Aula 1 Introdução Outros ao Processos Controle de de Processos Separação. Segundo nível. Sumário. Fluxograma Feedback

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1 Aula 1 Introdução Outros ao Processos Controle de de Processos Separação custo Prof a Ninoska Bojorge Sumário Quarto Sumário Introdução 2 1

2 Modelagem e controle de que? Quarto Para um determinado sistema, deseja-se determinar o desenvolvimento de uma determinada variável Por exemplo: O 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 3 Modelagem e controle de que? Quarto Controle de motor Servo control, aircond., autopilot, ect. Control of windmill Controle robô: velocidade e posição 4 2

3 Controle Processo: Temperatura, vazão, concentração, etc. Quarto Controle Manual 5 Controle Processo: Temperatura, vazão, concentração, etc. Quarto Controle Manual Este tipo de controle tem uns inconvenientes como: 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 tivesse evolucionado em consequência. 6 3

4 Controle Processo: Temperatura, vazão, concentração, etc. Quarto O seguinte passo foi centralizar os instrumentos (termómetros, manómetros, etc.) num painel centralizado. Desta maneira o processo passou a ser totalmente manual e localizado fora da área de processo. Este tipo de controle tem como inconveniente, adicionalmente aos já comentados antes, o inconveniente de ter que levar a variável de processo até o painel de controle com o perigo que ele implica. Mas tem a vantagem de que o operador já não tem que estar localizado no processo, poupando a sua vez as horas/home em trabalho de supervisão e controle, assim como fazendo mais seguro e confortável o trabalho dos operadores. 7 Transmissão Pneumática Controlador Segundo pneumático Quarto Transmissão Pneumática basicamente consistiam em instrumentos que traduziam as variáveis de processo, vazão, pressão, etc. em sinais pneumáticas. Este passo evita que as variáveis de processo sejam conduzidas até um painel local. 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: 0-100º C 3-15 psi Desta maneira o processo segue sendo totalmente manual e localizado fora da área de processo. Desvantagens Consumo elevado de ar comprimido. Limitação de distancia entre o processo e o painel de controle (150 m) Pouca repetitividade dos produtos finais. Perdas energéticas. 8 4

5 Quarto Controlador Pneumático 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. 9 Quarto Controlador Pneumático 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 5

6 Quarto Os transmissores passam a converter o sinal de processo a sinal eléctrica. Por ex.: exemplo: 0-100º C 4 20 ma Desta maneira o processo é automático e localizado fora da área de processo... Aparecem os primeiros paneis eletrônicos, sinópticos, registradores de sinais, indicadores eletrônicos, etc. 11 Importância do Controle de Processos para as Indústrias Fazendo um pouco de historia, a instrumentação e o controle nasce da necessidade de: Otimizar os recursos humanos, matérias primas, e produtos finais. Produzir produtos competitivos com um alto rendimento Produzir produtos com características repetitivas. Promove a Poupança Energética. Fomento da Conservação do Médio Ambiente Melhoria da qualidade do produto. Mais rápido e menos custoso o processo de validação. etc. 6

7 Digital: Fieldbus Pneumatica:3 15 PSI Analógica: 4 20 ma Digital/Analógico: HART 4 20 ma 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 bucle 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. 7

8 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. 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. 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. Dirigir um carro: um exemplo diário de controle de processo e Quarto Definições Objetivo do controle (setpoint): Manutenção do carro na pista apropriada. Variável controlada: posição na estrada Variável manipulada com orientação das rodas dianteiras Atuador: braços do motorista / volante Sensor: Olhos- motorista Controlador: Motorista Perturbação: Curva na estrada 8

9 Fluxograma da malha de controle: feedback Quarto Controle temperatura para trocador de calor: Exemplo de Controle 9

10 Controle do trocador de calor Quarto 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 Quarto 10

11 Controle de DO Quarto Variável controlada: a medida da concentração de O 2 dissolvido Variável manipulada: vazão 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. O que é? Quarto = interligação mútua de dois (ou mais) sistemas. Sistema 1 afeta o sistema 2 Sistema 2 afeta o sistema 1 Causa e efeito é complicada, os sistemas são mutuamente dependentes. Sistema 1 Sistema 2 é onipresente em sistemas naturais e artificiais Terminologia Sistema 1 Sistema 2 Malha fechada Sistema 1 Sistema 2 Malha aberta 22 11

12 Diagrama da malha de controle Quarto Comparisão entre a direção de um carro e o Controle de um trocador de calor Quarto 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. 12

13 Quarto A principal característica de todas as malhas de controle feedback é que o valor medido da variável controlada é comparada com o setpoint, e essa diferença é usada para determinar a ação de controle a ser tomada. Tipos de controladores Quarto Controle On-Off: Ex. o termostato do quarto Controle Manual: Usada pelos operadores e com base nas respostas circuito mais ou menos aberto Controle PID é o controlador mais utilizados. A ação de controle baseada em erro do SP. PID Avanzado- Melhoramentos do PID: razão, cascata, feedforward. Controle baseado em Modelo uso de modelo do processo diretamente para seu controle. 13

14 Deveres de um engenheiro de controle Quarto Ajuste da performance de controladores e confiabilidade. Selecionar o modo PID adequado e/ou opções de PID avançado. Solução de malhas de controle. Projeto de unidades Multicontrolador Documentação de mudanças de controle de processo Características do Engenheiro de Controle de Processos Quarto Usar o seu conhecimento do processo para guiar suas aplicações de controle de processo. Eles são engenheiros de controle processo. Ter uma ideias fundamentalmente sólidas da dinâmica do processo e controle feedback. Trabalhar eficazmente com os operadores. 14

15 Operator Acceptance Quarto Um bom relacionamento com os operadores é uma condição NECESSÁRIA para o sucesso de um engenheiro 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. Controle de Processo e Otimização Clique Evolução para do editar Controle os de estilos Processo do texto mestre Fluxograma Quarto Controle e otimização são termos que são muitas vezes erroneamente trocados. Controle tem que ver com o ajuste da vazão 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. 15

16 Otimização e Controle de um CSTR Clique Evolução para do editar Controle os de estilos Processo do texto mestre Fluxograma Quarto Exemplo de otimização Clique Evolução para do editar Controle os de estilos Processo do texto mestre Fluxograma Quarto A B C Balanço molar sobre A : QC A0 resolvendo para C C A = 1 + Do mesmo modo, C molar. QC A k exp[ E 1 CA0 k1 exp[ E1 / RT ] Vr Q A B ec C 1 / RT ] C A V r são calculados do balanço 16

17 Função Objetivo Clique Evolução para do editar Controle os de estilos Processo do texto mestre Fluxograma Quarto Φ = QCA VA + QCB VB + QCC VC QCA0 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* Algoritmo Otimização Clique Evolução para do editar Controle os de estilos Processo do texto mestre Fluxograma Quarto 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. 17

18 Solução Gráfica da Temperatura Ótima do Reator, T* Clique Evolução para do editar Controle os de estilos Processo do texto mestre Fluxograma Quarto 2 Economic Objective Function, Φ 1,5 1 0,5 T* ,5 Reactor Temperature (K) Otimização de Processos Clique Evolução para do editar Controle os de estilos Processo do texto mestre Fluxograma Quarto Otimização típica da função objetivo, Φ: Φ = valor do produto custo MP/utilitário. 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). 18

19 Procedimento Geral da Otimização Clique Evolução para do editar Controle os de estilos Processo do texto mestre Fluxograma Quarto Initial Estimate of Optimization Variables Process Model Optimization Variables Model Results Numerical Optimization Algorithm Economic Function Evaluation Economic Function Value Optimum Operating Conditions Economic Parameters Otimização e Controle de um CSTR Clique Evolução para do editar Controle os de estilos Processo do texto mestre Fluxograma Quarto 19

20 Conclusão Clique Evolução para do editar Controle os de estilos Processo do texto mestre Fluxograma Quarto 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 de setpoint. Controle tem a ver com o ajuste da 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. 20