Implementação de Controle de Temperatura e Pressão para um Piloto de Regeneradores de Alto-Forno Munaro, C.J., Souza, T.A., Paes, A.A., Mattedi, A. Departamento de Engenharia Elétrica - Universidade Federal do Espírito Santo UFES. Av. Fernando Ferrari, 514 Prédio CT-II Campus Goiabeiras Vitória ES Brasil CEP 29075-910 munaro@ele.ufes.br, tasdsouza@hotmail.com, engalexpaes@hotmail.com, alessandro@ele.ufes.br Abstract This paper presents a control strategy for a pilot of regenerator of blast furnace using an industrial control system. The temperature and pressure of heated air in the pilot output are controlled by changes on the speeds of the blowers of hot and cold air. The temperature control is based on variations of the ratio of these speeds, while the pressure control is carry out by the signal which is multiplied by the signal of these speeds. The controllers are tuned and the real system tests demonstrate that the proposed control system is able to follow the references and allow the exchange of regenerators in a smooth way. Key words: process control, regenerator, blast furnace I. INTRODUÇÃO A pesquisa de sistemas de controle de temperatura e pressão envolvendo regeneradores no aquecimento de autofornos é um tema de grande relevância na área de controle de processos na academia e na indústria [1-4, 6], devido à importância de tais processos na indústria siderúrgica e pelos próprios desafios existentes de controle envolvendo tais sistemas. Os regeneradores são trocadores de calor cilíndricos construídos com material refratário e a operação deles ocorre por revezamento entre os estados de aquecimento e de arrefecimento [1, 3], em que, por meio de sopradores, é possível realizar o aquecimento de ar, que pode ser usado em alto-fornos. Normalmente, as principais malhas de controle existentes são de temperatura e de vazão do ar aquecido enviado para o alto-forno. O propósito do sistema de controle é assegurar que os valores dessas variáveis estejam próximos de seus respectivos set-points, isso considerando as variações dinâmicas do processo térmico, bem como a troca entre os regeneradores. Neste artigo, são realizados os controles da temperatura e da pressão do ar aquecido na saída do piloto. Apesar de, normalmente, se realizar o controle de vazão nesses processos, foi utilizado o controle da pressão devido à simplicidade na incorporação do sensor e transmissor de pressão e à relação direta entre as medições de pressão e vazão, o que, de certa forma, não deixa de retratar a situação real desses processos. Os controles são realizados por meio dos ajustes do soprador de ar quente e do soprador de ar frio. O sistema deve ser capaz de realizar os controles servo e regulatório das variáveis controladas, independente das variações dinâmicas do processo e perturbações (abertura de válvula manual na saída do duto de ar quente, temperatura ambiente, por exemplo) e considerar a troca entre os regeneradores. Os regeneradores operam em ciclos de aquecimento e arrefecimento, havendo um revezamento entre os mesmos. Quando ocorre a perda de calor de um regenerador que está no sopro (em arrefecimento), o mesmo deve ser substituído pelo regenerador em aquecimento. No entanto, quando é realizada a troca, o novo regenerador que entra em operação, com maior energia armazenada, tende a perturbar a temperatura do ar aquecido na saída. Além disso, o controle da pressão também deve ser assegurado por requisitos do processo, como por exemplo, a carga de altofornos. Assim este artigo apresenta na seção II a descrição do piloto utilizado para testes experimentais; na seção III, a metodologia das estratégias de controle empregada é explicada; na seção IV, resultados experimentais de controle são mostrados para quatro testes. Por fim, na seção V, são apresentadas as conclusões do trabalho. II. PILOTO DE REGENERADORES O piloto de dois regeneradores utilizado neste trabalho é descrito em [2] e proporciona uma plataforma de testes experimentais de estratégias de controle em tais processos. Esse piloto é semelhante ao sistema de aquecimento de altofornos utilizados na indústria. O piloto é formado por três sopradores, dois regeneradores, e um duto de saída do ar aquecido, conforme mostrado na figura 1:
Figura 1. Piloto de Regeneradores de Alto-Forno. O aquecimento dos regeneradores do piloto é realizado por meio de resistências elétricas controladas por termostato. Três turbinas acionadas por motor DC 12V foram utilizadas para soprar o ar quente de cada regenerador e para soprar ar frio. As medições de temperatura e pressão de ar aquecido no duto de saída são realizadas por meio de transmissores acessados por um controlador lógico programável (ABB). III. METODOLOGIA DO SISTEMA DE CONTROLE O sistema de controle de regeneradores é realizado por meio do acionamento de três sopradores. Os sopradores 1 e 2 são empregados para os regeneradores 1 e 2, respectivamente, produzindo ar quente, e sendo acionados pelo sinal u qp (t ) (Figura 2). O soprador 3 é empregado para soprar o ar frio no duto de saída, sendo acionado pelo sinal de controle u fp (t ). O sinal de controle do PI de temperatura gera u t (t) e assim são calculados os sinais u ( t) = 1.7 u ( t) (1) e q + t u ( t) = 4.0 u ( t), (2) f t sendo que u t (t ), normalmente, excursiona entre 0 e 2.3 V, para não saturar os atuadores nos limites inferior e superior (1.7 e 4.0, respectivamente). Assim, o controle da temperatura ocorre por meio da manipulação da razão entre as velocidades dos sopradores em operação (1 e 3, ou 2 e 3). Já para o controle da pressão, um controlador PI gera o sinal de controle u p (t), que é um fator de multiplicação dos sinais u q (t ) e u f (t). Ou seja, os sinais u qp (t ) e (t ) são calculados por uqp ( t) = uq( t) u p( t) (3) e u fp ( t) = u f ( t) u p( t) (4) Dessa forma, o controle da pressão é realizado por meio da quantidade de ar total soprado, e a sua interferência sobre o controle da temperatura é significativamente reduzida. A estratégia de controle na troca dos regeneradores ocorre por meio da utilização de funções lineares de declividades invertidas durante a troca para torná-la mais suave, ou seja, este cálculo assegura que o regenerador com pouca energia térmica seja gradualmente substituído pelo outro aquecido. O início do procedimento é realizado quando a tensão de alimentação do soprador de ar quente atinge cerca de 4.0 V, indicando que o regenerador em operação já não tem mais condições adequadas ao processo de aquecimento. u fp
Figura 2. Malhas do sistema de controle dos regeneradores. Os controladores foram implementados em um ambiente de controle industrial usando o CLP AF800F da ABB, por meio de um sistema híbrido composto pelo ControlBuilder e pelo DigVis. Os sopradores foram conectados aos cartões de saída analógica do CLP. As medições de temperatura e de pressão foram feitas utilizando-se sensores e transmissores conectados ao CLP via rede Profibus PA. Todas as configurações referentes ao sistema de controle foram feitas no ambiente ControlBuilder. A estratégia de controle da Figura 2 foi programada usando a linguagem Functional Block Diagram (FBD). IV. RESULTADOS EXPERIMENTAIS DE CONTROLE Para a sintonia dos controladores Proporcional-Integral (PI) via método IMC [maiores detalhes em 5], funções de transferência de primeira ordem mais atraso foram obtidas entre as saídas temperatura e pressão e as entradas sinais de tensão dos sopradores (do ar quente e do ar frio). Isso por meio de degraus aplicados em u t e em u p, separadamente, em certo ponto de operação do processo térmico, para obter as funções de transferência em condições razoavelmente próximas às de operação do piloto. Assim, os controladores PI (formato ISA [5]) foram parametrizados conforme mostrado na tabela 1. Tabela 1. Parâmetros dos controladores PI MALHA GANHO TEMPO INTEGRAL PROPORCIONAL Temperatura 0.30 30 Pressão 0.62 3.7 Nas figuras 3 a 6 são mostrados os resultados dos dois controladores PI para alguns experimentos: 1) controles servo da temperatura e da pressão; 2) controles regulatório de temperatura e pressão; 3) controles de temperatura e pressão durante a troca dos regeneradores. Na figura 3, são mostrados os resultados de controle da temperatura e da pressão, para mudanças de valores desejados apenas da temperatura. O sinal de temperatura é regulado em sua trajetória de set-point com erro máximo de 5.7% na parte transiente, bem como ocorre a regulação do sinal de pressão em seu set-point com erro máximo de 5.0%. Os sinais de entrada do piloto u qp (t ) e u fp (t ) são alterados conforme os controladores e são mantidos dentro do limite normalmente permitido (entre 1.7 e 4.0 V).
Figura 3. Testes de controle servo de temperatura e auto-regulação da pressão Figura 4. Testes de controle servo de pressão e auto-regulação da temperatura. Na figura 4, resultados semelhantes ao teste experimental anterior são mostrados para mudanças de set-point da variável controlada pressão. Ocorre também o controle da pressão conforme a trajetória de set-point com erro máximo de 1.7% (na parte transiente), com o controle da temperatura no set-point igual a 33 o C com erro máximo 1.1%. Os sinais de controle também são mantidos dentro da faixa permitida. Na figura 5, são mostrados resultados do sistema de controle para uma perturbação, que é inserida por meio do fechamento parcial de uma válvula manual na saída do duto de ar aquecido em dois instantes (60 e 90 segundos). O efeito desta perturbação é aumentar a pressão na saída, e o sistema de controle deve realizar a auto-regulação das variáveis controladas (efeito de rejeição ao distúrbio ou controle regulatório). Os desvios máximos são 1.1 e 2.3% dos setpoints da temperatura e da pressão, respectivamente. Os valores dos sinais de controle são calculados conforme os seus controladores. Neste caso, na segunda perturbação,
ocorre a saturação no limite inferior dos dois sopradores (abaixo de 1.7 V), ou seja, os dois sopradores param por 1.0 segundo, no intuito de reduzir a pressão controlada, que fora aumentada pelo fechamento parcial da válvula manual. Figura 5. Testes de controle de rejeição ao distúrbio Figura 6. Testes de controle no procedimento de troca dos regeneradores
Na figura 6, são mostrados resultados do sistema de controle submetido à troca dos regeneradores. Os erros máximos das variáveis temperatura e pressão são de 8% e 12%, respectivamente. Não ocorre saturação do soprador de ar frio, como pode ser observado no sinal de controle u fp (t ). Também pode ser visto que, para assegurar o controle da temperatura em 37 o C, ocorre o aumento do sinal de velocidade do soprador de aquecimento u qp (t ) até no instante 206 segundos, quando esse sinal satura em 4.0 V. No instante 210 segundos, ocorre o início do procedimento de troca dos regeneradores. Durante o procedimento de troca, os valores dos sinais dos sopradores 1 e 2 ( u (1 t qp ) e u (2 t qp ) são calculados pelo ajuste descrito na seção III. A perturbação ocasionada pela entrada em operação do regenerador com maior energia térmica aumenta a temperatura do ar, como esperado. Mas, no decorrer do processo, o sistema regula as variáveis controladas em seus respectivos set-points. [6] Wright, B., Zulli, P., Zhou, Z.Y., Yu, A.B. Gas solid flow in an ironmaking blast furnace I: Physical modelling, Powder Technology, 208, pp. 86 97, 2011. V. CONCLUSÕES Os resultados experimentais apresentados mostram que o sistema de controle multivariável apresentado é capaz de realizar os controles servo e regulatório de temperatura e de pressão de um sistema de aquecimento utilizando regeneradores, inclusive com o procedimento de troca entre regeneradores de arrefecimento e de aquecimento. A estratégia na escolha das malhas de controle é interessante, pois reduz consideravelmente o acoplamento entre as malhas. Assim, a interação entre os dois controladores PI é minimizada e, consequentemente, o controle multimalhas pode ser empregado. Os testes foram realizados em uma plataforma de implementação industrial e a estratégia do controle utilizada neste trabalho mostra-se adequada para futuras aplicações industriais de sistemas semelhantes. REFERÊNCIAS [1] Amorim, T.F., Lima, J.A., Mattedi, A. Um estudo de caso de malhas de controle de temperatura do ar quente do alto forno 1 da ArcelorMittal Tuberão. In IX INDUSCON Conferência Internacional de Aplicações Industriais, São Paulo, 2010. [2] Munaro, C.J., Paes, A.A. Construção, modelagem e controle de um piloto de regenerador de alto-forno. Em 10º Conferência Brasileira de Dinâmica, Controle e Aplicações. Águas de Lindóia, SP, 2011. [3] Muske, K.R., Howse, J.W., Hansen, G. A., Cagliostro, D.J. (2000a) Model-based control of thermal regenerator. Part 1: dynamic model. Computers and Chemical Engineering. Vol. 24, 2519-2531 [4] Muske, K.R., Howse, J.W., Hansen, G. A., Cagliostro, D.J. (2000b) Model-based control of a thermal regenerator. Part 2: control and estimation. [5] Seborg. D.E., Edgar, T.F., Mellichamp, D.A. (2004) Process Dynamics and Control. 2ed. John Wiley & Sons, Inc.