1 – INTRODUÇÃO – Embora o título deste pequeno artigo técnico refira-se a sistemas de filtragem de ar industrial, alguns de seus aspectos e algumas das informações nele contidas podem se aplicar a Sistemas de Ventilação Geral Diluidora, Purificação e Climatização (HVAC), dado que essas técnicas de tratamento do ar interior (Ar Indoor) utilizam-se também de filtros de ar, algumas vezes em aplicações críticas como é o caso das chamadas “salas limpas”. Quando se analisa o avanço tecnológico em relação aos Sistemas de Filtragem do Ar de aplicação industrial observa-se que o foco nas últimas décadas concentrou-se muito mais na melhoria da performance das mídias filtrantes do que em qualquer outra área. Mídias mais eficientes em termos de retenção de particulado e aerossóis, com características específicas como auto-drenagem por exemplo, e perdas de carga cada vez menores, têm permitido um avanço significativo dos Sistemas de Filtragem do Ar Industrial tanto em termos de performance de filtragem quanto em redução do consumo de energia. Materiais compostos e nano-tecnologia estão no front destes avanços com pesquisas e aplicações cada vez mais sofisticadas e, ao mesmo tempo, economicamente acessíveis.
Nota-se agora, mais recentemente, um aporte cada vez maior de tecnologias de automação e da informação a estes sistemas incrementando sua performance, segurança e reduzindo seus custos de operação (ownership costs). Este artigo técnico preparado pela equipe técnica da Purefeel® Tecnologia do Ar Indoor busca esclarecer aspectos básicos desta nova tendência.
2 – CONCEITOS BÁSICOS – A Automação pode ser definida como o uso de comando lógicos programáveis que recebem informações de um processo (input) e as transformam (processing) em saídas (output) que desencadeiam ações mecânicas de dispositivos em substituição à ação de seres humanos. O termo Automação foi criado na década de 1940 por um engenheiro da Ford Motor Company, que descreveu vários sistemas nos quais ações e controles automáticos substituíam o esforço e a inteligência humana. Com o advento dos computadores e dos Controladores Lógicos Programáveis (CLPs) esses sistemas tornaram-se cada vez menores, mais sofisticados e poderosos. Os primeiros CLPs foram desenvolvidos pela Modicom como resposta ao desafio proposto pela General Motors de desenvolver um hardware que substituísse a lógica de relês. Atualmente, uma infinidade de recursos de hardware de automação estão disponíveis para as mais diferentes aplicações industriais. Um outro aspecto importantíssimo, senão vital, quando se trata da automação dos Sistemas de Filtragem do Ar na Indústria, é o sensoriamento. Sem as informações de entrada necessárias (input) a partir de sensores precisos e confiáveis, pouco se poderia fazer em termos de automação. E aqui há uma boa notícia: atualmente, é possível encontrar sensores virtuais para qualquer necessidade a custos acessíveis e alta qualidade.
Associados ao monitoramento via sensores e ao processamento via CLPs utilizam-se, no caso dos Sistemas de Filtragem do Ar, os inversores de frequência (VFD), as contatoras de motores auxiliares para sistemas de descarga por exemplo, os sequenciadores de válvulas solenoides ou diafragmas de limpeza, os relês de segurança e as IHM – Interface Homem Máquina. Este conjunto de ações e informações de output constituem-se os principais modos de automação e gerenciamento dos Sistemas de Filtragem Industrial de Ar que, como já foi dito acima, pode-se extrapolar em parte para qualquer sistema de ventilação que se utilize de filtros de ar. Para finalizar esta brevíssima descrição dos conceitos básicos da Automação dos Sistemas de Filtragem do Ar Industrial, falta mencionar algumas palavras sobre a programação. Trata-se do que genericamente se denomina “o Software”. O CLP, também chamado por alguns fabricantes de CPU, requer obviamente uma “programação” que o habilite a processar as informações recebidas dos sensores, ou de configurações específicas para o processo, e devolver a informação “trabalhada”, de modo que habilite dispositivos ou pessoas a responder do modo previsto. Essa programação – Software – pode hoje em dia ser realizada em diversas linguagens que são de domínio de técnicos altamente especializados.
3 – A ANÁLISE DE PROCESSO – Embora se possa avançar, como se tem avançado, enormemente no sensoriamento, no processamento e no comando e gerenciamento de sistemas automatizados, lógica não muda: “se A=B e B=C, então A=C” como nos ensina há milhares de anos a lógica Aristotélica. Isto se aplica perfeitamente à automação de qualquer processo. Uma análise do processo via fluxograma gráfico ou em proto-programação é muito importante para que se saiba o que controlar e como gerenciá-lo. No caso dos Sistemas de Filtragem do Ar na Indústria podem-se elencar os seguintes controles que são universalmente aplicados:
- Intervalo, duração e número de ciclos de limpeza dos elementos filtrantes;
- Start-Stop Automático;
- Vazão constante nos pontos de demanda;
- Integridade Operacional;
- Saturação dos Elementos Filtrantes;
- STO (Safety Tork Off); e
- Sistema de Descarga
4 – SENSORIAMENTO – Esta área vital da automação dos Sistemas de Filtragem Industrial do Ar tem experimentado um enorme avanço. Esse avanço não é só importante em razão das possibilidades técnicas e tecnológicas que traz, mas principalmente, por tornar acessíveis soluções que até pouco tempo atrás requeriam investimentos significativos e grandes escalas. Na esteira do desenvolvimento de IoT, atualmente, encontram-se no mercado sensores confiáveis e a preços acessíveis para virtualmente qualquer necessidade de automação: sensores diferenciais de pressão, sensores de nível, de posição, enfim, basicamente tudo o que se precisa neste particular. É preciso, no entanto, que ao selecionar o sensor para um dado tipo de controle do processo leve-se em consideração aspectos fundamentais como: tensão de alimentação, faixa de atuação e tipo de sinal de saída entre outros aspectos importantes. Essa análise é fundamental para que se utilize o sensor adequado ao controle que se busca e que seja compatível com o CLP selecionado.
5 – CLP/CPU E IHM – O processamento das informações e sinais recebidos dos sensores de campo é realizado por um processador conhecido como CLP – Controlador Lógico Programável, chamado também de CPU – Central Processing Unit. A compatibilidade do CLP/CPU com os sensores e com os dispositivos de atuação e informação na saída são conhecidos como I/Os, ou seja, “Input – Outputs”. Esses I/Os são divididos em duas categorias principais – os digitais, que possuem uma saída de sinal discreto tipo 1/0 (ou on/off); e os analógicos, que possuem saída em faixas de corrente (mA) ou voltagem (V). Além disso, os CLP/CPU modernos possuem portas RS232, RS485, RJ45, USB entre outras, que permitem comunicação em diferentes protocolos. A maioria dos CLP/CPU disponíveis no mercado possui um software próprio para programação e, alguns mais outros menos, uma biblioteca de aplicações típicas já pré-programadas chamadas de “Blocos”. A correta análise da disponibilidade de blocos de um fabricante em relação a outro é um fator importante a se considerar no selecionamento do CLP/CPU a se utilizar em um dado projeto uma vez que as horas de programação necessárias podem representar custos muito maiores do que a diferença de preços entre CLP/CPU a utilizar.
O IHM – Interface Homem Máquina que hoje praticamente incluem mandatoriamente uma tela touchscreen, são um complemento muito frequente do CLP/CPU. Além de disponibilizarem as informações do processo na tela, permitem a atuação do homem no controle e gerenciamento do sistema, disponibilizam avisos de alarme e histórico do processo e são utilizados para parametrizações diversas. Com níveis de acesso configuráveis e muitas outras funções programáveis, os IHM são uma extensão dos CLP/CPU na automação do processo e no caso dos Sistemas de Filtragem Industrial do Ar incluem em geral:
- Integridade operacional do Sistema;
- Status on/off dos pontos de atuação;
- Regime de trabalho do Ventilador;
- Estado de Saturação dos elementos filtrantes;
- Avisos de Falha; e
- Telas de parametrização, manutenção e relatórios históricos.
FIGURA 5
6 – INVERSOR DE FREQUÊNCIA (VFD) – O Inversor de Frequência (VFD – Variable Frequency Driver), ao lado dos conhecidos sequenciadores de ciclos de limpeza é o atuador por excelência na automação dos Sistemas de Filtragem Industrial do Ar. De uso largamente conhecido na indústria para controle de motores elétricos de indução, os Inversores modernos possuem recursos de automação poderosos em geral pouco aproveitados na sua aplicação em Sistemas de Filtragem do Ar. Alguns modelos, especialmente desenvolvidos para aplicação em ventiladores, possuem sensores incorporados que dispensam uso de sensores adicionais de campo para seu controle. Os inversores de frequência de melhor procedência possuem I/Os disponíveis para funções básicas que podem, no caso de aplicações mais simples, até substituir um CLP. A principal aplicação dos Inversores de Frequência na automação dos Sistemas de Filtragem Industrial do Ar refere-se à função PID – Proportional Integral Derivative – que modula a rotação do exaustor e, portanto, a vazão de Ar, conforme a demanda do processo e o grau de saturação dos elementos filtrantes mediante o uso de sensores de diferencial de pressão ΔP.
7 – INTEGRIDADE OPERACIONAL E OUTROS CONTROLES – Quanto pode representar de perda de eficiência um pequeno by-pass de ar na vedação
de um filtro HEPA H14 utilizado, por exemplo, para controle microbiológico de bactérias e vírus? Uma conta simples pode demonstrar que um by-pass mínimo de ar na vedação do assento deste elemento filtrante pode representar uma queda vertiginosa no grau de filtração de um sistema assim equipado. Como prevenir que elementos filtrantes não homologados pelo fabricante ou com saturação acima do permitido seja continuamente utilizado em sistemas de filtragem, seja de uso industrial ou na área de HVAC? Todas estas perguntas podem ser respondidas com sistemas de automação adequados. O termo “Integridade Operacional” criado pelo corpo técnico da Purefeel® para aplicação em Sistemas de Purificação do Ar Indoor, pode ser integralmente transposto para os Sistemas de Filtragem do Ar Industrial e neles isso pode ser traduzido por medidas práticas de automação que contemplem, por exemplo, os seguintes pontos:
1. Controle de by-pass ou ausência de elemento filtrante;
2. Monitoramento de rompimento de elemento filtrante;
3. Monitoramento do grau de saturação dos elementos filtrantes;
4. Homologação de elemento filtrante de reposição;
5. Circuito de segurança STO e freio dinâmico do Ventilador; e
6.Conformidade Normativa.
Finalmente, um sistema de automação moderno não pode prescindir de comunicação remota, wired ou wireless, e via nuvem. A chamada Indústria 4.0 está a nos desafiar todos os dias a como introduzir todas essas modernas tecnologias de controle e automação ao mesmo tempo que reduzimos os custos operacionais, o chamado “ownership” cost.
Artigo elaborado pelo corpo técnico da Purefeel®.
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