Para descobrir fatores que pudessem comprometer a qualidade da operação do conjunto válvula-atuador, os fabricantes de posicionadores tomaram a decisão de implementar novas variáveis de monitoração que auxiliassem os usuários a detectarem possíveis falhas, utilizando protocolos digitais de comunicação, como Hart, Fieldbus Foundation ou Profibus, por exemplo. Em princípio, essas variáveis apontavam problemas já ocorridos com o conjunto e evitavam apenas que danos maiores fossem provocados e maior quantidade de produto fosse desperdiçada. Isso deu origem aos que conhecemos hoje como diagnósticos para válvulas de controle.
Em um primeiro momento esses diagnósticos foram suficientes para satisfazer os usuários, uma vez que os ganhos de produção aumentaram. Problemas de produção, perdas de lotes ou mesmo acidentes passaram a ser controlados a tempo, sem causar maiores perdas. Contudo, com o passar do tempo, mais necessidades surgiram. Não bastava apenas indicar a ocorrência de um problema no sistema, já que, por meio de algumas variáveis, sensores e medições, poderia prever-se a ocorrência de futuros problemas. Assim, os novos diagnósticos começaram a ser implementados, não só com o aumento da quantidade de alarmes de falhas, como também em níveis de predição de problemas.
Diagnósticos de manutenção
Existem alguns parâmetros que podem ser utilizados para definir o tempo ou situação do conjunto para saber se é necessária a manutenção de segurança. Dizemos manutenção de segurança porque ela ocorre antes do conjunto válvula-atuador apresentar defeito, mas tendo atingido um nível pré-configurado pelo usuário, considerado suficiente para gerar fadiga, sujeira ou qualquer outra possível forma de deterioração no conjunto. Os diagnósticos mais conhecidos e difundidos são os contadores de reversões, de batidas no fim de curso e de percurso da válvula. Estes contadores indicam uma fadiga da válvula por uso, ou seja, por repetição de movimentos e cursos completos.
O contador de reversões, também conhecido por reversals, indica quantas vezes o movimento da válvula mudou de sentido. Assim, é possível ter um parâmetro para
prever a ocorrência de fadiga dos diafragmas do posicionador e da válvula, por exemplo. Por meio deste diagnóstico, o usuário pode configurar um valor máximo que, quando atingido, gera um alarme de reversões.
De maneira similar funcionam os contadores de batidas no fim de curso da válvula (os chamados strokes); e de percurso, também conhecido por mileage ou milhagem, com alarmes respectivos também configurados pelo usuário. O alarme de fim de curso define uma manutenção específica dos batentes da válvula, que podem ser danificados pelo excesso de uso. Já o contador de percurso indica uma fadiga de movimentação da válvula em seu percurso total.
Os diagnósticos de reversões e batidas em fim de curso estão indicados na
figura 1. Outro diagnóstico que pode, ainda, ser associado a estes três, é o tempo de operação do equipamento. Assim, o usuário pode planejar manutenções com base temporal e não apenas nos alarmes gerados pelo posicionador.
Diagnósticos de desempenho
Outra categoria de diagnósticos, um pouco mais avançados, são aqueles associados ao desempenho de todo o sistema, ou seja, pela análise do comportamento histórico do controle da válvula. Por meio de algoritmos específicos, o posicionador possibilita ao usuário acompanhar alguns parâmetros do conjunto com o passar do tempo. Ou seja, vários dados de testes e valores de variáveis são guardados na memória do equipamento e podem ser futuramente comparados às medições recentes para comparação da performance do sistema. Como exemplo destes diagnósticos podemos citar o desvio da variável primária, a assinatura da válvula e o fator de carga.
O desvio da variável primária, também conhecido como desvio de percurso ou travel deviation, registra os valores do erro da posição da válvula em relação à posição desejada, ditados pelo setpoint. Além de mostrar ao usuário o valor deste erro de forma online, o diagnóstico pode ainda registrar um histórico de valores dos desvios ocorridos no sistema. Outra possibilidade é oferecer ao usuário a configuração de um valor crítico de desvio, responsável pela geração de um alarme no posicionador. Assim, é possível também prever uma tendência de aumento do desvio do sistema em relação ao ideal com o passar do tempo; o usuário poderá ainda ser avisado de forma instantânea quando um desvio muito brusco acontecer.
O diagnóstico de assinatura da válvula (
figura 2), a valve signature, é, na verdade, um teste realizado com o sistema, que deve estar offline, para não prejudicar o andamento da planta. O teste se baseia em percorrer toda a extensão da válvula para adquirir as pressões necessárias para a movimentação dela (no caso de atuadores pneumáticos) e posições relativas a estas pressões, em ambos os sentidos de abertura e fechamento da válvula. Com os dados gravados na memória do posicionador, o usuário poderá periodicamente executar o teste e comparar os dados recentes com os gravados, analisando a performance do sistema e podendo ser notificado da necessidade de uma manutenção.
O fator de carga pode ser entendido como o esforço exercido pelo sistema para que a válvula atinja determinada posição. Da mesma maneira que a realizada para a assinatura da válvula, o fator de carga se baseia na variação da pressão necessária para a movimentação da válvula e pode ser comparado com valores anteriores, gravados no posicionador para futura análise de desempenho do sistema. Em particular, este diagnóstico se relaciona diretamente com o atrito dinâmico apresentado pelo sistema e grande responsável pela deterioração das válvulas que não executem movimentos freqüentes com o passar do tempo (válvulas de segurança).
Análise dos diagnósticos
Com uma grande gama de diagnósticos oferecida pelos posicionadores inteligentes, como os exemplos aqui citados, é necessário utilizar ferramentas de software que consigam auxiliar o usuário na interpretação e na análise dos seus resultados. Assim, os chamados “hosts”, ou supervisórios, possibilitam diversos tipos de configurações, monitorações, gráficos de comparação e proteções ao usuário que deseja controlar seu sistema de maneira próxima e segura. É o que vemos, por exemplo, na
figura 3, onde exibimos funções oferecidas pela tecnologia FDT/DTM do posicionador Smar FY400.
Ferramenta muito útil, o gráfico de tendência tem uma função bastante simples, uma vez que basta traçar os pontos antigos gravados pelo posicionador juntamente aos recentemente calculados ou adquiridos. Colocados em uma base temporal relativa, eles indicam ao usuário a situação de determinados diagnósticos de maneira clara para uma tomada de decisão de interferência no processo, caso seja necessário. Este gráfico, associado às ferramentas de alarmes e aos tempos de operação do equipamento e do próprio diagnóstico, constitui uma poderosa referência ao usuário de tudo o que se passa com o sistema, seja em relação a performances anteriores do sistema ou às medições atuais dos sensores em relação à válvula.
Outro importante gráfico oferecido ao usuário é o histograma (figura 3). Por meio deste gráfico, pode-se verificar qual foi o comportamento da válvula em relação a sua posição durante todo seu funcionamento. Ou seja, o gráfico indica faixas de posições que podem ser especificadas pelo usuário (por exemplo, uma faixa de 5% indicaria os valores de posição de 0% a 5%, de 5% a 10%, e assim por diante) em um eixo e no outro mostra qual a porcentagem do tempo total a válvula permaneceu na referida posição. Isto é bastante útil para verificar se o funcionamento do sistema (principalmente em válvulas de segurança) está correto e também possibilita ao usuário verificar as regiões mais utilizadas do curso da válvula que poderiam apresentar maior probabilidade de problemas.
Considerações finais
A aplicação efetiva dos diagnósticos em válvulas ainda é pequena, se comparada a outras áreas, porém, vem crescendo sensivelmente devido à conscientização dos clientes de que há uma considerável redução de custos, de manutenções desnecessárias e mesmo de acidentes. O mercado já oferece uma linha promissora de posicionadores inteligentes capazes de liderar este conceito de segurança e melhoria contínua, e os fabricantes de válvulas já percebem que os clientes priorizam cada vez mais a importância e, principalmente, as vantagens de possuir um sistema robusto e bem diagnosticado.
*Alex Ginatto é engenheiro de desenvolvimento eletrônico na Smar Equipamentos Industriais e mestrando em Eletrônica na USP-São Carlos.
*Originalmente publicado na revista Mecatrônica Atual - Ano 6 - Edição 36 - Nov/07