UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA DESENVOLVIMENTO E APLICAÇÃO DE TÉCNICAS DE MONITORAMENTO E CONTROLE AUTOMÁTICO EM UMA PLANTA PILOTO CURITIBA, AGOSTO DE 2005.

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA DESENVOLVIMENTO E APLICAÇÃO DE TÉCNICAS DE MONITORAMENTO E CONTROLE AUTOMÁTICO EM UMA PLANTA PILOTO Número do BANPESQ/THALES: Orientador: Prof. Dr. Luiz Augusto da Cruz Meleiro DEQ/UFPR Bolsista: Eliza Frias Diamante Curso de Engenharia Química

3 DESENVOLVIMENTO E APLICAÇÃO DE TÉCNICAS DE MONITORAMENTO E CONTROLE AUTOMÁTICO EM UMA PLANTA PILOTO O presente relatório apresenta os resultados finais do projeto de desenvolvimento de um sistema de supervisão e controle automático para uma planta piloto. A planta é composta por três tanques, duas bombas centrífugas e três válvulas e possui como equipamentos dois posicionadores de válvulas, um transmissor de temperatura e dois transmissores de pressão. A planta pode ser controlada através de um controlador industrial ou de um microcomputador equipado com uma placa de aquisição interligada à planta. O sistema de controle via microcomputador deve ser desenvolvido para que a planta tenha maior qualidade didática e esse desenvolvimento pode ser feito, em uma primeira etapa, através de simulações para testar vários algoritmos e estratégias de controle. 1. Objetivos O objetivo da pesquisa é desenvolver um sistema de supervisão e controle automático para uma planta piloto (constituída de tanques, transmissores de temperatura e pressão, válvulas de controle com posicionadores e bombas centrífugas) de modo que esse controle possa ser feito por um controlador industrial ou utilizando técnicas de controle digital desenvolvidas pelo grupo de pesquisa e implementadas através de um microcomputador local ou remoto. Pretende-se que essa planta, contando com esse sistema de controle, sirva como material de apoio para as disciplinas de Instrumentação e de Controle, partes do currículo do curso de graduação em Engenharia Química, possibilitando a realização de aulas práticas dessas disciplinas. 2. Introdução Existe no Laboratório de Engenharia Química (Labenge) da Universidade Federal do Paraná (UFPR), no Centro Politécnico, uma planta piloto pertencente ao Departamento de Engenharia Química (DEQ/UFPR) que é constituída por três tanques (T1, T2 e T3), duas bombas centrífugas (B1 e B2), duas válvulas globo (V1 e V2), uma válvula solenóide (S) e um conjunto de duas resistências térmicas (R), como pode ser observado no esquema abaixo:

4 Figura 1 Esquema da planta piloto. A planta foi construída em 1980 e o controle era totalmente pneumático. O objetivo inicial era trabalhar como um projeto piloto de uma planta de uma indústria bioquímica, com o segundo tanque (T2) funcionado como biorreator, Por esse motivo, esse tanque é pressurizado, sendo o único tanque fechado da planta. Essa planta deixou de ser utilizada para sua finalidade inicial e seu objetivo passou a ser, então, adaptá-la para servir de material para aulas práticas de Instrumentação e de Controle. A Planta passou a operar com água, cujo sentido do escoamento pode ser observado na Figura 1 e o segundo tanque deixou de ter o seu objetivo inicial, servindo somente como passagem no caminho para as resistências térmicas. Atualmente a planta conta com um sistema de controle e supervisão automático, instalado por Antonio Eduardo Matsuno Ramos e Leonardo Henrique Rubira, alunos do Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná (CEFET-PR), nos anos de 2000 e A planta conta com transmissores de temperatura e pressão, posicionadores de válvulas (as válvulas globo são pneumáticas), um controlador digital industrial e um computador interligado à planta, com uma placa de aquisição de dados. O modelo matemático da planta foi desenvolvido pelo professor Luiz Fernando de Lima Luz Júnior do DEQ/UFPR. O modelo pode ser utilizado para simular diversas situações de operação diferentes e investigar como a planta reagiria a essas mudanças, além de permitir análises de vários algoritmos de controle automático de processos. Depois de anos sem ser utilizada, a planta agora deve ser colocada novamente em funcionamento e sua estrutura controle melhorada e ampliada. Embora o controlador digital funcione corretamente, a sua reprogramação é bastante complexa, exigindo que o aparelho seja revisado e reprogramado. Essa característica é uma inconveniência para fins didáticos imediatos,

5 por isso a estratégia de controle via computador foi adotada nesta etapa do projeto. Realzou-se simulações computacionais do funcionamento da planta para testar alguns algoritmos e estratégias de controle antes de implementá-los na planta. 3. Materiais e Métodos A planta possui dois tanques com capacidade de aproximadamente 135 litros e o nível máximo considerado é de aproximadamente 70 centímetros. As bombas são de 1 HP. A válvula solenóide opera somente nas formas totalmente aberta ou totalmente fechada, ficando normalmente aberta e fechando quando se aplica uma tensão de 127V no solenóide. As válvulas globo operam com abertura entre 0% e 100% e são pneumáticas. Cada uma das resistências tem potência de 8000W. A água passa por essas resistências após o completo enchimento do segundo tanque. O controle é feito através de seis instrumentos ligados ao controlador industrial CD600 da Smar e também à placa de aquisição do computador, modelo A812PG da ICP DAS. O controlador é do tipo digital multiloop e controla a posição das três válvulas, o funcionamento das bombas e dos resistores, de modo a manter o nível do terceiro tanque em 50% e a temperatura de 25ºC. A placa de aquisição foi instalada de modo a utilizar o controlador industrial como saída e possui uma biblioteca que pode ser utilizada no programa C++ Builder 3.0 ou superior. Existem dois posicionadores de válvulas modelo FY301 da Smar, que podem comandar válvulas pneumáticas através do uso de ar comprimido, sendo um em cada válvula pneumática. No caso de válvulas globo, utiliza-se ação dupla, ou seja, o equipamento utiliza-se de ar comprimido tanto para abrir quanto para fechar a válvula. O sensor de posição atua por efeito Hall, o que evita contato físico com a válvula, e o equipamento possui manômetros e um painel digital. Os posicionadores recebem sinal de 4 ma a 20 ma, sendo que as válvulas estão totalmente fechadas quando enviado o sinal de 4 ma e totalmente abertas quando o sinal é de 20 ma. Eles devem ser alimentados com as comprimido com pressão mínima de 20 psi e máxima de 100 psi. Há um transmissor de temperatura que mede a temperatura da água quente no terceiro tanque, localizado a 40% do nível máximo. A localização desse transmissor implica que o controle da temperatura do tanque T3 só pode ser feito se o seu nível estiver acima de 40%. O transmissor é do modelo TT301 da Smar, que nesse caso trabalha ligado a um transmissor termodinâmico (RTD) e por isso foi calibrado para consumir a corrente de 4 ma quando a temperatura da água for 0ºC e 20 ma quando a temperatura for de 100ºC. A alimentação desse transmissor é feita com tensões entre 12V e 30V. Há também um transmissor de temperatura logo após as resistências, para permitir dados sobre a temperatura da água quente que chega ao terceiro tanque. Esse

6 terceiro tanque possui um refluxo, que ocorre quando a bomba B2 está ligada e a válvula V1 fechada. Isso permite que a temperatura no tanque seja mantida homogênea. A planta também conta com um transmissor de pressão modelo LD301 da Smar: Esse transmissor mede o nível de água no terceiro tanque, consumindo 4 ma quando o nível é mínimo e 20 ma quando o nível é máximo. Para controlar o nível do tanque T1 existe uma bóia, de modo que ela corta o suprimento de água quando o tanque atinge o nível máximo. 4. Resultados A planta esteve fora de operação por um longo período de tempo e, por esse motivo, ainda está sendo reformada. O funcionamento do controlador industrial foi testado, bem como o dos transmissores e posicionadores. Verificou-se também a existência de vazamentos e o funcionamento das resistências. Os vazamentos de água foram consertados, a fonte de ar comprimido foi religada. Há muitos dutos de ar comprimido, cujo local de destino na planta precisou ser novamente identificado para que somente aqueles que fossem necessários permanecessem abertos, o que tomou um tempo considerável. Alguns dutos, que alimentavam ramais sem função, foram utilizados para substituir aqueles que alimentavam as válvulas globo, que estavam furados. Uma vez que passou a haver consumo efetivo de ar comprimido pelas válvulas, não é mais necessário o controle manual da pressão do ar comprimido na fonte. As resistências térmicas, antes inoperantes, também foram reparadas e agora funcionam adequadamente. Através do modelo matemático, foi possível elaborar um programa para simular o comportamento das variáveis de interesse para o controle, prevendo seus valores quando o controlador é usado e quando não é usado, dados os valores iniciais, os set points e arbitrando-se valores às variáveis que não fazem parte da malha de controle. As variáveis de interesse são: Temperatura e Nível do Tanque 3. A seguir, pode-se observar o comportamento da planta para uma simulação em malha fechada (a planta em malha aberta é instável para as perturbações impostas). Os valores nominais de operação das variáveis são: 0,26 L/min para a vazão de saída do tanque T1; 0,23 L/min para a Vazão de saída do tanque T2; 0,16 L/min para a vazão de água fria ( by pass das resistências); 83ºC para a temperatura da água quente; 50ºC para a temperatura inicial do tanque T3; 0,5 m para o nível do tanque T3 (50%). O set point foi definido como sendo 55ºC para T2 e 0,5 m para o nível do tanque T3. Os resultados da utilização do simulador para a simulação em malha aberta podem ser visualizados nas figuras a seguir:

7 Figura 1 Vazões em função do tempo para malha aberta Figura 2 Temperaturas em função do tempo para malha aberta

8 Figura 3 Nível do tanque T3 em função do tempo para malha aberta. Nota-se que o tanque transborda sem a ação dos controladores. Para a simulação da planta em malha de controle fechada, testou-se o desempenho dos controladores em problemas servo, ou seja, operação em diversos níveis de set-points para a temperatura e para o nível do líquido do tanque 3. Os resultados obtidos são exibidos a seguir:

9 64 Temperatura do Tanque 3 ( C) 62 T 3 Set-Point T ( C) Tempo (min) Figura 4 Temperatura do tanque T3 em função do tempo para malha fechada. 0.7 Nível do Tanque 3 ( C) 0.65 Nível Set-Point Nível (m) Tempo (min) Figura 5 Nível do tanque T3 em função do tempo para malha fechada.

10 Variáveis Manipuladas Q1 Qf Q Vazões (L/min) Tempo (min) Figura 6 Ações de controle para as variáveis manipuladas. 6. Discussão Observando-se o comportamento dinâmico da planta com e sem o uso do sistema de controle automático, pode-se perceber que, tal como esperado, as variáveis foram estabilizadas em seus set-points somente com o uso do controle. O nível do tanque T3 é a variável que mais demorou para estabilizar e também a que mostra o maior número de picos antes de atingir os valores estabelecidos. Isso se deve ao fato de que seu controle é feito ligando e desligando a bomba B2, assim, para que ele se mantenha constante, as vazões de entrada e a temperatura dentro do tanque devem estar estabilizadas, de modo que o controlador posicione a válvula V1 em uma abertura tal que a vazão de saída do tanque é a mesma de entrada, estando a bomba ligada constantemente.

11 7. Conclusões A partir dos resultados obtidos, percebe-se a importância do controle automático na manutenção de condições de operação estáveis em uma planta. O programa de simulação permite o estudo de várias situações de operação da planta e, com isso, pode auxiliar na implementação e na sintonia dos controladores na planta real. A análise de diferentes estratégias de controle, assim como, de diferentes tipos de controladores, também pode ser feita com o auxílio do simulador. A etapa seguinte deste projeto prevê a operação da planta piloto, a validação do simulador e a implementação de estratégias de controle avançado através do sistema supervisório da planta. Isso será bastante útil para as aulas práticas de instrumentação e controle como também para o desenvolvimento de outros trabalhos científicos. 8. Referências RAMOS, A. E. M.; RUBIRA, L. H. Sistema de controle e supervisão. Curitiba, f. Trabalho de graduação (Disciplinas de Projeto Final 1 e 2) Departamento Acadêmico de Eletrônica e Telecomunicações, Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná. SOLSSON, H. Instrumentação industrial: sistemas e técnicas de medição e controle operacional. [S.l.] Editora Hemus. INSTRUMENT SOCIETY OF AMERICA - S75.01 Flow Equations for Sizing Control Valves. Research Triangle Park, North Carolina, DUTRA, C. C. Curso de formação de operadores: Equipamentos industriais módulo 3: instrumentação. [S.l.] Petrobrás, 1986.