Sumário. Disciplina: TEQ102 - CONTROLE DE PROCESSOS. Prof a Ninoska Bojorge. Departamento de Engenharia Química e de Petróleo UFF

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1 1 Disciplina: TEQ102 - CONTROLE DE PROCESSOS INTRODUÇÃO AO CONTROLE DE PROCESSOS Prof a Ninoska Bojorge Departamento de Engenharia Química e de Petróleo UFF Sumário Introdução Evolução do Controle de Processo Controlador Pneumático Instrumentação eletrônica Conceitos e Definições Básicas Fluxograma Feedback Otimização x Controle 2

2 Controle de Processos: Definição 3 Consiste num ciclo no qual instrumentos de medição são ligados a um sistema de controle, o qual analisa a medição enviada pelo instrumento, compara e gera uma resposta de controle, a qual vai atuar nos dispositivos de controle inseridos no processo. Este ciclo de atualização dos valores das variáveis manipuladas, medida dos valores das variáveis controladas para se gerar a resposta desejada (setpoint) é a forma mais simples de descrever os conceitos associados ao controle de processos. Controle de Processos O controle do processo envolve atingir e manter valores de referências para variáveis importantes (variáveis controladas) às metas de desempenho. Estas metas de desempenho são referidas como objetivos de controle. 4 Estes objetivos são normalmente provenientes de especificações de produto, limites de segurança da planta e regulamentações ambientais. Via de regra, controles mais convencionais, do tipo prateleira, funcionam em processos pouco interagentes e com não-linearidades não muito intensas. O comportamento do sistema físico pode ser alterado através das variáveis manipuladas geradas por um controlador.

3 Controle de que? Para um determinado sistema, deseja-se determinar o desenvolvimento de uma determinada variável 5 Por exemplo: O nível de líquido em um tanque A temperatura em um ambiente, um forno, no reator, etc. Vazão (de combustível) para um motor ou um tanque. Velocidade de um carro, avião, embarcação ou similares. A posição do trenó em um torno mecânico. Posição e velocidade do braço do robô. Controle de que? 6

4 Evolução do Controle Automático 7 Evolução do Controle Automático 8 Os engenheiros encontraram trabalhos na indústria de processo, e na mesma época a fabricação de instrumentos também deu seus primeiros passos. Em 1950, tendências de desenvolvimento focadas em eletromecânica, a difusão de sinais padrão, trazendo instrumentos de campo mais próximo do processo, e leitura e monitoramento de dados de processo perto do processo. Estado da arte do controle na indústria química em Instrumentos pneumáticos analógicos foram introduzidos na Europa, e também diferentes dispositivos de medição para P, T, e F.

5 Evolução do Controle Automático O desenvolvimento técnico teve lugar em particular nos domínios da tecnologia digital e eletrônica. Sistemas de instrumentação pneumática e elétrica dependem de sinais analógicos espalhados nas fábricas. Computadores de processo foram introduzidos na indústria, estruturas de instrumentação foi padronizada e sala centralizadas de controle foram implementadas. 9 Estado da arte do controle na indústria química na década dos 60s A tecnologia digital foi usada pela primeira vez em dispositivos para automação de dados de registro e processamento. Os dispositivos também ficaram menor em tamanho. Evolução do Controle Automático Estado da arte do controle na indústria química na década dos 70s A tendência foi o desenvolvimento de circuitos integrados e controle lógico programável (CLP). O desenvolvimento de sistemas analógicos atinge seu pico, e os sistemas de controle distribuído ganham campo. As salas de controle começam ser mais complexas. O sistema de controle centralizados incorporam monitoramento, comunicação e processamento de informação. Tecnologias de microprocessadores e Digital foram aplicadas em dispositivos eletrônicos e estações de controle. Esta década tb. é conhecida como controle distribuído inteligente: monitoramento centralizado e sistema de controle distribuídos foram introduzidos. Gráficos de curvas foram introduzidas para a seleção de válvulas. A comunicação Analógica deu lugar à sinal digital. 10

6 Evolução do Controle Automático 11 Estado da arte do controle na indústria química na década dos 80s Nos anos 80s a tecnologia de microprocessadores atingiu seu pico de desenvolvimento. Inicia-se a era de vídeo câmeras e sistemas integrados. A supervisão do processo foi centralizada, as operações hierarquicamente distribuídas. Sistemas de gestão foram caracterizados por operações em sala de controle, estações de processo, e por funções de controle distribuído. Evolução do Controle Automático 12 Estado da arte do controle na indústria química na década dos 90 Na década de 1990 a integração de componentes eletrônicos e microcomputadores na gestão de processos continuou crescendo, e tb. o desenvolvimento de sistemas distribuído para dispositivos de tecnologia de campo. Iniciam os projetos de desenvolvimento de instrumentos de campo e de sistemas de protocolo de comunicação Fieldbus. O protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer) para comunicação entre sistemas de tempo real já são utilizados, por exemplo, na medição de T, P, e Nível.

7 Evolução da Instrumentação e Controle de Processos Digital: Fieldbus Pneumatica:3 15 PSI Analógica: 4 20 ma Digital/Analógico: HART 4 20 ma Controle Processo: Temperatura, vazão, concentração, etc. Controle Manual 14 Desvantagens: Simplicidade dos processos. Difícil evolução devido ao difícil controle. Pouca repetitividade dos produtos finais. Perdas energéticas. Necessidade de muitos operadores. Devido às necessidades de melhoria contínua, os processos vêm desenvolvendo-se progressivamente, o que tem exigido que o grau de automatização das instalações vir evoluindo em consequência.

8 Controle Processo: Temperatura, vazão, concentração, etc. Controle Manual 15 Transmissão Pneumática Consistem em instrumentos que traduzem as variáveis de processo, vazão, pressão, etc. em sinais pneumáticas. Este passo permitiu a transmissão de sinais relativas de variáveis de processos a distancia, possibilitando a concentração de controladores num único local (Sala de Controle). No próprio processo, o instrumento com transmissão pneumática converte a sinal de processo em sinal pneumática. Exemplo: a conversão de uma sinal de temperatura a sinal de controle seria da forma: Desvantagens: 0-100º C 3-15 psi Consumo elevado de ar comprimido. Limitação de distancia entre o processo e o painel de controle ( m) Pouca repetitividade dos produtos finais. Perdas energéticas. 16

9 Controlador Pneumático Controle Pneumático Automático 17 O controlador pneumático deu uma independência ao processo que antes não existia. A principal missão do controlador é tomar a variável de processo, compará-la com uma referência estabelecida e em função da diferença, atuar sobre a variável manipulada. Todo isso utilizando sinais pneumáticas, tanto para as entradas do processo como para as saídas aos elementos finais de controle. Pneumático Controlador Controlador pneumático Pneumático 18 Vantagens Redução de operadores Maior precisão. Poupança Energética. Melhor produto final. Desvantagens Consumo elevado de ar comprimido. Limitação de distancia entre o processo e o painel de controle (150 m)

10 Instrumentação eletrônica Controle Automático 19 Os transmissores passam a converter o sinal de processo a sinal eléctrica. Por ex.: 0-100º C 4 20 ma o processo do controle tornasse automático e localizado fora da área de processo. Sistema Eletrônico Aparecem os primeiros paneis eletrônicos, sinópticos, registradores de sinais, indicadores eletrônicos, etc. Importância do Controle de Processos para as Indústrias Vendo um pouco da historia e evolução, a instrumentação e o controle de processo nasceu da necessidade de: Otimizar os recursos humanos, matérias primas, e produtos finais. Produzir produtos competitivos com um alto rendimento Produzir produtos com características repetitivas. Promover a Poupança Energética. Fomentar a Conservação do Médio Ambiente Melhorar a qualidade do produto. Mais rápido e menos custoso o processo de validação. etc. 20

11 Conceitos e Definições Básicas Processo: Desde o ponto de vista de operação é um lugar onde matéria e energia, são tratados para dar como resultado um produto desejado ou estabelecido. Desde o ponto de vista de controle é um bloco com uma ou mais variáveis de saída que ha de ser controladas atuando sobre as variáveis de entrada manipuladas. Sensor: Converte uma variável física (pressão, temperatura, vazão, etc.), em outra sinal compatível com o sistema de medida ou controle. Sinal de Saída: Sinal produzida por um instrumento que é função da variável medida. Transmissor: Capta a variável de processo a través do elemento primário e a converte a uma sinal de transmissão padrão. Variável Controlada: Dentro do malha de controle é a variável que se capta a través do transmissor e que origina uma sinal de realimentação. Variável Manipulada: quantidade ou condição do processo variada pelo elemento ou elementos finais de controle. 21 Conceitos e Definições Básicas Elemento Final de Controle: Recebe a sinal do controlador e modifica a vazão do fluido ou agente de controle. A válvula de controle é o elemento final típico. Automatização: Ação pela qual se executa um processo de produção sem a intervenção do operador de forma permanente. Controlador: Instrumento ou função de software que compara a variável controlada com um valor desejado e exerce automaticamente uma ação de correção de acordo com o desvio. Controle Avançado: Técnicas que se apartam do controle convencional PID e que se aplicam em processos mais complexos, não lineais, com retardos importantes e acoplamento entre as variáveis. Se empregam em geral para melhorar o rendimento económico do processo. Controle Distribuído: Controle digital realizado distribuindo o risco do controle único por computador em vários controladores ou cartões de controle de tipo universal com algoritmos de controle selecionáveis por software. Os transmissores eletrônicos de campo, os cartões e controle e a estação de operador estão unidos mediante uma rede de comunicações e cada componente se localiza no lugar mais idóneo da planta. 22

12 Controle Automático de Processo 23 Representação do Sistema (Processos): Variáveis de Entrada perturbação variável manipulada VM Processo VC variável controlada Variável de saída ou variável de processo Exemplo de Controle: Controle Temperatura no trocador de calor 24

13 Exemplo de Controle: Controle Temperatura no trocador de calor 25 Variáveis significativas: Variável controlada : temperatura saída da corrente do produto Variável Manipulada : vazão de vapor Atuador : Válvula de Controle Sensor : Termopar na corrente do produto Perturbação : Mudança na temperatura entrada Controle OD num Bioreator 26 Setpoint AC AT Ar Compressor de ar Velocidade variável

14 Controle OD num Bioreator Variáveis significativas: 27 Variável controlada: a medida da concentração de O 2 dissolvido Variável manipulada: vazão na linha de ar para o biorreator Atuador: Compressor de ar de velocidade variável Sensor: Eletrodo íon-específico em contato com o meio no biorreator Perturbação: Alterações no metabolismo dos microrganismos no reator biológico. 2 Dirigir um carro: um exemplo diário de controle de processo 28 Objetivo do controle (setpoint): Manutenção apropriada do carro na pista. Variável controlada: posição na estrada Variável manipulada: orientação das rodas dianteiras Atuador: braços do motorista / volante Sensor: Olhos- motorista Controlador: Motorista Perturbação: Curva na estrada

15 Comparação entre a direção de um carro e o Controle de um trocador de calor Atuator: Braço do condutor/volante vs. válvula de controle. Controlador: o motorista vs. um controlador eletrônico Sensor: os olhos do condutor vs. termopar Variável controlada: a posição do carro na estrada vs. temperatura da corrente de saída. 29 Terminologia Malha de Realimentação (Feedback) Malha fechada 30 Feedback = interligação mútua de dois (ou mais) sistemas. Sistema 1 afeta o sistema 2 Sistema 2 afeta o sistema 1 Relação de Causa e Efeito é complicada, os sistemas são mutuamente dependentes. Sistema 1 Sistema 2 Feedback é onipresente em sistemas naturais e artificiais Sistema 1 Sistema 2 Malha aberta Sistema 1 Sistema 2

16 Diagrama de Blocos da malha de Controle Feedback 31 Setpoint Resposta desejada Sinal de Variável Comparação controle manipulada e c u + - Perturbação Controlador Atuator Processo Var. Saída CV Variável controlada Sensor Transmissor Dispositivo de medidas Sistema de Controle a Malha Fechada Realimentada Diagrama da malha de Controle Feedback 32 A principal característica de todas as malhas de controle realimentada (feedback) é que o valor medido da variável controlada é comparado com o setpoint, e essa diferença é usada para determinar a ação de controle a ser tomada.

17 Tipos de controladores Feedback Controle On-Off: Ex. o termostato em sistemas de Ar cond. Controle Manual: Usada pelos operadores e com base nas respostas circuito mais ou menos aberto Controle Automático (PID): controlador mais utilizados. A ação de controle baseada em erro do SP. PID Avançado: Melhoramentos do PID. Ex.: Razão, Cascata, feedforward. Controle Preditivo baseado em Modelos: uso de modelos dinâmicos do processo (na maioria das vezes modelos lineais, empíricos obtidos pelo Sistema de Identificação) diretamente para seu controle. 33. Deveres do Engenheiro de Controle de Processos 34 Ajustar a performance dos controladores e confiabilidade. Selecionar o modo PID adequado e/ou opções de PID avançado. Solucionar malhas de controle. Projeto de unidades Multicontrolador Documentação de mudanças de controle de processo

18 Características do Engenheiro de Controle de Processos 35 Usar o seu conhecimento do processo para guiar suas aplicações de controle de processo. Eles são engenheiros de controle processo. Ter ideias fundamentalmente sólidas das dinâmicas do processo e de sistema de controle feedback. Trabalhar eficazmente com os operadores. Características do Engenheiro de Controle de Processos 36 Um bom relacionamento com os operadores é uma condição NECESSÁRIA para o sucesso de um engenheiro químico de controle. Construir um relacionamento com os operadores com base no respeito mútuo. Os operadores são uma valiosa fonte de experiência da planta. Um projeto de controle bem sucedido deve fazer o trabalho de operadores mais fácil, e não mais difícil.

19 Controle e Otimização de Processo Controle e Otimização são termos que são muitas vezes erroneamente trocados: Controle tem que ver com o ajuste da variável manipulada (usualmente uma vazão de um fluido) para manter as variáveis do processo controladas no setpoint especificado. Otimização escolhe os valores chaves de setpoints, para que o processo opere com as "melhores condições econômicas. 37 Otimização e Controle de um CSTR 38 Otimizador RSP FT RSP FC Alim. F V C A0 TC Vapor A B C TT Produto C A,C B, C C

20 Exemplo de Otimização A B C Balanço molar sobre A : QC resolvendo para C A A0 = 1 + QC k 1 A k 1 exp[ E C Do mesmo modo,c A CA0 exp[ E1 / RT ] V Q B ec C 1 / RT ] C r A V r são calculados do balanço molar. 39 Função Objetivo 40 Φ = Q C A V A + QC B V B + QC C V C QC A 0 V AF V B > V C, V A, ou V AF A T baixa, pouca formação de B A T alta, muito de B reagem para formar C Portanto, existe uma temperatura ótima no reator, T*

21 Algoritmo Otimização 41 1) Selecionar uma estimativa inicial da temperatura do reator 2) Avaliar C A, C B, e C C 3) Avaliar Φ 4) Selecionar nova temperatura do reator e retornar à 2 até T* seja identificada. Solução Gráfica da Temperatura Ótima do Reator, T* 42 2 Função Objetivo, Φ 1,5 1 0,5 T* ,5 Temperatura do Reator (K)

22 Otimização de Processos Otimização típica da função objetivo, Φ: Φ = valor do produto custo MP/utilitário. 43 A solução do modelo em estado estacionário do processo é normalmente usado para determinar as condições de operacionais do processo que produz maior rendimento de produtos, alimentação e utilitários. Os custos unitários da alimentação e preço de venda dos produtos são combinados com os rendimentos Φ Variáveis de otimização são ajustadas até que Φ seja maximizado (solução de otimização). Procedimento Geral da Otimização 44

23 Otimização e Controle de um CSTR 45 Otimizador Conclusão 46 Todas as malhas de controle feedback tem um controlador, um atuador, um processo e um sensor onde o controlador escolhe a ação de controle baseado no erro do setpoint. Controle tem a ver com o ajuste das variáveis manipuladas (vazão) para manter as variáveis controladas no SP, enquanto a otimização dos setpoints de certos controladores são ajustados para otimizar o desempenho econômico da planta.

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