Universidade Federal do Rio de Janeiro Escola de Química · O controle de processos diz respeito...

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EQE 487 EQE 487 -- CONTROLE E INSTRUMENTAÇÃO DE PROCESSOSCONTROLE E INSTRUMENTAÇÃO DE PROCESSOS

MaurícioMaurício BezerraBezerra de Souza de Souza JúniorJúniorDEPARTAMENTO DE ENG. QUÍMICADEPARTAMENTO DE ENG. QUÍMICA

AbrilAbril de 2013de 2013

O controle de processos diz respeito à manutenção de

variáveis de processo (temperaturas, pressões, vazões,

composições etc) emalgumvalor de operação desejado.

Introdução ao Controle de ProcessosIntrodução ao Controle de Processos

A natureza dos processos industriais é dinâmica, o que torna

necessário umcontrole automático e contínuo de suas variáveis,

de modo que condições de projeto− relacionadas a segurança,

qualidade do produto e taxas de produção− sejamalcançadas.


Objetivos de controleObjetivos de controle

Separação de uma carga líquida, consistindo dos componentes A eB (Marlin, 2000).


1. Segurança do pessoal –pressão máxima não pode serexcedida;

2. Proteção ambiental– material não pode ser descartado para aatmosfera;

3. Proteção do equipamento–a vazão através da bombaa vazão através da bombadeve ser maior ou igual aomínimo;

4. Operação suave– a cargadeveria ter pequenavariabilidade;

5. Qualidade do produto –valores desejáveis doproduto líquido.


6. Eficiência e otimização– redução dos custos de troca de calor.

7. Monitoramento e diagnóstico – sensores, displays, variáveiscalculadas para informar ao operador sobre condições normais eanormais de operação.

Fonte: Marlin (2000)

Até os anos 1940 do século passado, a operação manual

demandava umnúmero muito grande de operadores.

Tanques grandes eramtambém empregados entre várias

unidades na planta, para amortecer perturbações.


TY

TT

TIC

A digitalização do controle ocorreu na década de 1970 como

advento dos computadores digitais. Atualmente, operadores,

controladores, indicadores, registradores e alarmes se encontram

na sala de controle, a partir da qual é possível monitorar e

controlartodoo processodocampo.


controlartodoo processodocampo.

“Cerca de 80 % do

tempo que se passa

numa planta é passado

na sala de controle” e “a

sala de controle é o

centro nervoso da

planta”.

Estratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de Controle

Controle por realimentação (feedback): a maneira

tradicional de controlar umprocesso é medir a variável

a ser controlada, comparar o seu valor como valor

desejado (o set-point do controlador) e alimentar a

diferença (o erro) emum controlador feedback que

modificará uma variável manipulada de modo a levar a

variável controlada ao valor desejado.


Set-point CONTROLA-DOR FB

PROCES-

Perturbação

Var. manipu-

lada

Var.

controDOR FBPROCES-

SOlada controlada


Controle feedforward: a perturbação é detectada

quando entra no processo e uma mudança apropriada é

feita na variável manipulada visando a manter a

variável controlada no set-point.


Set-pointCONTROLA-

DOR FF

Perturbação

DOR FF

PROCESSO

Var. manipulada

Var.

controlada

Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----

aquecedoraquecedoraquecedoraquecedor



Apresentam-se a seguir as diversas fases na implementação de

um sistema de controle emuma fornalha pré-aquecedora de uma

refinaria de petróleo, ilustrada nas Figuras (Ogunnaike & Ray,

1994).

Os diagramas P&I (Processo & Instrumentação) para os

diversos sistemas sugeridos são tambémapresentados.





Reproduz-se o diálogo entre umengenheiro de processo (EP) e

um engenheiro de controle (EC). Os diagramas P&I (Processo

& Instrumentação) para os diversos sistemas sugeridos são

tambémapresentados.tambémapresentados.





Fase 1EC: Quais são seus objetivos de operação?

EP: Nos gostaríamos de entregar óleo cru para a unidade de

fracionamentoa jusantea umatemperaturaalvo consistenteT*.fracionamentoa jusantea umatemperaturaalvo consistenteT .

0 valor deste set-point é usualmente determinado pelo tipo de

óleo cru e pelo rendimento desejado da refinaria. Portanto, muda

a cada 2-3 dias. Nós tambémtemos umlimite superior de

restrição (Tm) sobre o quanto a temperatura dos tubos do fomo

pode alcançar.





EC: Portanto, das suas duas saídas de processo, Fo e T, a

primeira é estabelecida externamente pelo fracionador, enquanto

a última é aquela que você esta preocupado emcontrolar?

EP: Sim.EP: Sim.





EC: Seu objetivo de controle é portanto regular a saída do

processo T, assimcomo lidar com o problema servo de

mudanças de set-point a cada 2-3 dias?

EP: Sim.EP: Sim.





EC: De suas variáveis de entrada, quais aquelas sobre as quais

você realmente temcontrole?

EP: Apenas a vazão de ar e a vazão de combustível e mesmo

assim nós usualmentepré-estabelecemosa vazão de ar eassim nós usualmentepré-estabelecemosa vazão de ar e

mudamos apenas a vazão de combustível quando necessário.

Nossa principal variável de controle é a razão ar- combustível.





EC: As outras variáveis de entrada, a vazão de óleo cru, F, e a

temperatura de entrada, Tj, são portanto perturbações?

EP: Sim.

EC: Ha outras variáveis de processo de importância que eu deva

conhecer?

EP: Sim, a pressão de fornecimento de combustível, PF, e o calor

específico do combustível,λF; eles variamsignificativamente e

nós não temos qualquer controle sobre essas variações. Elas

tambémsão perturbações.





EC: Que tipo de instrumentação você tempara aquisição de

dados e implementação da ação de controle?

EP: Nós temos termopares para medir T e Ti; medidores de

vazãoparamedir F, QF; e umaválvula de controlena linha devazãoparamedir F, QF; e umaválvula de controlena linha de

combustível. Nós temos umpirômetro óptico instalado para

monitorar a temperatura do tubo da fornalha. Umalarme é

acionado se a temperatura fica uns poucos graus próxima da

restrição do limite superior.





Fase 2

EC: Você temum modelo de processo disponível para esta

fornalha?

EP: Não. Mas ha umoperador que entende do comportamento

do processo muito bem. Nós temos tentado operar o processo

sob controle manual usando este operador, mas os resultados

não foramaceitáveis. Este registro tirado de umregistrador de

temperatura é bastante representativo. Esta é a resposta para um

aumento degrau na vazão de entrada F.





EC: Você temuma idéia do que poderia ser responsável?

EP: Sim. Nós pensamos que tema ver com as limitações

humanas básicas; sua antecipação do efeito da perturbação na

alimentaçãoé engenhosa,mas imperfeita,e ele simplesmentealimentaçãoé engenhosa,mas imperfeita,e ele simplesmente

não consegue reagir rápido o bastante, ou acuradamente o

bastante, à influência dos efeitos de perturbação adicional na

pressão de fornecimento de combustível e conteúdo energético.





EC: Então, vamos começar comum sistema feedback simples.

Vamos instalar umcontrolador de temperatura que usa medidas

da temperatura de saída da fornalha T para ajustar a vazão Qp.

Vamos usar umcontrolador PID com esses valores de

parâmetros para começar. Sinta-se livre para reajustar oparâmetros para começar. Sinta-se livre para reajustar o

controlador se necessário. Vamos discutir os resultados assim

que você estiver pronto.





Fase 3

EP: 0 desempenho do sistema feedback, ainda que melhor que o

do controle manual, ainda não é aceitável; muita alimentação a

baixa temperaturaé mandadapara o fracionador duranteasbaixa temperaturaé mandadapara o fracionador duranteas

primeiras horas que se seguema cada aumento de F.

EC: 0 que é preciso e ummeio pelo qual nós possamos mudar a

vazão de combustível no instante que nos detectarmos uma

mudança na vazão de alimentação. Tente esta estratégia de

controle feedforward sozinha, primeiro; aumente-a como

feedback apenas se você achar necessário.





Fase 4

EP: Coma estratégia feedforward sozinha, houve a vantagemde

rapidamente compensar o efeito da perturbação, pelo menos

inicialmente. 0 principal problemaeraa nãodisponibilidadedainicialmente. 0 principal problemaeraa nãodisponibilidadeda

medida da temperatura de saída do forno para o controlador.

Como resultado, nos tivemos offsets. Desde que nos não

podemos aceitar offsets persistentes, nos tivemos de ativar o

sistema de controle feedback. Como esperado a adição do

sistema de controle feedback retificou este problema.





EP: Nós ainda temos umproblema grande: a temperatura de

saída da fornalha ainda flutua, algumas vezes de forma bastante

inaceitável, sempre que nós observamos variações na pressão de

chegada do combustível.

Adicionalmente, nós estamos certos que as variações noAdicionalmente, nós estamos certos que as variações no

conteúdo energético do combustível contribuempara essas

flutuações, mas nos não temos uma maneira fácil de monitorar

quantitativamente essas variações de conteúdo energético. Neste

ponto, no entanto, elas não parecemser tão significativas como

as variações na pressão de fornecimento.





EC: Vamos focalizar no problema causado pelas variações na

pressão de fornecimento de combustível. É fácil de ver porque

isto deve ser umproblema. 0 controlador pode apenas ajustar a

válvula na linha de combustível; e embora nos esperemos que

posiçõesespecíficasdaválvuladevamcorrespondera vazõesdeposiçõesespecíficasdaválvuladevamcorrespondera vazõesde

combustível específicas, isso só será assimse a pressão de

chegada for constante. Quaisquer flutuações na pressão de

chegada significa que o controlador não vai obter a vazão de

combustível que ele solicita.





EC: Nós devemos instalar uma malha adicional para assegurar

que o controlador de temperatura obtéma mudança de vazão

verdadeira que ele solicita; uma simples mudança na posição da

válvula não vai assegurar isso. Nós devemos instalar um

controladorde vazão entre o controladorde temperaturae acontroladorde vazão entre o controladorde temperaturae a

válvula de controle na linha de combustível. A tarefa deste

controlador interno será assegurar que a vazão de combustível

solicitada pela controlador de temperatura será realmente

entregue à fornalha, independetemente de variações na pressão

de fornecimento. A adição desse sistema de controle emcascata

devera funcionar bem. .

Principais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentode um sistema de controlede um sistema de controlede um sistema de controlede um sistema de controlede um sistema de controlede um sistema de controlede um sistema de controlede um sistema de controle

TerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologia

· Dinâmica: comportamento dependente do tempo de umprocesso.

· Estabilidade: um processo estável no sentido BIBO(“bounded input ; bounded outpo” ou “entrada limitada;(“bounded input ; bounded outpo” ou “entrada limitada;saída limitada”) é aquele que, para uma entrada limitada(por exemplo: um degrau), exibe uma saída limitada. Aocontrário, a saída de umprocesso INSTÁVEL, para umavariação limitada na sua entrada, torna-se cada vez maior,à medida que o tempo aumenta.


· Variáveis manipuladas: aquelas que se pode mudar demodo a controlar a planta.

· Variáveis controladas: aquelas que se tenta manter tãoconstantequanto possívelou fazer seguir uma trajetória noconstantequanto possívelou fazer seguir uma trajetória notempo.

· Set-point: valor desejado da variável controlada.


· Variáveis não controladas:variáveis do processo que nãosão controladas.

· Variáveis de perturbação ou distúrbios (ou cargas):entradas do processoque não podem ser manipuladas. Sãoentradas do processoque não podem ser manipuladas. Sãodefinidas por outras partes da planta. O sistema de controledeve ser capaz de manter a planta sob controle apesar dosefeitos destas perturbações.


· Controle regulador: situação emque se tenta compensaro efeito das perturbações na variável controlada, comset-point mantido constante.

· Controle servo: o set-point é modificado em função do· Controle servo: o set-point é modificado em função dotempo e a variável controlada deve seguir o set-point.

Hierarquia das Hierarquia das Hierarquia das Hierarquia das

Atividades de Atividades de Atividades de Atividades de

Controle de Controle de Controle de Controle de

Hierarquia das Hierarquia das Hierarquia das Hierarquia das

Atividades de Atividades de Atividades de Atividades de


4. Real-Time Optimization

5. Planning and Scheduling

3b. Multivariable and Constraint Control

(days-months )

(minutes-hours )

(hours-days )


ProcessosProcessosProcessosProcessos


ProcessosProcessosProcessosProcessos

1. Measurement and Actuation

2. Safety, Environment and Equipment Protection

3a. Regulatory Control

Process

(< 1 second )

(< 1 second )

(seconds-minutes )

Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos

mais complicadosmais complicadosmais complicadosmais complicados



1. Abordagem tradicional:estratégia e hardware

selecionados combase no

conhecimento do processo,

experiência e “ insight”.

Depois que o sistema de

controle é instalado na

planta, procede-se à sua

“sintonia”.





2. Abordagem baseada emmodelo: modelo dinâmico

do processo é desenvolvido

para: (i) projetar o

controlador; (ii) incorporar

diretamente na lei de

controle; (iii) usar em

simulação de controle.





Implementação no MATLAB/SIMULINK





Admitindo que se pretende controlar a temperatura de saída do

tanque, discuta as estratégias de controle possíveis.

Controle Feedback Controle Feedback


y~

Km

SPy

Resposta em Malha FechadaResposta em Malha Fechada

Processo: y(s) = Gp(s) m(s) + Gd(s) d(s) (1)

Dispositivo de medida: ym(s) = Gm(s) y(s) (2)

Mecanismo de controle: E(s)= Km ySP(s) - ym(s) (3)Mecanismo de controle: E(s)= Km ySP(s) - ym(s) (3)

c(s) = GI/P Gc E(s) (4)

Elemento final de controle: m(s) = Gf(s) c(s) (5)

Resposta em Malha FechadaResposta em Malha Fechada

)(1

)(1

)(//

/ sdGfGmGpGcG

Gdsy

GfGmGpGcG

KmGpGfGcGsy

PISP

PI

PI

++

+=

)(/ syGcKmGpGfG

Gsp PI=Problema

)(1 /

/ syGfGmGpGcG

GcKmGpGfGGsp SP

PI

PI

+=

)(1

arg/

sdGfGmGpGcG

GdaGc

PI+= Problema

regulador

Problema servo


Ementa

Introdução ao controle de processos e à instrumentaçãoindustrial. Sistemas de controle de realimentação. Representaçãoemdiagrama de blocos. Instrumentação industrial emmalhas decontrole. Sensorese transmissoresdesinais. Elementosfinais decontrole. Sensorese transmissoresdesinais. Elementosfinais deatuação. Controladores PIDs. Estabilidade de malhas decontrole. Métodos de ajuste de controladores. Métodos desíntese direta. Sistemas de controle feed-forward. Sistemas emcascata. Aplicações emprocessos controlados. Controlemultivariável.


Referências Bibliográficas

1. Introdução a Modelageme Dinâmica para Controle deProcessos. Maurício B. de Souza Jr., Publit, 2013.

2. Process Dynamics, Modeling and Control. Ogunnaike e Ray.OxfordUniversityPress,1994.OxfordUniversityPress,1994.

3. Process Dynamics and Control. Dale E. Seborg, Thomas F.Edgar, Duncan A. Mellichamp and F. Doyle. Wiley Series inChemical Engineering, 3ed., 2011.

4. Chemical Process Control, An Introduction to Theory andPractice. George Stephanopoulos. Prentice-Hall, 1984.


Referências Bibliográficas

5. Process SystemAnalyis and Control. Coughanowr. 2nd Ed.McGraw-Hill International Editions, 1991.

6. Processs Modeling, Simulation and Control for ChemicalEngineers. W. L. Luyben. 2ndEd. McGraw-Hill, 1990.Engineers. W. L. Luyben. 2ndEd. McGraw-Hill, 1990.

7. Dinâmica, Controle e Instrumentação de Processos. BelkisValdman, Rossana Folly e Andréa Salgado, Editora UFRJ, 2008.

8. 100 Problemas de Controle. Maurício B. de Souza Jr.Imprensa Universitária da UFRRJ, 1994.

9. Process Dynamics. Modeling, Analysis, and Simulation. B.W. Bequette. Prentice-Hall, 1998.

Controle Feedback Controle Feedback Referências Bibliográficas

10. Process Control: Modeling, Design, and Simulation, B. W.Bequette, Prentice-Hall, 2003.

11. Controles Típicos de Equipamentos e Processos Industriais,Mário Campos e Herbert Teixeira, Edgard Blücher, 2006.

12. Princípios e Prática do Controle Automático de Processo.Carlos A. Smith and Armando B. Corripio, 3a Edição, LTC,2008.

13. Process Control: Designing Processes and Control Systemsfor Dynamic Performance, Thomas E Marlin, 2nd Ed,McGrawHill, 2000.

14. Engenharia de Controle Moderno, K. Ogata, 4a Ed., PrenticeHall, 2007.

MaurícioMaurício BezerraBezerrade Souza de Souza JúniorJúnior

DEPARTAMENTO DE ENG. DEPARTAMENTO DE ENG. QUÍMICAQUÍMICA

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