O objetivo principal deste trabalho é a análise e possível otimização de um projeto de válvulas de esfera. É apresentado um estudo para determinação do torque de acionamento de válvulas de esfera industriais, bem como um estudo de vida útil das válvulas. Os estudos foram realizados utilizando projeto de experimentos e permitiram a construção de modelos de previsão de torque e de previsão de vida útil. A previsão de torque é fundamental para possibilitar a otimização do projeto das válvulas, na fase de desenvolvimento do produto. O uso dos modelos permitiu a determinação do ajuste ótimo, levando em conta pressão, temperatura, esmagamento das sedes, torque de aperto na porca da haste e torque de acionamento desejado. Já os estudos de vida útil são importantes para informar à empresa o número de ciclos até o vazamento. Os resultados do estudo, realizado através de ensaios acelerados, permitiram a construção de modelos de confiabilidade associada ao número de ciclos de operação, permitindo assim a avaliação e possível melhoria do projeto das válvulas. / The main objective of this dissertation is the analysis and optimization of a ball valve project. A study for determining the operational torque of industrial ball valves as well as a life study of valves are presented. The studies were performed using design of experiments and allowed the construction of torque and life prevision models. The prevision of torque is fundamental to enable project optimization on the phase of product development. Results allowed the definition of an optimal setting regarding pressure, temperature, seats tightening, stem nut tightening torque and the desired operational torque. Further, the life studies are helpful to inform the company the number of cycles until leakage. Results, obtained through accelerated tests, allowed the construction of reliability models associated to the number of operational cycles, conducting to valve design evaluation and optimization.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Control systems monitoring relates to ability to supervise the industrial plants operation, evaluating the controller performance by oscillation detection, disturbances, faults in sensors, valve stiction and diagnosing possible causes of problems that may degrade the productive capacity, managing alarms and providing possible strategies to act or even improve the eciency of operation. Control Process Monitoring (CPM) and Control Process Assessment (CPA) technologies are essential for maintaining the ecient during operation of industrial processes. This work presents a systematic method for monitoring of control systems in chemical industry, using a performance manager. This way it was investigated control systems using the performance index concept to quantify the degradation of controller's eciency, that is a tool to evaluate the behavior in industrial operation context. Performance index supplies the idea of as the control system is distant of best control idealized with same structure. Due the characteristics of reference behavior, that does not depend on the structure of control used, it can be evaluated controllers of several types and under several situations. This index was obtained by design of reference, using the factorization with interactor matrix generalized. Discover abnormalities in control systems is very important and complicated. In addition, was evaluated procedures subject to presence of oscillations, using an extension of the Karhunem-Loeve method and periodogramas. It was also evaluated, processes with valves stiction using the Yamashita method and faults in sensors and systems subjected to disturbances, using the principal components analysis (PCA) with T2 and Q statistics, with objective of detecting, isolating and diagnosing possible cause of control systems deterioration. / Monitorar sistemas de controle relaciona-se à capacidade de supervisionar de maneira ampla a operação de plantas industriais, avaliando o desempenho de controladores, detectando oscilações, perturbações, falhas em sensores, emperramento de válvulas de controle e diagnosticando as possíveis causas de problemas que possam degradar a capacidade produtiva, gerenciando alarmes e fornecendo possíveis estratégias de como atuar para manter, ou até mesmo, aprimorar a eficiência da operação. O monitoramento contínuo do desempenho de sistemas de controle (Control Process Monitoring - CPM) e a avaliação do desempenho de sistemas de controle (Control Process Assessment - CPA) são tecnologias essenciais para a manutenção da eficiência durante a operação de processos industriais. Neste contexto, este trabalho apresenta uma sistemática para o monitoramento de sistemas de controle na indústria química, através de um gerenciador de desempenho proposto. Desta forma foi investigado sistemas de controle utilizando o conceito de índice de desempenho para quantificar a degradação da eficiência do controlador, tratando-se de uma ferramenta para a sua avaliação durante a operação industrial. O índice de desempenho fornece a ideia do quanto o controle corrente do sistema esta distante do melhor controle idealizado com mesma estrutura. Devido as características do comportamento de referência, que independe da estrutura de controle utilizada, pode-se avaliar controladores de diversos tipos e sob varias situações. Este índice foi obtido através do projeto da referência, utilizando fatoração de modelos lineares através da matriz de interação generalizada. Descobrir anormalidades constitui-se uma tarefa muito importante e complicada. Desta forma, avaliou-se processos sujeitos à presença de oscilações, utilizando uma extensão do método de Karhunem-Loéve e periodogramas. Avaliou-se também, processos com emperramento de válvulas de controle através do método de Yamashita e falhas em sensores e sistemas submetidos à perturbações, utilizando a analise dos componentes principais (PCA) e as estatísticas T2 e Q, com o objetivo de detectar, isolar e diagnosticar a possível causa da degradação dos sistemas de controle analisados. / Doutor em Engenharia Química

Esta dissertação apresenta um estudo desenvolvido com o intuito de consolidar uma metodologia para a otimização de projeto de porta-sedes de uma válvula de esfera trunnion. Este trabalho está dividido em dois artigos. Primeiramente, é apresentado um estudo comparativo entre diferentes modelos de porta-sedes, realizado com o apoio do método dos elementos finitos (FEA). O porta-sede de melhor desempenho foi determinado utilizando a Função de Perda Quadrática Multivariada. O objetivo principal deste primeiro artigo é identificar os principais parâmetros da geometria de um porta-sede, que possam garantir o desempenho funcional da válvula e correspondente atendimento dos requisitos de qualidade. O segundo artigo descreve uma aplicação da metodologia de Projeto de Experimentos (DOE), conduzida com o intuito de identificar a configuração geométrica da válvula que conduza a condição ótima de funcionamento, fornecendo, desta forma, subsídio para a área de Desenvolvimento de Produtos na elaboração de válvulas mais robustas. Uma das principais contribuições deste trabalho é a constatação que os quatro fatores controláveis incluídos no estudo exercem efeito significativos sobre as variáveis de resposta utilizadas (pressão de contato e força de reação). Excetuando-se o fator “pressão de operação da válvula”, que caracteriza a condição operação, mas não é um parâmetro de projeto, o fator que revelou efeito mais pronunciado sobre as variáveis resposta foi a “área da pista de vedação”. / This thesis presents a study conducted in order to consolidate a methodology for seat-retainer design optimization of a trunnion ball valve. This work is divided in two papers. Initially a comparative study between different seat-retainer models, developed with the support of the finite element analysis (FEA), is presented. The best performance seat-retainer was determined using the Multivariate Quadratic Loss Function. The main purpose of this first article is to identify the main parameters of the seat-retainer geometry, which could ensure the functional performance of the valve and corresponding quality requirements. The second paper describes an application of Design of Experiments (DOE) methodology, conducted in order to identify the geometric configuration of the valve that leads to the optimal operating condition, providing thereby, contribution to the Product Development area in designing more robust valves. The main contribution of this work is the finding that the four control factors included in the study exert significant effect on the response variables used (contact pressure and reaction force). Except for the factor "valve operating pressure" that characterizes the operation condition, but is not a design parameter, the factor that showed more pronounced effect on the response variables was the “seat sealing area”.

Esta tese propõe avaliar a integridade estrutural de projetos de válvulas do tipo esfera trunnion e/ou gaveta. Por meio desta pesquisa, são avaliados os principais modos de falhas e parâmetros funcionais. Os estudos foram realizados utilizando a técnica dos elementos finitos e permitiram a construção de modelos para avaliar os seguintes modos de falha. (i) colapso estrutural dos principais componentes; (ii) vazamento na interface esfera/sede; (iii) travamento do sistema de acionamento devido à influência da vazão de escoamento do fluido. A avaliação da integridade estrutural é de fundamental importância para mitigar e/ou evitar erros, durante a fase de desenvolvimento de válvulas. Os modelos desenvolvidos também possibilitam o aprimoramento de novos projetos de válvulas e o aperfeiçoamento de projetos já desenvolvidos. O estudo proposto pode ser utilizado como indicador da qualidade de projeto de válvulas, auxiliando a equipe de desenvolvimento no dimensionamento de novos produtos, permitindo assim a avaliação dos requisitos funcionais e a avaliação da possível melhoria do projeto. Os resultados mostraram que o uso do método dos elementos finitos durante as fases iniciais do processo de desenvolvimento de válvulas é extremamente útil na concepção de novos produtos, permitindo a elaboração de produtos otimizados, sendo que por meio de um conhecimento multidisciplinar falhas prematuras podem ser detectadas nas fases iniciais do processo de desenvolvimento de projeto de válvulas, possibilitando com isso o desenvolvimento de um projeto mais racional com melhoria significativa de qualidade, confiabilidade, desempenho e competividade. O uso do método dos elementos finitos também possibilita uma redução do número de ensaios com protótipos físicos, o tempo de desenvolvimento e consequentemente o custo final do produto. / This thesis proposes to evaluate the structural integrity of the trunnion ball valves and/or gate. By means of this research, are evaluated main failure modes and functional parameters. The studies were conducted using the finite elements technique and allowed the construction of models to evaluate the following modes of failure. (i) structural collapse of the main components; (ii) leakage in the ball/seat interface; (iii) torque and/or locking of drive system due the influence of fluid flow rate. The evaluation of the integrity structural is of fundamental importance to mitigate and/or avoid errors, during the valve development phase. The models developed also enable the improvement de new valves design and the upgrade the valves design already developed. The proposed study can be used as an indicator the quality of valves design, assisting the development team in the design of new products, thus enabling the assessment of the functional requirements and evaluation of possible improvements in the design. The results showed that the use of finite element method during the early stage of valve development process is extremely useful in the conception the new products, allow to develop products optimized, and by means of a multidisciplinary knowledge premature failures can be detected in the early stages of the product design, besides enable the development of a design more rational with significant improvement in quality, reliability, performance and competitiveness. The use of finite element method also allows reduction the number of with physical prototype tests, time of development and the final cost of the product.

As válvulas de controle são elementos finais muito importantes na indústria de processos, pois são as responsáveis por controlar a pressão em dutos ou vazão dos fluidos de processo, impactando diretamente na qualidade do produto final. Por serem elementos mecânicos móveis estão sujeitas ao atrito, uma não linearidade que quando excessiva, pode causar oscilações e erros na abertura da válvula. A presença de oscilações nas malhas de controle aumenta a variabilidade das variáveis de processo, o desgaste dos componentes e o consumo de energia, além de provocar o desperdício de materiais. O desenvolvimento de novas técnicas de compensação de atrito é fundamental para melhorar o desempenho das malhas de controle, sendo, portanto, de grande interesse para a indústria de processos industriais. Este trabalho apresenta o estudo de cinco compensadores não lineares: controlador rastreador de trajetória, controlador por modos deslizantes, controlador por modos deslizantes integrador, controlador por modelo interno não linear e controlador PI não linear, os quais são desenvolvidos desde a teoria à implementação prática em uma válvula de controle real. Os resultados obtidos, mostram que os controladores projetados apresentaram desempenho bastante satisfatórios, sendo que o controlador por modos deslizantes e por modos deslizante integrador apresentaram os melhores desempenho. / Control valves are very important final elements in process industry, due they are the responsible to control the pressure in pipelines and the flow of the process fluids, directly impacting in the quality of the final product. Due to the mechanical mobile elements, they are subjected to friction, a nonlinearity that can generate oscillations and errors in the valve aperture. Oscillations in the control loops increase the process variability, wear in the actuators and the power consumption, besides generating raw material waste. The development of new friction compensation techniques is very important to increase the control loops performance, therefore, it is of great interest for the process industry. This work presents the study of five nonlinear compensators: Trajectory tracking controller, sliding mode controller, sliding mode controller integrator, nonlinear internal model controller and nonlinear PI controller, which ones are developed from theory to practical implementation in a real control valve. The results show that the controllers presented satisfactory performance, where the sliding mode controller and sliding mode control integrator presented the best performance.

O objetivo deste trabalho é reduzir o efeito do atrito estático em malhas de controle. A não-linearidade inserida por esse fenômeno pode diminuir a eficiência de um controlador PID e até tornar o sistema em malha fechada oscilatório. Para minimizar esse problema, são testados compensadores presentes na literatura e que não necessitam de modelos internos, os quais, em princípio, podem ser implementados em CLPs e SDCDs com facilidade. Apesar dos compensadores não utilizarem um modelo da válvula em seu algoritmo, é necessário conhecer a magnitude do atrito para parametrizá-los. Por este motivo, os primeiros tópicos desta dissertação são sobre modelos de atrito e técnicas para estimar seus parâmetros. Após estes tópicos, são introduzidos os compensadores de atrito. Alguns dos métodos avaliados foram modificados para tentar aprimorar os resultados. Apesar da teoria poder ser aplicada para uma grande diversidade de processos, os algoritmos foram aplicados a uma malha de controle de vazão de água utilizando válvulas de controle. O objetivo assumido é minimizar o ITAE (Integral Time Absolute Error) e o desgaste gerado nos equipamentos, devido à movimentação excessiva da haste da válvula. Também se verifica o tempo de subida do sistema em malha fechada. Além de testar os compensadores em uma malha de controle de vazão, também foram realizados testes com os compensadores em uma malha de controle de posição, que por sua vez recebe o set-point de uma malha de controle de vazão (controle em cascata). Os resultados mostram que, utilizando os compensadores, é possível que uma válvula com alto índice de atrito apresente um desempenho próximo ao de uma válvula com baixo índice de atrito sem compensação, ou seja, foi possível compensar o atrito na haste. / The aim of this work is to reduce the effect of the static friction in control loops. The non-linearity inserted by this phenomenon may decrease the efficiency of a PID controller and even make the closed loop system oscillatory. To minimize this problem some compensation methods present in the literature that do not require internal models were tested, which, theoretically, can be easily implemented in a PLC or DCS. Even thought the compensation methods do not require internal models, it is necessary to know the friction magnitude in order to set their parameters. With that in mind, the first topics of this dissertation friction models and how to identify their parameters. After these topics the friction compensation methods are introduced. Some of these methods where modified, with the purpose of improving the results. Although the theory may be applied to a great variety of process, these algorithms were applied to a water flow control loop using control valves. The assumed objective is to minimize the ITAE (Integral Time Absolut Error) and the wearing of the equipments due to excessive movement of the valve stem. The rising time of the closed loop system is also verified. Besides testing these compensation methods in a flow control loop, they were also tested in a position control loop, that receives its set-point from a flow control loop (cascade control).

O atrito em válvulas e a sintonia inadequada de controladores são duas das maiores causas de degradação no desempenho das malhas de controle que incluem tais dispositivos. Assim como modelos de atrito são necessários para diagnosticar o mau funcionamento das válvulas ou para compensar os efeitos indesejáveis causados pelo atrito, modelos de processos são de fundamental importância para o projeto de controladores. Este trabalho estende métodos existentes para estimar parâmetros de modelos de atrito e processo, de modo que uma estrutura não-linear é adotada para representar o processo. O procedimento é baseado em dados de operação em malha fechada. Os algoritmos de estimação desenvolvidos são testados com dados simulados e gerados por uma plataforma híbrida (composta por uma válvula real e por uma planta simulada de neutralização de pH), a partir da qual avaliam-se as influências de perturbações, da magnitude do sinal de teste e da sintonia do controlador nos modelos estimados. Os resultados demonstram que o nível de atrito é corretamente quantificado, assim como bons modelos para o processo são estimados em diversas situações. Além disso, a extensão proposta apresenta vantagens significativas em relação a outros métodos, como: (1) maior exatidão na quantificação do nível de atrito, principalmente para processos em que as não-lineares sejam mais severas e (2) estimativas razoáveis do comportamento estático não-linear. / The friction in control valves and inadequate controller tuning are two of the major sources of performance degradation in control loops that include such devices. As friction models are needed to diagnose abnormal valve operation or to compensate such undesirable effects, process models play an essential role in controller design. This work extends existing methods that jointly identify the friction and process model parameters, so that a nonlinear structure is adopted to represent the process model. The procedure is based on data from closed-loop experiments. The developed estimation algorithms are tested with data from simulations and generated by a hybrid setup (composed of a real valve and a simulated pH neutralization process), in which the influences of the process disturbances, of the excitation signal magnitude and of the controller tuning on estimated models are investigated. The results demonstrate that the friction is accurately quantified, as well as good process models are estimated in several situations. In addition, the proposed extension presents significant advantages in relation to other methods, such as: (1) greater accuracy for friction quantification, especially for highly nonlinear processes and (2) reasonable estimates of the nonlinear steady state characteristics.

Esta dissertação apresenta um estudo desenvolvido com o intuito de consolidar uma metodologia para a otimização de projeto de porta-sedes de uma válvula de esfera trunnion. Este trabalho está dividido em dois artigos. Primeiramente, é apresentado um estudo comparativo entre diferentes modelos de porta-sedes, realizado com o apoio do método dos elementos finitos (FEA). O porta-sede de melhor desempenho foi determinado utilizando a Função de Perda Quadrática Multivariada. O objetivo principal deste primeiro artigo é identificar os principais parâmetros da geometria de um porta-sede, que possam garantir o desempenho funcional da válvula e correspondente atendimento dos requisitos de qualidade. O segundo artigo descreve uma aplicação da metodologia de Projeto de Experimentos (DOE), conduzida com o intuito de identificar a configuração geométrica da válvula que conduza a condição ótima de funcionamento, fornecendo, desta forma, subsídio para a área de Desenvolvimento de Produtos na elaboração de válvulas mais robustas. Uma das principais contribuições deste trabalho é a constatação que os quatro fatores controláveis incluídos no estudo exercem efeito significativos sobre as variáveis de resposta utilizadas (pressão de contato e força de reação). Excetuando-se o fator “pressão de operação da válvula”, que caracteriza a condição operação, mas não é um parâmetro de projeto, o fator que revelou efeito mais pronunciado sobre as variáveis resposta foi a “área da pista de vedação”. / This thesis presents a study conducted in order to consolidate a methodology for seat-retainer design optimization of a trunnion ball valve. This work is divided in two papers. Initially a comparative study between different seat-retainer models, developed with the support of the finite element analysis (FEA), is presented. The best performance seat-retainer was determined using the Multivariate Quadratic Loss Function. The main purpose of this first article is to identify the main parameters of the seat-retainer geometry, which could ensure the functional performance of the valve and corresponding quality requirements. The second paper describes an application of Design of Experiments (DOE) methodology, conducted in order to identify the geometric configuration of the valve that leads to the optimal operating condition, providing thereby, contribution to the Product Development area in designing more robust valves. The main contribution of this work is the finding that the four control factors included in the study exert significant effect on the response variables used (contact pressure and reaction force). Except for the factor "valve operating pressure" that characterizes the operation condition, but is not a design parameter, the factor that showed more pronounced effect on the response variables was the “seat sealing area”.

Este trabalho dedica-se ao estudo de métodos para detecção e quantificação do atrito em válvulas de controle. Tais válvulas são, em geral, o elemento final em malhas de controle de processos industriais. A presença de atrito nessas válvulas pode elevar a variabilidade da malha de controle, causando perdas de qualidade do produto, aumento nas paradas para manutenção e impactos econômicos significativos. Muitos estudos foram realizados visando diagnosticar e medir o atrito. Neste trabalho, serão implementadas algumas técnicas propostas na literatura para detecção e quantificação de atrito em válvulas de controle. Para avaliar seu desempenho, serão apresentadas comparações dos resultados obtidos em simulação e ensaios em bancada com válvulas reais. / This work will study methods for detection and quantification of friction in control valves. These valves are the main final elements of control loops in industrial processes. The presence of friction can increase the variability of the control loop, causing loss of product quality, increase need of maintenance and significant economical impacts. Many studies have been presented in order to diagnose and measure the friction. In this work, some techniques proposed in the literature will be implemented. In order to evaluate its performance, it will be presented some comparisons of the results obtained from simulation and laboratory experiments.

Orientador: Eduardo Tavares Costa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-12T13:09:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cheade_EduardodeLima_M.pdf: 4329649 bytes, checksum: cccb5144d6d74ac9e7db94da82d1e776 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: A utilização de próteses de válvulas cardíacas tanto mecânicas quanto biológicas tem se tornado cada vez mais freqüente. Estas próteses devem ser avaliadas (testes in-vitro e in-vivo) para que sejam utilizadas clinicamente. Os testes de desempenho hidrodinâmico são realizados in vitro, e a análise dos resultados é importante para a classificação e caracterização de uma determinada prótese, sendo atualmente um dos requisitos obrigatórios exigido por órgãos reguladores para a aprovação de próteses a serem empregadas clinicamente. Os testes de desempenho hidrodinâmico são realizados por sistemas complexos, denominados duplicadores de pulso, cuja finalidade é reproduzir o comportamento hidrodinâmico do coração e simular as variáveis fisiológicas às quais as válvulas são normalmente submetidas em condições reais. Neste trabalho foi desenvolvido, para uso na empresa Braile Biomédica, utilizando a plataforma de programação LabVIEW®, um programa capaz de fazer a aquisição e interpretação dos sinais de fluxo e pressão provenientes de transdutores específicos, bem como a realização dos cálculos necessários e a geração de um relatório resultante do teste. Também foram desenvolvidos circuitos condicionadores de sinais para os transdutores de pressão e fluxo inerentes ao sistema duplicador de pulso existente na empresa. A partir das medidas e dos gráficos de pressão e fluxo é possível calcular os seguintes parâmetros: área específica do orifício, coeficiente de descarga, fração de regurgitação e índices de performance e eficiência da válvula. / Abstract: It has become very frequent the use of mechanic or biological cardiac valve prostheses. These prostheses must be evaluated (in vitro and in vivo tests) in order to be used clinically. The hydrodynamic performance tests are carried out in vitro. The analyses of the test results are very important for the characterizations and classification of a given prosthesis, being one of mandatory requirements of the regulatory organs in order to approve its clinical use. The hydrodynamic performance tests are carried out by complex systems often called pulse duplicators, which must reproduce the heart hydrodynamic behaviour and simulate the physiological variables that the cardiac valves are submitted in real conditions. In this work it has been developed a software program to be used at Braile Biomedica based on the LabVIEW® platform, capable of acquiring and processing flux and pressure signals from specific transducers, as well as all the necessary calculi and generation of the test results report. It has also been developed the signal conditioning circuits for the pressure and flux transducers inherent to the company pulse duplicator. The following parameters are calculated and reported with several graphics showing flux and pressure signals: orifice specific area, discharge coefficient, regurgitation fraction and valve performance and efficiency indices. / Mestrado / Engenharia Biomedica / Mestre em Engenharia Elétrica