Introdução ao Controle de Processos. Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 1 / 49

Transcrição

1 Introdução ao Controle de Processos Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 1 / 49

2 Roteiro 1 Incentivos ao Controle de Processos 2 Principais Objetivos Operacionais Planta Química Exemplo 3 Objetivos do Sistema de Controle Suprimir a Influência de Perturbações Externas Realimentação Antecipatório Assegurar a Estabilidade do Processo Otimizar o Desempenho do Processo 4 Justificativa Econômica para o Controle de Processos 5 Atividades Complementares Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 2 / 49

3 Incentivos Planta Química arranjo de unidades processadoras reatores, trocadores de calor, bombas, colunas de destilação, absorvedores, evaporadores, tanques, etc Objetivo Global da Planta converter matéria-prima em produtos desejados da maneira mais econômica possível Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 3 / 49

4 Incentivos continuação Tendências no Projeto da Planta As plantas estão cada vez mais complexas devido a redução no consumo de energia, alta flexibilidade, produtos com maior qualidade e redução de estoques, enquanto continuam sendo mais e mais conduzidas aos seus limites operacionais. Operação da Planta satisfazer as exigências do projeto frente a todo tipo de influências erros no modelo, perturbações, mudanças operacionais Controle de Processo manter as variáveis do processo (temperaturas, pressões, vazões, composições, etc) dentro de valores operacionais de projeto Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 4 / 49

5 Objetivos Operacionais 1 Segurança 2 Especificações do Produto 3 Proteção ao Meio Ambiente 4 Restrições Operacionais 5 Econômicas Sistema de Controle Atingir os objetivos operacionais com o monitoramento e ação externa sobre o processo (controle): equipamentos + intervenção humana Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 5 / 49

6 Planta Química e sua Instrumentação A 3 K A J A A 3 K A J A L " Figura: Exemplo de uma planta química Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 6 / 49

7 8 Atender aos Objetivos Operacionais Exemplo Apresente soluções que atendam aos objetivos operacionais para o processo flash da figura abaixo. + 6! L = F H # B = I A L = F H = E A J = ! + 6 = > H. = I D 8 " B = I A G K = + + * > = Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 7 / 49

8 8 Atender aos Objetivos Operacionais Exemplo (continuação): segurança + 6! L = F H # B = I A L = F H = E A J = ! + 6 = > H. = I D 8 " B = I A G K = + + * > = Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 8 / 49

9 8 Atender aos Objetivos Operacionais Exemplo (continuação): segurança Alta pressão no tambor flash é perigoso. Solução L = F H ! 8 # B = I A L = F H = E A J = ! + 6 = > H. = I D + + * > = 8 " B = I A G K = Figura: Controle da pressão no tambor flash: conteúdo de vapor Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 8 / 49

10 8 Atender aos Objetivos Operacionais Exemplo (continuação): proteção ao meio ambiente + 6! L = F H # B = I A L = F H = E A J = ! + 6 = > H. = I D 8 " B = I A G K = + + * > = Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 9 / 49

11 8 Atender aos Objetivos Operacionais Exemplo (continuação): proteção ao meio ambiente Nunca elimine hidrocarbonetos na atmosfera. Solução 3 K A E H + 6! L = F H # B = I A L = F H = E A J = ! + 6 = > H. = I D + + * > = 8 " B = I A G K = Figura: Hidrocarbonetos são queimados na atmosfera Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 9 / 49

12 8 Atender aos Objetivos Operacionais Exemplo (continuação): restrição operacional + 6! L = F H # B = I A L = F H = E A J = ! + 6 = > H. = I D 8 " B = I A G K = + + * > = Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 10 / 49

13 8 Atender aos Objetivos Operacionais Exemplo (continuação): restrição operacional A bomba não deve operar sem fluxo. Solução 3 K A E H + 6! L = F H # B = I A L = F H = E A J = ! + 6 = > H. = I D + + * > = 8 " B = I A G K = Figura: Controle do conteúdo de líquido no tambor flash Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 10 / 49

14 8 Atender aos Objetivos Operacionais Exemplo (continuação): especificações do produto + 6! L = F H # B = I A L = F H = E A J = ! + 6 = > H. = I D 8 " B = I A G K = + + * > = Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 11 / 49

15 8 Atender aos Objetivos Operacionais Exemplo (continuação): especificações do produto Componente chave é ajustado pelo aquecimento. Solução 3 K A E H + 6! L = F H # B = I A L = F H = E A J = ! + 6 = > H. = I D + + * > = 8 " B = I A G K =? F A J A? D = L A Figura: Controle da qualidade do componente chave Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 11 / 49

16 8 Atender aos Objetivos Operacionais Exemplo (continuação): econômicas + 6! L = F H # B = I A L = F H = E A J = ! + 6 = > H. = I D 8 " B = I A G K = + + * > = Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 12 / 49

17 8 Atender aos Objetivos Operacionais Exemplo (continuação): econômicas Mantenha uma taxa de produção suave. Solução 3 K A E H + 6! L = F H # B = I A L = F H = E A J = ! + 6 = > H. = I D + + * > =? F A J A? D = L A Figura: Controle da taxa de produção 8 " B = I A G K = Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 12 / 49

18 Atender aos Objetivos Operacionais 8 Exemplo (continuação): configuração de controle para o tambor flash O atendimento aos principais objetivos operacionais garantirá uma operação lucrativa e, principalmente, segura. Solução 3 K A E H + 6! L = F H # B = I A L = F H = E A J = ! + 6 = > H. = I D 8 " B = I A G K = + + * > =? F A J A? D = L A Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 13 / 49

19 Objetivos do Sistema de Controle 1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas Objetivo mais comum em uma planta química. Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 14 / 49

20 6 Objetivos do Sistema de Controle 1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação) Estudo de Caso Tanque de Aquecimento com Agitação. E. E 6 E 6 E 3 D. 6 A I 6 I J. I J 8 = F H Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 15 / 49

21 Objetivos do Sistema de Controle 1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação) objetivos do sistema de controle 1 manter T a um valor desejado T s ("set point") 2 manter h a um valor desejado h s ("set point") perturbações causam desvios de T e h em relação a T s e h s, respectivamente 1 variações em Fi1 e Fi2 2 variações em Ti1 e Ti2 3 variações em Fst e Tst compensações das perturbações 1 controle por realimentação ("feedback") 2 controle antecipatório ("feedforward") 3 controle por realimentação + antecipatório Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 16 / 49

22 6 A 6 Objetivos do Sistema de Controle 1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação) Controle por Realimentação Fst T. E. E 6 E 6 E 1 I J H K A J = 6 1 E? A 6 A F A H = J K H = D H = K J A 6 A F A H = J K H = J H A 6 A F A H = J K H = 6 + A I 6 I J. I J 8 = F H I A J F E J 6 I F? J H H Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 17 / 49

23 Objetivos do Sistema de Controle 1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação) Funções da malha de controle: medição: sensor ( termopar ) + transdutor/transmissor de temperatura comparação: e = T s T, T s (= T sp ) valor de referência ("set point") e > 0 Fst ação: e < 0 Fst elemento final (válvula de e = 0 Fst = Fst s controle) Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 18 / 49

24 6 D A Objetivos do Sistema de Controle 1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação) Controle por Realimentação Fi2 h 1 I J H K A J =. E 6 E 3 D. E 6 E E? A L A 6 H = K J A L A + J H A L A. 6 A I I A J F E J D I F 6 I J. I J? J H H 8 = F H Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 19 / 49

25 Objetivos do Sistema de Controle 1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação) Funções da malha de controle: medição: sensor ( célula de pressão diferencial ) + transdutor/transmissor de nível comparação: e = h s h, h s (= h sp ) valor de referência ("set point") e > 0 Fi2 ação: e < 0 Fi2 elemento final (válvula de e = 0 Fi2 = Fi2 s controle) Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 20 / 49

26 Objetivos do Sistema de Controle 1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação) Controle Antecipatório Fst T F i1 F i2 T i1 T i2 Instrumentação TI TT Indicador de Temperatura Transdutor de Temperatura TI TT Q T h F, T TC Controlador de Temperatura TC Condensado T st F st T i1 Vapor controlador Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 21 / 49

27 Objetivos do Sistema de Controle 1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação) Funções da malha de controle: medição: sensor (termopar) + transdutor/transmissor de temperatura { baseado no modelo estacionário do processo controle: baseado no modelo dinâmico do processo elemento final ( válvula de controle ) Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 22 / 49

28 Objetivos do Sistema de Controle "Feedback" "Feedforward" Controle por Realimentação Controle Antecipatório Controle por Realimentação: atua no processo após a perturbação afetá-lo. vantagens 1 compensa para todas as perturbações indistintamente, sem a necessidade de identificá-las ou medi-las 2 insensível aos erros de modelagem e alterações em parâmetros desvantagens 1 compensa somente após desvio da variável controlada 2 é insatisfatório para processos lentos e com tempos mortos 3 pode criar instabilidade na resposta da malha fechada Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 23 / 49

29 Objetivos do Sistema de Controle "Feedback" "Feedforward" (continuação) Controle por Realimentação Controle Antecipatório Controle Antecipatório: atua no processo antes da perturbação afetá-lo. vantagens 1 compensa antes da ocorrência de um erro (controle ideal) 2 é bom para processos lentos e com tempos mortos 3 não indroduz instabilidade à resposta da malha fechada desvantagens 1 requer identificação e medida de todas as possíveis perturbações (uma malha para cada perturbação) 2 não funcionará com a presença de perturbações não medidas 3 sensível a alterações em parâmetros 4 requer um bom conhecimento do comportamento do processo Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 24 / 49

30 ! 6 Objetivos do Sistema de Controle "Feedback" "Feedforward" (continuação) Configuração de Controle do Sistema. E. E E 3 D 6 E A I 4 A = E A J = 8 = F H. I J 6 I J! ) J A? E F = J H E Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 25 / 49

31 Objetivos do Sistema de Controle 2. Assegurar a Estabilidade do Processo Tornar a operação da planta estável. Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 26 / 49

32 Objetivos do Sistema de Controle 2. Assegurar a Estabilidade do Processo (continuação) u Sistema Estável ou Auto-Regulável y entrada limitada saída limitada t o t após a perturbação, x retorna ao seu valor inicial não necessita de controle para estabilização Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 27 / 49

33 Objetivos do Sistema de Controle 2. Assegurar a Estabilidade do Processo (continuação) y u Sistema Instável B entrada limitada C t o At saída ilimitada após a perturbação, x não retorna ao seu valor inicial necessita de controle para estabilização Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 28 / 49

34 Objetivos do Sistema de Controle 2. Assegurar a Estabilidade do Processo (continuação) 3 6 Estudo de Caso CSTR com Reação Irreversível Exotérmica. E 6 E + = E ) * 3 * 3 ). 6 6? E 3 *.? 6? 4 A B H E C A H = J A.? + = 6 6 6! 3 )? = H C A H F A = H A = 3 *? = H H A L F A H A B H E C A H = J A Regime Estabelecido Q A = Q B 3 estados estacionários: P 1, P 2 e P 3 Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 29 / 49

35 6 6 6 J J J J Objetivos do Sistema de Controle 2. Assegurar a Estabilidade do Processo (continuação) 2 A 2! A I J L A E I 2 E I J L A 6! 6 6! 6! 6 6! 6 6 Por quê operar em P 2? 1 P 1 : baixa conversão (T baixa) 2 P 3 : insegura, destrói catalisador, degrada B (T alta) Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 30 / 49

36 Objetivos do Sistema de Controle 3. Otimizar o Desempenho do Processo Tornar a operação da planta mais produtiva. Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 31 / 49

37 Objetivos do Sistema de Controle 3. Otimizar o Desempenho do Processo (continuação) Estudo de Caso Otimizar o Desempenho de um Reator em Batelada reação: A B C (endotérmica) produto desejado: B produto indesejado: C objetivo do sistema de controle: maximizar Φ no intervalo de tempo 0 a t R máx Φ = F st sp tr 0 [(receita de B) (custo do vapor)] dt custo de A Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 32 / 49

38 Objetivos do Sistema de Controle 3. Otimizar o Desempenho do Processo (continuação) J ação de controle: F st é usado exclusivamente para a otimização do desempenho do reator, pois afeta as taxas das reações otimizador max set point F + st sp F st - e CT controlador malha feedback C B Q T st F st Vapor T Condensado Figura: Controle otimizante. I J I F N Figura: Ação de controle J 4 Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 33 / 49

39 Objetivos do Sistema de Controle 3. Otimizar o Desempenho do Processo (continuação) Na Otimização em Tempo Real (RTO), os valores ótimos dos "set points" são calculados na otimização da operação do processo, satisfazendo as restrições do sistema. I A C I E K J I + J H A 4 A C K = J H E + J H A 2 1, J? E? = I = L = = A? J H A E J H = A = F A H B H =? = = D A? J H A I A C 5 A C K H = = = > E A J = I A G K E F = A J I / A H A? E = A I = = H A I A F = H A A A H C? E = I A C E A ) J K = 8 A H E B E? B K? E = A I I A I H A I A = J K H A I 2 H? A I I Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 34 / 49

40 Objetivos do Sistema de Controle 3. Otimizar o Desempenho do Processo E = I A I A I 2 = A = A J A 2 H C H = = 2 H A L E I C A H A? E = A =? A E A I K F H E A J I F = A = A J F H C H = = I = J H E = I F H E = I A F K J D H = E = I J E E = A 6 A F 4 A = J E E = F = J = E J A E H = = I K A I E L K = E I A I J E = J E L A F = H A J H I? J H A I K F A H L E I H E H A?? E E I E K J I D H = I + J H A K J E L = H E L A? 4 A I J H E + J H A K J E L = H E L A? J H A F H E J E A Figura: Níveis hierárquicos no controle e otimização de processos Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 35 / 49

41 Objetivos do Sistema de Controle 3. Otimizar o Desempenho do Processo (continuação) Em plantas grandes, chega-se a obter mais do que US$200 mil de incremento diário nos ganhos com RTO. Em algumas vezes, os "set points" ótimos podem mudar diariamente. O custo das fontes de geração de energia, variações na qualidade e custo das matérias-primas, limites de processamento e estocagem e demanda do produto são resposáveis pela necessidade frequente de RTO. Problemas envolvendo mais do que 100 mil variáveis e restrições de igualdade e desigualdade são hoje rotineiramente resolvidos com RTO. Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 36 / 49

42 Justificativa Econômica N J N J Redução na variação da especificação do produto. H A I J H E F A H =? E = N I F H A I J H E F A H =? E = N I F = J A A F E I Figura: Redução da variabilidade do produto benefícios econômicos: mudança do ponto operacional aproxima-se da restrição operacional menor quantidade de produto fora de especificação Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 37 / 49

43 Leitura I Leitura Complementar Próxima aula: apostila do Prof. Wu a, capítulos 2, 3 e 4 (volume I). livro do Stephanopoulos b, capítulos 2, 3 e 4. livro do Seborg et al. c, capítulo 2 e 28.1 a a Kwong, W. H., Introdução ao Controle de Processos Químicos com MATLAB. Volumes I e II, EdUFSCar, São Carlos, Brasil, b Stephanopoulos, G., Chemical Process Control. An Introduction to Theory and Practice. Prentice Hall, Englewood Cliffs, USA, c Seborg, D. E., Edgar, T. F., Mellichamp, D. A., Process Dynamics and Control. 1 st Edition, John Wiley, New York, USA, Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 38 / 49

44 Leitura II Knegtering, B., Pasmanb, H. J. Safety of the process industries in the 21st century: A changing need of process safety management for a changing industry. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 22, , Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 39 / 49

45 Termopar Sensor Elementos dedicados que transformam determinada variável de processo em uma grandeza passível de manipulação. Geralmente a variável de interesse é transformada em uma grandeza elétrica. Transdutor Sistemas que atuam junto com sensores e constituídos por algum dispositivo elétrico, eletrônico ou eletromecânico. O transdutor é na verdade um complemento de um sensor com o objetivo de tornar possível a medição de determinada grandeza ou mesmo melhorar as condições de medições de um sensor. Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 40 / 49

46 Termopar continuação Um termopar é formado por dois condutores metálicos, de natureza distinta, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas. Os fios são soldados em um extremo chamado de junta quente ou junta de medição. As outras extremidades dos fios são levadas ao instrumento de medição de f.e.m. (força eletromotriz), fechando um circuito elétrico por onde flui a corrente. Esse outro extremo dos fios que formam o termopar se conecta ao instrumento de medição, sendo chamado de junta fria ou junta de referência. O aquecimento da junta quente gera o aparecimento de uma f.e.m. Este princípio é conhecido por Efeito Seebeck. Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 41 / 49

47 Termopar continuação Figura: Esquema de conecção de um termopar. Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 42 / 49

48 Termopar continuação Figura: Termopar industrial com flange. Volta Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 43 / 49

49 Célula de Pressão Diferencial Sensor Capacitivo ou Célula Capacitiva é o sensor mais utilizado em transdutores de pressão. Nele dois diafragmas de medição se movem com relação a um diafragma fixo. Entre o diafragma fixo e os móveis, existe um líquido de enchimento que funciona como um dielétrico. Como um capacitor de placas paralelas é constituído por duas placas paralelas separadas por um meio dielétrico, ao sofrer o esforço de pressão, o diafragma móvel (que vem a ser uma das placas do capacitor) tem sua distância em relação ao diafragma fixo modificada. Isso provoca alteração na capacitância de um circuito de medição, e então tem-se a medição da pressão. Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 44 / 49

50 Célula de Pressão Diferencial continuação Estes instrumentos, quando utilizados em medição de nível, medem diferenciais de pressão que são provocados pela coluna líquida presente nos equipamentos cujo nível se deseja medir. O lado de alta pressão do transdutor de pressão diferencial é ligado pela tomada da parte inferior do tanque e o lado de baixa pressão é aberto para a atmosfera. Visto que a pressão estática do líquido é diretamente proporcional ao peso do líquido, este pode ser obtido pela medida do primeiro. Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 45 / 49

51 Célula de Pressão Diferencial continuação Figura: Esquema de uma célula capacitiva. Figura: Célula capacitiva. Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 46 / 49

52 Célula de Pressão Diferencial continuação Figura: Sensor/transdutor de pressão diferencial. Figura: Nível de tanque medido por pressão diferencial. Volta Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 47 / 49

53 Válvula de Controle Qualquer que seja a natureza do sistema de controle utilizado (pneumático, elétrico, eletrônico ou hidráulico), uma válvula de controle automática é, na maioria das vezes, o elemento final de controle usado. Isso porque a forma mais comum de influenciar o comportamento de processos químicos é modificando as vazões de escoamento das correntes de processo. Normalmente, uma resistência variável é colocada da corrente de interesse, a qual influenciará a sua vazão de escoamento conduzindo o processo a um comportamento desejado. Em alguns casos a resistência da válvula tem que ser ajustada (uma pessoa ajusta a sua abertura). Porém em muitos casos a resistência da válvula é determinada por um controlador automático, com a válvula projetada a aceitar e executar o sinal emitido pelo controlador. Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 48 / 49

54 Válvula de Controle continuação Figura: Esquema de uma válvula pneumática. Figura: Válvula pneumática. Volta Introdução ao Controle de Processos (CP1) DEQ/UFSCar 49 / 49