Controlo Avançado de Processos Carla I. C. Pinheiro DEQ/IBB, Centro de Eng. Biológica e Química, Instituto Superior Técnico, Lisboa Telef: 21 8417887 (Ext: 1887), Fax: 21 8419062 E-Mail: carla.pinheiro@ist.utl.pt 1 Objectives To provide students with a grounding in advanced techniques of modeling, identification, multivariable controller design and analysis, and model predictive control, which will allow them to be informed users of advanced control design techniques for industrial problems. Analysis, design and implementation of control systems using commercially available software packages. In particular, MATLAB (Simulink, Control System and Model Predictive Control Toolboxes). 2 1
At the end of the course students should be able to : Identify circumstances when PID control is not desirable, select and develop an appropriate advanced control algorithm for industrial cases, and evaluate the robustness of designs. 3 Course main topics: 1. Characteristics and motivation for industrial multivariable process control. Examples. Revision of classic control techniques using MATLAB/Simulink and the Control Systems Toolbox. 2. Dynamic modelling of continuous processes: linear and nonlinear. Representations of linear models: state space and transfer function. Conversion between models. Identification. 3. Review of basic control concepts for conventional PID feedback controller design, tuning and analysis: stability analysis. Closed loop Direct Synthesis method. Internal Model Control(IMC). 4 2
Course main topics: 4. Enhanced PID control strategies: cascade control, feedforward control, time-delay compensation, ratio control and inferential control. 5. Multiloopand multivariable (MIMO) control. Decoupling. 6. Analysis of Discrete Time Processes. Discrete time models. Z - transform. Introduction to digital control systems. Digital PID. 7. Model predictive control (MPC) for SISO and MIMO systems. DMC Dynamic Matrix Control. And also: 5 Course main topics: 2 Study Visits: (??) Central Termoeléctrica do Ribatejo REPSOL (Sines) GALPENERGIA 6 3
Visit to Central Termoeléctrica do Ribatejo 7 Visit to Central Termoeléctrica 8 4
Visit to Central Termoeléctrica 9 Visit to Repsol 10 5
11 12 6
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15 Course Format 2 x 2h lectures each week, combining lectures, discussions and computerbased hands-on simulations in computer room Q5.2 do LTI, with a PC for each student. 16 8
ASSESSMENT Individual:Test/quiz performed in class in Matlab /Simulink, on the 4th-5th week (20%) 2-person groups/individual:case Study Project throughout the semester with 4 phases, typically associated with a multivariable control design project presented as a report (65%) Enunciado entregue 4 semanas depois do início das aulas. Individual: Oral presentation of the Project as a 20 min seminar + 10 min for final discussion and questions(15%) 17 EXAMS: Unless demanded by the students, there will be no examinations in this course!... 18 9
Cópias dos slides das aulas de CAP, 2013. Bibliography Tutorial de Introdução ao MATLAB, Carla I.C. Pinheiro, DEQ/IST, 2013. Tutorial de Introdução ao SIMULINK, Carla I.C. Pinheiro, DEQ/IST, 2013. Process Dynamics and Control; Dale E. Seborg, Thomas F. Edgar and Duncan A. Mellichamp, 2 nd Edn., Wiley, 2004. Principles and Practice of Automatic Process Control; C.A. Smith and A. Corripio, Wiley, 2006. Techniques of Model-Based Control; C. Brosilow and B. Joseph, Prentice Hall PTR, 2002. Process Control: A First Course with MATLAB ; P.C. Chau, Cambridge University Press, 2002. Process Control. Modeling, Design and Simulation; B.W. Bequette, Prentice-Hall, 2003. Process Control:Designing Processes and Control Systems for Dynamic Performance; T.E. Marlin, 2 nd Edn., McGraw-Hill, 1990. Process Modelling Simulation and Control for Chemical Engineers; W.L. Luyben, McGraw-Hill, 1990. Essentials of Process Control; W.L. Luyben, M.L. Luyben, McGraw-Hill, 1997. Multivariable Feedback Control Analysis and Design; S. Skogestad, I. Postlethwaite, 2 nd Edn, J. Wiley &Sons, 2007. Plantwide Process Control; W.L. Luyben, B.Tyréus, M.L. Luyben, McGraw-Hill, 1998. 19 O que é o Controlo de Processos? Estratégia para obrigar um sistema a ter um comportamento pretendido, normalmente medindo variáveis e ajustando outras. Controlo de Processos Indústrias de processos Alimentar Farmacêutica Polímeros Cimento Vidro Refinação Química 20 10
Processos Químicos Industriais Controlo Avançado Porquê? Vários Problemas de Controlo... Comportamento dinâmico não linear Processos complexos de ordem elevada Interacções multivariáveis Perturbações frequentes em variáveis não medidas Variáveis de estado não medidas Parâmetros incertos e que podem variar no tempo Grandes atrasos no tempo Estados estacionários instáveis Limitações físicas dos sensores e actuadores Modelos rigorosos dos processos muito complexos Falhas no equipamento 21 Importância do Controlo (segurança) Falha de um sistema de controlo durante o arranque de uma unidade de isomerização da refinaria da BP Texas City a 23 de Março de 2005: http://www.youtube.com/watch?v=vcc N4SQkb9A 11
Exemplo de tunning não robusto do loop de controlo 23 Exemplo de loop de controlo com saturação do actuador 24 12
Controlo Avançado O que é? Conjunto de estratégias de controlo automático baseadas em computadores e instrumentação digitais, mais sofisticadas do que o controlo convencional por realimentação com controladores PID. Quais os objectivos? Manter a operação próxima do óptimo estabelecido em condições de segurança. Cumprir as especificações das qualidades dos produtos. Reduzir custos de capital e de operação no processo industrial. Cumprir normas de segurança ambiental. 25 Controlo Automático já usado no séc. III BC! From Wikipedia: In Ctesibius's clepsydra from the 3rd century BC, the human-shaped hour pointer ascends as water flows in. Outflow drives a series of gears that rotates a cylinder bearing hour lengths appropriate for each day's date. O funcionamento deste relógio de água tinha incluído um esquema automático de controlo: para assegurar um caudal constante das gotas de água na entrada do mecanismo do relógio, era necessário manter constante o nível de água num reservatório inicial. 26 13
Actualmente: Controlo por computador A potência de cálculo do computador abriu as portas para uma operação óptima do processo e múltiplas aplicações integradas. 27 Diversidade de Sistemas - CENTRAL - CENTROS REMOTOS PERIFÉRICOS MANTUTENÇÃO SEGURANÇA LABORATÓRIO PRODUTOS BALANÇOS LIGAÇÃO REMOTA UTILIZADORES ETHERNET (REDE GESTÃO DA PRODUÇÃO) SALAS DE CONTROLO - CONTROLO AVANÇADO - DMC s - SISTEMAS DE INFORMAÇÃO CONSOLAS de OPERAÇÃO LCN (REDE LOCAL DE CONTROLO) ARMÁRIOS DE CONTROLO Sistemas de Controlo da Unidade PROCESSO 28 14
Funções do computador Monitorização: Gráficos, esquemáticos, históricos, sinalização de alarmes,... SP 45 PV 45.5 Supervisão: Monitorização, gestão de alarmes, alteração de sequências, sintonização,... SP 45 PV 45.5 29 Funções do computador Controlo Digital Directo: D/A, A/D Controlo do processo: recebe a informação, calcula o sinal do controlador e envia-o ao processo para os actuadores. SP 45 PV 45.5 30 15
Sala de Controlo Painel de Controlo Convencional (analógico) Controlo por computador 31 Automação de processos Exemplo de um esquemático de um sistema de controlo de processo e automação baseado numa interafce do tipo touch screen para o operador (GEA Liquid Processing) 32 16
O que devemos controlar num processo? Controlo de Supervisão: em primeiro lugar é necessário controlar as variáveis que permitem directamente assegurar o óptimo económico de operação (variáveis controladas primárias): Controlar os restrições activas. Seleccionar variáveis controladas sem restrições por forma a que com set points constantes se consiga manter o processo próximo do seu óptimo apesar das perturbações e dos erros de implementação (Skogestad, 2004). 33 O que devemos controlar num processo? Controlo Regulatório: adicionalmente é necessário controlar outras variáveis de modo a que se consiga um controlo regulatório satisfatório (variáveis controladas secundárias): Com o sistema de controlo regulatório adequado, a unidade não se deveria afastar muito do ponto desejado de operação em estado estacionário. Preferencialmente, este nível básico de controlo deveria conseguir funcionar para uma vasta gama de objectivos de controlo primários (Skogestad, 2004). 34 17
Numa unidade industrial real Há centenas ou milhares de variáveis medidas e de ciclos de controlo! Na prática o sistema de controlo global é habitualmente dividido em vários níveis, separados por diferentes escalas de tempo: 35 Hierarquia das Funções de Controlo Semanas-Meses Dias-Semanas Horas-Dias NÍVEL 6 Planeamento NÍVEL 5 Escalonamento NÍVEL 4 Optimização em Tempo Real Minutos Segundos NÍVEL 3 Controlo avançado/ Optimização Dinâmica NÍVEL 2 Controlo de Regulação Covencional PID, DCS < 1 segundo NÍVEL 1 Instrumentação de campo Matérias Primas Processo Produtos 36 18
Níveis 1 e 2 da hierarquia de controlo Nível 2: Controlo de Regulação Covencional PID, DCS ou PLC Objectivos: Assegurar segurança na operação Recolher medidas Implementar acções de controlo Medidas Acções de controlo Nível 1: Instrumentação de Campo Objectivos: Regular o processo(manter setpoints) Assegurar segurança no arranque e paragem Interface com o operador Instrumentos de campo Acções de controlo (start, stop, on, off, posição da válvula, etc) Processo 37 Níveis 3 e 4 da hierarquia de controlo Nível 4: Optimização em Tempo Real Objectivos: Determinar condições operatórias óptimas Determinar factores de custo locais Actualizar os modelos do processo Medidas Valores de refª (targets) para os outputs do processo, variáveis manipuladas,constrangimentos, custos Nível 3: Controlo avançado/ Optimização Dinâmica Objectivos: Ajustar setpoints Manter os outputs nos valores de refª. evitando também violação dos constrangimentos operacionais Medidas Setpoints para os controladores de nível 2 Controlo de Regulação Covencional PID, DCS 38 19
Controlo Multivariável Pressão Nível Composição Nível Composição http://murray.newcastle.edu.au/control/simulations/dist_sim.html 39 40 20
Controlo Avançado Tem em conta a interacção entre as variáveis, as suas restrições, as perturbações, etc. E permite obter um controlo eficiente de forma automática, abrindo as portas à optimização do ponto de operação. q LC ta T T T T tb qr FC MBPC FC qb LC Ref ta Ref tb 41 Tendências da Indústria Exigências crescentes na optimização de custos, melhor qualidade, produtividade, segurança, respeito pelo ambiente, funcionamento das unidades para uma vasta gama de condições de operação,... Melhoria dos sistemas de controlo para cumprir especificações Necessidade de racionalizar as decisões a nível superior com impacto económico e de integrar todas as decisões a diversos níveis. 42 21
Exemplo: manter a operação próxima do óptimo estabelecido Pressão Falha do equipamento Controlo avançado Controlo convencional Óptimo económico Ausência de controlo Degradação do produto Temperatura 43 Controlo e Optimização ref limite superior ref tempo A redução da variância permite deslocar a referência e respeitar os limites da variável. A melhoria do controlo permite a optimização do processo. 44 22
Porque é que vocês deveriam estar interessados? É uma área tecnicamente interessante. As indústrias de processos são as maiores utilizadoras das tecnologias de controlo. Os engenheiros de processos estão muitas vezes envolvidos no projecto e implementação das estratégias de controlo. O projecto dos processos químicos e dos controladores são cada vez mais interactivos. O controlo de processos envolve diferentes desafios e oportunidades. O controlo de processos é uma ferramenta chave e representa um benefício para as indústrias de processos. Estudar controlo de processos dar-vos-á conhecimentos e 45 competências relevantes para o vosso trabalho futuro. Algumas Estratégias de Controlo Avançado Controlo Previsional (feedforward) Controlo em Cascata Controlo Multivariável (MIMO) Controlo Digital Controlo Preditivo (MPC) Controlo Adaptativo 46 23
Selecção da Estrutura de Controlo Investe-se muito esforço a compreender a dinâmica dos processos entre variáveis de entrada inputs e variáveis de saída outputs! 47 Exemplo: unidade de Cracking Catalítico em Leito Fluidizado (FCCU) 48 24
Tipo de variável Nome da variável Valor nominal e unidades Saída (Medida) T 1 776.9 K Saída (Medida) T cy 998.1 K Saída (Medida) T rg 965.4 K Entrada (Manipulada) F S 294 kg/s Entrada (Manipulada) F a 25.35 kg/s Entrada (Perturbação) F f 40.63 dm 3 /s O problema de controlo da unidade envolve o controlo de duas variáveis de saída manipulando duas variáveis de entrada. Uma das variáveis de saída a controlar é T1 e a outra é uma das variáveis Tcy ou Trg. É objectivo do sistema de controlo manter as variáveis nos seus valores nominais ou de set point desejados, e assegurar que os afastamentos aos valores nominais se mantêm nos limites possíveis e não persistem durante grandes períodos de tempo quer para o caso de perturbações em Ff quer para alterações de set point nas variáveis a controlar. 49 Controlo Avançado de Processos É fundamental o estudo da dinâmica dos sistemas bem como o uso de técnicas baseadas em modelos Modelos Dinâmicos do Processo Desenvolvimento de Modelos Dinâmicos de Primeiros Princípios com Base em Balanços Mássicos e Entálpicos do Processo Identificação de Modelos Dinâmicos de Caixa Negra com Base em Dados Reais do Processo 50 25