
the inert
regulated
the process
step.
Nitrogênio
Argônio
Proteção da
alimentação
realizada pelo
cliente
Durante a fase de planejamento da fábrica, buscaram-se conceitos
alternativos e mais flexíveis para o controle de gás inerte. A abordagem
concepts
inertanálise
gas control
sought.
The approach
ultimately
escolhida
emfor
última
foi umwere
sistema
de controle
em malha
aberta
chosen
was
an
open-loop
control
system
using
proportional
que usa reguladores de pressão proporcionais com automação daspressure
funções especificadas e dos parâmetros do processo.
Microfiltros
parameters.
Medidor de fluxo SFAB
Figura 5: estrutura da solução Festo (estação de gás inerte)
2.2. The inert gas station system
2.2 O sistema de estação de gás inerte
entation
Após escolhida a nova tecnologia, a implementação específica foi
was
planned.
In
the
new
laboratory,
Festo
proportional
valves
are
planejada. No novo laboratório são instaladas válvulas proporcionais
used
instead
of
the
previous
regulating
valves.
As
there
are
two
Festo, ao invés das válvulas de controle anteriores. Como existem dois
reactors
reactor
room,
each
inert de
gasgás
station
for two
reatores
porper
sala
de reator,
cada
estação
inerteisé designed
desenvolvida
reactors
due to the
proximity
of the units.
Per container
there
is one
para
dois reatores
devido
à proximidade
das unidades.
Há uma
válvula
para argônio e duas para nitrogênio por recipiente. A primeira válvula
tem
umaof
escala
desecond
0 – 2 bar
e aasegunda,
0 – 6ofbar.
range
0 – 2de
barpressão
and the
has
pressurede
range
0 – 6 bar.
A variante
0 –variant
2 bar permite
controle
em malha
fechadacontrol
mais with
The 0 – 2debar
permitsum
more
accurate
closed-loop
preciso com pressões e taxas de vazão mais baixas, enquanto que a
variante de 0 – 6 bar permite que taxas de vazão muito mais altas sejam
percebidas. Dependendo da função, as duas válvulas também podem ser
conectadas
em série paracontrol.
preenchimento
rápido
seguido
de controle de
accurate closed-loop
On the one
hand,
this guarantees
the
malha fechada preciso. Por um lado, isto garante a precisão exigida para
required accuracy for pressure blanketing, while on the other hand
a controle de pressão, enquanto que, por outro lado, maiores vazões
podem ser gerenciados para inertização, que necessita de maiores
higher outlet pressures.
pressões de saída.
pressure reducer. At the same time, combining the functions for two
Ao mesmo tempo, a combinação das funções para dois reatores em um
reactors on one valve terminal reduced the purchasing and
terminal de válvulas reduziu os custos de compra e instalação.
installation costs.
O risco de contaminação é mínimo graças à lubrificação vitalícia das válvulas,
The risk
contamination
is minimal
the life-time
lubrication
porém,
por of
razões
de segurança,
o clientethanks
decidiuto
equipar
um microfiltro
a
jusante com um cartucho de filtragem de 0,01µm. Afinal, os gases do processo
estão em contato direto com os APIs médicos. Após o filtro, as linhas vão
diretamente
ao reator.
process gases
are in direct contact with the medical APIs. After the
proportional
pressure
regulators são
are integrated
on terminal
valve terminal
OsThe
reguladores
de pressão
proporcionais
integrados ao
de
válvulas MPA, que é conectado a uma plataforma elétrica de automação
CPX.
Os sensores
de vazão
também
removidos
tubulação
sensors
were also
removed
fromforam
the piping
at thedareactor
andno
moved
reator
e deslocados
para oThey
painel
controle. Eles
são15-bit
conectados
to the
control cabinet.
aredeconnected
to the
analogue
aoinput
módulo
de entrada
do CPX. meter
Um módulo
CPXCPX
medidor
de
module
of theanalógico
CPX. A pressure
module
measures
pressão
mede
as pressões
de corresponding
entrada na áreaplant
correspondente
da fábrica.
the input
pressures
in the
area. This continuous
Este monitoramento contínuo representa um significante avanço em
termos
de opções
de diagnóstico
à abordagem
anterior,
diagnostics
options
comparedcomparado
to the previous
approach,
once uma
a the
vez que um pressostato foi instalado para toda a fábrica no redutor de
pressure switch was installed for the entire plant at the central
pressão central.
4
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4
2.3. Supply of the mechanical seals
In the new laboratory, proportional valves are also used. A
2.3 Suprimento dos selos mecânicos
In contrast to the initial plan, proportional valves were also used in
Em contraste com o plano inicial, válvulas proporcionais também
foram utilizadas na versão final para prover os selos mecânicos para
station. In the existing old plants, the mechanical seals are supplied
os agitadores na estação. Nas fábricas antigas existentes, os selos
via the 9 bar nitrogen line. A manually adjustable pressure control
mecânicos são providos pela linha de nitrogênio de 9 bar. Um controle de
valve is manualmente
installed upstream
of the
The adisadvantages
thisAs
old
pressão
ajustável
estáseals.
instalado
montante dos of
selos.
solution
are:
desvantagens desta solução antiga são:
No novo laboratório também são usadas válvulas proporcionais. Uma válvula
proporcional, um medidor de vazão e um microfiltro são adicionalmente
integrated in the inert gas station. The extra costs compared with the
integrados à estação de gás inerte. Os custos adicionais, comparados à
old solution with manually adjustable pressure control valves are
solução antiga com válvulas de controle de pressão ajustáveis manualmente,
relatively low due to the integration on the valve terminal. The new
são relativamente baixos devido à integração ao terminal de válvulas. A nova
solutiontem
hasasthe
following
advantages
foroperador
the plant
solução
seguintes
vantagens
para o
deoperator:
fábrica:
1.1A pressão
no seloinmecânico
é ajustada
corresponder
à pressão
The pressure
the mechanical
sealpara
is adjusted
to match
the de
operação
no reator.
A pressão
entre
a pressão de
operação no
operating
pressure
in thediferencial
reactor. The
differential
pressure
reator
e no selothe
mecânico
permanece
constante.
between
operating
pressuresempre
in the reactor
and the mechanical
1.
A
essure
1Pouca ou nenhuma flexibilidade em unidades fabris multipropósito.
pressão
deve
ajustada
manualmente
lote,
mustdebealimentação
set manually
forser
every
batch,
or it is set topara
the cada
maximum
ou épressure
ajustada required
para a máxima
pressão
from the
start.exigida desde o começo.
seal always remains constant.
2. Um medidor adicional de vazão simples mede o consumo de gás do selo.
2
Isto permite que o sistema de controle detecte desvios a tempo. Então,
consumption. That allows the control system to detect deviations
inspeções visuais do selo durante a manutenção não são mais requeridas, ou
in good time. Visual inspections of the seal during maintenance
os ciclos podem ser estendidos.
2 Higher operating costs and a potential source of error if the supply
2. Maiores custos de operação e uma potencial fonte de problemas caso
pressure must be checked manually for every batch and adjusted
a pressão de alimentação tenha que ser checada manualmente para cada
applicable.
lote where
e ajustada
quando necessário.
3 The seals must be dismantled from time to time for visual
3. Osinspections
selos têm que
de That
tempo
tempo
para ifinspeção
andser
to desmontados
check for wear.
isem
only
possible
the plant
visual
verificação de
Isto somente
é possível caso a fábrica
is edeactivated
fordesgaste.
maintenance
purposes.
seja
desativada
para realização
de manutenção.
4 Higher
nitrogen
consumption
and possibly more if the seal is
always pressurised to the maximum pressure required.
are then no longer required or the cycles can be extended.
3.3UmA sensor
de sensor
pressãoinnathe
plataforma
elétrica
CPX monitora
a pressão
pressure
automation
platform
CPX monitors
the da
entrada.
inlet pressure.
4 The valve terminal MPA is connected to the process control
4. O terminal de válvulas MPA é conectado ao sistema de controle de processo
system via the automation module CPX and the integrated bus
pelo módulo elétrico CPX e pelo nó de rede integrado. Isto permite que todas
node. That allows all functions and values to be monitored and
as funções e valores sejam monitorados e avaliados centralmente.
4. Maior consumo de nitrogênio e possivelmente ainda maior caso o selo
seja sempre pressurizado para a máxima pressão exigida.
evaluated centrally.
Ao
a alimentação
doofselo
na estação
de gás
inerte,
Byintegrar
integrating
the supply
themecânico
mechanical
seal in the
inert
gas oito
válvulas
são instaladas
noinstalled
painel dein
controle
para dois
reatores.
station,proporcionais
eight proportional
valves are
the control
cabinet
for two reactors.
Os painéis de controle foram instalados no corredor tecnológico (área segura)
do lado externo das salas de reatores. A conexão do processo é estabelecida
The control cabinets were installed in the technology corridor
por mangueiras que transpõem a curta distância entre os painéis de controle
(non-ATEX zone) outside the reactor rooms. The process connection is
e a tubulação.
established via hoses which bridge the short distance between the
control
cabinets
and
piping.
Em
comparação
com
asthe
fábricas
antigas, as válvulas de controle, os
posicionadores e os medidores de vazão não são mais instalados em
atmosferas
Isto
significa
os custos
dethe
investimento
sãoand
Comparedexplosivas.
with the old
plants,
theque
control
valves,
positioners
mais baixos e que o planejamento e avaliações de risco da fábrica foram
simplificados.
that investment costs are lower and planning and risk assessment for
Figura 6: estação de gás inerte em um painel de controle para um reator para
regular a pressão e a vazão de gases inertes.
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5
5
Acesso
dede
funcionários
Acesso
funcionários
Porta
Porta
Sala
dede
reator
Sala
reator
Sala
limpa
Sala
limpa
classe
DD
classe
ExEx
- Zona
11
- Zona
Reator
Reator
Reator
Reator
Porta
Porta
Sala
dede
reator
Sala
reator
Sala
limpa
Sala
limpa
classe
DD
classe
ExEx
- Zona
11
- Zona
Reator
Reator
Reator
Reator
Porta
Porta
Sala
dede
reator
Sala
reator
Sala
limpa
Sala
limpa
classe
DD
classe
ExEx
- Zona
11
- Zona
Reator
Reator
Reator
Reator
Porta
Porta
Porta
Porta
Porta
Porta
Estação
dede
gás
Estação
gás
inerte
Festo
inerte
Festo
Estação
dede
gás
Estação
gás
inerte
Festo
inerte
Festo
Estação
dede
gás
Estação
gás
inerte
Festo
inerte
Festo
Piso
técnico
Piso
técnico
Distribuição
dede
mídia
e serviços,
tubulação,
válvulas,
sensores,
painéis
dede
controle
etc.
Distribuição
mídia
e serviços,
tubulação,
válvulas,
sensores,
painéis
controle
etc.
Figura
7:7:
produção
dede
API,
diagrama
esquemático
dede
layout
e instalação
dada
Figura
produção
API,
diagrama
esquemático
layout
e instalação
estação
dede
gás
inerte
nas
instalações
dodo
cliente
estação
gás
inerte
nas
instalações
cliente
Durante
athe
fase
de planning
planejamento
da fábrica,
o operador
decidiu
usar
During
plant
the
decided
totouse
the
Duringthe
plant
planningphase,
phase,
theoperator
operator
decided
use
the
asame
mesma
tecnologiafor
para
as
centrífugasused
usadas
para separar
os
APIs
technology
the
centrifuges
to
separate
the
APIs
same technology for the centrifuges used to separate the APIsinto
into
em
matérialiquid
sólida e líquida,
como para
os gabinetes de
secagem. Isto
solid
solidand
and liquidmatter
matterasasforforthe
thedrying
dryingcabinets.
cabinets.That
Thatmeans
meansthat
thatallall
significa
que todosinos
dispositivos de
processos no
laboratório são
process
processdevices
devices inthe
thelaboratory
laboratoryare
aresupplied
suppliedwith
withnitrogen
nitrogenfrom
fromone
one
alimentados
com nitrogênio de um sistema.
system.
system.
2.4.
Integration
system
2.4.
Integration
inthe
thecontrol
control
system
2.4
Integração
noin
sistema
de controle
As
part
of
the
project,
the
inert
were
connected
totoaaaum
As part
ofdo
theprojeto,
project,asthe
inertgas
gas
stations
were
connected
Como
parte
estações
destations
gás
inerte
foram
conectadas
Siemens
PCS
7
system.
The
operator
station
was
designed
as
controlador
Siemens
PCS 7.The
A estação
de station
operador
foi designed
desenvolvida
Siemens PCS
7 system.
operator
was
asa acomo
mobile
unit
which
allows
the
two
reactors
in
a
reactor
room
to
uma
unidade
permite
que os
dois reatores
em uma
sala
de
mobile
unitmóvel
whichque
allows
the two
reactors
in a reactor
room
tobe
be
controlled.
reação
sejam controlados.
controlled.
Controlador
Controlador
PCS7
PCS7
Estação
dede
Estação
operação
dodo
PCS7
operação
PCS7
Barramento
terminal
Barramento
terminal
Estação
dede
gás
inerte
Estação
gás
inerte
para
dois
recipientes
para
dois
recipientes
Uma
extensa biblioteca
de drivers
está disponível
para integrar as
AnAnextensive
extensivelibrary
libraryofofdrivers
driversisisavailable
availableforforintegrating
integratingthe
the
válvulas proporcionais e os módulos I/O no sistema de controle de
proportional
valves
and
the
I/O
modules
in
the
proportional valves and the I/O modules in theopen-loop
open-loopcontrol
control
malha aberta. Como resultado, os módulos do terminal elétrico CPX são
system.
AsAsa aresult,
custom
rack
and
module
components
forforthe
system.
result,
custom
rack
and
module
components
the
automaticamente reconhecidos pelo controlador Siemens. Isto torna a
automation
platform
CPX
are
automatically
generated
when
automation
platform
CPX
are
automatically
generated
when
programação (figura 8) muito mais fácil, já que o programador não tem
generating
the
generating
themodule
moduledrivers.
drivers.This
Thismakes
makesprogramming
programming(Figure
(Figure8)8)
mais
que intervir
manualmente.
Protocolo
dede
Protocolo
Comunicação
(Profinet)
Comunicação
(Profinet)
Portas
dede
Portas
alimentação
alimentação
para
nitrogênio
para
nitrogênio
e argônio
e argônio
much
mucheasier
easierasasthe
theprogrammer
programmernonolonger
longerneeds
needstotointervene
intervene
manually.
Este
tipo de controle de malha fechada também requer que um sensor
manually.
de pressão no tanque seja regulado, e um módulo de controle PID
seja
implementado
no sistema
de controle
de malha
aberta. sensor
Osensor
correto
This
type
control
also
a apressure
inin
This
typeofofclosed-loop
closed-loop
control
alsorequires
requires
pressure
desenho
do
circuito
de
controle
para
operação
reprodutível
e
sem
the
tank
to
be
regulated
and
a
PID
control
module
in
the
open-loop
the tank to be regulated and a PID control module in the open-loop
problemas
é tão importante
para a of
tecnologia
de válvulasfor
proporcionais
control
controlsystem.
system.The
Theright
rightdesign
design ofthe
thecontrol
controlcircuit
circuit fortrouble
troublefree
free
quanto
para outrasoperation
soluções técnicas.
and reproducible
is just as important for proportional valve
Tubulação
DN15
Piping
DN15
Tubulação
DN15
Piping
DN15
and reproducible operation is just as important for proportional valve
technology
technologyasasforforother
othertechnical
technicalsolutions.
solutions.
Tanque/reator
Tanque/reator
500..1000l
500..1000l
Figura
8:8:
estação
dede
gás
inerte
em
uma
rede
dede
sistema;
apenas
um
recipiente
Figura
estação
gás
inerte
em
uma
rede
sistema;
apenas
um
recipiente
dede
processo
é mostrado
para
maior
clareza.
processo
é mostrado
para
maior
clareza.
6
©©
Copyright
2014,
Festo
AGAG
&&
Co.
KGKG
Copyright
2014,
Festo
Co.
66
Módulo de controle
PID padrão (Siemens)
Módulo operador
de canal CPX saída
digital (Festo)
Módulos padrão para
conversão e avaliação
de sinal (Siemens)
Módulo operador de
canal VPPM/saída analógica
(Festo)
Módulo operador de canal
saída analógica (Festo)
Figura 9: programando o controle de vazão em malha fechada no controlador SIMATIC PCS7
Tests were carried out in the laboratory using the new technology as
part of the trials for the project. These tests proved the outstanding
and fast
closed-loop
control
characteristics
thetecnologia
installation
Testes
foram
realizados no
laboratório
usando a of
nova
como
(Figure
parte dos ensaios para o projeto. Estes testes provaram as excepcionais
changed,
the cascadede
PID
controller
quickly
adjustsdathe
actual
e rápidas
características
controle
em malha
fechada
instalação
value
to
the
new
setpoint
value
without
overshooting.
(figura 10). Depois que o valor de referência para a taxa de vazão
The setpoint value is reached faster and maintained with greater
stability than with the previous solution using a single closed-loop
controller.
The setpoint
value
deviation
for a setpoint
O valor
de referência
é atingido
mais
rapidamente
e mantidovalue
com of
maior
7,000
l/h
is
approx.
0.5
–
1%
of
the
value.
estabilidade do que com a solução anterior usando um controle em malha
fechada simples. O desvio do valor de referência de 7.000 l/h é de aprox. 0,5 – 1% do valor.
requerida é alterado, o controle PID em cascata rapidamente ajusta o
valor real ao novo valor de referência sem ultrapassá-lo.
Figura 10: curvas de vazão do controle em malha fechada de gás da fábrica durante o teste do sistema
© Copyright 2014, Festo AG & Co. KG
7
7
3. Programação de controle de malha aberta com a tecnologia de
válvula proporcional na automação de processos
Comparado à tecnologia convencional, o controle de malha aberta
com uso de tecnologia de válvula proporcional requer uma pequena
reconsideração em algumas áreas ao se programar um processo.
Reguladores de pressão proporcional têm sensores de pressão
integrados que medem a pressão diretamente na saída da válvula. O
regulador de pressão em um regulador de pressão proporcional está
sempre ativo. Deve-se portanto ter em mente que quando o sistema
de controle em malha aberta especifica um valor de referência para
o regulador de pressão proporcional, a válvula proporcional sempre
interpreta e regula os valores de referência como a pressão de saída da
válvula.
3.1. Inertização
Geralmente a inertização consiste de três ciclos sucessivos nos quais
o tanque é primeiramente evacuado e depois retornado à pressão
atmosférica (alívio de pressão) com nitrogênio via válvula proporcional.
Para permitir que o volume de gás exigido flua para dentro do tanque
rapidamente, recomenda-se ou especificar uma alta pressão de saída
na válvula proporcional, ou operar o controle de vazão em malha
fechada com um valor de referência correspondentemente alto. A
válvula proporcional é então totalmente aberta. Ambas as operações
terminam assim que a pressão interna no tanque tenha atingido o valor
de referência requerido. Simplesmente conectar a válvula proporcional
com um valor de referência muito baixo (p.ex. uma pressão manométrica
de 50 mbar) resultaria em uma taxa de vazão baixa e, portanto, um
incremento muito lento da pressão dentro do tanque. Então, um ciclo de
inertização tomaria mais tempo.
O subsequente controle da pressão do tanque fechado após a inertização
pode ser feita usando regulador de pressão (válvula proporcional). Assim
como na inertização, a pressão é aumentada até o valor de referência
requerido através da especificação de uma pressão de saída mais
alta. Esta é reduzida até o real valor de referência antes que o ponto
de ajuste seja atingido. Esta abordagem não estende a duração da
operação de inertização em nada além do que quando se usam sistemas
convencionais de controle em malha fechada.
3.2. Transferência de material
Para células ou proteínas suscetíveis a cisalhamento em produção
biotecnológica, por exemplo, a transferência de material entre dois
recipientes não é implementada através de bombas, mas através
de um colchão de pressão no tanque de origem. Primeiramente, a
pressão no tanque de origem é predefinida para o valor necessário para
transferência, por exemplo, 1,5 bar. O ideal é que isto seja feito por meio
de controle de vazão em malha fechada com uma alta taxa de vazão
volumétrica ou especificando-se uma pressão de saída que seja muito
mais alta do que a real pressão de transferência. A válvula proporcional
é então totalmente aberta e a pressão de transferência exigida é atingida
rapidamente. Quando a pressão de transferência requerida é atingida, o
controle de pressão da malha fechada pode ser ativado. Isto compensa a
queda de pressão resultante depois que a válvula do fundo do tanque se
abre e mantém a pressão de transferência constante.
3.3. Envase
O uso em produção ou envase em recipientes, por exemplo na indústria
alimentícia, é idêntico. Máquinas de envase geralmente têm um tanque
de origem a partir do qual o produto é alimentado ao bico envasador.
O nível no tanque de origem, que muda durante o processo de envase,
causa mudanças nas condições das linhas de envase. Dependendo
do meio, isto leva a uma maior variação do processo de envase no que
diz respeito ao peso preenchido. Como o enchimento de recipientes
abaixo do nível mínimo não é permitido, clientes perdem dinheiro com
8
desperdício constante devido ao excesso de produto no enchimento.
Um regulador de pressão proporcional não apenas pressuriza o tanque de
alimentação, ele adiciona um gás apropriado. Isto mantém uma pressão de
entrada constante por todo o processo de envase, independentemente do
nível flutuante. Isto reduz a variação do peso preenchido, economizando
dinheiro do cliente.
3.4. Transbordo de um recipiente
O transbordo de um recipiente com nitrogênio para continuamente
deslocar gases explosivos durante o processo via tubo de escape pode ser
implementado com controle de pressão ou vazão dependendo das exigências
do processo. O controle de pressão é preferível para taxas de vazão mais
baixas, enquanto o controle de vazão é melhor para altas taxas de vazão.
4. Avaliação e vantagens da tecnologia de válvula proporcional na
automação de processos
Assim como qualquer outra solução técnica, a aplicação descrita acima
tem limitações que devem ser levadas em consideração durante o
processo de desenvolvimento. A tecnologia de válvula proporcional
está atualmente disponível para tamanhos de conexão de G¼ a G1.
O regulador de pressão proporcional VPPM com um tamanho nominal
de ½” tem uma taxa de vazão máxima de aprox. 12.000 l/min. Os
componentes e materiais usados são atualmente apropriados somente
para controle em malha aberta direto de meios inertes e neutros. O
controle em malha fechada de vapor, água (H2), oxigênio (O2) ou gases
agressivos como amônia (NH3) atualmente não é possível devido à
resistência de material ou falta de certificação. Reguladores de pressão
proporcionais podem, entretanto, ser usados para atuar, p.ex., válvulas
de assento. Esta aplicação indireta corresponde às aplicações de
automação de fábrica descritas na Seção 2.
Do ponto de vista do operador, a implementação descrita acima usando
tecnologia de válvula proporcional para o controle de gases inertes no
reator tem claras vantagens:
•Controle em malha aberta da fábrica mais flexível e direto
•Custos de instalação mais baixos
•Menor exigência de espaço na fábrica
•Para tamanhos nominais pequenos de até ½”, tubos de aço inox
podem ser substituídos por mangueiras de fácil instalação muito mais
baratas
•Exigências de proteção contra explosão reduzidos graças à instalação
do painel de controle na área não classificada.
•Opções de diagnóstico ampliadas pela integração de válvulas
proporcionais ao terminal de válvulas
A tecnologia de válvulas proporcionais é, portanto, uma alternativa
interessante para o controle de malha fechada de gases inertes na
automação de processos.
Autor:
Thomas Schulz
Chefe do segmento de indústria
e Gestão de contas chave Biotech/Farma/Cosméticos
Festo AG & Co. KG
Rechbergstrasse 19
73770 Denkendorf, Germany
Tel.: +49 711 347 52192
e-mail: [email protected]
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