Comentaremos neste artigo, uma interessante aplicação da Física com o uso do Sensor HALL no desenvolvimento de Posicionadores Inteligentes de Válvulas que agregará vários recursos de performance e diagnósticos.

O posicionador de válvula é de extrema importância em qualquer área industrial, trabalhando como elemento final de controle acoplado a atuadores e válvulas, onde deve atender a uma série de requisitos operacionais e de segurança que com a utilização da tecnologia do sensor Hall pode-se conseguir facilmente:

• alta sensibilidade;
• suportar altas temperaturas;
• erros desprezíveis de linearidade;
• erros desprezíveis com vibração;
• repetibilidade e estabilidade, minimizando consumos e reduzindo a variabilidade dos processos;
• alta confiabilidade, garantindo continuidade e segurança operacional;
• versatilidade, flexibilidade de uso independente do fabricante e tipo de válvula/atuador, assim como o curso de movimento, facilitando adequação a novas demandas;
• fácil operação, com mínimos ajustes, simplificando instalação, operação e manutenção, reduzindo o downtime de operação e,
• prover funções avançadas de diagnose, proporcionando redução de custos operacionais e de manutenção, economia de tempo e melhorando a condição do processo, garantindo a otimização e melhoria continua dos processos.

A tecnologia convencional de equipamentos de atuação é baseada em acoplamentos mecânicos, com montagens e ajustes complicados, de baixa sensibilidade e precisão, sendo muitas vezes responsáveis desvios e toda variabilidade do processo, refletindo na estabilidade dos controles, na qualidade, alta taxa de manutenção, segurança operacional etc.

O posicionador VVP10-P é mais um integrante da família de equipamentos Profibus PA da Vivace Process Instruments, projetado para trabalhar com acionadores de válvula linear ou rotativa, proporcionando precisão e controle com alta disponibilidade e confiabilidade. Permite fácil instalação e comissionamento e é adequado para vários tipos de válvulas, independentemente da ação (simples ou dupla) e tamanho.

O VVP10-P possui modelos com sensores de pressão e interruptores de fim de curso (entrada e saída digital) para diagnósticos avançados, que ajudam a predizer eficientemente a necessidade de manutenção. O posicionador é alimentado por uma tensão de 9 a 32 Vcc e consome somente 12 mA de corrente quiescente.

Através de um configurador Profibus PA, é possível configurar os parâmetros do posicionador, além de executar Autocalibração de Posição, Autossintonia PID, verificar calibrações, diagnósticos e monitorações. Também é possível realizar a configuração do VVP10-P via ajuste local através de uma chave magnética.

O VVP10-P é conectado à rede Profibus PA através de um coupler DP/PA, utilizando um par de fios trançados e shieldados. A tecnologia Profibus PA permite a interconexão de vários equipamentos em uma única rede, possibilitando a construção de grandes sistemas de controle. O VVP10-P trabalha com o conceito de blocos funcionais, como Saída Analógica e Transdutor.

Priorizando seu alto desempenho e robustez, o VVP10-P foi projetado com as mais recentes tecnologias de componentes eletrônicos e materiais, garantindo confiabilidade a longo prazo para sistemas de qualquer escala.

A modularização dos componentes do posicionador VVP10-P está descrita no diagrama de blocos da Figura 1.1.

Bloco eletrônico
O posicionador recebe um sinal de Setpoint (SP) do Bloco de Saída Analógica (AO), via Mestre Profibus DP, através da comunicação Profibus PA, e executa um algoritmo de controle PID utilizando a leitura de posição do sensor Hall como entrada.

O sinal do sensor magnético Hall segue ao conversor ADC localizado na placa eletrônica analógica, onde é convertido em valor digital e, posteriormente, em posição, de acordo com a faixa de calibração e unidade selecionada.

O sensor Hall fica alojado e protegido internamente ao módulo mecânico. O imã fica preso ao eixo da válvula ou atuador, onde se tem a aplicação de fluxo magnético ao sensor Hall e, consequentemente, a caracterização de posição, levando-se em conta o centro do imã, onde se tem campo nulo(posição igual a 50.0%).

Desta forma, quando a válvula estiver na metade do seu curso, o sensor Hall estará recebendo campo magnético nulo e internamente, a CPU saberá que corresponde a 50% do curso total.Num extremo do curso terá sinal de tensão máximo caracterizando, por exemplo 100% e no outro extremo, terá sinal mínimo, caracterizando o 0%. As tensões de extremos são colhidas durante o processo de autocalibração, onde sem a intervenção do usuário, o posicionador determina as tensões de Hall correspondente aos limites físicos do curso, de forma precisa e segura.

O controle PID gera uma saída para a placa analógica que irá fornecer uma corrente de atuação na bobina eletromagnética, a fim de acionar o módulo I/P (corrente/pressão) que posicionará a válvula/atuador. O usuário pode acionar o algoritmo de autossintonia, onde o VVP10-P calculará automaticamente as constantes de seu servo PID: Kp, Tr e Td. Pode, alternativamente, fazer ajustes manualmente nestas constantes.

A placa principal possui ainda um modem Profibus PA que faz a interface dos sinais do microcontrolador com a rede Profibus PA ao qual o posicionador se conecta.

A placa do display possui o bloco controlador que faz a interface entre o LCD e a CPU, adaptando as mensagens a serem exibidas.

A CPU da placa principal pode ser relacionada ao cérebro do posicionador, onde acontecem todos os controles de tempos, comunicação Profibus PA, controle PID, diagnósticos, além das rotinas comuns como configuração, diagnósticos e calibração.

Bloco mecânico
O posicionador é alimentado através da conexão pneumática de entrada por uma pressão já direcionada à válvula carretel. A válvula carretel nada mais é que uma válvula direcional de 5 vias (entrada, duas saídas e dois escapes para estas saídas). Quando utilizado como simples ação, simplesmente tampamos a saída 2, transformando a válvula em um sistema de apenas 3 vias.

Uma parcela desta pressão de entrada é desviada para um regulador interno, que possui a finalidade de manter a pressão fixa no módulo I/P (corrente/pressão), independente da pressão de suprimento aplicada.

A pressão regulada passa por um orifício de restrição, a fim de diminuir a vazão que chegará ao sistema bico-palheta (módulo I/P). O sistema bico-palheta é formado por uma bobina eletromagnética que recebe corrente elétrica e gera um campo magnético que atrai uma lâmina. Esta lâmina se aproxima do bico quando a corrente elétrica circulando na bobina tem seu valor aumentado e se afasta quando o valor da corrente é diminuído. Este movimento permite que a pressão existente neste ponto seja variada, uma vez que a lâmina afastada do bico ocasiona perda de pressão para a atmosfera, diminuindo a chamada pressão piloto.

A pressão piloto é encaminhada para um diafragma que atua diretamente na válvula carretel, em oposição à força de uma mola. Existe um balanço de forças entre a pressão piloto na área do diafragma versus a força da mola que posiciona o carretel em diferentes posições, direcionando a pressão de suprimento para a saída 1, saída 2 ou para condição de equilíbrio (quando se atinge o controle, ou seja, quando atingimos fisicamente a posição desejada).

Existem ainda duas tomadas de pressão externas, para calibração do regulador interno e do módulo I/P, que devem permanecer fechadas durante o funcionamento normal do equipamento.

Configuração FDT/DTM
Ferramentas baseadas em FDT/DTM (Ex. PACTware®, FieldCare®, FieldMate, AssetView etc.) podem ser utilizadas para informação, configuração, monitoração e visualização de diagnósticos de equipamentos com a tecnologia Profibus-PA.A Vivace disponibiliza os DTMs de todos os seus equipamentos da linha com os protocolos HART® e Profibus-PA.

As figuras a seguir mostram algumas telas do DTM do VVP10-P usando a VCI10-UP da Vivace e o PACTware®.

Figura 1.3 – Tela de monitoração do bloco Transducer no PACTware.

Configuração cíclica
A comunicação cíclica é baseada na parametrização feita utilizando o arquivo GSD. Os arquivos GSDs dos produtos Profibus Vivace estão disponíveis no site www.vivaceinstruments.com.br para cada equipamento, na área de produtos, diretório arquivos.

Troca de dados cíclicos
O VVP10-P pode trocar dados cíclicos com o mestre Profibus DP Classe 1 de 7 maneiras diferentes, de acordo com os módulos descritos no arquivo GSD.

A. SP
– (short) 0xA4
– (extended format) 0x82, 0x84, 0x08, 0x05
Com esta configuração, o VVP10-P recebe um Setpoint (SP) do mestre Profibus como posição desejada e não retorna nada ao mestre. Nesta condição, o bloco AO deve estar em automático (AUTO) e o status do SP deve ser pelo menos Good. Neste modo, além do mestre Profibus, o usuário pode atuar no SP, via comunicação acíclica.

B. RCAS_IN+RCAS_OUT
– (short) 0xB4
– (extended format) 0xC4, 0x84, 0x84, 0x08, 0x05, 0x08, 0x05
Com esta configuração, o VVP10-P recebe um Setpoint (RCAS_IN) do mestre Profibus como posição desejada e retorna ao mestre o valor recebido, através do parâmetro RCAS_OUT. Nesta condição, o status deve ser igual a IA-Initialization Acknowledge (0xC4). Neste modo, somente o mestre Profibus pode atuar via comunicação cíclica.

C. SP+READBACK+POS_D
– (short) 0x96,0xA4
– (extended format) 0xC6, 0x84, 0x86, 0x08, 0x05, 0x08, 0x05, 0x05, 0x05
Com esta configuração, o VVP10-P recebe um Setpoint (SP) do mestre Profibus como posição desejada e retorna a posição real (READBACK) e a posição discreta (POS_D) ao mestre. Nesta condição, o bloco AO deve estar em automático (AUTO) e o status do SP deve ser pelo menos Good. Neste modo, além do mestre Profibus, o usuário pode atuar no SP, via comunicação acíclica.

D. SP+CHECKBACK
– (short) 0x92, 0xA4
– (extended format) 0xC3, 0x84, 0x82, 0x08, 0x05, 0x0A
Com esta configuração, o VVP10-P recebe um Setpoint (SP) do mestre Profibus como posição desejada e retorna a condição de diagnóstico (CHECKBACK) ao mestre. Nesta condição, o bloco AO deve estar em automático (AUTO) e o status do SP deve ser pelo menos Good. Neste modo, além do mestre Profibus, o usuário pode atuar no SP, via comunicação acíclica.

E. SP+READBACK+POS_D+CHECKBACK
– (short) 0x99, 0xA4
– (extended format) 0xC7, 0x84, 0x89, 0x08, 0x05, 0x08, 0x05, 0x05, 0x05, 0x0A
Com esta configuração, o VVP10-P recebe um setpoint (SP) do mestre Profibus como posição desejada e retorna a condição de diagnóstico (CHECKBACK) e a posição discreta ao mestre. Nesta condição, o bloco AO deve estar em automático (AUTO) e o status do SP deve ser pelo menos Good. Neste modo, além do mestre Profibus, o usuário pode atuar no SP, via comunicação acíclica.

F. RCAS_IN+RCAS_OUT+CHECKBACK
– (short) 0x97, 0xA4
– (extended format) 0xC5, 0x84, 0x87, 0x08, 0x05, 0x08, 0x05, 0x0A
Com esta configuração, o VVP10-P recebe um Setpoint (RCAS_IN) do mestre Profibus como posição desejada e retorna ao mestre o valor recebido, através do parâmetro RCAS_OUT e as condições de diagnóstico no parâmetro CHECKBACK. Nesta condição, o status deve ser igual a IA-Initialization Acknowledge (0xC4). Neste modo, somente o mestre Profibus pode atuar via comunicação cíclica.

G. SP+RB+RIN+ROUT+POS_D+CB
– (short) 0x9E, 0xA9
– (extended format) 0xCB, 0x89, 0x8E, 0x08, 0x05, 0x08, 0x05, 0x08, 0x05, 0x08, 0x05, 0x05, 0x05, 0x0A
Esta configuração cíclica é uma combinação completa das anteriores Valores em ponto flutuante e status são 5 bytes, sendo os quatro primeiros no formato ponto flutuante (IEEE-754) e o quinto byte formando o status que traz a informação da qualidade desta medição.

Resumo das características do VVP10-P

• Projetado para Operar em Condições Severas
• Alta Robustez com o Ar de Instrumentação
• Tecnologia de Bobina Eletrônica
• Sensor de Posição Sem Contato (Sensor Hall)
• Adequado para a Maioria das Marcas de Válvulas/Atuadores
• Ações Simples e Dupla
• Sensor de Posição Remoto • Autocalibração e Autossintonia
• Diagnósticos Avançados: Assinatura de Válvula, PST etc.
• Sensores de Pressão
• Pressão de Alimentação de Ar: 20 a 140 psi • Curso do Atuador: Linear: 3 a 100 mm e Rotativo: 30 a 120º
• LCD 5 Dígitos, Rotativo, Bargraph e Ajuste Local
• EDDL e DTM
• 2 Entradas Digitais (Fim de Curso) • 2 Saídas Digitais (Para Atuação de Válvulas Solenoides de Segurança)
• Também disponível na tecnologia HART® 7 /4-20mA

Conclusão
Pudemos ver através deste breve artigo alguns detalhes do VVP10-P, posicionador baseado em tecnologia digital com sensor Hall. A flexibilidade, recursividade e geração de diagnósticos avançados facilitam as condições de manutenção preventiva, preditiva e proativa.

Para mais detalhes, consulte: www.vivaceinstruments.com.br/pt/produtos/posicao/posicionador-inteligente

Referências

• Material de Treinamento Profibus – César Cassiolato
• www.vivaceinstruments.com.br

Sobre o autor
César Cassiolato é presidente e diretor de Qualidade da Vivace Process Instruments. É também conselheiro administrativo da Associação PROFIBUS Brasil América Latina desde 2011, onde foi presidente de 2006 a 2010; diretor técnico do Centro de Competência e Treinamento em PROFIBUS; diretor do FDT Group no Brasil; e engenheiro certificado na Tecnologia PROFIBUS e Instalações PROFIBUS pela Universidade de Manchester.