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AUDITORIA DE MALHAS DE CONTROLE UTILIZANDO A PLATAFORMA EPM
Diego Balsante Lopes
Orientador: Prof. Dr. Rodrigo Ivan Goytia Mejía
Porto AlegreAbril 2018
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Slide 2Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Introdução1Estrutura da Apresentação
Fundamentação Teórica2
Revisão Bibliográfica3
Métodos e Procedimentos4
Estudo de Caso5
Conclusão e Considerações Finais6
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Slide 3Apresentado por:
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1Introdução
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Slide 4Apresentado por:
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• É um conjunto formado por um controlador e por um atuador em umdeterminado processo, o principal objetivo é regular uma variável doprocesso mantendo no ponto de operação desejado.
• Exemplos:
• Malha de controle de nível
• Malha de controle de temperatura
• Malha de controle de vazão
• Malha controle de pressão
• Malha de controle de posição.
IntroduçãoO que é uma malha de controle ?
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Slide 5Apresentado por:
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• Os sistemas de controle estão dividas em 2 tipos:
• 1 – Sistema de Malha Aberta
A saída não exerce qualquer ação no sinal de controle, neste casoa saída não é medida nem comparada com o sinal referência.
• 2 – Sistema de Malha Fechada
A saída é medida através de um sensor e comparada com o sinalde referencia desejado, onde a diferença entre o sinal de referência e asaída do sistema, chamado de erro, é introduzida no controlador para queeste diminua o erro e mantenha a saída no valor desejado.
IntroduçãoTipos de sistemas de controle
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Slide 6Apresentado por:
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• 1 – Sistema em Malha Aberta
IntroduçãoTipos de sistemas de controle
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Slide 7Apresentado por:
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• 2 – Sistema em Malha Fechada
IntroduçãoTipos de sistemas de controle
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Slide 8Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
• Conforme pesquisas em torno de 60% das malhas de controle existentesna indústria apresentam problemas de performance.
• Algumas das principais causas que levam a malha a apresentarproblemas como comportamento oscilatório:
IntroduçãoPorque fazer auditoria em malhas de controle?
• Ajuste incorreto nos Controladores;
• Problemas nos equipamentos;
• Agarramento em válvulas de controle;
• Desgaste nos atuadores;
• Variações no Processo;
(Karra and Karin 2009)Fonte: Adaptado de Jelali (2006).
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Slide 9Apresentado por:
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• Existência de vários sistemas de suporte
a decisão com algoritmos consagrados.
• Auxílio na identificação de problemas
nas malhas de controle.
IntroduçãoContextualização
• Tecnologia mais acessível
para empresas de médio e
pequeno porte.
Fonte: Adaptado de Jelali (2006).
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Slide 10Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
IntroduçãoDelimitação do Trabalho
• Estruturar e implementar um cenário para integrar
a planta SMAR e softwares Matlab, Elipse EPM e
linguagem Python.
• Desenvolvimento de algoritmos para avaliar
potencial de melhoria, correta sintonia e
detecção de oscilações em malhas de controle.
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Slide 11Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Objetivo GeralIntrodução
• Estudar algumas das principais técnicas de auditoria
de malhas de controle.
• Implementar algumas técnicas na plataforma EPM.
• Caso de estudo em uma planta piloto SMAR.
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Slide 12Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Objetivos Específicos Introdução
• Estudar e operacionalizar a planta SMAR;
• Desenvolver um guia de operação da Planta;
• Estudar e implementar indicadores desempenho,
avaliação sintonia e detecção oscilações no EPM;
• Validar indicadores em diferentes cenários.
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Slide 13Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
IntroduçãoJustificativa
• Grande quantidade de malhas controle presentes na indústria em
processos cada vez mais complexos.
• Dificuldades na identificação de malhas com comportamento
oscilatório, mal sintonizadas
• Implementação de bibliotecas no sistema EPM para auditoria de
malhas de controle.
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Slide 14Apresentado por:
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2Fundamentação Teórica
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Slide 15Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Fundamentação Teórica
• Modelagem de Processos;
• Sintonia controladores PID;
• Avaliação baseada em indicadores de integral dos sinais;
• Avaliação para aumento de desempenho;
• Avaliação da Sintonia de Controladores;
• Detecção Automática de Oscilações.
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Slide 16Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
3Revisão Bibliográfica
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Slide 17Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Fonte: Elaborado pelo autor.
Revisão Bibliográfica
• Principais Softwares Comerciais Avaliação Desempenho.
Fonte: Adaptado de Jelali (2013)
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Slide 18Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Fonte: Adaptado de Andrzej W. Ordys (2007)
Revisão Bibliográfica
• Principais Técnicas de Detecção de Oscilações
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Slide 19Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Fonte: Elaborado pelo autor.
Revisão Bibliográfica
• Principais Técnicas de Avaliação de Desempenho.
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Slide 20Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
4Métodos e Procedimentos
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Slide 21Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Planta Piloto SMARMétodos e Procedimentos
Fonte: Elaborado pelo autor.
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Slide 22Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Planta Didática SMARMétodos e Procedimentos
Fonte: Elaborado pelo autor.
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Slide 23Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Principais SoftwaresMétodos e Procedimentos
• Matlab
• Spyder (IDE Python)
• EPM
• Plataforma SMAR System 302
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Slide 24Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Métodos e Procedimentos
Fonte: Elaborado pelo autor.
Arquitetura do Sistema Integrado
Windows 7 64 bits
Máquina Virtual
Elipse E3EPM
Interface Server E3
EPM ServerEPM StudioSMAR System 302
OPC ServerMATLAB
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Slide 25Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
5Estudo de Caso
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Slide 26Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Implementação Malhas de Nível e VazãoEstudo de Caso
Fonte: Adaptado de SMAR.
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Slide 27Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Identificação Malhas de ControleEstudo de Caso
Fonte: Elaborado pelo autor.
• Malha controle de nível
• Malha controle de vazão
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Slide 28Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
• Foram criadas sintonias de modo a obter os seguintes
comportamentos das malhas de controle :
• Sintonia inapropriada
• Sintonia Moderada
• Sintonia Conservativa
• Sintonia Agressiva
• Sintonia Oscilatória
Sintonia Malhas ControleEstudo de Caso
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Slide 29Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Sintonia Malhas ControleEstudo de Caso
Fonte: Elaborado pelo autor.
• Sintonia Malhas de Nível
• Sintonia Malhas de Vazão
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Slide 30Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Malhas Controle de NívelEstudo de Caso
Fonte: Elaborado pelo autor.
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Slide 31Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Malhas Controle de NívelEstudo de Caso
Fonte: Elaborado pelo autor.
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Slide 32Apresentado por:
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Malhas Controle de NívelEstudo de Caso
Fonte: Elaborado pelo autor.
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Slide 33Apresentado por:
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Malhas Controle de NívelEstudo de Caso
Fonte: Elaborado pelo autor.
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Slide 34Apresentado por:
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Malhas Controle de VazãoEstudo de Caso
Fonte: Elaborado pelo autor.
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Slide 35Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Malhas Controle de VazãoEstudo de Caso
Fonte: Elaborado pelo autor.
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Slide 36Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Malhas Controle de VazãoEstudo de Caso
Fonte: Elaborado pelo autor.
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Slide 37Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Malhas Controle de VazãoEstudo de Caso
Fonte: Elaborado pelo autor.
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Slide 38Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Avaliação Indicadores DesempenhoEstudo de Caso
Fonte: Elaborado pelo autor.
• Avaliação Desempenho malha de nível moderada
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Slide 39Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Avaliação Indicadores DesempenhoEstudo de Caso
Fonte: Elaborado pelo autor.
• Avaliação Desempenho malha de vazão moderada
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Slide 40Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Avaliação Indicadores DesempenhoEstudo de Caso
Fonte: Elaborado pelo autor.
• Indicadores Desempenho Malha de Nível
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Slide 41Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Avaliação Indicadores DesempenhoEstudo de Caso
Fonte: Elaborado pelo autor.
• Indicadores Desempenho Malha de Nível
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Slide 42Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Avaliação Indicadores DesempenhoEstudo de Caso
Fonte: Elaborado pelo autor.
• Indicadores Desempenho Malha de Nível
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Slide 43Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Avaliação Indicadores DesempenhoEstudo de Caso
Fonte: Elaborado pelo autor.
• Indicadores Desempenho Malha de Nível
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Slide 44Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Avaliação Indicadores DesempenhoEstudo de Caso
Fonte: Elaborado pelo autor.
• Indicadores Desempenho Malha de Vazão
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Slide 45Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Avaliação Sintonia ControladoresEstudo de Caso
Fonte: Elaborado pelo autor.
• Avaliação Sintonia Malha de Nível comportamento Agressivo
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Slide 46Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Avaliação Sintonia ControladoresEstudo de Caso
Fonte: Elaborado pelo autor.
• Avaliação Sintonia Malha de Vazão Inapropriada
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Slide 47Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Avaliação Sintonia ControladoresEstudo de Caso
Fonte: Elaborado pelo autor.
• Tabela Avaliação Sintonia malhas de Nível
• Tabela Avaliação Sintonia malhas de Vazão
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Diego Balsante Lopes
6Conclusão e Considerações Finais
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Slide 49Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Problemas e dificuldades encontradosConclusão e Considerações Finais
• Conhecimento da plataforma SMAR System 302.
• Colocar a planta em operação.
• Fazer a comunicação via OPC entre Elipse e SMAR
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Diego Balsante Lopes
ConclusãoConclusão e Considerações Finais
• Diante dos objetivos propostos a realização do trabalho atingiu umresultado satisfatório;
• Os indicadores baseados em variância mínima, servem para se ter umabase de como está a malha, ter uma ideia de quanto ainda se podemelhorar, entretanto estes indicadores são teóricos e podem na práticanunca atingir o desempenho ótimo.
• O índice de Idle foi certeiro nas avaliações, mas para isso foramnecessárias algumas modificações, como por exemplo avaliar apenasem regime, ignorar mudanças de referencia e sempre utilizar emconjunto com uma técnica de detecção de oscilações.
• O sistema EPM nos permitiu desenvolver trabalhos de pesquisa eimplementação de varias tecnologias na área de análise dedesempenho de malhas de controle. O fato do EPM possuir a integraçãocom Python foi essencial para a realização deste trabalho.
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Slide 51Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
ContribuiçõesConclusão e Considerações Finais
• Este trabalho foi o primeiro a ser executado dentro de uma Universidadeonde se utilizou a plataforma EPM para Auditoria de Malhas de Controle.
• Elaboração do Guia de Operação da Planta SMAR, incluindo uma tabelacom os principais endereços OPC para comunicação com outrossistemas.
• Implementação dos cenários com a inclusão das novas malhas decontrole no supervisório e CLP SMAR.
• Implementação de alguns plugins na ferramenta EPM.
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Slide 52Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Considerações FinaisConclusão e Considerações Finais
Sugestão de trabalhos futuros:
• Implementar estes algoritmos e outros para operação em modoonline no sistema EPM, de modo que os algoritmos fiquemdurante todo o tempo analisando a serie temporal em uma janelae caso ocorra algum problema na malha de controle este jásinalize para o operador tomar uma providência.
• Instalação e implementação de um medidor de nível no tanque demistura, possibilitando que sejam aplicadas mais configurações decontrole de nível, como por exemplo enchimento por cima dotanque e controle de vazão saída pela válvula de controle.
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Slide 53Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Coloco‐me à disposição para esclarecer dúvidas!
Obrigado pela atenção!
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Slide 55Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Referências Bibliográficas
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BARBOSA, T. A.; BARROS, P. R. Comparativo de desempenho de controladores PID utilizando o índice de Harris. SICOMP 2011, 2011.
COUGHRAN, M. T. Lambda Tuning the universal method for PID controllers in process control. http://www.controlglobal.com/assets/13WPpdf/131022‐coughran‐controllers.pdf 2013.
DESBOROUGH, L.; HARRIS, T. Performance assessment measures for univariate feedback control. The Canadian Journalof Chemical Engineering, p. 1186‐1197, 1992.
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FORSMANN, K.; STATTIM, A. A new criterion for detecting oscillations in control loops. European Control Conference, 1999.
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Slide 56Apresentado por:
Diego Balsante Lopes
Referências Bibliográficas
HÃGGLUND, T. A. A Control‐Loop Performance Monitor. Control Engineering Practice, p. 1543‐1551, 1995.
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HARRIS, T. J.; SEPPALA, C. T.; DESBOROUGH, L. D. A review of performance monitoring and assessment techniques for univariate and multivariate control systems. Journal of Process Control 9, n. Elsevier, p. 1‐17, 1999.
HUANG, B.; SHAH, S. L. Performance limits: practical control loop performance assessment. Proceedings of AIChEAnnual Meeting, 1996.
HUANG, B.; SHAH, S. L. Performance Assessment of Control Loops ‐ Theory and Applications. Springer, 1999.
JELALI, M. Control Performance Management in Industrial Automation ‐ Assessment, Diagnosis and Improvement ofControl Loop Performance. Springer, 2013.
KARRA, S.; KARIN, M. N. Comprehensive methodology for detection and diagnosis of oscillatory control loops. ControlEngineering Practice, v. 17, p. 939‐956, 2009.
MEJIA, R. I. G., COELHO, A. A. R., TRIERWEILER, J. O., FARENZENA, M. & NUNES, G. C. Auditoria de Malhas de Controle em Processos Industriais. Congresso Brasileiro de Automática CBA 2008, v. Vol. 1, n. Book Editora, p. 160‐217, 2008.
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