O controle de processos diz respeito à manutenção de variáveis de processo (temperaturas, pressões, vazões, composições etc) em algum valor de

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1 Universidade Federal do Rio de Janeiro Escola de Química EQE CONTROLE E INSTRUMENTAÇÃO DE PROCESSOS Maurício Bezerra de Souza Júnior DEPARTAMENTO DE ENG. QUÍMICA Abril de 2013

2 Introdução ao Controle de Processos O controle de processos diz respeito à manutenção de variáveis de processo (temperaturas, pressões, vazões, composições etc) em algum valor de operação desejado.

3 Introdução ao Controle de Processos A natureza dos processos industriais é dinâmica, o que torna necessário um controle automático e contínuo de suas variáveis, de modo que condições de projeto relacionadas a segurança, qualidade do produto e taxas de produção sejam alcançadas.

4 Objetivos de controle Separação de uma carga líquida, consistindo dos componentes A e B (Marlin, 2000).

5 Objetivos de controle 1. Segurança do pessoal pressão máxima não pode ser excedida; 2. Proteção ambiental material não pode ser descartado para a atmosfera; 3. Proteção do equipamento a vazão através da bomba deve ser maior ou igual ao mínimo; 4. Operação suave a carga deveria ter pequena variabilidade; 5. Qualidade do produto valores desejáveis do produto líquido.

6 Objetivos de controle 6. Eficiência e otimização redução dos custos de troca de calor. 7. Monitoramento e diagnóstico sensores, displays, variáveis calculadas para informar ao operador sobre condições normais e anormais de operação. Fonte: Marlin (2000)

7 Introdução ao Controle de Processos Até os anos 1940 do século passado, a operação manual demandava um número muito grande de operadores. Tanques grandes eram também empregados entre várias unidades na planta, para amortecer perturbações. TT TY TIC

8 Introdução ao Controle de Processos A digitalização do controle ocorreu na década de 1970 com o 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 controlar todo o processo do campo. 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.

9 Estratégias de Controle Controle por realimentação (feedback): a maneira tradicional de controlar um processo é medir a variável a ser controlada, comparar o seu valor com o valor desejado (o set-point do controlador) e alimentar a diferença (o erro) em um controlador feedback que modificará uma variável manipulada de modo a levar a variável controlada ao valor desejado.

10 Estratégias de Controle Perturbação Set-point CONTROLA- DOR FB Var. manipu- lada PROCES- SO Var. contro lada

11 Estratégias de Controle 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.

12 Estratégias de Controle Perturbação Set-point CONTROLA- DOR FF Var. manipulada PROCESSO Var. contro lada

13 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor Apresentam-se a seguir as diversas fases na implementação de um sistema de controle em uma 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 também apresentados.

14 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor

15 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor

16 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor

17 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor Reproduz-se o diálogo entre um engenheiro de processo (EP) e um engenheiro de controle (EC). Os diagramas P&I (Processo & Instrumentação) para os diversos sistemas sugeridos são também apresentados.

18 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor Fase 1 EC: Quais são seus objetivos de operação? EP: Nos gostaríamos de entregar óleo cru para a unidade de fracionamento a jusante a uma temperatura alvo consistente T *. 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 também temos um limite superior de restrição (T m ) sobre o quanto a temperatura dos tubos do fomo pode alcançar.

19 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor 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 em controlar? EP: Sim.

20 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor EC: Seu objetivo de controle é portanto regular a saída do processo T, assim como lidar com o problema servo de mudanças de set-point a cada 2-3 dias? EP: Sim.

21 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor EC: De suas variáveis de entrada, quais aquelas sobre as quais você realmente tem controle? EP: Apenas a vazão de ar e a vazão de combustível e mesmo assim nós usualmente pré-estabelecemos a vazão de ar e mudamos apenas a vazão de combustível quando necessário. Nossa principal variável de controle é a razão ar- combustível.

22 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor 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, P F, e o calor específico do combustível, λ F ; eles variam significativamente e nós não temos qualquer controle sobre essas variações. Elas também são perturbações.

23 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor EC: Que tipo de instrumentação você tem para aquisição de dados e implementação da ação de controle? EP: Nós temos termopares para medir T e Ti; medidores de vazão para medir F, Q F ; e uma válvula de controle na linha de combustível. Nós temos um pirômetro óptico instalado para monitorar a temperatura do tubo da fornalha. Um alarme é acionado se a temperatura fica uns poucos graus próxima da restrição do limite superior.

24 Fase 2 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor EC: Você tem um modelo de processo disponível para esta fornalha? EP: Não. Mas ha um operador que entende do comportamento do processo muito bem. Nós temos tentado operar o processo sob controle manual usando este operador, mas os resultados não foram aceitáveis. Este registro tirado de um registrador de temperatura é bastante representativo. Esta é a resposta para um aumento degrau na vazão de entrada F.

25 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor

26 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor EC: Você tem uma idéia do que poderia ser responsável? EP: Sim. Nós pensamos que tem a ver com as limitações humanas básicas; sua antecipação do efeito da perturbação na alimentação é 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.

27 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor EC: Então, vamos começar com um sistema feedback simples. Vamos instalar um controlador de temperatura que usa medidas da temperatura de saída da fornalha T para ajustar a vazão Qp. Vamos usar um controlador PID com esses valores de parâmetros para começar. Sinta-se livre para reajustar o controlador se necessário. Vamos discutir os resultados assim que você estiver pronto.

28 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor

29 Fase 3 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor EP: 0 desempenho do sistema feedback, ainda que melhor que o do controle manual, ainda não é aceitável; muita alimentação a baixa temperatura é mandada para o fracionador durante as primeiras horas que se seguem a cada aumento de F. EC: 0 que é preciso e um meio 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 com o feedback apenas se você achar necessário.

30 Fase 4 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor EP: Com a estratégia feedforward sozinha, houve a vantagem de rapidamente compensar o efeito da perturbação, pelo menos inicialmente. 0 principal problema era a não disponibilidade da 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.

31 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor

32 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor EP: Nós ainda temos um problema 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 no conteúdo energético do combustível contribuem para essas flutuações, mas nos não temos uma maneira fácil de monitorar quantitativamente essas variações de conteúdo energético. Neste ponto, no entanto, elas não parecem ser tão significativas como as variações na pressão de fornecimento.

33 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor EC: Vamos focalizar no problema causado pelas variações na pressão de fornecimento de combustível. É fácil de ver porque isto deve ser um problema. 0 controlador pode apenas ajustar a válvula na linha de combustível; e embora nos esperemos que posições específicas da válvula devam corresponder a vazões de combustível específicas, isso só será assim se 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.

34 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor EC: Nós devemos instalar uma malha adicional para assegurar que o controlador de temperatura obtém a mudança de vazão verdadeira que ele solicita; uma simples mudança na posição da válvula não vai assegurar isso. Nós devemos instalar um controlador de vazão entre o controlador de temperatura e 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 em cascata devera funcionar bem..

35 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor

36 Principais passos no desenvolvimento de um sistema de controle

37 Terminologia Dinâmica: comportamento dependente do tempo de um processo. Estabilidade: um processo estável no sentido BIBO ( bounded input; bounded outpo ou entrada limitada; saída limitada ) é aquele que, para uma entrada limitada (por exemplo: um degrau), exibe uma saída limitada. Ao contrário, a saída de um processo INSTÁVEL, para uma variação limitada na sua entrada, torna-se cada vez maior, à medida que o tempo aumenta.

38 Terminologia Variáveis manipuladas: aquelas que se pode mudar de modo a controlar a planta. Variáveis controladas: aquelas que se tenta manter tão constante quanto possível ou fazer seguir uma trajetória no tempo. Set-point: valor desejado da variável controlada.

39 Terminologia Variáveis não controladas: variáveis do processo que não são controladas. Variáveis de perturbação ou distúrbios (ou cargas): entradas do processo que não podem ser manipuladas. São definidas por outras partes da planta. O sistema de controle deve ser capaz de manter a planta sob controle apesar dos efeitos destas perturbações.

40 Terminologia Controle regulador: situação em que se tenta compensar o efeito das perturbações na variável controlada, com setpoint mantido constante. Controle servo: o set-point é modificado em função do tempo e a variável controlada deve seguir o set-point.

41 (days-months ) 5. Planning and Scheduling (hours-days ) (minutes-hours ) (seconds-minutes ) (< 1 second ) 4. Real-Time Optimization 3b. Multivariable and Constraint Control 3a. Regulatory Control 2. Safety, Environment and Equipment Protection Hierarquia das Atividades de Controle de Processos (< 1 second ) 1. Measurement and Actuation Process

42 Projeto de Sistemas de Controle para Processos mais complicados 1. Abordagem tradicional: estratégia e hardware selecionados com base no conhecimento do processo, experiência e insight. Depois que o sistema de controle é instalado na planta, procede-se à sua sintonia.

43 Projeto de Sistemas de Controle para Processos mais complicados 2. Abordagem baseada em modelo: modelo dinâmico do processo é desenvolvido para: (i) projetar o controlador; (ii) incorporar diretamente na lei de controle; (iii) usar em simulação de controle.

44 Projeto de Sistemas de Controle para Processos mais complicados Implementação no MATLAB/SIMULINK

45 Exemplo: controle de um forno pré- aquecedor Admitindo que se pretende controlar a temperatura de saída do tanque, discuta as estratégias de controle possíveis.

46 Controle Feedback

47 Controle Feedback y ~ SP K m

48 Resposta em Malha Fechada Processo: y(s) = Gp(s) m(s) + Gd(s) d(s) (1) Dispositivo de medida: y m (s) = Gm(s) y(s) (2) Mecanismo de controle: E(s) = K m y SP (s) - y m (s) (3) c(s) = G I/P Gc E(s) (4) Elemento final de controle: m(s) = Gf(s) c(s) (5)

49 Resposta em Malha Fechada y( s) = GpGfGcG 1+ GpGcG I I / P / PKm Gd ysp ( s) + d( s) GfGm 1+ GpGcG GfGm I / P Gsp = GpGfGI / P GcKm ysp ( s) + GpGcG GfGm 1 I / P Problema servo Gc arg a Gd = d( s) Problema 1+ GpGcGI / PGfGm regulador

50 Controle Feedback Ementa Introdução ao controle de processos e à instrumentação industrial. Sistemas de controle de realimentação. Representação em diagrama de blocos. Instrumentação industrial em malhas de controle. Sensores e transmissores de sinais. Elementos finais de atuação. Controladores PIDs. Estabilidade de malhas de controle. Métodos de ajuste de controladores. Métodos de síntese direta. Sistemas de controle feed-forward. Sistemas em cascata. Aplicações em processos controlados. Controle multivariável.

51 Controle Feedback Referências Bibliográficas 1. Introdução a Modelagem e Dinâmica para Controle de Processos. Maurício B. de Souza Jr., Publit, Process Dynamics, Modeling and Control. Ogunnaike e Ray. Oxford University Press, Process Dynamics and Control. Dale E. Seborg, Thomas F. Edgar, Duncan A. Mellichamp and F. Doyle. Wiley Series in Chemical Engineering, 3ed., Chemical Process Control, An Introduction to Theory and Practice. George Stephanopoulos. Prentice-Hall, 1984.

52 Controle Feedback Referências Bibliográficas 5. Process System Analyis and Control. Coughanowr. 2nd Ed. McGraw-Hill International Editions, Processs Modeling, Simulation and Control for Chemical Engineers. W. L. Luyben. 2nd Ed. McGraw-Hill, Dinâmica, Controle e Instrumentação de Processos. Belkis Valdman, Rossana Folly e Andréa Salgado, Editora UFRJ, Problemas de Controle. Maurício B. de Souza Jr. Imprensa Universitária da UFRRJ, Process Dynamics. Modeling, Analysis, and Simulation. B. W. Bequette. Prentice-Hall, 1998.

53 Controle Feedback Referências Bibliográficas 10. Process Control: Modeling, Design, and Simulation, B. W. Bequette, Prentice-Hall, Controles Típicos de Equipamentos e Processos Industriais, Mário Campos e Herbert Teixeira, Edgard Blücher, Princípios e Prática do Controle Automático de Processo. Carlos A. Smith and Armando B. Corripio, 3a Edição, LTC, Process Control: Designing Processes and Control Systems for Dynamic Performance, Thomas E Marlin, 2nd Ed, McGrawHill, Engenharia de Controle Moderno, K. Ogata, 4a Ed., Prentice Hall, 2007.

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