OTIMIZAÇÃO DE PROCESSOS APLICADA NA INDÚSTRIA

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1 OTIMIZAÇÃO DE PROCESSOS APLICADA NA INDÚSTRIA Joaquim Ferreira Guimarães Neto Consultor em Otimização e Controle de Processo (*) (Publicado na revista Intech América do Sul, número 135, Setembro/2011) Nos últimos anos tem crescido dentro das indústrias de grande porte o interesse por aplicações práticas de sistemas de Otimização em Tempo Real ( RTO - Real Time Optimization ). Estes sistemas há muito tempo são objetos de trabalhos acadêmicos dentro das Universidades e Centros de Pesquisas. Recentemente passaram a ser oferecidos como produtos comerciais para aplicação em plantas industriais. Tenho observado, na leitura de artigos técnicos e em conversas com profissionais da área, certa confusão entre o que seriam aplicações de RTO ou de Controle Avançado de Processo ( APC - Advanced Process Control ). Esta confusão pode ser em parte motivada pelo fato de algumas técnicas de APC, usadas inicialmente somente para melhorar o controle, terem ao longo do tempo incluído alguma forma de otimização. Conceitualmente, as técnicas de APC procuram reduzir a variabilidade, enquanto as de RTO tem a função de deslocar o processo para um ponto mais econômico segundo um objetivo determinado. Na figura 1 podemos ver o efeito das técnicas de APC e de RTO agindo na evolução de uma variável de processo ao longo do tempo. Em uma planta industrial o controle automático é usado para manter as variáveis importantes em torno de um valor desejado. Estas apresentam normalmente variabilidade causada por fatores como variações de capacidade de produção, variação na qualidade da matéria-prima, variação de condições ambientais, variações de campanhas e especificações dos produtos, operação em condições afastadas das de projeto ou erros de projeto em equipamentos de processo. Considere um processo no qual o aumento da produção levaria a um aumento na rentabilidade do processo. A figura 1 mostra um gráfico típico de variação ao longo do tempo para três situações de diferente desempenho no controle desta variável. Figura 1 Evolução de variável importante no tempo O APC permite reduzir a variabilidade e o RTO deslocar o valor desejado desta variável para um valor melhor do ponto de vista econômico. De forma geral, podemos Otimização de Processos Aplicada na Indústria Intech América do Sul Página 1 de 8

2 sempre relacionar este deslocamento com ganhos econômicos da planta como: Aumento na capacidade de produção; aumento no rendimento de produtos; redução de perdas; redução da sobre especificação; redução no consumo de energia; redução no consumo de produtos químicos; redução do custo operacional; melhor qualidade dos produtos; melhor qualidade dos efluentes líquidos e gasosos (podendo gerar crédito de carbono). Quando falamos em um sistema de otimização devemos sempre considerar a abrangência da aplicação. As aplicações de RTO são normalmente associadas a grandes sistemas como uma planta de processo, o conjunto de várias plantas ou mesmo toda uma empresa. Para possibilitar esta maior abrangência, são usados modelos rigorosos do processo, normalmente não lineares, e métodos de otimização mais sofisticados. A otimização é calculada em regime estacionário, escolhendo-se um intervalo de tempo apropriado. Devem ser reconhecidas e evitadas situações de regime transiente. As variáveis importantes devem ter baixa variabilidade assegurada por um sistema de controle avançado (APC). As informações de processo devem ser confiáveis e consistentes com os balanços de massa e energia do sistema. Com estas características, um sistema de RTO deve incluir diversas funções como: Verificação do estado estacionário; Validação dos dados por meio de técnica de Reconciliação; Ajuste dos parâmetros do modelo; Cálculo da Otimização. Para atender estes requisitos as aplicações de RTO exigem formação de equipes multidisciplinar, demandam investimentos e tempos de execução relativamente altos. Como consequência, verificamos que na prática somente algumas empresas de grande porte têm realizado projetos deste tipo. A realidade observada no Brasil é que a maioria das indústrias pequenas e médias ainda não fez nem mesmo aplicações de APC, por razões já discutidas anteriormente pelo autor em [2] e [3]. Verificamos que os investimentos em controle têm pouca prioridade, abaixo dos dedicados a continuidade operacional, segurança e meio-ambiente. Acreditamos que o principal motivo para esta situação continua sendo o pouco conhecimento sobre o assunto por parte dos envolvidos. As técnicas de APC e RTO continuam vistas como um assunto complicado, somente discutido por especialistas, de investimento alto e benefício incerto. Por outro lado, são comprovados e indiscutíveis os ganhos proporcionados por aplicações de otimização. Como resolver este impasse? Como uma empresa com menor capacidade de investimento e recursos poderia começar a lucrar com otimização em tempo real? Nossa proposta é fazer a implementação de RTO por partes. Começar com projetos de menor abrangência que permitiriam o uso de técnicas mais simples adequadas para uma otimização localizada. Existem atualmente tecnologias que oferecem RTO e APC de forma integrada. Temos observado o uso de Sistemas Especialista com lógica Fuzzy em projetos de RTO+APC particularmente no segmento de Cimento e Mineração. Otimização de Processos Aplicada na Indústria Intech América do Sul Página 2 de 8

3 De forma geral a tecnologia de RTO+APC mais usada em aplicações industriais é sem dúvida a do Controle Preditivo com Modelo (MPC Model Predictive Control ). O MPC oferece a possibilidade de otimização de forma simples, usando modelos de processo e métodos de otimização integrados ao controle. Esta integração usando o mesmo modelo dispensa a necessidade de identificação de estado estacionário e reconciliação de dados. Pode ser aplicado em casos de otimização localizada, nos quais o processo possa ser aproximado por um modelo mais simples. CONTROLE PREDITIVO COM OTIMIZAÇÃO A tecnologia de controle do tipo MPC existe desde o final dos anos 70, e é atualmente a mais utilizada em aplicações industriais (mais de no mundo). Foi desenvolvida inicialmente somente para controle de processo, ou seja, para obter redução de variabilidade. Ao longo do tempo foi dotada de capacidade de otimização por meio de uma função econômica. Controladores baseados na tecnologia MPC são geralmente implementados como uma camada de controle superior ao controle regulatório, como um controle em cascata fornecendo referência ( set-points ) para o nível inferior. São divididos em três módulos com funções distintas: Predição, Otimização e Controle. Operação Engenharia MPC Limites das variáveis Custos Constantes de sintonia controladas e manipuladas Predições dinâmicas Predição Otimização Controle Predições Objetivos estáticas Valores atuais das variáveis Set-point das Manipuladas Sistema de Controle Regulatório (PID) Planta de Processo Figura 2 Estrutura do Controle Preditivo com Otimização O algoritmo MPC tem característica preditiva. Utiliza um modelo interno do processo para prever o comportamento das variáveis dependentes (controladas ou restrições) ao longo de um horizonte futuro de tempo, em função de variações nas variáveis manipuladas ou perturbações. Este modelo é obtido diretamente por variações na planta em um procedimento conhecido como identificação do processo. O módulo de predição do MPC lê os valores atuais das variáveis e por meio do modelo interno do processo calcula as predições futuras das variáveis dependentes até a estabilização do processo (figura 3). O MPC é dotado de capacidade de otimização local incluindo-se uma função de otimização. Esta função calcula um conjunto de objetivos que maximizem uma funçãoobjetivo de lucros ou custos. A otimização é feita usando-se o mesmo modelo interno do processo e respeitando limites para todas as variáveis. Otimização de Processos Aplicada na Indústria Intech América do Sul Página 3 de 8

4 O módulo de otimização recebe as predições para as variáveis dependentes no estado estacionário, os limites permitidos para todas as variáveis e as informações econômicas. Baseado nestas calcula os valores desejados para as variáveis de forma a otimizar o processo dentro dos limites estabelecidos pela operação. O módulo de controle recebe os valores desejados para o estado estacionário (objetivos) e calcula os movimentos de controle que deverão ser implementados nas manipuladas ( set-points do controle regulatório) para que o processo alcance os objetivos de maneira estável e adequada (suavemente). Utilizando as predições futuras das variáveis dependentes, o algoritmo calcula os movimentos necessários nas variáveis manipuladas que minimizem a soma dos erros futuros. Estes erros são equivalentes às diferenças entre os valores previstos para estas variáveis e a trajetória desejada para elas (figura 3). Valor previsto Modo Manual CV Objetivo (set-point) Valor previsto Modo Automático MV Passado Presente Futuro Figura 3 Ações do Controle Preditivo A tecnologia MPC é adequada para controle em casos de processos com características de dinâmica difíceis (tempo morto, interagentes, não linear), sistemas multi variável, compensação antecipatória de perturbações medidas ( feed-forward ), controle por restrição ( override ). Apresenta relativa capacidade de adaptação a variações do processo no tempo. Com o uso desta tecnologia o operador da planta passa a estabelecer apenas os limites permitidos para as variáveis, podendo ainda ligar e desligar individualmente cada uma. O software de controle estabelece os objetivos ótimos economicamente, leva a planta suavemente para aquela situação e mantém com reduzida variabilidade. O desenvolvimento de uma aplicação de controle MPC deve seguir algumas etapas como: análise do processo; definição da estrutura de controle; revisão do controle regulatório; testes e identificação do processo; geração, análise e validação dos modelos; projeto e geração do controlador; sintonia e testes em simulação; comissionamento e pré-operação; acompanhamento e manutenção. Atualmente uso da tecnologia MPC está consagrado por inúmeras aplicações bem sucedidas em diversos segmentos industriais [3], [4], [5]. Como ilustração apresentamos resumos de algumas aplicações de MPC em otimização localizada bastante simples, das quais participamos no Brasil. Otimização de Processos Aplicada na Indústria Intech América do Sul Página 4 de 8

5 APLICAÇÕES SIMPLES DE OTIMIZAÇÃO USANDO MPC Em dezembro de 2002 uma empresa do segmento de Fertilizantes desenvolveu projeto para otimizar uma seção com evaporadores a vácuo que operam em série. O sistema de controle deveria manter as temperaturas dos evaporadores dentro de limites estabelecidos para assegurar a qualidade do produto, e o objetivo era maximizar a produção. O esquema da aplicação de MPC pode ser visto na figura abaixo. Figura 4 Esquema do MPC em Evaporador O projeto apresentou resultados altamente satisfatórios. Observou-se claramente uma maior estabilidade operacional da seção e um aumento de produção de toneladas/ano. Em janeiro de 2004, uma indústria química aplicou a tecnologia MPC em um sistema de recuperação de ácido clorídrico com o objetivo de aumentar a concentração do produto recuperado e possibilitar sua comercialização. Desejavase também reduzir o residual de HCl no gás efluente para reduzir as taxas de corrosão em equipamentos posteriores. Figura 5 Resultados do MPC na recuperação de HCl Otimização de Processos Aplicada na Indústria Intech América do Sul Página 5 de 8

6 Como verificamos acima, obteve-se um aumento na concentração de ácido no produto de aproximadamente 3%, possibilitando uma economia de 400 mil dólares por ano. Também se conseguiu uma redução no residual do efluente eliminando-se as manutenções no equipamento. Em abril de 2008, empresa do setor químico desenvolveu um projeto de otimização de um evaporador a vácuo. Este evaporador é um equipamento crítico que limita a capacidade da planta. O operador ajustava a capacidade do evaporador pela vazão de vapor. Para equilibrar sua capacidade com a produção do reator existe uma injeção de água no vaso de acúmulo que aumenta o consumo de vapor no evaporador reduzindo sua capacidade. O desafio era reduzir o consumo de vapor e aumentar a capacidade de produção. Figura 6 Esquema e resultados do MPC Evaporador a vácuo O consumo específico de vapor (gráfico) apresentou sensível redução, de 4% a 8% em relação ao consumo anterior. Esta redução foi aproveitada para se obter um aumento equivalente na capacidade da planta. Em dezembro de 2009, empresa do setor de Mineração aplicou MPC em um projeto de otimização do controle e aumento da capacidade de um moinho secador de carvão. Um fluxo de gás quente atravessa o moinho no sentido ascendente e é responsável pela secagem e transporte do carvão. É fundamental para a boa operação que se controle o fluxo e a temperatura dos gases, o que é feito manipulado a alimentação e as válvulas de gás quente e de retorno. O esquema de controle com o MPC pode ser visto abaixo. Otimização de Processos Aplicada na Indústria Intech América do Sul Página 6 de 8

7 Figura 7 Esquema do MPC em Moinho de Carvão A comparação entre o controle MPC e o controle convencional, utilizando dados adquiridos durante o período de um mês, mostra que os ganhos foram consideráveis. A taxa de alimentação média do moinho aumentou de 23,25 para 24,97 toneladas por hora (+7,4%). A variabilidade do controle da temperatura na saída foi reduzida em 59,6% e a da pressão de entrada em 79,5%. CONCLUSÕES Atualmente as aplicações de RTO+APC localizadas usando técnicas de MPC são simples de realizar e oferecem grandes benefícios para as plantas de processo. Os projetos deste tipo podem ser executados com investimentos relativamente baixos e pequenos prazos de execução, estando ao alcance da realidade das pequenas e médias empresas industriais. Os modernos sistemas digitais oferecem recursos que facilitam e reduzem os custos de implementação de um MPC. Não faz sentido modernizar os sistemas de controle sem obter os benefícios relativos com a otimização da planta. Considerar a planta de uma forma global, fazer uma boa análise do processo e das estratégias de controle, determinar seus objetivos de otimização e as variáveis críticas é um passo preliminar de fundamental importância para o sucesso de um projeto. A utilização das soluções simples, com a tecnologia adequada ao desempenho desejado para o processo é a melhor forma de desenvolver um projeto de otimização. O uso de tecnologias conhecidas e a experiência prévia em sua aplicação reduzem o risco de uma implementação de RTO mal sucedida. REFERÊNCIAS [1] Guimarães J.F., Controle Avançado: Aplicações bem sucedidas são possíveis sim!, Intech Brasil, Abril/2002. [2] Guimarães J.F., Usar Controle Avançado é Fácil... e Lucrativo!, Intech Brasil, Outubro/2006. Otimização de Processos Aplicada na Indústria Intech América do Sul Página 7 de 8

8 [3] Guimarães J.F., Aplicação de controle multivariável preditivo com otimização em unidade de grande porte, Congresso Internacional de Automação Sistemas e Instrumentação (ISA), São Paulo, Outubro/2001. [4] Rocha L.F., Barcelos Dal col C., Queiroz G., Guimarães J.F., Controle Preditivo na Otimização de Moinho Secador de Carvão na Indústria de Mineração, Congresso Internacional Brasil Automation, São Paulo, Novembro/2010. [5] Briguente F.P., Santos M.V., Ambrozin A.P., Neural Network and Model- Predicitive Control for Continuous Neutralization Reactor Operation, Congresso Internacional de Automação Sistemas e Instrumentação (ISA), São Paulo, Novembro/2006. As referências citadas e outras informações sobre RTO e APC podem ser obtidas em. O AUTOR Joaquim Ferreira Guimarães Neto - [email protected] Consultor da FG Controle & Otimização - Engenheiro Químico pela UFRJ/1975. Especialização em Processamento de Petróleo, Pós-graduação em Informática Industrial. Especialização em Simulação, Otimização e Controle de Processos. Atuou na Petrobrás por 25 anos nas áreas de Operação, Projetos, Otimização e Controle de Processos. Consultor em Otimização e Controle Avançado para empresas como a Cybosoft e Emerson Process Management. Instrutor e conferencista da ISA. Colaborador da Intech Brasil. Professor na Pós- Graduação em Automação Industrial da Uniube. Grande experiência no desenvolvimento e implementação de sistemas de Otimização e Controle do tipo Preditivo, Analisadores Virtuais, Redes Neuronais e Lógica Fuzzy em diversos segmentos de Indústrias de Processo. Otimização de Processos Aplicada na Indústria Intech América do Sul Página 8 de 8