Sensor Hall: A tecnologia dos Posicionadores Inteligentes de última geração

segunda-feira, 9 de agosto de 2010



César Cassiolato
Diretor de Marketing, Qualidade , Assistência Técnica e Instalações Industriais
cesarcass@smar.com.br

INTRODUÇÃO

É notável o avanço da Física e eletrônica nos últimos anos. Sem dúvida de todas as áreas técnicas, foram as mais marcantes em desenvolvimentos.Hoje somos incapazes de viver sem as facilidades e benefícios que estas áreas nos proporcionam em nossas rotinas diárias.Nos processos e controles industriais não é diferente, somos testemunhas dos avanços tecnológicos com o advento dos microprocessadores, da tecnologia Fieldbus, o uso da Internet, etc.

Comentaremos neste artigo, uma interessante aplicação da Física no desenvolvimento de Posicionadores Inteligentes de Válvulas, baseados no Sensor Hall que agregará vários recursos de performance e diagnósticos.

 

SENSOR HALL

O sensor Hall recebe este nome pois é baseado no efeito Hall descoberto em 1879 por Edwin Hall.

Este efeito é o resultado da força de Lorentz no movimento de elétrons sujeitos a um campo magnético.

Quando se tem um fluxo de corrente em um material que não está exposto a um campo magnético, as linhas equipotenciais que cruzam perpendicularmente este fluxo, são linhas retas.

A força de Lorentz no movimento de elétrons no material é dada por:

F = q x (v x B)
onde:  

  • q: carga do elétron
  • B: campo magnético

O produto externo indica que a força tem uma direção mutuamente perpendicular ao fluxo de corrente e ao campo magnético.

Quando se tem um fluxo de corrente em um material sujeito a um campo magnético perpendicular, o ângulo através do qual o fluxo de corrente é mudado pelo campo magnético é conhecido como ângulo Hall e é um parâmetro dependente do material, sendo determinado pela mobilidade de elétron m que também determina o coeficiente de Hall RH.Neste caso, as linhas equipotenciais ao longo do comprimento do material são inclinadas, e isso nos leva a tensão de Hall medida ao longo do material.Ou seja, tem-se uma tensão proporcional ao campo magnético aplicado.

O efeito Hall está presente em todos os materiais, mas sua aplicação é eficaz somente onde a mobilidade do elétron é relativamente alta, como por exemplo no arseneto de gálio (GaAs).

Em termos construtivos, resumidamente, considere um determinado material (figura 1) com espessura d, conduzindo uma corrente i ao longo de seu comprimento e sujeito a um campo magnético B aplicado perpendicularmente à direção de sua espessura. O resultado destas condições é a geração de tensão conhecida como tensão de Hall, VHALL, cuja magnitude é dada por:

VHALL = (RH/d) x i x B       onde RH é a constante Hall do material.


Figura 1 – Princípio de construção e funcionamento do sensor Hall

 

Atualmente, existem inúmeras aplicações destes sensores, desde a aplicação em servo motores em vídeos cassetes, sensores de catracas para controle de acesso, sensores de velocidade, sistema de injeção em motores automotivos, medição de corrente, potência e campo magnético, controle de motores DC sem escova, sensores de proximidade, controle de rotação, controle de posição, etc. Iremos descrever esta última aplicação, no desenvolvimento de Posicionadores Inteligentes de Válvulas/Atuadores. É a inteligência da eletrônica e software combinada com o estado da arte em desenvolvimento mecânico.

 

O POSICIONADOR INTELIGENTE

Este tipo de equipamento é de extrema importância em qualquer área industrial, trabalhando como elemento final de controle acoplados a atuadores e válvulas.Deve atender uma série de requisitos operacionais e 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.
  • 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 por toda variabilidade do processo, refletindo na estabilidade dos controles, na estabilidade de qualidade, etc.

O posicionador inteligente de última geração para válvulas de controle linear ação simples (retorno por mola) ou ação dupla como por exemplo: globo, gaveta, diafragma, etc. válvulas de controle rotativa como: esfera, borboleta ou plugado com atuadores pneumáticos como: diafragma, pistão, etc, é baseado no bico-palheta, consagrado pelo uso no campo e no sensor de posição por efeito Hall, sem contato físico, que fornece alto desempenho e operação segura. A tecnologia digital usada permite a escolha de vários tipos de curva de caracterização, uma interface simples entre o campo e a sala de controle e muitas características interessantes que consideravelmente reduzem o custo de instalação, operação e manutenção:

  • Projeto compacto e modular
  • Baixo consumo de ar
  • Fácil instalação
  • Sensor de Posição sem contato mecânico
  • Opera com atuadores lineares e rotativos de simples ou dupla ação
  • Fácil ajuste e parametrização remota através de comunicação HART, Foundation Fieldbus ou Profibus PA ou através de ajuste local com display
  • Característica de vazão via software
  • Auto-diagnose


Figura 2 – Posicionador Inteligente com tecnologia de sensor Hall, sem contato mecânico


As partes principais do módulo de saída são: piloto, servo, sensor de efeito Hall e circuito de controle de saída.

O circuito de controle recebe um sinal de setpoint digital da CPU e um sinal de realimentação proveniente do sensor de efeito HALL.Note que este sinal é a posição real da válvula.

A parte pneumática é baseada numa tecnologia muito difundida e largamente usada, que é o bico palheta e válvula carretel.

Um disco piezo-elétrico é usado como palheta no estágio piloto. A palheta é defletida quando nela é aplicada uma tensão pelo circuito de controle. O pequeno fluxo de ar que circula pelo bico é obstruído, causando uma alteração na pressão da câmara piloto, que é chamada pressão piloto.

A pressão piloto é muito baixa e não tem capacidade de vazão e por isso deve ser amplificada na seção servo. A seção servo tem um diafragma na câmara piloto, e outro diafragma menor na câmara do carretel. A pressão piloto aplica uma força no diafragma da câmara piloto, que no estado de equilíbrio será igual à força que a válvula carretel aplica no diafragma menor na câmara do carretel.

Assim sendo quando têm-se uma alteração de posição via posicionador, a pressão do piloto aumenta ou diminui como explicado no estágio do piloto e esta mudança na pressão do piloto força a válvula para cima ou para baixo alterando a pressão da saída 1 e da saída 2 até um novo equilíbrio ser alcançado, o que resulta numa nova posição da válvula.


Figura 3 – Esquema do Transdutor Pneumático

 


Figura 4 – FY300

O sensor Hall fica alojado e protegido internamente ao módulo transdutor. O imã fica preso ao eixo da válvula ou atuador, conforme figura 4(representação didática de funcionamento), onde podemos ver que teremos a aplicação de  fluxo magnético ao sensor Hall e que teremos  a caracterização de posição, levando-se em conta o centro dos imãs, onde se tem campo nulo.


Figura 5 – Esquema de funcionamento do Sensor Hall no Posicionador de Válvulas

O único detalhe da montagem mecânica é a verificação de que a seta gravada no ímã esteja coincidindo com a seta gravada no posicionador quando a válvula estiver na metade do seu curso.

Sendo assim, quando a válvula estiver na metade do seu curso, o sensor Hall estará recebendo campo nulo e internamente a CPU saberá que corresponde a 50% do curso.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 auto-calibração, onde sem a intervenção do usuário o posicionador determina as tensões de Hall correspondente aos limites físicos do curso, de forma precisa e segura.

A figura 6 nos mostra o diagrama funcional deste posicionador para o protocolo Profibus PA:


Figura 6 – Diagrama funcional do Posicionador FY303 – Smar

Analisando este diagrama, pode-se ver que via PLC(mestre classe 1), o posicionador recebe um valor de setpoint, de acordo com a estratégia de controle.Dependendo do modo de operação, automático ou cascata, este setpoint será escrito via serviços cíclicos no parâmetro SetPoint ou RcasIn do bloco AO, respectivamente.Este valor passará pelo algoritmo do bloco que analisará condições de alarmes e condições de falha segura, disponibilizando um valor de saída que chegará até o bloco transdutor.O usuário poderá então, caracterizar este valor de acordo com a curva da válvula ou atuador, escolhendo Linear, Tabela de 21 pontos, EQ25, EQ33, EQ50, EP25, EP33 e EP50. Estas curvas permitem que pequenas variações no setpoint façam com que a posição no elemento final seja próximo do 100%(EQ) ou que somente grandes variações no setpoint façam com que a posição no elemento final seja próximo do 100%(EP).Uma vez definido a curva de transferência, pode-se definir taxas de variação %/s com este setpoint agirá no elemento final.São os chamados “Rates”. Então, o servo PID recebe este sinal e mais a posição real, via sinal do sensor Hall que é caracterizado durante o processo de auto-calibração ou mesmo durante uma calibração de usuário(muito usada em aplicações split-range) e calcula o sinal de MV% que gerará o valor do conversor D/A que atuará em um sensor Piezo, gerando a pressão nas câmeras do posicionador, encontrando a posição de equilíbrio conforme o setpoint vindo do mestre.A posição real retornará ao bloco AO e via parâmetro ReadBack fechará o loop com o mestre.

Funções de diagnose podem ser monitoradas via sinal do sensor Hall via mestre classe 2, tais como:

  • Odômetro, através do qual pode-se estatisticamente prever com o curso da válvula o momento de se dar manutenção;
  • Strokes(batidas), onde se pode acompanhar os desgastes dos batentes da válvula nas condições extremas dos limites físicos de seu curso;
  • Reversals, onde se pode acompanhar quantas vezes houve inversão de setpoint e analisando a sintonia da malha.Um número alto de reversals significa que a sintonia não está boa e que o processo pode estar comprometido em sua variabilidade.
  • Velocidade média e instantânea do deslocamento, assim como tempos de abertura e fechamento, podendo diagnosticar emperramento e stress mecânico, ou problemas de vazão de ar.
  • A maior e menor temperatura que foi submetido o posicionador. Em casos onde a temperatura se torna um fator limitante, pode-se utilizar o FY303 com sensor Hall remoto ou mesmo em locais de difícil acesso ou sujeitos a vibrações, em distâncias de até 20m.Veja a figura 7. Esta é uma característica proporcionada pelo sensor Hall:


Figura 7 – Posicionador com Hall Remoto.

A Smar também possui o FY303 com sensores de pressão, onde funções de diagnose são agregadas ao equipamento.

O FY303 ainda fornece o sinal de temperatura ambiente, como variável secundária.

 


Figura 8– Exemplo de aplicação em Profibus

 

Teste de Curso Parcial ou PST – Partial Stroke Test

Dá pra imaginar os custos que envolvem testes ou manobras, não só com respeito a parada da planta, mas também dos equipamentos adicionais necessários para a execução de testes em válvulas, atuadores e posicionadores.

Usualmente os equipamentos adicionais são válvulas de bloqueio de atuação manual, tubulações de desvios, válvulas do tipo solenóides, dispositivos mecânicos de fim de curso, sem esquecermos da logística e do número de profissionais que se precisaria envolver na atividade, além dos possíveis lucros cessantes da empresa.

Bom seria se pudéssemos fazer tais testes com maior frequência e pré programados. Bom seria se pudéssemos ter parâmetros que nos indicassem o nível de degradação da válvula e nos permitisse fazer uma manutenção preventiva, antes que o evento emergencial acontecesse. Bom seria se os custos envolvidos fossem bem menores.

Uma solução simples, mais barata e mais confiável é a adoção do Teste de Curso Parcial ou PST – Partial Stroke Test. O PST nada mais é do que movimentar a haste da válvula parcialmente e medir os esforços necessários a essa movimentação. E mais: podese medir a velocidade de resposta da válvula. Ou mesmo verificar se a válvula não está emperrada ou se o atuador pneumático está sendo adequadamente pressurizado, sem necessidade de ir até o local aonde está instalada.


Figura 9 – Diagnósticos Preventivos

Mas o PST automático, e a custos aceitáveis, só foi possível com o desenvolvimento do Posicionador Inteligente para Válvulas e o vasto elenco de parâmetros disponíveis que, quando monitorados e configurados, geram uma excelente gama de “eventos diagnósticos”.

A mais nova família de Posicionadores Inteligentes para Válvulas da SMAR, o FY400, já incorpora o PST em seu firmware, ou seja, já é fornecido de fábrica, sem custo adicional, com os comandos PST disponíveis para configuração pelo usuário.

Além disso, o FY400 foi desenvolvido em EDDL (Electronic Device Description Language) e atende às normas do FDT Group (Field Device Tool). Os chamados DTMs (Device Type Manager), drivers para configuração e visualização em estações computadorizadas com o aplicativo FDT, estão disponíveis na no site Smar para serem baixados também sem custo para o usuário.

Como consequência dos ótimos resultados do PST para o FY400, a SMAR acaba de expandir essa facilidade para o FY303 de Posicionadores Inteligentes para Válvulas com o protocolo de comunicação Profibus. Sem custo adicional. E, da mesma forma, desenvolveu os DTMs para o FY303, também disponíveis a custo zero na página da SMAR na internet.

A seguir, alguns exemplos das telas do DTM que ilustram algumas características do PST incorporadas no FY303.

 


Figura 10 -Exemplos de telas do DTM do FY303


Pelas telas do DTM é possível configurar não só o valor do curso parcial, mas também a periodicidade em que o PST é executado automaticamente, ou seja, sem interferência do operador ou profissional de instrumentação. O PST dos Posicionadores Inteligentes para Válvula SMAR pode ser executado em intervalos que variam de 4 minutos a 1 ano (8760 h).

Além disso, o PST pode ser executado a partir do gerenciador de ativos da SMAR, o AssetView. Os dados resultantes do teste podem ser facilmente visualizados nas diferentes telas de apresentação e monitoramento do AssetView.

O método utilizado pelo Posicionador Inteligente para Válvulas FY303 e FY400 para fazer o PST é conhecido como método de Rampa Dinâmica. O posicionador gera automaticamente uma variação em rampa do sinal de Set Point na faixa determinada pelo usuário (Off Set). A válvula se movimenta em resposta à variação do Set Point, enquanto o posicionador mede a posição da válvula através do sensor de posição sem contato mecânico, baseado no sensor de Efeito Hall. Ao mesmo tempo, o posicionador mede pressão aplicada necessária para movimentar a haste da válvula. Após chegar no ponto máximo do Off Set, o posicionador reverte a rampa para que a válvula retorne à sua posição original. Da mesma forma, durante a reversão, o posicionador mede a posição da válvula e sua respectiva pressão de acionamento. Ao fim do teste, o FY calcula e disponibiliza o “fator de carga” (load factor) da válvula, ou seja, que valor de pressão é necessário para movimentar a haste. E também  o gráfico resultante do teste.

As figuras a seguir, exemplificam o resultado do PST no FY303 e no FY400 segundo o protocolo FDT/DTM. Telas similares estão disponíveis também no AssetView da SMAR.


Figura 11 -Telas de Resultados do PST


Ao considerarmos o crescente interesse em Sistemas Instrumentados de Segurança – SIS, o PST já é reconhecido e influencia os cálculos referentes ao índice de Probabilidade de Falha Sob Demanda – PFD, Probability of Failure on Demand, que é usado para determinação do Nível de Integridade Segura – SIL, Safety Integrity Level.

 

CONFIGURAÇÃO E PARAMETRIZAÇÃO DO POSICIONADOR INTELIGENTE FY303 - PROFIBUS-PA

Configurando aciclicamente o FY303

Estes instrumentos podem ser configurados localmente com a ferramenta magnética, sem necessidade de abrir sua tampa, ou remotamente através do ProfibusView da Smar ou Simatic PDM da Siemens.

O FY303 foi projetado para utilizar o protocolo PROFIBUS PA e pode ser configurado usando qualquer ferramenta que trabalha com DD/EDDL e também com o conceito de ferramenta FDT (Field Device Tool) e DTM (Device Type Manager), tais como AssetView da Smar, FieldCareTM e
PACTwareTM. Pode também ser configurado ciclicamente por qualquer sistema PROFIBUS usando o arquivo GSD (Generic Station Description).
O PROFIBUS PA também apresenta informação de qualidade e diagnóstico, melhorando o gerenciamento e manutenção da planta.

Os arquivos EDDL (Electronic Device Description Language) e DTM estão disponíveis na página da Smar na Internet: www.smar.com.br


Figura 12 – FY303 –FTD/DTM – AssetView

 

Configurando Ciclicamente o FY303

Através do arquivo GSD o mestre executa todo processo de inicialização com o equipamento e este arquivo trás detalhes de revisão de hardware e software, bus timing do equipamento e informações sobre a troca de dados cíclicos. OFY303 possui 1 bloco funcional AO. É com estes bloco que o mestre classe 1 executará os serviços cíclicos e o usuário deverá escolher qual a configuração, conforme sua aplicação. Se o bloco AO estiver em AUTO, então o equipamento receberá o valor e status do setpoint do master classe 1 e ainda o usuário poderá escrever neste valor via master classe 2. Neste caso, o status do setpoint deve ser sempre igual a 0x80 (“good”) e pode-se escolher as seguintes configurações:

  • SP
  • SP/CKECKBACK
  • SP/READBACK/POSD
  • SP/READBACK/POSD/CKECKBACK

Se o bloco AO estiver em RCAS, o equipamento receberá o valor e status do setpoint somente via master classe 1, sendo o status sempre igual a 0xc4 (“IA”). Pode-se escolher as seguintes configurações:

  • SP
  • SP/CKECKBACK
  • SP/READBACK/POSD
  • SP/READBACK/POSD/ CKECKBACK
  • RCASIN/RCASOUT
  • RCASIN/RCASOUT/ CKECKBACK
  • SP/READBACK/RCASIN/RCASOUT/POSD/CHECKBACK

Veja a seguir um exemplo típico onde se tem os passos necessários à integração de um equipamento FY303 em um sistema PA:

  • Copiar o arquivo gsd do FY303 para o diretório de pesquisa do configurador PROFIBUS, normalmente chamado de GSD.
  • Copiar o arquivo bitmap do FY303 para o diretório de pesquisa do configurador PROFIBUS, normalmente chamado de BMP.
  • Uma vez escolhido o mestre, deve-se escolher a taxa de comunicação, lembrando-se que quando se tem os couplers, podemos ter as seguintes taxas: 45.45 kbits/s(Siemens), 93.75 kbits/s(P+F) e 12Mbits/s (P+F, SK3).Quando se tem o link device, pode-se ter até 12Mbits/s.
  • Acrescentar o FY303, especificando seu endereço no barramento.
  • Escolher a configuração cíclica via parametrização com o arquivo GSD, onde é dependente da aplicação. Lembre-se que esta escolha deve estar de acordo com o modo de operação do bloco AO. Nestas condições atentar para o valor do status do valor de setpoint que deve ser 0x80(Good), quando o modo for Auto e 0xc4 (IA) quando for Rcas.
  • Pode-se ainda ativar a condição de watchdog, onde após a detecção de uma perda de comunicação pelo equipamento escravo com o mestre, o equipamento poderá ir para uma condição de falha segura. Como o FY303 estará em um elemento final é recomendável a configuração de um valor de falha segura.

Para mais detalhes, consulte o manual do FY303: http://www.smar.com/PDFs/Manuals/FY303MP.PDF

 

CONCLUSÃO

Pudemos ver através deste artigo o ganho em tecnologia e benefícios que um posicionador baseado em tecnologia digital com sensor Hall pode proporcionar, principalmente pela facilidade de montagem e operação.Lembrando sempre que estes equipamentos sempre estarão juntos a elementos finais, pontos críticos do controle, onde a operação precisa e segura se faz necessária. A flexibilidade, recursividade e geração de diagnósticos avançados facilitam as condições de manutenção preventiva, preditiva e proativa.

Para mais detalhes sobre os posicionaodores, consulte: http://www.smar.com/PDFs/catalogues/fy300cp.pdf

Para mais detalhes sobre o ProfibusView, ferramenta de configuração e parametrização Profibus-PA, consulte: http://www.smar.com/PDFs/Manuals/PRVIEWPAMP.pdf

Para mais detalhes sobre o AssetView, ferramenta de manutenção e diagnose, consulte: http://www.smar.com/brasil2/products/asset_view.asp

 

REFERÊNCIAS

  • Material de Treinamento Profibus – César Cassiolato
  • CASSIOLATO, César, Sensor Hall – A tecnologia dos Posicionadores Inteligentes de última geração,  Revista Controle & Instrumentação, Edição nº 81 , Junho de 2003