Ambiente de Simulação Híbrido Integrando Hysys e … · Hysys e Rede Industrial Foundation Fieldbus aplicado ao Controle de uma Coluna de ... 6.6 Janela de propriedades da unidade

UNIVERSIDADE DO RIO GRANDE DO NORTEFEDERAL

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

Ambiente de Simulação Híbrido IntegrandoHysys e Rede Industrial Foundation Fieldbus

aplicado ao Controle de uma Coluna deDestilação

Bruno Xavier da Costa

Natal, RN, Março de 2011

UNIVERSIDADE DO RIO GRANDE DO NORTEFEDERAL

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA




Orientador: Prof. Dr. Adrião Duarte Dória Neto

Co-orientador: Prof. Dr. Jorge Dantas de Melo

Dissertação de Mestrado apresentada aoPrograma de Pós-Graduação em EngenhariaElétrica e de Computação da UFRN (área deconcentração: Automação e Sistemas) comoparte dos requisitos para obtenção do títulode Mestre em Ciências.

Natal, RN, Março de 2011




Dissertação de Mestrado aprovada em 11 de março de 2011 pela banca examinadoracomposta pelos seguintes membros:

Prof. Dr. Adrião Duarte Dória Neto (orientador) . . . . . . . . . . . . . . . . DCA/UFRN

Prof. Dr. Jorge Dantas de Melo (co-orientador) . . . . . . . . . . . . . . . . . DCA/UFRN

Dr. Laerte de Medeiros Barros Júnior (examinador externo) . . . . PETROBRAS

Prof. Dr. André Laurindo Maitelli (examinador interno) . . . . . . . . . DCA/UFRN

Dedico esta dissertação de mestrado à minhamãe Inêz Maria e ao meu pai Heronides Fer-reira que formaram a base para a minha edu-cação e muitas vezes abdicaram de seus sonhosem favor dos meus ideais.

Agradecimentos

Agradeco a minha família e amigos pelo apoio e carinho constante durante esta jornada.

À Instituição UFRN e aos membros do Departamento de Engenharia de Computação eAutomação, assim como aos membros do Programa de Pós-Graduação em EngenhariaElétrica e de Computação.

Aos professores Jorge, Adrião e Affonso, que depositaram confiança em meu trabalho eque para mim são exemplos de pessoas e de amor a profissão.

Aos demais professores que contribuiram diretamente para a minha formação acadêmicae pessoal.

Aos companheiros de trabalho e colegas que passaram pelo Laboratório de Avaliação deMedição em Petróleo da UFRN, pela grande ajuda no desenvolvimento do trabalho. Emespecial, aos amigos Leonardo Guanabara, Daniel Lopes e Clauber Gomes.

À instituição Marinha do Brasil pela colaboracão para o término deste trabalho, me libe-rando várias vezes na etapa final de conclusão do mesmo.

No mais, deixo um agradecimento a todas aquelas pessoas não mencionadas, mas que nosderam força de alguma maneira para conduzirmos este trabalho.

Resumo

O principal objetivo deste trabalho é desenvolver um ambiente que permite a comu-nicação do simulador de processos químicos HYSYS R© com medidores e atuadores deuma rede industrial Foundation Fieldbus. O ambiente é considerado híbrido por possuiruma parte real (a rede industrial) e uma parte simulada (o processo) com os sinais decontrole e medição sendo reais. O ambiente é bastante flexível, permitindo a reproduçãode diversas dinâmicas típicas de processos industriais sem a necessidade de alteração narede física, possibilitando gerar diversas situações existentes em um ambiente industrialreal. No presente trabalho, a dinâmica utilizada é de uma coluna de destilação, simu-lada no HYSYS R©, com suas variáveis medidas e controladas pelos dispositivos da redeindustrial Foundation Fieldbus.

Palavras-chave: Redes Industriais, Ambiente Híbrido, Coluna de Destilação, Foun-dation Fieldbus, HYSYS.

Abstract

The main purpose of this work is to develop an environment that allows HYSYS R©chemical process simulator communication with sensors and actuators from a FoundationFieldbus industrial network. The environment is considered a hybrid resource since it hasa real portion (industrial network) and a simulated one (process) with all measurement andcontrol signals also real. It is possible to reproduce different industrial process dynamicswithout being required any physical network modification, enabling simulation of somesituations that exist in a real industrial environment. This feature testifies the environmentflexibility. In this work, a distillation column is simulated through HYSYS R© with all itsvariables measured and controlled by Foundation Fieldbus devices.

Keywords: Industrial Network, Hybrid Environment, Distillation Column, Founda-tion Fieldbus, HYSYS.

Sumário

Sumário i

Lista de Figuras v

Lista de Tabelas ix

Lista de Símbolos e Abreviaturas xi

1 Introdução 1

1.1 Motivação e Objetivos do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2 Estrutura do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 Protocolo Foundation Fieldbus 9

2.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Características do Protocolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3 Modelo de Comunicação em Camadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3.1 Camada Física . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3.2 Camada de Comunicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3.3 Camada de Aplicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3 Ambiente de Simulação 15

3.1 Apresentação do Simulador HYSYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.2 Representação de um processo no HYSYS . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.3 Objetos do HYSYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.4 Fluid Package . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.5 Componentes Hipotéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.6 Análise Dinâmica e Estacionária . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.7 Automação no HYSYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

i

4 Controle de Coluna de Destilação 27

4.1 Coluna de Destilação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.1.1 Partes Principais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.1.2 Funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.2 Sistema de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.2.1 Pares de Variáveis Controladas e Manipuladas (PV - MV) . . . . 31

4.2.2 Graus de Liberdade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.2.3 Controle de Composição e de Temperatura . . . . . . . . . . . . 35

5 Arquitetura Híbrida 37

5.1 Componentes do Ambiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5.2 Estações de Simulação e de Configuração/Supervisão . . . . . . . . . . . 38

5.3 Rede Industrial Didática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.4 Interface de Interconexão com a Rede Industrial . . . . . . . . . . . . . . 40

5.4.1 Placas de Aquisição de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5.4.2 Circuito Conversor Loop de Tensão para Corrente . . . . . . . . . 41

5.4.3 Circuito Conversor Loop de Corrente para Tensão . . . . . . . . . 43

5.5 Ferramenta Comunicação HYSYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5.5.1 Tecnologia OLE Automation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5.5.2 Configuração/Operação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

6 Testes e Resultados 55

6.1 Testes Realizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

7 Considerações Finais 69

7.1 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

7.2 Perspectivas e Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Referências bibliográficas 71

A Layout do circuito conversor V/I 75

B Layout do circuito conversor I/V 79

C Montagem do Ambiente Proposto 81

D Graus de Liberdade em uma Coluna Binária Ideal 85

Lista de Figuras

1.1 Arquitetura DDC - controladores eram localizados em painéis da sala decontrole [BERGE 2002]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 O tradicional DCS e a arquitetura PLC apresenta múltiplos níveis de rede[BERGE 2002] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Arquitetura FCS com o controle nos dispositivos de campo [BERGE 2002] 3

2.1 Modelo OSI versus Foundation Fieldbus [LIMA 2004] . . . . . . . . . . 10

2.2 Representação da conexão de blocos funcionais para um controle PID narede FF [Sam 2000] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.1 Planta de refrigeração para remoção de hidrocarbonetos pesados de umacorrente de gás natural [Hyprotech 2002c] . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.2 Planta para produção de gás propileno [Hyprotech 2002c] . . . . . . . . . 16

3.3 Planta para produção de Etanol [Hyprotech 2002c] . . . . . . . . . . . . 16

3.4 Planta que processa óleo cru em sistema de fracionamento produzindonafta, querosene, diesel e outros produtos [Hyprotech 2002c] . . . . . . . 17

3.5 Ambiente de Simulação do HYSYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.6 Ferramenta Simulation Basis Manager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.7 Exibição em gráficos do comportamento da variáveis de processo do HYSYS 25

4.1 Esquema geral de uma coluna de destilação [MARANGONI 2005] . . . . 28

4.2 Dinâmica interna de operação da coluna . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.3 Válvulas de controle em uma coluna de destilação . . . . . . . . . . . . . 32

5.1 Arquitetura do Ambiente Híbrido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.2 Interface conversora de sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

5.3 Configuração básica do XTR100 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5.4 Configuração do XTR100 para ajuste das correntes de offset (4mA) espam (20mA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

v

5.5 Placa com 18 módulos XTR110KP para conversão de loops de tensão emloops de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5.6 Conexões de saída do FI302 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

5.7 Conexões de saída do FI302 com a placa A/D para conversão de padrõesde corrente para tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5.8 Interfaces físicas do ambiente desenvolvido . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.9 Conversão de uma variável de temperatura medida na Estação de Simula-ção para sinais de medição reais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.10 Interface gráfica inicial da ferramenta que faz a comunicação com o HYSYS R© 49

5.11 Simulação de uma coluna de destilação em software industrial HYSYS R© . 50

5.12 Interface gráfica da ferramenta que faz a comunicação com o HYSYS R©depois ter carregado com sucesso as informações do arquivo de simulaçãoaberto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.13 Janela para configuração dos dispositivos FF virtuais . . . . . . . . . . . 51

5.14 Janela "Opções"da ferramenta Comunicação HYSYS . . . . . . . . . . . 52

5.15 Janela de configuração Databook do HYSYS R© . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.16 Janela "Tabelas" da ferramenta Comunicação HYSYS para importação devariáveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.17 Janela para configuração dos dispositivos FF virtuais depois da importa-ção de variáveis do HYSYS R© . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.18 Botões de início/parada para medição e/ou atuação das variáveis de pro-cesso da planta simulada no HYSYS R© . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

6.1 Medição dos sinais de corrente que chegam nos canais da rede FF, (b) e(d), quando setado as tensões de 0 (a) e 10 Volt (c) na saída de 9 canaisda placa D/A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

6.2 Medição dos sinais de tensão que chegam nos canais da placa A/D, (b) e(d), quando configurado as correntes de 4 (a) e 20 mA (c) na saída de 6canais FIs da rede FF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

6.3 Teste para validação da medição no ambiente híbrido . . . . . . . . . . . 58

6.4 Resumo de atividades para controle de uma planta simulada pelos dispo-sitivos da rede FF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

6.5 Simulação de uma torre debutanizadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

6.6 Janela de propriedades da unidade de controle presente no HYSYS . . . . 61

6.7 Controle PI do nível do tanque do acumulador utilizando o controladordo próprio HYSYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

6.8 Módulo Integrator do HYSYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

6.9 Lógica de blocos implementado um controlador PID para um ambientede redes industriais Foundation Fieldbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

6.10 Ações realizadas para controle do nível do acumulador na planta simuladaatravés da rede FF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

6.11 Controle para o nível do tanque do acumulador implementado no ambi-ente de redes industriais Foundation Fieldbus . . . . . . . . . . . . . . . 65

6.12 Controle do nível do acumulador pela rede FF para Step Size igual a 1 . . 66

6.13 Controle para o nível do tanque do acumulador implementado no ambi-ente de redes industriais Foundation Fieldbus . . . . . . . . . . . . . . . 67

A.1 Placa 1 - para ajuste das correntes de offset (4mA) e spam (20mA) dosmódulos conversores V/I da Placa 2 (figura A.2) . . . . . . . . . . . . . . 76

A.2 18 Placa 2 - 18 (dezoito) módulos conversores V/I implementados com oXTR110KP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

B.1 Placa com 18 módulos conversores de loops de corrente para tensão . . . 80

Lista de Tabelas

2.1 Principais blocos funcionais do padrão FF . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.1 Critérios de seleção do Property Pkg Filter . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2 EOSs e suas respectivas aplicações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.3 Modelos de Atividade e suas respectivas aplicações . . . . . . . . . . . . 21

3.4 Modelos Chao Seader e suas respectivas aplicações . . . . . . . . . . . . 23

3.5 Modelos de Pressão de Vapor e suas respectivas aplicações . . . . . . . . 23

3.6 Miscellaneous e suas respectivas aplicações . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.1 Alguns exemplos de pares de variáveis controladas e manipuladas parauma coluna de destilação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

5.1 Comparação entre a terminologia convencional e a usada no COM. . . . . 47

ix

Lista de Símbolos e Abreviaturas

Elipse: sistema SCADA

Profibus: sistema de comunicação em rede Fieldbus

A/D: analógico/digital

HYSYS: software de simulação de processos químicos

ADAM-3962: placa de conexão terminal da PCI-1724U

CLSID: Class Identifier (um tipo de GUID)

COM: Component Object Model

D/A: digital/analógico

DCS: Distributed Control System

DD: Device Description

DDC: DiSGSGSGrect Digital Control

DDT: Distributed Data Transfer

DFI: Distributed Field Interface

FAS: Fieldbus Access Sublayer

FCS: Field Control Systems

FF: Foundation Fieldbus

FI302: conversor Fieldbus para corrente com três canais

FMS: Fieldbus Message Specification

GUID: Globally Unique Identifier

HART: protocolo de comunicação mestre/escravo com comunicação digital e si-nal analógico simultâneos

HYSYS: simulador de processos químicos da Aspentech

xi

IDE: Integrated Development Environment

IEC: International Engineering Consortium

IF302: conversor corrente para Fieldbus com três canais

ISA: The Instrumentation, Systems and Automation Society

ISP: Interoperable System Project

LAS: Link Active Scheduler

LD302: transmissor de pressão Fieldbus

MODBUS: protocolo de comunicação serial para uso com controladores lógicos pro-gramáveis (CLPs)

OLE: Object Linking and Embedding

OSF: Open Software Foundation

OSI: Open Systems Interconnection

PCI-1713: placa de conversão A/D da Advantech R©

PCI-1720: placa de conversão D/A da Advantech R©

PCLD-881B: placa de conexão terminal da PCI-1713

PDF: Process Flow Diagram

PID: controlador Proporcional-Integral-Derivativo

PLC: Programmable Logic Controllers

PT: Pass Token

PV-MV: pares de Variáveis Controladas e Manipuladas

SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition

SYSCON: software da SMAR gerenciador de redes fieldbus

TT302: transmissor de temperatura Fieldbus

Capítulo 1

Introdução

Os sistemas de controle de processos industriais evoluíram bastante nas últimas déca-das. Inicialmente, o controle era realizado manualmente, fazendo com que as variáveisde processo ficassem sujeitas a grandes perturbações e variações, sendo necessário umagrande quantidade de mão-de-obra para supervisão e controle das diversas variáveis exis-tentes nas plantas industriais.

Por volta de 1940, houve um aumento no uso de controladores pneumáticos na in-dústria [GOETTSCHE 2005]. O controlador pneumático era situado no campo e operadolocalmente, e permitiu o controle em malha-fechada das diversas variáveis de um pro-cesso.

O desenvolvimento das centrais de controle na indústria se difundiu nas décadas de1950 e 1960. Inicialmente, os instrumentos mecânicos foram especializados para mantercentralizado, na Sala de Controle, o gerenciamento dos diversos instrumentos pneumáti-cos instalados na planta [GOETTSCHE 2005].

Posteriormente, com a eletrônica analógica e o aparecimento de computadores digi-tais surgiu o conceito do Controle Direto Centralizado (Direct Digital Control - DDC).Segundo Berge, no livro [BERGE 2002], nesse tipo de sistema, a estratégia completa decontrole era realizado por um computador na Sala de Controle, conforme indicado nafigura 1.1. Verifica-se na figura, que os sensores e atuadores eram conectados ao seuscontroladores usando um par de fios individuais dedicados e transmitiam nada mais doque uma única variável manipulada. O sinal analógico só viajava em uma direção, dotransmissor para o controlador ou do controlador para o atuador.

A arquitetura do DDC tornava-o vulnerável, pois uma simples falha no controladorpoderia ocasionar a parada total de todas as tarefas de controle regidas pelo mesmo[PANTONI 2006].

O advento das comunicações digitais fez emergir os Sistemas de Controle Distribuí-dos (Distributed Control System - DCS). Nesses sistemas, as estratégias de controle sãodistribuídas em vários controladores, de tal forma que uma simples falha não afete todoo sistema [BERGE 2002]. Esses controladores, por vezes implementados com Contro-ladores Lógicos Programáveis (Programmable Logic Controllers - PLC), agora podemestar localizados fora da Sala de Controle, dentro de gabinetes especializados, próximo as

2 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO

Figura 1.1: Arquitetura DDC - controladores eram localizados em painéis da sala decontrole [BERGE 2002].

variáveis de interesse monitoradas e/ou controladas.

Para os dias atuais, o DCS é considerado centralizado, visto que uma simples falhapode ocasionar outras falhas em cadeia, necessitando que seja implementado uma redun-dância nos controladores, módulos de entrada/saída e sub-sistemas de rede, evitando aperda total do controle. Essa redundância em todos os níveis significa aumento da com-plexidade e do custo para instalação/manutenção do sistema, que já é considerado altodevido aos diferentes tipos de tecnologia presentes em um mesmo DCS conforme indi-cado na figura 1.2, [BERGE 2002].

Uma nova arquitetura baseada na capacidade dos dispositivos de campo é denominadaSistemas de Controle de Campo (Field Control Systems - FCS). Nela, dispositivos comosensores e atuadores apresentam capacidade de processamento embarcado, o que a tornauma solução de controle mais distribuída que o DCS, que por sua vez lhe confere maisrobustez e confiabilidade.

Na arquitetura FCS, os instrumentos no barramento de campo se comunicam com asestações de trabalho através do Linking Device, figura 1.3. Dessa forma, existem apenasdois tipos de redes presentes no FCS: o barramento de campo e a rede Ethernet. Tipica-mente, os Linking Devices realizam a lógica discreta e de comunicação entre os disposi-tivos e as redes, deixando à cargo dos dispositivos de campo, o controle das variáveis deprocesso. Com o controle sendo realizado pelo hardware associado aos dispositivos decampo, o número de centrais de controle necessárias é drasticamente reduzido e em mui-tos casos elas são eliminadas. Portanto, além da redução do cabeamento, o FCS apresentacaracterísticas que diminuem os custos físicos de instalação de um controle distribuído

3

para uma planta industrial.

Figura 1.2: O tradicional DCS e a arquitetura PLC apresenta múltiplos níveis de rede[BERGE 2002]

Figura 1.3: Arquitetura FCS com o controle nos dispositivos de campo [BERGE 2002]


Atualmente, as redes industriais Foundation Fieldbus (FF) se destacam quando sedeseja implementar uma arquitetura com as características de FCS para controle de pro-cessos industriais. A tecnologia Foundation Fieldbus implementa um protocolo digital,serial, bi-direcional cuja padronização é aberta, permitindo a comunicação de dispositivosde diferentes fabricantes instalados no mesmo barramento de campo. Isto é denominadode interoperabilidade. Essa característica é vantajosa pois permite a escolha, por parte dosclientes, de dispositivos dentre os vários fabricantes existentes.

A especificação Foundation Fieldbus não é apenas um protocolo de comunicação mastambém uma linguagem de programação para desenvolvimento de estratégias de controledistribuído [BERGE 2002], baseado na conexão e configuração de blocos funcionais pre-viamente definidos, tornando possível a criação e posterior instanciação de algoritmosinteligentes nos dispositivos da rede FF de uma forma mais fácil e simplificada.

Os blocos funcionais, correspondentes à camada de aplicação na tecnologia FF, têmum papel de importância no sucesso da interoperabilidade, já que os diferentes fabri-cantes seguem as especificações de implementação dos algoritmos internos dos blocos.Essa solução simplifica o desenvolvimento de diversas funcionalidades por permitir im-plementações independentes, as quais apresentam uma interface bem definida com o restodo ambiente, viabilizando uma fácil integração de novos algoritmos aos já existentes[RAMALHO 2009].

Essa capacidade de processamento distribuído presente em uma arquitetura FCS, ad-vinda dos vários microprocessadores presentes no barramento de campo, levou à inves-tigação de novas formas de processamento das variáveis e ao estabelecimento de para-digmas que permitissem a realização deste processamento de forma computacionalmentemais eficiente utilizando os blocos funcionais existentes no protocolo FF. Nessa linhade raciocínio, o grupo do Laboratório de Sistemas Inteligentes da Universidade Federaldo Rio Grande do Norte (LABSIS-UFRN) têm desenvolvido vários trabalhos aplicandonos dispositivos da rede industrial Foundation Fieldbus técnicas computacionais, prin-cipalmente redes-neurais [SILVA et al. 2006], para inferência de variáveis, melhoria namedição [COSTA 2006] e nos procedimentos de diagnóstico local do funcionamento dossensores [CAGNI et al. 2005], tratamento e detecção distribuída de falhas [FERNANDESet al. 2007] e implementação local de estratégias de controle avançado [LIMA 2004].

Baseado na notoriedade do protocolo para redes industriais Foundation Fieldbus, den-tro do grupo de redes para automação industrial, por sua característica de interoperabili-dade, e sua interface com usuário organizada em blocos de simples configuração, e vi-sando o desenvolvimento de estratégias inteligentes para processos específicos da indus-tria petroquímica, que serão embarcadas nos dispositivos de uma rede FF, é que se pensouna proposta do trabalho em questão: o desenvolvimento de um ambiente que permita a"instrumentação" de uma planta simulada utilizando uma rede industrial didáticado tipo Foundation Fieldbus presente no laboratório.

O software industrial HYSYS R© foi utilizado no ambiente proposto, para simulaçãode plantas da indústria química e petroquímica. Esse simulador foi adquirido pelas em-presas Aspentech R© e Honeywell R©, da empresa Hyprotech R©, criadora do programa, e o

1.1. MOTIVAÇÃO E OBJETIVOS DO TRABALHO 5

denominaram de Aspen HYSYS R© e UniSim Design R©, respectivamente. Nós o chama-remos simplesmente de HYSYS cuja denominação pode indicar tanto um como o outroprograma. Atualmente a Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN contacom licenças cedidas pelo programa acadêmico UniSim Design R© da Honeywell.

O HYSYS apresenta na sua base de dados modelos matemáticos de componentes quí-micos, métodos termodinâmicos e operações unitárias como equipamentos de separação,trocadores de calor, tubulações e válvulas permitindo a construção de modelos fieis de umvasto número de plantas presentes na indústria petroquímica [Hyprotech 2002b].

Um fator motivador para desenvolvimento desse ambiente híbrido que integra o HYSYSe uma rede industrial didática Foundation Fieldbus é que seria inviável manter nas ins-talações do LABSIS-UFRN uma gama de plantas físicas reais da indústria química epetroquímica instrumentalizadas com dispositivos FF, que serviriam para estudo e conse-quente criação de estratégias inteligentes distribuídas na rede possibilitando um controlemais eficaz dessas plantas. Por outro lado, também não torna-se atrativo a otimizaçãodessas plantas se elas não representam um processo real que esteja gerando lucro. De talforma, o ambiente vem solucionar essa carência de infra-estrutura, permitindo a criaçãode estratégias inteligentes nos dispositivos da rede FF para uma ou mais plantas simuladasque podem representar um processo, por exemplo, de uma refinaria, contribuindo dessaforma, para otimização do seu controle e consequente redução de custos.

1.1 Motivação e Objetivos do Trabalho

O objetivo deste trabalho é desenvolver um ambiente de simulação industrial híbridoe aplicá-lo ao controle de uma coluna de destilação. Este ambiente integra o simuladorde processos químicos HYSYS à rede industrial Foundation Fieldbus. Portanto, este am-biente possui uma parte real (a rede industrial) e uma parte simulada (o processo) comos sinais de controle e medição sendo reais. O ambiente é bastante flexível, permitindoa reprodução de diversas dinâmicas típicas de processos industriais sem a necessidade dealteração na rede física, possibilitando gerar diversas situações existentes em um ambienteindustrial real.

Esse ambiente híbrido foi referenciado em [COSTA 2007] como Ambiente Híbridopara Concepção de Sensores de Software em Redes Industriais Foundation Fieldbus.Os sensores virtuais ou sensores de software são algoritmos computacionais utilizadospara resolver problemas como inferência de variáveis, predição para controle de umaplanta, estratégias de diagnósticos de falhas, dentre outros [FORTUNA et al. 2006].

Tal denominação no trabalho [COSTA 2007] surgiu, pois os sensores virtuais sãouma das estratégias inteligentes possíveis de serem implementadas utilizando o ambientehíbrido cuja arquitetura torna adequado o desenvolvimento e testes dos mesmos. Muitosdesses sensores para serem desenvolvidos necessitam do histórico de comportamento devariáveis de um processo que no caso do ambiente híbrido é fornecido pelo HYSYS. Aomesmo tempo, o ambiente propicia o teste desses algoritmos quando embarcados nossensores e atuadores da rede FF, e verifica-se o comportamento da simulação na presença


destes.

Na indústria o sensor de software é bastante empregado no lugar de um sensor físicopara obter a medição de uma variável do processo a partir de valores de outras variáveisconhecidas [ZANATA 2005] [FORTUNA et al. 2006]. Isso é muito importante, poisas variáveis de interesse em processos industriais são normalmente variáveis físicas equímicas, sendo que as mais comuns são temperatura, pressão, vazão e nível. Para mediras variáveis físicas, há uma grande variedade de sensores e transdutores com boa precisão,normalmente disponíveis a custos bastante acessíveis para as indústrias e que operam comtempos de respostas baixos, da ordem de décimos de segundo, ou no pior caso, de poucossegundos.

Usualmente, as variáveis de difícil medição em um processo industrial são as variáveisquímicas ou bioquímicas relacionadas com composição, como medição de OD (concen-tração de oxigênio dissolvido), O2 (oxigênio), CO (monóxido de carbono), CO2 (dióxidode carbono), NH3 (amônia) ou outras variáveis relacionadas com biomassa. Há muitoscasos em que as análises são feitas em laboratório, através da coleta de amostras e o tempode resposta pode ser de minutos ou até mesmo de horas.

Dessa forma, controlar e monitorar em tempo real a qualidade dos produtos de saídade uma planta torna-se muito difícil. Portanto, o desenvolvimento de sensores virtuaispara modelos de plantas torna possível a estimação dessas variáveis permitindo a imple-mentação de um sistema de controle mais eficiente.

Para Zanata os sensores virtuais possuem uma grande área de aplicação, pois atuamauxiliando na monitoração, controle e otimização de processos em geral, fornecendo me-dições mais precisas, mais rápidas e mais confiáveis a um custo mais baixo tanto paradesenvolvimento e implantação como para manutenção. Além disso, deve-se ressaltarque estes podem atuar substituindo vários sensores físicos ou trabalhando em conjuntocom estes e auxiliando na monitoração e controle de falhas e manutenção preventiva,reduzindo os custos do processo [ZANATA 2005].

Em [COSTA et al. 2008] é enfatizado o papel do ambiente híbrido na concepção desensores de software aplicados aos problemas da indústria petroquímica.

Já em [MACHADO et al. 2008] o ambiente é utilizado para outra aplicação: cria-ção de uma "arquitetura multi-agentes baseada em blocos funcionais da rede FoundationFieldbus" .

No presente trabalho, a dinâmica escolhida para simulação foi de uma coluna de des-tilação presente na base de dados do HYSYS, mas é possível simular no ambiente umavasta gama de processos físicos. Vale ressaltar que as variáveis da planta simulada sãomedidas e controladas por dispositivos de uma rede industrial de chão de fábrica comose a planta fosse real. Esse fato, faz com que tal ambiente possibilite criar diversas situ-ações presentes em um ambiente industrial real e consequentemente gerar soluções paraproblemas e necessidades que possam existir nesses ambientes, como por exemplo:

• Estudo do comportamento dos dispostivos que serão utilizados para medição e atu-ação na planta simulada (comunicação, tempo de resposta, robustez) e se estes se-

1.1. MOTIVAÇÃO E OBJETIVOS DO TRABALHO 7

riam adequados para um projeto de instrumentação da planta física equivalente àsimulada;• Estudo das especificações que os dispositivos devem ter para atender os requisitos

de instrumentação para funcionamento correto da dinâmica da planta;• Teste e/ou criação de diferentes supervisórios para melhor monitoramento e con-

trole da planta;• Monitoramento e controle de uma planta simulada através de um sistema SCADA

(Supervisory Control And Data Acquisition), tornando possível fazer o estudo docomportamento da dinâmica da planta sem a necessidade de implementação físicada mesma;• A criação de telas de supervisório, estratégias de controle e de otimização para a

planta, e o armazenamento do histórico de variáveis em um banco de dados paracriação de estratégias inteligentes, como por exemplo, sensores de software.

Essas soluções que o ambiente propicia são as principais motivações para este tra-balho, além de que o ambiente híbrido permite interferir bem menos em um processoindustrial real quando necessário a realização das atividades descritas acima, evitando as-sim, maiores custos financeiros e eventuais problemas de operação da planta, como porexemplo o fechamento de uma válvula de forma errônea em um teste de um novo esquemade controle por um projetista e até quem sabe consequente parada da planta. Sem contarque os processos de uma planta real estão suscetíveis a interrupções para manutenção, detal forma que acabaria prejudicando a realização dessas atividades.

A escolha da coluna de destilação para ser simulada no HYSYS R© e ser monitoradae controlada pelos dispositivos da rede FF, deve-se à importância desta operação unitá-ria sendo um dos equipamentos de separação mais empregados na indústria química epetroquímica como citado em [KALID n.d.].

Segundo Kalid, no trabalho [KALID n.d.], 80% do custo operacional energético éatribuído as colunas de destilação, podendo ser o equipamento que impede o aumento daprodução. De tal maneira que uma das formas de solucionar esse problema passa peloaperfeiçoamento do sistema de controle.

Se a estrutura de controle, pares de Variáveis Controladas e Manipuladas (PV-MV),de uma coluna não esta definida corretamente ou se a sintonia dos controladores não éa ótima, o consumo de energia no refervedor e/ou no condensador e as vazões internasde líquido e/ou de vapor da coluna podem estar muito acima do necessário, ou seja, ocusto operacional é maior que o ideal e a carga é menor que a possível. Temos portantoum custo operacional elevado com uma pequena produção. A melhoria do sistema decontrole simultaneamente minimizará os custos e maximizará a produção da unidade.

Para validação da arquitetura proposta, será realizado o controle de uma coluna dedestilação simulada, presente na base de dados do HYSYS, pelos dispositivos da rede in-dustrial FF. Nessa simulação, os pares PV-MV já estão previamente definidos e as malhasde controle são implementadas utilizando objetos de controle do próprio HYSYS. Os tes-tes consistirão em verificar o comportamento da simulação quando as malhas de controleforem implementadas pelos dispositivos da rede industrial FF e não mais utilizando esses


objetos de controle do HYSYS.

1.2 Estrutura do Trabalho

O presente trabalho está organizado da seguinte forma: os Capítulos 2 e 3 fazem a fun-damentação teórica das principais tecnologias utilizadas no desenvolvimento do trabalho,o protocolo Foundation Fieldbus e o software de modelagem e simulação de processosquímicos denominado HYSYS, respectivamente. No Capítulo 4, faz-se um estudo do con-trole de uma coluna de destilação. No capítulo 5, descreve-se a arquitetura híbrida queserá utilizada para o controle da coluna de destilação simulada através da rede industrialFoundation Fieldbus e a ferramenta desenvolvida para medição e atuação na planta simu-lada. Essa ferramenta é um programa configurável que permite ao operador selecionarquais variáveis serão medidas e/ou controladas através dos dispositivos presentes na redeFoundation Fieldbus. Também é descrita a tecnologia presente no programa de simulaçãoque permitiu desenvolver tal ferramenta. No Capítulo 6 são apresentados os resultadosobtidos a partir de experimentos realizados para validação do ambiente. Por fim, no Ca-pítulo 7 são realizadas as considerações finais e propostas de trabalhos futuros.

Capítulo 2

Protocolo Foundation Fieldbus

2.1 Introdução

Quando as comunicações digitais começaram a se estabelecer, cada fabricante desen-volveu o seu próprio protocolo independentemente de outros fabricantes. Logo, diferentesprotocolos proprietários estavam no mercado, e produtos só podia trabalhar com outrosprodutos do mesmo fornecedor. Além disso, a documentação sobre o funcionamentodestes protocolos tipicamente não estava disponível, e a tecnologia era normalmente pro-tegida por patentes.

Em 1992, frustrados com a falta de protocolos que permitissem uma melhor integra-ção dos dispositivos de campo, os fabricantes e usuários finais formaram organizaçõesinternacionais para acelerar a criação de especificações abertas para as redes de campo:surgiram a WorldFIP e ISP (Interoperable System Project). Em setembro de 1994, essasorganizações, juntaram-se, por razões técnicas, econômicas e políticas, criando a FieldbusFoundation [BORDIM 2006].

A Fieldbus Foundation é uma organização independente que não visa o lucro e cujoobjetivo é desenvolver e manter um padrão internacionalmente uniforme de redes decampo para automação de processos: o Foundation Fieldbus [Foundation n.d.]. O mesmoobjetivo foi perseguido pela organização PROFIBUS [Profibus n.d.] com sua rede decampo PROFIBUS PA.

2.2 Características do Protocolo

O Foundation Fieldbus é um protocolo digital, em série e bidirecional, para comuni-cação em instrumentação e controle de processos de múltiplos dispositivos instalados nobarramento de campo. O protocolo apresenta uma série de características que o tornamum padrão interessante para o uso em aplicações industriais, conforme referenciado em[Sam 2000]. São elas:

• segurança intrínseca para áreas de risco;

10 CAPÍTULO 2. PROTOCOLO FOUNDATION FIELDBUS

• barramento com alimentação para os sensores/atuadores;• topologia em linha ou em árvore;• capacidade de comunicação multi-mestre;• comportamento dinâmico determinístico;• transferência de dados distribuída (DDT);• modelos de blocos padronizado para "interfaceamento"uniforme dos dispositivos;• opções de extensões flexíveis baseadas em descritores de dispositivos (DD).

2.3 Modelo de Comunicação em Camadas

O conceituado modelo de comunicação em camadas OSI (Open Systems Interconnec-tion), figura 2.1 é utilizado para modelar os componentes fundamentais da tecnologia FFe consiste de três elementos principais:

• Camada Física;• Camada de Comunicação e• Camada de Aplicação.

Figura 2.1: Modelo OSI versus Foundation Fieldbus [LIMA 2004]

Os níveis 3 ao 6 do modelo OSI não são implementados na tecnologia FF pois se tratade uma rede local [BERGE 2001].

2.3. MODELO DE COMUNICAÇÃO EM CAMADAS 11

2.3.1 Camada Física

A camada física equivale ao nível físico do modelo OSI. No nível físico, os sinais FF,padronizados pelo IEC (International Engineering Consortium) e pela ISA (The Instru-mentation, Systems and Automation Society), são codificados usando a codificão Man-chester Biphase-L. Este tipo de sinal carrega junto com os dados a informação de clockpara sincronização.

Os dados da tecnologia FF podem trafegar junto da energia que alimenta os dispo-sitivos, necessitando então apenas de um par de fios, que pode ser o mesmo usado emdispositivos 4-20mA. O dispositivo transmissor entrega +10mA a 31.25Kbps para umacarga de até 50Ω, para criar uma tensão de 1V pico-a-pico modulada acima da correntedireta da fonte de tensão. Para algumas aplicações, a tensão pode variar de 9 a 32V. Ocomprimento do cabo é determinado pela taxa de comunicação, tipo e tamanho deste epotência da linha [BERGE 2001].

2.3.2 Camada de Comunicação

A camada de comunicação possui basicamente três subcamadas: a subcamada inferiorde enlace de dados (controle de erro e política de acesso ao meio), que faz interface coma camada física; a subcamada intermediária de acesso a serviços fieldbus (FAS - FieldbusAccess Sublayer) e a subcamada superior de montagem de mensagens (FMS - FieldbusMessage Specification).

A tecnologia FF define dois tipos básicos de equipamentos disponíveis na camada decomunicação:

• Dispositivos básicos, que são os sensores, atuadores, entre outros;• Dispositivos de Link Mestre, que poderá ser um LAS (Link Active Scheduler).

Um LAS é um dispositivo que controla de forma determinística os tempos que osdispositivos transmitem (publicação) os dados dos buffers para a rede. Quem estiver con-figurado para receber (assinante) copia estes dados. Geralmente o LAS é implementadonum dispositivo especial denominado de Linking Device ou ainda DFI (Distributed Fi-eld Interface). Porém, na sua ausência, qualquer outro dispositivo pode desempenhar opapel do LAS, de modo a não parar o funcionamento da rede. Entre as transmissões demensagens agendadas também podem transitar mensagens de forma não agendada.

O LAS concede permissão para um dispositivo usar o barramento emitindo um sinalde passagem de token (PT). Ao receber este sinal, o dispositivo transmite, se necessi-tar. Isso significa que esta tecnologia funciona como o protocolo passagem do token debarramento [BERGE 2001].


2.3.3 Camada de Aplicação

Uma característica única da FF, que assegura interoperabilidade de dispositivos, é ouso de uma Camada de Aplicação ou Usuário, padronizada e completamente especifi-cada, baseada em blocos e tecnologia de descrição de dispositivos. Eles são totalmentetransparentes para o usuário, que não tem acesso ao seu funcionamento (o código fontedo bloco). Cada bloco é dotado de entradas, saídas e parâmetros internos que podem serajustados pelo usuário. Existem basicamente três tipos básicos de blocos funcionais: osResource Blocks (blocos de recurso), Transducer Blocks (blocos transdutores) e FunctionBlocks (blocos de função) [DUARTE et al. 2003]. Os principais blocos estão citados natabela 2.1.

Blocos de Recursos Definem parâmetros que são necessários a qualquer aplicação (exem-plo: número serial de fabricação).

Blocos de Função Encapsulam funções de controle (exemplos: controlador PID, entradaanalógica, etc).

Blocos Transdutores representam uma interface para sensores, tais como: de tempera-tura, pressão e fluxo.

Tabela 2.1: Principais blocos funcionais do padrão FFBLOCO FUNCIONAL DESCRIÇÃO

Analog Input (AI) Bloco de entrada de dados analógicoAnalog Output (AO) Bloco de saída de dados analógicoTransducer Bloco conversor de grandezas físicasResource Bloco de recursos dos instrumentosPID Bloco controlador de ação proporcional,

integrativa e derivativaDisplay Bloco de apresentação de informações no

display

O bloco ou controlador PID (Proporcional-Integral-Derivativo) é uma técnica paracontrole de processos que une as ações derivativa, integral e proporcional, fazendo comque assim o sinal de erro seja minimizado pela ação proporcional, zerado pela ação inte-gral e obtido com uma velocidade antecipativa pela ação derivativa.

A Figura 2.2 ilustra uma representação de controle cascateado utilizando blocos fun-cionais nos dispositivos de uma rede FF, onde o valor da saída do sensor é conectado a umbloco funcional PID. Esse bloco pode ser implementado, por exemplo, em um controladorde válvula posicionadora. A saída do bloco PID é ligada ao bloco AO (saída analógica)do mesmo dispositivo.

2.3. MODELO DE COMUNICAÇÃO EM CAMADAS 13

Figura 2.2: Representação da conexão de blocos funcionais para um controle PID na redeFF [Sam 2000]

O controle da coluna de destilação pelos dispositivos da rede industrial FF será rea-lizado utilizando malhas de controle implementadas com os blocos funcionais presentesno padrão FF tal como demonstrado na figura 2.2. Essas blocos funcionais serão configu-rados no software de configuração para redes industriais SYSCON R© da SMAR.


Capítulo 3

Ambiente de Simulação

O software industrial HY SY S R© foi escolhido como ambiente de simulação de pro-cessos dentro do ambiente desenvolvido. Neste capítulo são apresentadas as principaisfuncionalidades desse software.

3.1 Apresentação do Simulador HYSYS

O software HYSYS permite a simulação em regime permanente e dinâmica de modelosde projetos de plantas; e conseqüentemente, o monitoramento de desempenho, localiza-ção de falhas, melhorias operacionais e gerência de recursos. A simulação de plantas deveser iniciada com a construção de um modelo conceitual para determinar os equipamentosbásicos requeridos no respectivo processo. Baseado no projeto conceitual pode-se cons-truir um modelo em regime permanente e direcionar uma otimização para determinar ascondições de operação mais desejáveis. Em seguida, pode-se realizar algum dimensiona-mento e cálculos de custo para as opções de processo do projeto e selecionar uma que sejaeconomicamente viável, então realizar a modelagem dinâmica para determinar estratégiasde controle apropriadas e sintonia dos controladores definidos [Hyprotech 2002b].

As figuras 3.1 a 3.3 mostram exemplos de plantas simuladas no software HYSYS.Percebe-se pelas diferentes abordagens dos exemplos a grande capacidade de que o soft-ware tem em simular plantas de diferentes níveis de complexidade da indústria de proces-samento químico.

3.2 Representação de um processo no HYSYS

A representação de um processo no HYSYS é denominada flowsheet. Um flowsheet,definido de forma genérica, trata-se de um diagrama sistemático que pretende representarde uma forma bastante simples, ordenada e facilmente compreensível as várias fases dequalquer procedimento, processo de fabricação, funcionamento de sistemas ou equipa-mentos, etc., assim como as relações de dependência entre elas.

16 CAPÍTULO 3. AMBIENTE DE SIMULAÇÃO

Figura 3.1: Planta de refrigeração para remoção de hidrocarbonetos pesados de uma cor-rente de gás natural [Hyprotech 2002c]

Figura 3.2: Planta para produção de gás propileno [Hyprotech 2002c]

Figura 3.3: Planta para produção de Etanol [Hyprotech 2002c]

3.3. OBJETOS DO HYSYS 17

Figura 3.4: Planta que processa óleo cru em sistema de fracionamento produzindo nafta,querosene, diesel e outros produtos [Hyprotech 2002c]

O PFD (Process Flow Diagram) fornece uma representação gráfica do flowsheet. NoPFD é onde se incluem as correntes de processo, unidades de operação, colunas de desti-lação e sub-flowsheets, permitindo a construção do diagrama da planta do processo dese-jado. Utilizando as ferramentas disponíveis é possível instalar, deletar, conectar, mudar deposição os objetos, verificar e editar suas propriedades. A figura 3.5 mostra o ambiente desimulação do HYSYS com a construção ainda não acabada de um flowsheetde uma plantade refrigeração para remoção de hidrocarbonetos pesados de uma corrente de gás natural.

3.3 Objetos do HYSYS

Uma das maneiras de instalar um objeto na simulação é através da palheta de objetos(Object Palette) que pode ser visualizada no lado direito do ambiente de simulação mos-trado na figura 3.5. Ela está organizada dentro das seguintes categorias da parte superiora inferior:

• Streams;• Vessels (separator, 3-phase separator, tank);• Heat Transfer Equipment;• Rotating Equipment (compressor, expander, pump);• Piping Equipment;• Solids Handling;• Reactors;• Prebuilt Columns;• Shortcut Columns;• Logicals.


Figura 3.5: Ambiente de Simulação do HYSYS

3.4 Fluid Package

No HYSYS quando se inicia uma nova simulação deve-se definir um fluid package. Umfluid package contém os componentes e métodos (por exemplo, uma Equação de Estado)que serão usados pelo HYSYS em seus cálculos para um particular flowsheet [Hyprotech2002d]. Dependendo do que é requerido em um específico flowsheet, um fluid packagetambém contém outras informações, como a caracterização do fluido de petróleo ou dereações cinéticas.

A ferramenta Simulation Basis Manager (figura 3.6) é onde se pode criar, definir emodificar um fluid package para ser usado na construção do modelo de uma planta noHYSYS.

No Simulation Basis Manager, ao se carregar no botão <ADD> da página Fluid Pkgs,o simulador abre a página Fluid Package onde o operador tem de selecionar o PropertyPackage de base. Neste pacote de base, tem-se acesso a uma lista de métodos para aestimativa das propriedades dos compostos disponíveis na base de dados do HYSYS. OProperty Pkg Filter permite filtrar a lista de métodos disponíveis, baseado no critérioapresentado na tabela 3.1.

3.4. FLUID PACKAGE 19

Figura 3.6: Ferramenta Simulation Basis Manager

Tabela 3.1: Critérios de seleção do Property Pkg FilterFILTRO DESCRIÇÃO

All Todos os Property Packages.EOSs Só equações de estado.Activity Models Só os modelos de atividade de líquidos.

Chao Seader ModelsExclusivamente os métodos semi-empíricosbaseados na equação de Chao Seader.

Vapour Pressure ModelsSomente modelos de pressão de vapor basea-dos no parâmetro K.

Miscellaneous TypesModelos que não se enquadrem em nenhumadas quatro categorias anteriores.

A seleção do property package mais adequado a um dado processo está dependentedo seguinte:

1. tipo de espécies químicas envolvidas2. condições (pressão e temperatura) a que estão sujeitas ao longo do processo3. tipo de transformações que ocorrem (condensação, vaporização, dissolução, etc.

Não existe nenhum método numérico universal que permita reproduzir rigorosamenteo comportamento de todas as espécies, em todas as condições e para todas as transforma-ções. Assim, na seleção do fluid package mais adequado é necessário ter em consideração


as especificidades particulares de cada método e ponderar a sua aplicabilidade ao processoque pretendemos construir.

Seguidamente apresentam-se algumas das principais características dos métodos nu-méricos disponíveis para a previsão de propriedades das substâncias. A informação con-tida neste capítulo deverá ser considerada sempre que se pretenda selecionar um fluidpackage.

Equações de Estado

Para óleos, gases e aplicações petroquímicas, a equação de estado Peng Robinson(PR) é geralmente o Property Package recomendado numa larga gama de condições. Estaequação descreve rigorosamente a maior parte dos sistemas mono, bi e trifásicos comelevado grau de eficiência e rigor.

Todos os métodos baseados em equações de estado e suas aplicações específicas sãodescritos na tabela 3.2.

Tabela 3.2: EOSs e suas respectivas aplicaçõesEOS DESCRIÇÃO

Kabadi Danner Este modelo é uma modificação da equação de estado SRK, demodo a melhorar as estimativas do equilíbrio vapor-líquido-líquido para sistemas de água-hidrocarbonetos, em particularpara elevadas diluições.

Lee-Kesler Plocker Este modelo é o método geral mais rigoroso para substânciasnão polares e suas misturas.

Peng Robinson Este modelo é ideal para cálculos de equilíbrio líquido-vaporassim como para o cálculo de massas específicas de líquidosem sistemas de hidrocarbonetos. Vários melhoramentos aomodelo original PR têm sido efetuados para alargar a sua gamade aplicação e para melhorar as previsões de alguns sistemasnão ideais. No entanto, em situações em que existem sistemasaltamente não ideais, é recomendado a utilização de modelosde atividade.

PRSV Esta é uma modificação da equação de estado PR a qual alargaa aplicação do método PR original para sistemas moderada-mente não ideais.

SRK Em muitos casos produz resultados comparáveis com a PR,mas a sua gama de aplicação é significativamente mais limi-tada. Este método não é fiável para sistemas não ideais.

Sour PR Combina a equação de estado de PR e o modelo de WilsonAPI-Sour aplicável a sistemas com água.

Sour SRK Combina os modelos de Soave Redlich Kwong e de WilsonAPI-Sour.

Continua


Tabela 3.2 - ContinuaçãoEOS DESCRIÇÃO

Zudkevitch Joffee É uma modificação da equação de estado Redlich Kwong.Este modelo foi criado para melhorar a previsão do equilíbriolíquido-vapor em sistemas de hidrocarbonetos, e sistemas con-tendo hidrogénio.

Modelos de Atividade

Embora os modelos baseados em equações de estado tenham provado a sua aplica-bilidade na previsão das propriedades da maior parte dos fluidos constituídos por hidro-carbonetos numa larga gama de condições operatórias, a sua aplicação tem sido limitadaa componentes essencialmente não polares ou pouco polares. Para sistemas altamentenão polares ou muito polares, devem usar-se preferencialmente modelos de atividade. Osmodelos de atividade listados na tabela 3.3 estão disponíveis no Property Package dosimulador.

Tabela 3.3: Modelos de Atividade e suas respectivas aplicaçõesMODELO DEATIVIDADE

DESCRIÇÃO

Chien Null Fornece uma plataforma consistente para aplicação dos modelosde atividade baseados em interações binárias. Permite a seleçãodo melhor modelo de atividade para cada par de espécies.

Extended NRTL Esta variação do modelo NRTL permite introduzir valores paraos parâmetros Ai j, Bi j, Ci j, Al p1i j e Al p2i j usados na definiçãodos coeficientes de atividade dos componentes. Recomenda-se aaplicação deste modelo a sistemas: i) com uma gama de pontos deebulição muito extensa entre os compostos; e ii) onde é necessárioresolver simultaneamente os equilíbrios líquido-vapor e líquido-líquido, e existe uma grande diferença de pontos de ebulição ougamas de concentração alargadas entre os componentes.

General NRTL Esta variação do modelo NRTL permite a seleção do formato daequação para os parâmetros τ e α. Recomenda-se a aplicacaodeste modelo a sistemas: i) com uma gama de pontos de ebuli-ção muito extensa entre os componentes; e ii) onde e necessarioresolver simultaneamente os equilibrios liquido-vapor e liquido-liquido, existindo uma grande diferenca de pontos de ebulição ougamas de concentração alargadas entre os componentes.

Continua


Tabela 3.3 - ContinuaçãoMODELO DEATIVIDADE

DESCRIÇÃO

Margules Este modelo representa o primeiro desenvolvimento da energia deGibbs em excesso. A equação não possui nenhuma base teóricamas é muito útil para estimativas rápidas e interpretação de resul-tados.

NRTL Esta é uma extensão da equação de Wilson. Utiliza a mecânicaestatística e a teoria da célula líquida para representar a estru-tura da fase líquida. É capaz de representar o comportamentodos equilíbrios de fases líquido-vapor, líquido-líquido e vapor-líquido-líquido.

UNIQUAC Utiliza a mecânica estatística e a teoria quasichemical de Gugge-nheim para representar a estrutura líquida. A equação é capaz derepresentar os equilíbrios de fases líquido/líquido, líquido/vapore vapor/líquido/líquido, com um rigor comparável ao da equaçãoNRTL, mas necessitando de recorrer a menos parâmetros.

Van Laar Esta equação ajusta-se perfeitamente a muitos sistemas, par-ticularmente para distribuições resultantes do equilíbrio lí-quido/líquido dos seus componentes. Pode ser usada em sistemasque exibam desvios positivos ou negativos à lei de Raoult. No en-tanto, geralmente, possuem um fraco comportamento em sistemascom hidrocarbonetos halogenados e álcoois.

Wilson É a primeira equação de coeficientes de atividade a utilizar o mo-delo da composição local para obter a expressão da energia deGibbs em excesso. Oferece uma abordagem termodinamicamenteconsistente na previsão do comportamento multicomponente apartir de parâmetros de equilíbrio binário. No entanto o modelode Wilson não pode ser usado para sistemas com duas fases líqui-das.

Modelos Chao Seader

Os métodos Chao Seader e Grayson Streed são velhos métodos empíricos. A correla-ção Grayson Streed é uma extensão do método Chao Seader com especial aplicabilidadepara o hidrogénio. No HYSYS somente são usados os valores de equilíbrio produzidospor estas correlações. O método Lee-Kesler é usado para determinar a entalpia e entropiado líquido e vapor. Esses métodos são recomendados na simulação para as aplicaçõeslistadas na tabela 3.4.


Tabela 3.4: Modelos Chao Seader e suas respectivas aplicaçõesMODELO CHAO

SEADERDESCRIÇÃO

Chao Seader Utilize este método para hidrocarbonetos pesados, onde a pressãoé inferior a 10.342 kPa (1.500 psia), e gama de temperaturas entre-17,78C e 260C.

Grayson Streed Recomendado para simular sistemas de hidrocarbonetos pesadoscom um elevado conteúdo em hidrogénio.

Modelos de Pressão de Vapor

Os modelos de pressão de vapor podem ser usados para misturas ideais a baixas pres-sões. Misturas ideais incluem sistemas de hidrocarbonetos e misturas tais como cetonas eálcoois, onde o comportamento da fase líquida é aproximadamente ideal. Estes modelospodem também ser usados como uma primeira aproximação para sistemas não ideais. Asaplicações para cada modelo de pressão de vapor estão listadas na tabela 3.5.

Tabela 3.5: Modelos de Pressão de Vapor e suas respectivas aplicaçõesMODELO DE

PRESSÃO DE VAPORDESCRIÇÃO

Antoine Este modelo é aplicável a sistemas de baixa pressão que secomportam idealmente.

Braun K10 Este modelo é estritamente aplicável a sistemas de hidrocar-bonetos pesados a baixa pressão. O modelo utiliza o métodoBraun de convergência da pressão onde, dado o ponto deebulição normal do componente, o valor de K é calculado àtemperatura do sistema e 10 psia (68,95 kPa).

Esso Tabular Este modelo é estritamente aplicável a sistemas de hidrocar-bonetos a baixa pressão. O modelo utiliza uma modificaçãodo modelo de pressão de vapor de Maxwell- Bonnel.

Miscellaneous

O grupo Miscellaneous descrito na tabela 3.6 contém Property Packages únicos e queportanto não se enquadram em nenhum dos grupos mencionados anteriormente.


Tabela 3.6: Miscellaneous e suas respectivas aplicaçõesPROPERTYPACKAGE

DESCRIÇÃO

Amine Pkg Contém modelos termodinâmicos desenvolvidos por D. B. Robin-son & Associates para o simulador (AMSIM) da sua unidade deprodução de aminas. Recomenda-se a utilização deste pacote parasimulações no HYSYS envolvendo aminas.

ASME Steam Restrito a um único componente, a água. Usa os valores constan-tes nas ASME 1967 Steam Tables.

NBS Steam Restrito a um único componente, a água. Usa os valores constan-tes nas NBS 1984 Steam Tables.

MBWR Esta é uma versão modificada da equação original de Benedict-Webb-Rubin. Este modelo de equação de estado de 32 termosé aplicável somente a um conjunto específico de componentes econdições operatórias.

3.5 Componentes Hipotéticos

O HYSYS permite a criação de componentes não existentes na base de dados, ou hi-potéticos, a partir do Hypo Manager. Componentes hipotéticos podem ser compostospuros, misturas conhecidas ou desconhecidas, ou então sólidos. Pode-se também conver-ter (ou clonar) componentes da base de dados do HYSYS em componentes hipotéticos, oque permite alterar os valores das propriedades existentes na base de dados. Existe umavasta gama de métodos de estimativa para os diversos Hypo Groups (hidrocarbonetos,álcoois, etc.) de modo a assegurar a melhor representação do comportamento do com-ponente hipotético na simulação. Adicionalmente, são fornecidos métodos de estimativadas interações binárias entre os componentes hipotéticos e os existentes na base de dados.

3.6 Análise Dinâmica e Estacionária

O comportamento das variáveis de processo pode ser analisado através de gráficos tra-çados iterativamente em função do tempo para o caso da simulação dinâmica como podeser visualizado na figura 3.7. Na simulação em regime permanente também é possívelanalisar o comportamento das variáveis de processo através da plotagem de resultadoscalculados em função de uma variável dependente versus uma independente com limitesde cálculos predefinidos pelo usuário.

3.7. AUTOMAÇÃO NO HYSYS 25

Figura 3.7: Exibição em gráficos do comportamento da variáveis de processo do HYSYS

3.7 Automação no HYSYS

O HYSYS pode funcionar como um Servidor OLE permitindo que aplicativos desen-volvidos em linguagens de programação suportadas pela tecnologia OLE Automationcomo C++, Java, PHP, Delphi, dentre outras e até mesmo ferramentas como MicrosoftVisual Basic e componentes VBA (Visual Basic for Aplications) de aplicações como Ex-cel, Word, PowerPoint e Visio possam acessar objetos e variáveis do HYSYS. O HYSYStambém permite o aumento de suas funcionalidades através da adição de novas extensõesna forma de Pacotes de Propriedades, Unidades de Operação e Reações Cinéticas escri-tas em uma linguagem de programação que suporte OLE Automation como as citadasanteriormente [Hyprotech 2002a].


Capítulo 4

Controle de Coluna de Destilação

A proposta deste capítulo é fornecer um entendimento do funcionamento da coluna dedestilação. No trabalho em questão, ela será simulada no HYSYS e controlada pelos dis-positivos da rede FF com o objetivo de testar a comunicação entre essa rede e o simulador,verificando a real eficácia da rede em supervisionar/controlar uma planta simulada. A co-luna de destilação simulada faz parte dos exemplos presentes no pacote de instalação doHYSYS e já apresenta as suas malhas de controle definidas. Essas malhas de controle serãosubstituídas por algoritmos de controle executados nos microprocessadores dos dispositi-vos da rede FF. Nesse capítulo serão discutidos algumas das principais características deuma coluna de destilação bifásica e do seu controle, assim como, quais informações emregime estacionário auxiliam no projeto e avaliação desses sistemas de controle.

4.1 Coluna de Destilação

Colunas de destilação são largamente usadas em indústrias químicas e petroquímicaspara separar componentes químicos em correntes de produtos com diferentes graus depureza. Essa separação é baseada nas diferenças em volatilidade entre os vários compo-nentes químicos. Em uma coluna de destilação, os componentes mais voláteis, ou leves,são removidos do topo da coluna, e os de menos volatilidade, ou pesados, são removidosda base da coluna [BUCKLEY et al. 1985].

4.1.1 Partes Principais

As partes que compõe uma coluna de destilação, ilustradas na figura 4.1, são:

• coluna;• seção de esgotamento;• seção de retificação;• refervedor;• condensador;• tanque de refluxo;

28 CAPÍTULO 4. CONTROLE DE COLUNA DE DESTILAÇÃO

• acumulador de produto de fundo (base da coluna).

Figura 4.1: Esquema geral de uma coluna de destilação [MARANGONI 2005]

Zanata [ZANATA 2005] explica o funcionamento e as três partes principais que com-põe uma coluna de destilação (coluna, condensador e refervedor):

Coluna é um grande tubo cilíndrico com diâmetro que pode variar de alguns centímetrosaté alguns metros. No interior desta podem-se encontrar as bandejas ou recheios.As primeiras são como discos que preenchem todo o diâmetro da coluna e possuemum vertedouro longitudinal que mantém uma lamina de líquido sobre eles. Estespratos ou bandejas recebem o líquido proveniente de um prato superior, que descepor uma abertura e passam líquido, que transborda do vertedouro, para um pratoinferior. Os pratos possuem furos pelos quais o vapor oriundo do prato inferiorpassa formando bolhas que aquecem o líquido. Nestes furos podem ser adaptadascapas ou válvulas para melhorar o rendimento da passagem do vapor. Já os recheiostem por finalidade provocar o contato das fases líquida-vapor.

Condensador é um trocador de calor, responsável por condensar o vapor que chega aotopo da coluna, através da retirada de calor deste, normalmente utilizando água fria,mas também pode ser realizada com ar. Pode ser parcial ou total, de acordo coma parcela do vapor que é condensado neste. Os condensadores parciais permitem aretirada do destilado também na forma de vapor, o que é mais freqüentemente em-pregado. O líquido condensado em parte é devolvido à coluna para ser processado

4.1. COLUNA DE DESTILAÇÃO 29

novamente, este é denominado refluxo, e parte é retirado como produto destiladofinal.

Refervedor também efetua troca de calor, assim como o condensador, porém, aquecendoo líquido do seu interior e o retornando para coluna já na forma de vapor. Normal-mente fica localizado na base na coluna. No refervedor, existe uma retirada dochamado produto de base, que é a fração mais pesada do que resta na coluna.

O tanque de refluxo e o acúmulo de produto no fundo da coluna são necessários pois,normalmente, a retirada de produtos é promovido por bombas, portanto faz-se necessárioa existência de um acumulador de líquido na sucção dessas bombas para evitar a cavitaçãoda mesma, ou que as mesmas funcionem sem líquido para bombear. Além disso essesacumuladores atenuam possíveis variações na qualidade dos produtos, pois funcionamcomo tanques-pulmão [KALID n.d.].

4.1.2 Funcionamento

O ponto de partida da coluna de destilação é a entrada (mistura) que é inserida em umaregião denominada de zona de flash cuja localização depende do estado físico da misturaa ser separada e pode ser no topo, na base ou na parte central da coluna de destilação. Apartir deste estágio, ocorre a alimentação de forma contínua ou batelada da mistura a serseparada.

Em cada bandeja, existe um obstáculo (vertedouro) de sustentação do líquido (seme-lhante à borda de uma forma). Quando o nível ultrapassa a altura do vertedouro, o líquidoexcedente escoa por cima desta e desce por uma passagem para a bandeja imediatamenteinferior, iniciando um efeito em cascata, no qual o líquido começa a descer de bandeja embandeja.

Na base da coluna, está localizado o refervedor que é responsável por fornecer calorao processo. Assim, o líquido que chega até este é vaporizado e retorna para a coluna.Este vapor sobe até o prato imediatamente acima e devido à diferença de pressão atravessaos pequenos orifícios da bandeja na forma de bolhas. Esse vapor mais quente aquece olíquido da bandeja e também produzirá vapor que se juntará a este e subirão para o pratoacima e assim sucessivamente. Desta forma, estabelece-se um gradiente de temperaturaem toda coluna, mais quente na base e mais frio no topo.

As bolhas de vapor têm a função de melhorar a pureza do vapor. Assim, o vapor quesai do prato ao atravessar os pratos superiores, dependendo da temperatura e pressão queencontra, volta a liquefazer-se e desce novamente para a base, melhorando a concentraçãodos produtos, enquanto os mais voláteis sobem pelos pratos em direção ao topo da coluna.A figura 4.2 mostra em detalhes os fluxos de líquido e vapor que fluem pela coluna.

Portanto, existe ao longo da coluna um gradiente de temperatura e de pressão. Nabase, mais perto do refervedor, tem-se maior concentração do componente mais pesadoe, portanto é onde verifica-se uma maior pressão. Conforme sobe, o líquido menos volá-til predomina e a pressão diminui. Logo, a composição da mistura em cada bandeja vai


Figura 4.2: Dinâmica interna de operação da coluna

variando conforme a altura desta. O número de pratos da coluna é diretamente proporci-onal à pureza dos produtos finais. Muitos outros fatores também influenciam a pureza dodestilado, dentre eles: tipo de prato, tipo de encapsulamento, distância entre pratos, etc.

O vapor que sobe pelos pratos chega ao topo da coluna e passa pelo condensadorque retira calor e o liquefaz. Uma parte deste líquido do condensador, o refluxo, voltapara o prato mais alto da coluna de onde começa a descer escorregando pelos pratos e,de acordo com a temperatura que possui, o componente mais volátil volta a evaporare sobe novamente melhorando a pureza no topo da coluna. A outra parte do líquidodo condensador é retirada como produto destilado final. Se o condensador for parcial -quando liquefaz apenas uma parte do vapor que recebe - pode haver retirada também naforma de destilado vapor. Na base da coluna também é feita uma retirada do produto maispesado como produto final.

4.2 Sistema de Controle

O controle de uma unidade de destilação deve atender três necessidades básicas: man-ter o balanço de massa, atingir a qualidade desejada e atender às restrições do processo.No primeiro aspecto busca-se manter os níveis na base e no acumulador de maneira quenão ocorra nem a inundação nem o "esvaziamento"da coluna. No controle de qualidadeespera-se garantir a qualidade dos produtos, através de uma ou mais composições. Restri-ções impõem limitações em virtude da dinâmica do processo, como o uso de temperatura,vazões e pressões elevadas ou baixas [MARANGONI 2005].

[KALID n.d.] afirma que além dessas restrições operacionais típicas, as colunas dedestilação apresentam restrições hidráulicas, na separação e de transferência de calor.Nesse mesmo trabalho é explicada cada uma dessas restrições; os principais métodos

4.2. SISTEMA DE CONTROLE 31

para criação de estratégias de controle de uma coluna de destilação; regras para seleção einstalação de sensores e válvulas de controle; também, métodos para inferir importantesvariáveis de uma coluna de destilação, como por exemplo, a composição do produto desaída da mesma. Com o desenvolvimento do ambiente híbrido proposto almeja-se a cria-ção desses algoritmos para otimização de uma coluna de destilação com blocos funcionaispadrões existentes no ambiente FF.

A maior parte do conteúdo das próximas subseções deste capítulo é baseada nessecurso de controle de coluna de destilação oferecido por Kalid devido ao excelente con-teúdo, didática e forma como foi abordado o assunto. Portanto, o que não for referenciadoa seguir neste capítulo atribui-se desde já os créditos a [KALID n.d.].

4.2.1 Pares de Variáveis Controladas e Manipuladas (PV - MV)

Para a definição de um sistema de controle adequado é necessário conhecer a dinâmicado processo. O primeiro passo consiste em estudar quais variáveis do processo se desejamanter em um ponto de operação constante (variavéis controladas - PV) e quais podemser ajustadas dentro de uma faixa (variavéis manipuladas - MV). Além disso, é necessárioidentificar quais variáveis atuam como perturbações no processo [MARANGONI 2005].

A Fig. 4.3 mostra uma coluna de destilação com duas retiradas e seis válvulas decontrole. Uma dessas válvulas é utilizada para controle da produção, normalmente a davazão de alimentação (F). Porém, em alguns casos, quando a coluna opera sob demanda(on-demand), a válvula associada ao controle da produção é uma de produto. Em outrassituações, quando a limitação da vazão é devida à capacidade de troca térmica no conden-sador ou refervedor, a produção é definida pelas válvulas do fluido de resfriamento ou deaquecimento [KALID n.d.].

As variáveis indicadas na Fig. 4.3 são detalhadas a seguir:

D - vazão de destilado;B - vazão de fundo;R - vazão de refluxoF - vazão de alimentação;zi -fração molar do componente i da alimentação;QC - carga térmica do condensador;QR -carga térmica do refervedor;V - vazão do fluido de aquecimento do refervedor;RR - razão de refluxo, RR = R/D;NF - prato de alimentação;NT - número total de pratos;xDi - fração molar da substância i no destilado;xBi - fração molar da substância i no resíduo.

Duas dessas válvulas devem ser utilizadas para controle do nível do vaso de refluxo edo nível do fundo da coluna. Normalmente, o nível do tambor de topo é controlado através


Figura 4.3: Válvulas de controle em uma coluna de destilação

da manipulação da vazão de refluxo (R), do destilado (D) ou da vazão de alimentação (F),quando a carga da coluna é parcialmente vaporizada.

O nível do fundo da coluna tem como variável manipulada a vazão de fundo (B), ofluido de aquecimento do refervedor (V) ou a vazão de alimentação (F), quando a carga dacoluna está parcialmente em fase líquida e o número de pratos na seção de esgotamentonão é muito elevado.

Pares entre variáveis manipuladas do topo da coluna com variáveis controladas da baseda coluna (ou vice-versa) não são a melhor combinação pois reforçam a característica dotempo morto na coluna de destilação [HUROWITZ et al. 2003]. O tempo morto em cadaprato numa coluna de destilação é, geralmente, entre 3 e 6 segundos. Portanto, uma colunacom 30 pratos na seção de retificação, apresenta um atraso entre 1,5 e 3 minutos, entre oprato de alimentação e o fundo da coluna. Por esse motivo, normalmente, o refluxo nãoé utilizado para controlar o nível do fundo da coluna, a menos que existam menos de 30pratos e o holdup da base seja elevado (maior que 10 minutos).

A quarta válvula é utilizada para controlar a pressão na coluna. Para esta malha,normalmente a variável manipulada é a vazão de fluido refrigerante, de fluido de aqueci-mento ou da alimentação, quando esta é parcialmente vaporizada. Se em um condensadorinundado é utilizado a válvula do fluido refrigerante em 100% aberta, e uma válvula decontrole é instalada na saída do fluido condensado, restringindo a sua passagem, o níveldo trocador sobe, diminuindo a área para troca térmica com um consequente aumento na


pressão da coluna, e vice-versa.

Então restam-nos 2 válvulas. Essas podem ser utilizadas para controle da qualidadeda separação. Portanto só podemos controlar duas composições, mas não qualquer duasvariáveis. Portanto, numa separação multicomponente não é possível controlar duas oumais composições numa mesma corrente.

Outra impossibilidade ocorre quando controlamos a qualidade numa seção e na ou-tra seção da coluna queremos manipular a vazão de descarga para controlar a produção.Digamos, por exemplo, que fixamos a vazão de destilado (D). Ora se a vazão da carga éconstante, então, pelo balanço global na coluna, a vazão de resíduo é conhecida. Como aqualidade da base é controlada, o balanço molar por componente pode não ser atendido,caso o setpoint alcance valores fisicamente incompatíveis.

Os objetivos da produção normalmente exigem que os produtos sejam entregues comqualidade. Esta necessidade implica que a composição seja mantida constante[DESHPANDE 1985]. Para tanto são ajustadas a carga térmica no refervedor e a vazãode refluxo.

Segundo [REMBERG et al. 1994], [SKOGESTAD 1997], [BUCKEY et al. 1985],[SHINSKEY 1984] e [RADEMAKER et al. 1975], a maioria das colunas de destilação étratada como um sistema 5 x 5. As variáveis que se deseja controlar normalmente são osníveis da base e do acumulador, a pressão da coluna e as composições das correntes deproduto. Para atender a estas especificações, diversas combinações de pares de variáveiscontroladas e manipuladas (PV-MV) são possíveis e algumas são apresentadas na Tabela4.1.

Tabela 4.1: Alguns exemplos de pares de variáveis controladas e manipula-das para uma coluna de destilação.

NOME DAESTRUTURA

CONTROLE DE QUALIDADE CONTROLE DO BALANÇO DEMASSA

PV MV PV MVR-V Composição do topo R Nível do acumulador D

Composição da base V Nível da base BD-V Composição do topo D Nível do acumulador R

Composição da base V Nível da base BRR-V Composição do topo RR Nível do acumulador D

Composição da base V Nível da base BR-B Composição do topo R Nível do acumulador D

Composição da base B Nível da base VR-QC Composição do topo R Nível do acumulador D

Composição da base QC Nível da base BD-QC Composição do topo D Nível do acumulador R

Composição da base QC Nível da base BRR-QC Composição do topo RR Nível do acumulador D

Continua


Tabela 4.1 - ContinuaçãoNOME DA

ESTRUTURACONTROLE DE QUALIDADE CONTROLE DO BALANÇO DE

MASSAPV MV PV MV

Composição da base QC Nível da base B

A escolha entre qual par (PV-MV) deve ser usado é realizada com base em quaisvariáveis podem ser medidas e controladas com máxima exatidão. Outro fator decisivoconsiste na interação entre as malhas de controle. Em muitos casos, assume-se que amanutenção da pressão e dos níveis (ou seja, o balanço de massa) pode ser controladadesconsiderando interações, pois essas são mais fracas do que as existentes entre o con-trole da qualidade dos produtos da coluna. Assim, o sistema que era 5 x 5, passa a serconsiderado apenas 2 x 2 [SHINSKEY 1996].

O controle simultâneo de duas composições ou temperaturas é denominado de con-trole dual (dual composition control). Esta estrutura de controle, quando funciona, é amais indicada. Entretanto, em muitos casos, é impossível controlar as duas malhas, entãoapenas uma variável é controlada, controle singular (single composition control).

As vezes apenas o controle singular é possível devido a uma das seguintes razões:

1. Controle dual é mais difícil de sintonizar;2. Frequentemente a medição direta da concentração é onerosa ou mesmo impossível,

neste caso devemos utilizar a temperatura para estimar a concentração (controleinferencial). Neste caso, muitas vezes somente existe um prato no qual a mediçãoda temperatura representa adequadamente a separação.

Em muitos casos, o processo de destilação precede as etapas finais da produção deum determinado composto. Portanto o sistema de controle de uma unidade não podeser visto isolado e independente do comportamento global da indústria. Ou seja, não sepode perder de vista que a coluna é apenas uma unidade da planta, portanto afeta e éafetada por mudanças operacionais de unidades a montante ou a jusante. Sendo assim, asperturbações as que o processo está sujeito consistem em alterações na alimentação quepodem ser minimizadas através do controle das etapas precedentes à coluna de destilação[RYS 1984].

4.2.2 Graus de Liberdade

A análise dos graus de liberdade de um processo indica o número máximo de variáveiscontroladas que este processo pode ter, e pode ser obtida de duas maneiras: pela análisequantitativa do sistema e pela análise qualitativa.


No cálculo dos graus de liberdade para os propósitos de controle são eliminados al-guns graus devido às perturbações externas pois apesar da intensidade desse distúrbio serdesconhecida o processo "reconhece"(reage à perturbação), diminuindo assim os graus deliberdade. Observe que para os propósitos de projeto estacionário de colunas de destilaçãoessas variáveis aumentam os graus de liberdade.

A análise quantitativa exige o entendimento minucioso dos fenômenos físicos presen-tes no processo e é detalhado em [KALID n.d.].

Análise quantitativa

Para os propósitos do controle de processos a definição de graus de liberdade de umsistema tem uma pequena diferença em relação a definição utilizada no projeto de umprocesso. O grau de liberdade (L) pode ser definido como:

L = X− (E +P+N +C) (4.1)

onde X - no de variáveis,E - no de equações,P - no de parâmetros conhecidos,N - no de distúrbios externos,C - no de controladores.

Se L for maior que 0 (zero) então o processo (ou pelo menos alguma variável de pro-cesso) não estará sob controle. Se L for menor que 0 (zero) então existem controladoresem excesso e eles estarão "brigando"entre si, um tentando suplantar o outro. Portantopara um processo estar sob controle o número de controladores deve ser igual a:

C = X− (E +P+N) (4.2)

No Apêndice D é exemplificado o cálculo do grau de liberdade de uma coluna bináriaideal.

4.2.3 Controle de Composição e de Temperatura

A finalidade de uma unidade de destilação é a separação de uma mistura em duas oumais correntes com composições especificadas, logo é essencial que seja feito o controleda qualidade do destilado ou do produto de fundo.

Para controlar a qualidade do destilado podemos manipular a vazão de refluxo (R),pois com o aumento do refluxo o destilado tende a ficar mais rico nos produtos mais leves.Analogamente a composição do produto de fundo pode ficar mais rica em substânciasmais pesadas se for aumentada a vazão do fluido de aquecimento do refervedor.

Portanto (R) é uma variável manipulada que controla, por exemplo a qualidade dodestilado (variável controlada), enquanto (V) é outra variável manipulada associada com


a qualidade do produto de fundo (variável controlada).

Porém a medição em linha da composição é uma tarefa complexa e cara. Como solu-ção alternativa utiliza-se a temperatura para inferir a composição, nestes casos a variávelcontrolada é a temperatura ou a diferença de temperatura entre dois pratos da coluna.

Temperatura × Composição

Historicamente a temperatura tem sido a variável medida mais utilizada no monito-ramento (inferência) e controle da separação, pois os instrumentos de medição de tem-peratura são simples, tem resposta rápida, são relativamente baratos e seguros, têm altapadronizações e não requerem um complicado sistema de amostragem. Em torno de 75%das colunas de destilação utilizam a temperatura para inferir a qualidade da separação.Contudo, para muitas colunas, o controle de temperatura não satisfaz os objetivos da se-paração, nesses casos a medição direta da composição deve ser considerada.

Limitações dos Termômetros

A inferência da composição a partir da temperatura só é exata para sistema binário,com a compensação da variação da pressão. Apesar disto a composição dos sistemasmulticomponentes pode ser inferida a partir da sua temperatura.

Além disso existem misturas multicomponentes não-ideais, com comportamento ter-modinâmico complexo, no qual a temperatura é um fraco indicador da composição, mesmocom a compensação da pressão. Por exemplo numa unidade de recuperação de ácido acé-tico (trata-se de uma destilação azeotrópica) o controle da temperatura tem um baixodesempenho.

Limitações dos Analisadores

Apesar do desenvolvimento de novas tecnologias para instrumentação analítica tor-narem a cada dia o uso de analisadores on-line mais viável no controle de processos, edas vantagens que o controle da composição apresenta, ainda hoje esses instrumentos temcertas limitações:

Custo: Analisadores on-line de processos geralmente tem custo inicial e de manutençãoelevados.

Estrutura auxiliar: Analisadores em-linha de processos requerem equipamentos auxili-ares (amostradores, condicionadores de amostras, padrões para calibração, ambien-tes condicionados) que devem ser projetados, comprados e mantidos.

Tempo de resposta: A maioria analisadores são relativamente lentos, particularmente seum mesmo instrumento multiplexa muitas correntes.

Aplicação específica: Ao contrário dos termômetros, os analisadores são específicos paracada aplicação.

Capítulo 5

Arquitetura Híbrida

A arquitetura do ambiente híbrido construído é composta por uma rede industrial pa-drão Foundation Fieldbus conectada a um simulador de processos químicos, o softwareHYSYS, instalado em uma computador do tipo PC. Esta abordagem permite reproduzir,de forma bastante flexível, diversas dinâmicas típicas de processos industriais, além depermitir gerar diversas situações para avaliação de algoritmos inteligentes implementadosna rede FF. O nome híbrido vem da abordagem que é adotada pelo sistema, pois este,além de trabalhar com dados reais (rede industrial), trabalha com dados simulados (plantasimulada).

A rede industrial FF foi escolhida para instrumentação da planta virtual devido acapacidade e flexibilidade de configuração, manutenção e projeto que a arquitetura FFapresenta. Entretanto, outros tipos de interfaces e protocolos (HART R©, Profibus R©,MODBUS R©, WirelessHART R©, etc) poderiam ser utilizados para monitoramento e con-trole da planta simulada. Inclusive, caso estivessem disponíveis vários desses tipos deprotocolos e interfaces no laboratório, o ambiente híbrido também serviria para escolha eteste de protocolos e interfaces adequados para uma determinada planta, já que segundo[RIBEIRO 1999], protocolos tem sido projetados para diferentes aplicações em mentee otimizados para características específicas tais como segurança, baixo custo, alto nú-mero de dispositivos conectados, o que depende do processo em questão. Portanto, cadaprotocolo pode ter vantagens para atender prioridades de uma determinada aplicação.

5.1 Componentes do Ambiente

A arquitetura desenvolvida, figura 5.1, é composta por uma rede industrial didática dotipo FF, placas de aquisição de dados, placas de conexão terminal, circuitos conversoresde loops de corrente para loops de tensão e vice-versa, e dois computadores (um é aestação de configuração e supervisão da rede industrial e outro é a estação para simulaçãoda dinâmica da planta). As placas e os circuitos conversores constituem as interfacesfísicas de interconexão dos dispositivos da rede FF com o HYSYS instalado na Estaçãode Simulação. Na Estação de Simulação existe uma interface em software, denominadaComunicação HYSYS, que lê continuamente variáveis do HYSYS, e escreve nos canais

38 CAPÍTULO 5. ARQUITETURA HÍBRIDA

da placa de saída, e ao mesmo tempo, escreve em variáveis do HSYSY, valores de sinaisprovenientes dos canais da placa de entrada.

Figura 5.1: Arquitetura do Ambiente Híbrido

Cada componente da arquitetura mostrada na figura 5.1 é detalhado nas seções queseguem.

5.2 Estações de Simulação e de Configuração/Supervisão

O computador de Configuração/Supervisão será, como o próprio nome sugere, res-ponsável pela configuração de blocos e instrumentos no barramento através do LinkingDevice, que desempenha a função de gateway entre a rede Ethernet e o barramento FF.O computador de Simulação implementa o modelo matemático da dinâmica da planta eatravés de dados coletados pela placa de aquisição de dados, recebe os sinais de controleda rede FF e disponibiliza a ela os sinais de saída do processo simulado, respeitando ascaracterísticas temporais do processo. O software industrial HYSYS R© foi escolhido comoo ambiente de simulação por apresentar na sua base de dados componentes químicos, mé-todos termodinâmicos e operações unitárias como equipamentos de separação, trocadores

5.3. REDE INDUSTRIAL DIDÁTICA 39

de calor, tubulações e válvulas permitindo a construção de modelos fieis de um vastonúmero de plantas presentes na indústria petroquímica [Hyprotech 2002b].

5.3 Rede Industrial Didática

Na barramento da rede didática presente no laboratório estão instalados 3 conversorescorrente para Fieldbus (IF), 3 conversores Fieldbus para corrente (FI), 2 transmissores depressão, um de temperatura e um controlador de rede industrial FF denominado DFI. ADFI é o Linking Device que faz a conexão dos dispositivos presentes no barramento coma rede Ethernet. Todos esses dispositivos presentes na rede didática são de fabricação daSmar R©. Abaixo explana-se um pouco à respeito dos tipos de dispositivos citados:

DFI302 - Fieldbus Universal Bridge:

É um elemento chave na arquitetura distribuída dos sistemas de controle de campo.Alia poderosas características de comunicação com acesso direto de entrada/saída econtrole avançado para aplicações contínuas e discretas. É um instrumento bastanteexpansível e indicado para pequenas e/ou complexas plantas. A DFI é um equipa-mento modular multifuncional, montado num Backpanel, no qual todos os módulossão instalados, incluindo as fontes (principal e Fieldbus), processador e impedânciade linha.

A arquitetura distribuída deste equipamento garante a alta confiabilidade mesmoem ambientes industriais hostis: sem discos rígidos, sem paredes mecânicas mó-veis. No nível de execução do software, as tarefas internas (comunicação, blocosfuncionais, supervisão, etc.) são controladas por um sistema multitarefa, garantindoassim, operação em tempo real e determinística.

O DFI302 é completamente configurado através de blocos funcionais disponíveisno padrão Foundation Fieldbus. Isso permite que o todo o sistema (DFI e equipa-mentos de campo) possa ser completamente configurado por um único aplicativo[SMAR 2003a].

IF302 - Conversor Corrente para Fieldbus com Três Canais:

É um conversor destinado a "interfacear" transmissores analógicos com a rede Fi-eldbus. Ele recebe até três sinais de corrente tipicamente de 4-20 mA ou 0-20 mAe torna-os disponíveis para o sistema Fieldbus [SMAR 2003c].

FI302 - Conversor Fieldbus para Corrente com Três Canais:

É um conversor destinado a conectar sistemas Foundation Fieldbus com atuadores


e posicionadores de válvulas de controle 4-20 mA. Este equipamento produz umasaída de 4-20 mA proporcional a entrada recebida pela rede Foundation Fieldbus[SMAR 2003b].

LD302 - Transmissor de Pressão Fieldbus:

É um transmissor para medida de pressão diferencial, absoluta e manométrica, denível e de vazão. O transmissor possui um sensor capacitivo que proporciona umaoperação segura e um excelente desempenho em campo [SMAR 2003d].

TT302 - Transmissor de Temperatura Fieldbus:

É um transmissor apropriado para a medição de temperatura usando termoresis-tências ou termopares, mas podem também aceitar outros sensores com saída emresistência ou milivoltagem, tais como pirômetros, célula de carga, indicadores deposição, etc [SMAR 2003e].

5.4 Interface de Interconexão com a Rede Industrial

Os sinais de medição e atuação na rede industrial didática presente no laboratório sãosinais de 4-20mA. Porém, esses sinais provenientes na rede Foundation Fieldbus devemser convertidos para sinais que possam ser processados pela Estação de Simulação. Paraconversão do padrão utilizado na rede Foundation Fiedlbus para o padrão usado nos com-putadores utilizou-se a interface mostrada na figura 5.2. Cada módulo desta interface édescrito a seguir.

Figura 5.2: Interface conversora de sinais

5.4. INTERFACE DE INTERCONEXÃO COM A REDE INDUSTRIAL 41

5.4.1 Placas de Aquisição de Dados

As placas de aquisição de dados correspondem aos módulos conversores analógico /digital (A/D) e digital / analógico (D/A) da interface conversora de sinais. Estas placas fo-ram adquiridas de uma empresa especializada em equipamentos deste tipo, a Advantech R©.Estas placas foram desenvolvidas exatamente para propósitos de comunicação entre PC’se redes industriais. Elas possuem várias facilidades em sua utilização seja na aquisiçãode dados da rede, seja no envio de dados à rede, pois possuem compatibilidade com algu-mas linguagens de programação, permitindo a leitura e escrita do valor das variáveis doprocesso simulado através da rede industrial Foundation Fieldbus.

As placas utilizadas são dos modelos PCI-1713 e PCI-1724U, sendo a primeira umaplaca de conversão A/D e a segunda uma placa de conversão D/A, que por sua vezsão conectadas às placas de conexão terminal PCLD-881B e ADAM-3962, respectiva-mente. As placas de conexão terminal ficam conectadas aos circuitos externos, enquantoas placas PCI estão instaladas em slots PCI do computador da Estação de Simulação.Cada placa tem 32 canais. As especificações das placas PCI-1713 e PCI-1724U po-dem ser encontradas nos seus respectivos manuais referenciados em [Advantech 1999]e [Advantech 2004].

Na interface conversora, os sinais de saída da planta são emitidos para o meio externoatravés da placa conversora D/A. A placa D/A PCI-1724U trabalha tanto com padrões desaída de tensão (-10 ∼ 10 V) assim como de loops de corrente (0 ∼ 20mA, 4 ∼ 20mA).Quando configurada para trabalhar na saída com loops de corrente, resulta que os disposi-tivos IFs da rede FF não conseguem medir essas correntes nos seus respectivos canais deentrada, pois o sentido das fontes de correntes presente em cada canal da placa é oposto aosentido que deve circular a corrente nos canais de entrada dos IFs. Devido a esta incom-patibilidade, foi optado por configurar a placa para trabalhar com loops de tensão na suasaída e utilizar um circuito conversor de loop de tensão para corrente. Esses sinais ana-lógicos provenientes do placa D/A e em seguida do circuito conversor de loop de tensãopara corrente são convertidos para sinais digitais FF pelos canais dos IFs disponibilizandoa informação no barramento.

Os FI’s convertem sinais digitais FF para sinais de corrente entre 4 e 20 mA. Naprática, esses sinais são captados por atuadores analógicos como válvulas de controle.Na arquitetura desenvolvida esses sinais de controle são enviados para planta simuladaatravés da placa conversora A/D. A placa A/D não trabalha com loops de corrente. Dessaforma, foi utilizado um circuito produzido no próprio laboratório, que converte o loopde corrente de 4-20 mA em tensões na faixa de -2 até -10 Volts, respectivamente. Comesta placa, faz-se o "interfaceamento"/ entre a placa de aquisição e o equipamento da redeFoundation Fieldbus.

5.4.2 Circuito Conversor Loop de Tensão para Corrente

No projeto da placa conversora de loops de tensão para corrente foi utilizado o XTR110,um conversor de precisão de tensão para corrente para transmissão de sinais analógicos,


da Burr-Brown R© [Burr-Brown 1993]. Ele aceita entradas de 0 a 5V ou 0 a 10V e pode serconfigurado para saídas de 4 a 20mA, 0 a 20mA, 5 a 25mA e outras faixas mais comuns.

A figura 5.3 mostra as conexões básicas necessárias para converter 0 a 10V em 4 a20mA. Outras escalas de conversão tensão-corrente requer mudanças nas conexões dospinos 3, 4, 5, 9 e 10 conforme mostrado na tabela da figura 5.3.

Figura 5.3: Configuração básica do XTR100

A placa foi projetada com 18 canais, ou seja, 18 módulos conversores trabalhando emparalelo. O circuito de cada módulo é mostrado na figura 5.4. O ajuste da corrente deoffset (4mA) é regulado pelo resistor R1 quando setado na entrada uma tensão de 0 Volt.O span é o ajuste da corrente máxima de saída usando o potenciômetro R2 quando setadona entrada uma tensão de 10 Volt.

Figura 5.4: Configuração do XTR100 para ajuste das correntes de offset (4mA) e spam(20mA)

5.4. INTERFACE DE INTERCONEXÃO COM A REDE INDUSTRIAL 43

O projeto das placas, detalhado no Apêndice A, foi realizado no editor para desenhode circuitos impressos Eagle 5.6.0. A placa impressa com os componentes soldados podeser vista na figura 5.5.

Figura 5.5: Placa com 18 módulos XTR110KP para conversão de loops de tensão emloops de corrente

5.4.3 Circuito Conversor Loop de Corrente para Tensão

Os sinais de controle analógicos provenientes da rede FF chegam na simulação atra-vés da placa A/D depois de convertidos de valores de corrente para valores equivalentes


em tensão. O princípio utilizado para essa conversão baseou-se na Lei de Ohm descritaabaixo:

Resistência (R) = Tensão (V) / Corrente (I)

Para um resistor linear de precisão no valor de 500Ω, obtemos a seguinte relaçãocorrente-tensão:

(corrente) (diferença de potencial no resistor)(4mA) ←→ (2V)

(20mA) ←→ (10V)

A figura 5.6 mostra como deve ser realizada as conexões de saída do FI302. Nela,verifica-se que o terminal positivo da fonte de alimentação é comum aos terminais po-sitivos dos equipamentos conectados a cada canal da FI. Para conversão de padrões decorrente para tensão, os equipamentos da figura em questão serão substituídos pelas resis-tências de 500Ω de forma que o terminal positivo da fonte de alimentação e que é comumàs resistências será conectado ao canal GND da placa A/D e os outros terminais das re-sistências que por sua vez estarão conectados nos diferentes canais da FI também deverãoestar conectados em um correspondente canal da placa A/D conforme mostrado na figura5.7. Portanto, nos diferentes terminais na placa A/D estarão presentes sinais negativos detensão que poderão variar de -10V até -2V.

Figura 5.6: Conexões de saída do FI302

5.5. FERRAMENTA COMUNICAÇÃO HYSYS 45

Figura 5.7: Conexões de saída do FI302 com a placa A/D para conversão de padrões decorrente para tensão

O projeto da placa com 18 módulos conversores de loop de corrente para tensão estádetalhado no Apêndice B. A figura 5.8 mostra o ambiente híbrido após todas interfacesterem sido conectadas. A montagem passo-a-passo das interfaces físicas do ambiente émostrada no Apêndice C.

5.5 Ferramenta Comunicação HYSYS

Nesta seção é descrita a interface em software, denominada de Comunicação HYSYS,desenvolvida para fazer a comunicação do HYSYS R© com a rede industrial FoundationFieldbus. A ferramenta Comunicação HYSYS permite selecionar quais variáveis da simu-lação serão monitoradas ou controladas pela rede industrial Foundation Fieldbus indepe-dente de qual planta está sendo simulada. Inicialmente é feita uma breve explanação datecnologia presente no HYSYS R© que permitiu desenvolver essa ferramenta.

5.5.1 Tecnologia OLE Automation

O HYSYS R© incorpora à sua arquitetura de software a tecnologia OLE Automation[Hyprotech 2002a]. OLE Automation é um mecanismo para a comunicação entre proces-sos baseado em Component Object Model (COM) introduzido pela Microsoft. O COM


Figura 5.8: Interfaces físicas do ambiente desenvolvido

fornece uma infra-estrutura na qual as aplicações (chamadas controladoras de automação)podem acessar e manipular dados compartilhados (chamados objetos de automação) emuma relação cliente-servidor [Microsoft 2009].

O COM disponibiliza os objetos do programa implementado com tal tecnologia paraoutras aplicações permitindo que elas interajam umas com as outras dentro do sistemaoperacional. Nessa comunicação as aplicações assumem o papel de cliente ou servidorCOM. No caso, o HYSYS R© assume a função de servidor COM e o aplicativo desenvol-vido de cliente COM.

Em [Microsoft 1995] é explicado o seguinte: um servidor COM é uma aplicação oubiblioteca que fornecem serviços para uma aplicação cliente. Um servidor COM consistede um ou mais objetos COM, em que um objeto COM é um conjunto de propriedadese métodos. Clientes COM não conhecem como um objeto COM apresenta seu serviço;a implementação do objeto fica encapsulada. Um objeto torna seus serviços disponíveisatravés de suas interfaces.

Uma interface COM fornece um meio para conduzir aos clientes quais serviços elafornecerá, sem preocupa-se com detalhes de implementação de como ou onde os objetosfornecem esses serviços. Estas características simplificam e multiplicam a utilidade deum objeto.

Tanto os objetos COM como as interfaces COM têm GUID’s (Globally Unique Iden-tifier) para a sua identificação. Um GUID é um número de 128 bits gerado por um algo-


ritmo desenvolvido pela OSF (Open Software Foundation) que combina endereço de rede,a data (em incrementos de 10 nanossegundos) e um contador. O COM prende-se ao fatode obrigar que cada interface e objeto sejam identificados de forma única em todo mundopara evitar a existência de conflitos entre diferentes versões de um produto ou de produtosdiferentes. Portanto, apesar de parecer, à primeira vista, que o número máximo de iden-tificadores (2128) gerados - para identificação única dos objetos e interfaces COM - serextremamente elevado, faz dessa exigência necessária quando consideramos a existênciada rede mundial de computadores.

Quando um cliente solicita um serviço de um objeto COM, o cliente passa um identifi-cador de classe (CLSID) para COM. Um CLSID é simplesmente um GUID que identificaum objeto COM. COM usa esse CLSID, que está registrado no registro do sistema, paralocalizar um servidor apropriado. Uma vez que o servidor é localizado, o COM executao código na memória, e apresenta uma instância do objeto para o cliente.

Partindo do pressuposto que é conhecido o vocabulário da linguagem de programaçãoC++, a tabela 5.1 (Fonte: [MATOS 2004]) faz uma comparação entre a terminologiaconvencional e a que é usada no COM.

Tabela 5.1: Comparação entre a terminologia convencional e a usada no COM.CLIENTE CONVENCIONAL(C++) COM

Cliente Um programa que requisita umserviço de um servidor.

Um programa que chama métodosCOM.

Servidor Um programa que fornece servi-ços a outros programas.

Um programa que torna os objetosCOM disponíveis a clientes COM.

Interface Um apontador para um grupo defunções que são chamadas atravésdo COM.

Classe Um tipo de dado. Define um grupode métodos e dados que são utili-zados em conjunto.

A definição de um objeto que im-plementa uma ou mais interfacesCOM. Também conhecido comococlass.

Objeto Uma instância de uma classe. Uma instância de uma coclass.

Os conceitos apresentados relativos à plataforma COM são importantes para um me-lhor entendimento da comunicação entre o HYSYS R© e a ferramenta projetada e tambémda própria implementação nas chamadas de métodos e propriedades dos objetos atravésdas interfaces expostas pelo Servidor COM que no caso é o HYSYS R©.

O aplicativo desenvolvido para medição e atuação na planta simulada denominadoComunicação HYSYS foi implementado utilizando o ambiente de desenvolvimento inte-grado (IDE) C++ Builder. Um ambiente de desenvolvimento integrado é um programade computador que reúne características e ferramentas de apoio ao desenvolvimento desoftware com o objetivo de agilizar tal processo.


5.5.2 Configuração/Operação

A ferramenta Comunicação HYSYS faz uso da tecnologia OLE Automation presenteno HYSYS R© e de conversores A/D e D/A para medição e atuação na planta simulada atra-vés da rede industrial didática Foundation Fieldbus. Entende-se por medição , a conversãode variáveis do HYSYS R© (temperatura, pressão, vazão, nível, etc) para sinais analógicosde 4-20mA e posterior leitura desses sinais por elementos IFs da rede industrial didática.Por atuação, entende-se a escrita na simulação de sinais de controle provenientes dos FIs(sinais de 4-20mA) que foram previamente convertidos para sinais digitais. Na atuação,normalmente esse sinais são de abertura de válvulas, carga térmica do condensador erefervedor.

Apresentação

O programa Comunicação HYSYS lê continuamente as variáveis de processo doHYSYS R© selecionadas pelo operador para medição e as disponibiliza na saída dos ca-nais D/A da placa de aquisição de dados. Essas variáveis correspondem a valores depressão, temperatura e vazão e são números reais que são padronizados dentro da faixade 0-10 para posterior conversão D/A.

Essa padronização é abstraída da escala de medição existente em um sensor real, deforma que, foi implementado no programa uma janela de configuração que permite ooperador especificar uma escala máxima e mínima de funcionamento para cada tipo devariável. Por exemplo, a temperatura de uma corrente de processo medida de uma si-mulação do HYSYS R© corresponde a -10C e as escalas máxima e mínima definidas noprograma foram respectivamente -50C e 50C. Esse valor medido é convertido para ou-tro correspondente na faixa de 0-10 utilizando uma relação linear. O gráfico da figura 5.9exemplifica essa conversão. Sendo assim, com todos os valores das variáveis padroniza-dos em uma escala de 0-10 é possível configurar a placa D/A para trabalhar com valoresde tensão na sua saída que serão convertidos a posteriori pelo circuito conversor V/I emsinais de 4-20mA.

Na atuação, os sinais reais de controle são convertidos para valores de abertura deválvulas, carga térmica do condensador e refervedor tendo como base as mesmas escalasmáxima e mínima configuradas pelo operador para cada tipo de variável. Esses sinaisvariam de 2 a 10 Volts e são provenientes das FIs depois de terem sidos convertidos nocircuito I/V (circuito conversor loop de corrente para tensão).

Interface Gráfica

A figura 5.10 mostra a interface gráfica inicial dessa ferramenta. Nela, os camposMÁQUINA e SIMULAÇÃO correspondem ao nome ou endereço IP da máquina na qualserá executada a aplicação HYSYS R© e o caminho do arquivo de simulação de extensão.hsc, respectivamente.


Figura 5.9: Conversão de uma variável de temperatura medida na Estação de Simulaçãopara sinais de medição reais

Figura 5.10: Interface gráfica inicial da ferramenta que faz a comunicação com oHYSYS R©

No caso da figura 5.10, quando o botão Abrir for acionado, a simulação R-3.hsc éaberta no próprio sistema, na mesma máquina onde o aplicativo Comunicação HYSYS es-tiver sendo executado. A figura 5.11 mostra o arquivo R-3.hsc correspondente a simulaçãode uma coluna de destilação.

Depois que o arquivo de simulação tiver sido carregado com sucesso, o aplicativo Co-municação HYSYS assume a nova interface gráfica mostrada na figura 5.12. Ela apresentaa representação de seis dispositivos Foundation Fieldbus, os quais correspondem aos trêsIF’s e três FI’s instalados na rede industrial presente no laboratório.

Na figura 5.12, ao clicar em uma das representações (IF ou FI), abre-se a janela deconfiguração. A figura 5.13 exibe a janela de configuração para o primeiro IF. A interfacegráfica da janela de configuração das FI’s são idênticas as de configuração das IF’s comexcessão do campo de seleção Canal D/A que para esta última é denominado Canal A/D.


Figura 5.11: Simulação de uma coluna de destilação em software industrial HYSYS R©

Nessa janela selecionam-se quais variáveis de processo serão monitoradas na plantasimulada. Para cada canal virtual do dispositivo pode-se inserir quantas variáveis desejar.Mas deve-se levar em consideração que quanto maior for o número de variáveis sendoenviadas para rede Foundation Fieldbus por meio de um mesmo canal, maior será o tempode atraso para tomada de uma nova amostragem das variáveis.

Portanto, é ideal que o operador configure os dispositivos de forma que a quantidadetotal de variáveis monitoradas fique distribuída ao longo dos canais virtuais habilitadospara envio de dados a rede FF. Como explicado anteriormente, essa funcionalidade foiimplementada no programa para resolver o problema de limitação do número de canaisfísicos à época.

Cada canal virtual é associado a um canal de um dispositivo instalado na rede FFatravés da seleção do Canal D/A na janela Configuração IF ou do Canal A/D na janelaConfiguração FI. Portanto, as variáveis listadas nesses canais serão enviadas ou recebidascomo forma de sinal analógico através das interfaces de interconexão com a rede.

Os canais de entrada das IF’s são ligados fisicamente aos canais do módulo V/I conec-tado a placa de conexão terminal da placa D/A. Já os canais de saída das FI’s são ligadasàs entradas dos canais de conversão A/D através do módulo I/V. Portanto, a seleção doCanal D/A (IF virtual) ou do Canal A/D (FI virtual) na janela de configuração deve serfeita com base na estrutura da rede física montada.


Figura 5.12: Interface gráfica da ferramenta que faz a comunicação com o HYSYS R©depois ter carregado com sucesso as informações do arquivo de simulação aberto

Figura 5.13: Janela para configuração dos dispositivos FF virtuais


Em Ferramentas->Opções é possível configurar se mais de uma variável vai ser en-viada através de um mesmo canal 5.14. Isso é feito movendo um determinado "canal deinformação" para atuar como "canal de controle". Para cada canal que vai enviar maisde uma variável deve existir um canal de controle associado. Essa funcionalidade foiimplementada pois a placa D/A antiga presente no laboratório apresenta apenas 4 canaisconversores, o que limitava o número de variáveis que poderiam ser enviadas para redeFF.

Figura 5.14: Janela "Opções"da ferramenta Comunicação HYSYS

Para que as informações possam ser separadas na "Estação de Configuração/Supervisão"foi desenvolvido um multiplexador com blocos funcionais do ambiente Foundation Field-bus [MARTINS et al. 2008]. Para a aba "Canais A/D" está opção está desabilitada, pois aplaca A/D apresenta 32 canais.

No HYSYS R©, acessando Tools->Databook (figura 5.15), defini-se quais variáveis po-derão ser lidas e/ou escritas pela ferramenta Comunicação HYSYS associando as variáveisadicionadas previamente na aba "Variables" com as DataTables criadas na aba "ProcessData Tables".

Figura 5.15: Janela de configuração Databook do HYSYS R©


Clicando-se em "Importar variáveis..." em 5.13, abre-se a janela "Tabelas" (figura5.16) para importação das variáveis de Databook.

Figura 5.16: Janela "Tabelas" da ferramenta Comunicação HYSYS para importação devariáveis

Ao apertar o botão "OK" da janela "Tabelas", a janela "Configuração IF1" lista todasas variáveis que serão enviadas pelo "Canal 1" do "IF1". No caso, como mais de umavariável vai ser enviada por esse canal, foi necessário especificar também qual será o"Canal de Controle"(figura 5.17).

Figura 5.17: Janela para configuração dos dispositivos FF virtuais depois da importaçãode variáveis do HYSYS R©

Quando o botão verde Iniciar (figura (5.18) da área de configuração das IF’s ou dasFI’s for acionado, a simulação será iniciada. No acionamento do botão Iniciar da primeiraárea, será ativada a medição real na planta simulada. Da mesma maneira, será ativada aatuação real na planta simulada quando o botão Iniciar da área de configuração das FI’sfor acionado. A simulação será parada somente quando os dois botões vermelhos (Parar)das áreas de configuração das FI’s e IF’s estiverem acionados.


Figura 5.18: Botões de início/parada para medição e/ou atuação das variáveis de processoda planta simulada no HYSYS R©

Quando a ferramenta Comunicação HYSYS estiver medindo ou atuando na planta efor apertado um dos botões correspondentes a um dispositivo virtual (FI ou IF) apareceráa respectiva janela de configuração (figura 5.17), mas agora mostrando o comportamentodinâmico para a variável selecionada com o seu valor sendo atualizado em tempo real.

Capítulo 6

Testes e Resultados

Neste capítulo serão apresentados e analisados os resultados obtidos na validação doambiente híbrido. Os primeiros testes realizados foram para verificar se os padrões de ten-são e corrente existentes nas interfaces eletrônicas de comunicação da rede FF com a Es-tação de Simulação estavam corretos. Em seguida testou-se a comunicação da rede indus-trial FF com o simulador HYSYS e a real eficácia dessa rede em supervisionar/controlaruma planta simulada. Para isso, foi realizado o controle de uma coluna de destilação si-mulada, presente na base de dados do HYSYS, pelos dispositivos da rede industrial FFe verificado o comportamento das variáveis de processo da simulação, agora controladaspor dispositivos reais da rede industrial didática presente no laboratório.

6.1 Testes Realizados

Os primeiros testes realizados foram para assegurar que as placas de conversão D/Ae A/D conectadas respectivamente aos conversores V/I e I/V, assim como a própria redeindustrial Foundation Fieldbus estão trabalhando dentro dos padrões de tensão e correnteespecificados no Capítulo 5.

Primeiro, foram configurados no software de configuração para redes industriaisSYSCON R© da SMAR, os IFs, para leitura, e os FIs, para escrita, de sinais de 4-20mA nosseus respectivos canais, e desenvolvido um supervisório simples, no Elipse SCADA R©,para visualização e configuração desses sinais de corrente, respectivamente, para os IFs eFIs. Tanto o SYSCON R© assim como o Elipse SCADA R© estão instalados na Estação deConfiguração/Supervisão.

Na Estação de Simulação, foi utilizado o programa de teste e configuração da placaPCI-1724U para setar sinais de tensão (0∼ 10 V) nas saídas dos canais D/A e dessa formaverificar na Estação de Configuração/Supervisão se os sinais de corrente que chegam nosrespectivos canais dos IFs da rede industrial são equivalentes aos primeiros. Por exemplo,para sinais de tensão de 0V e 10V na Estação de Simulação, devemos ter respectivamentesinais de corrente de 4mA e 20mA na Estação de Configuração/Supervisão. A figura6.1 mostra essa situação para 9 canais do ambiente. Na figura 6.1.(d) verifica-se que oCanal 1 do IF-7121 está recebendo um valor de corrente acima do esperado. Então, para

56 CAPÍTULO 6. TESTES E RESULTADOS

esse caso, verificou-se a necessidade de ajuste da corrente de spam (20mA) do móduloconversor V/I conectado ao canal dessa IF.

(a) Estação de Simulação: Tensãomin setada (b) Corrente na redeFF p/ Tensãomin se-tada

(c) Estação de Simulação: Tensaomax setada (d) Corrente na redeFF p/ Tensãomax se-tada

Figura 6.1: Medição dos sinais de corrente que chegam nos canais da rede FF, (b) e (d),quando setado as tensões de 0 (a) e 10 Volt (c) na saída de 9 canais da placa D/A

6.1. TESTES REALIZADOS 57

Também foi utilizado o programa da placa PCI-1713 para verificar os valores de ten-são que chegam nos canais A/D (-2 ∼ -10 V) da Estação de Supervisão quando setadossinais de corrente de 4 até 20mA nos canais de saída dos FIs da rede industrial. A figura6.2 detalha o teste realizado.

(a) Estação de Su-pervisão: Imin setada

(b) Tensão na placa A/D p/ Imin setada

(c) Estação de Su-pervisão: Imax setada

(d) Tensão na placa A/D p/ Imax setada

Figura 6.2: Medição dos sinais de tensão que chegam nos canais da placa A/D, (b) e (d),quando configurado as correntes de 4 (a) e 20 mA (c) na saída de 6 canais FIs da rede FF

Os próximos testes realizados verificaram a medição de variáveis da planta simuladapelos dispositivos IFs da rede FF. As figuras 6.3.(a) e 6.3.(b) mostram dois desses tes-


tes realizados para validação do sistema de medição. Na parte esquerda dessas figurasé mostrado respectivamente em cada uma a leitura de uma variável de pressão e a detemperatura pela ferramenta Comunicação HYSYS. A ferramenta juntamente com a placaD/A converte essas variáveis em sinais analógicos externos que podem ser lidos pelos IFsdepois de passarem pelo circuito V/I. Os IFs foram configurados no SYSCON R© para tra-balhar com a mesma escala de medição configurada na ferramenta Comunicação HYSYSpara as variáveis monitoradas. Então, na parte esquerda de cada figura é mostrado o dis-play de indicação de medição desses sinais analógicos pelos respectivos dispositivos darede industrial FF.

(a)

(b)

Figura 6.3: Teste para validação da medição no ambiente híbrido

Por último, testou-se a comunicação da rede industrial FF com o simulador HYSYS ea real eficácia dessa rede em supervisionar/controlar uma planta simulada. Para isso, foirealizado o controle de uma coluna de destilação simulada, presente na base de dados doHYSYS, pelos dispositivos da rede industrial FF.

Nessa simulação, a estrutura de controle, pares de Variáveis Controladas e Manipu-ladas (PV-MV), já estava definida e as malhas de controle já estavam implementadasutilizando objetos de controle no próprio HYSYS. Os testes consistiram em verificar ocomportamento da simulação quando as malhas de controle passaram a ser implementa-das pelos dispositivos da rede industrial FF substituindo os objetos de controle do HYSYS.A figura 6.4 mostra passo-a-passo as atividades realizadas para migrar as malhas de con-trole implementadas no HYSYS para malhas implementadas nos dispositivos da rede FF.

6.1.T

EST

ES

RE

AL

IZA

DO

S59

Figura 6.4: Resumo de atividades para controle de uma planta simulada pelos dispositivos da rede FF


O diagrama de processo (Process Flow Diagram - PDF) da coluna de destilação si-mulada é mostrado na figura 6.5. Dentre os pares PV-MV já definidos, verificou-se quea variável de nível do acumulador destacado pela circunferência vermelha na figura 6.5,quando controlada por um bloco PID disponível na própria base de dados no HYSYS, éa que se mostrou mais adequada para estudo e realização dos testes de comunicação darede FF com o HYSYS, devido a curva de estabilização característica que apresenta, bemtípica de um sistema de 2a ordem. Portando, esses testes que serão mostrados no decorrerna dissertação.

Figura 6.5: Simulação de uma torre debutanizadora

Inicialmente foi estudado o comportamento da variável de nível desse acumuladorutilizando o próprio elemento de controle existente na simulação, denominado LIC-102,figura 6.5, para depois compará-lo ao comportamento dessa mesma variável quando con-trolada por um bloco PID instanciado nas unidades de processamento dos dispositivos FFinstalados na rede didática presente no laboratório.

Os parâmetros desse controlador como setpoint, sinal medido, sinal de controle, ga-nho, tempo integrativo, tempo derivativo, escala máxima e escala mínima equivalem res-pectivamente aos campos SP, PV, OP, Kc, τi, τd , PV Minimum e PV Maximum da janelade propriedades mostrada na figura 6.6.


Esse controlador está conectado a válvula VLV-103. Esta válvula está conectada auma corrente de saída do acumulador. Portanto se esta válvula se fecha, o nível do acu-mulador tende a subir. Caso ela se abra, o nível do acumulador descerá.

Figura 6.6: Janela de propriedades da unidade de controle presente no HYSYS

O gráfico da figura 6.7 mostra o comportamento do controlador para para um setpointde 50% (nível do tanque = 50%), Kc = 2 e τi = 5 minutos. O acumulador está inicial-mente vazio. As linhas vermelha, verde e azul correspondem respectivamente ao sinal decontrole (OP), sinal medido (PV) e setpoint (SP).

Figura 6.7: Controle PI do nível do tanque do acumulador utilizando o controlador dopróprio HYSYS


Para simulação dinâmica da planta, utilizou-se o módulo Integrator do HYSYS, figura6.8. Nele pode-se configurar os parâmetros utilizados pelo HYSYS para fazer o cálculoiterativo de todas as equações da dinâmica da planta. O HYSYS utiliza o método de in-tegração de Euler para realização desses cálculos. Três parâmetros importantes precisamser entendidos, são eles:

Real Time:Quando habilitado força a integração ocorrer no tempo real da dinâmica da planta.

Real time factor:Somente é habilitado quando está no modo automático. Será o modo que nós usa-remos. Esse campo é calculado por dividir o intervalo de tempo real de uma simu-lação pelo tempo requerido pelo HYSYS para simular esse intervalo. O Real timefactor depende da capacidade de processamento do computador, onde executará asimulação, e da complexidade dessa simulação.

Step Size:Permite especificar o intervalo de integração. Para valores menores, a simulaçãoexecutará de forma mais lenta, permitindo o sistema inicializar de formar melhor,aumentando a sua estabilidade. Step Size maiores resulta em maiores velocidadede integração e normalmente devem ser definidos quando o sistema já alcançou aestabilidade.

Figura 6.8: Módulo Integrator do HYSYS


O campo Real Time não foi habilitado na nossa simulação, de forma que o tempo realque a simulação levou para acontecer foi bem menor do que levaria em condições reais.Para um o Step Size definido em 0.5, a simulação aconteceu em cerca de alguns poucosminutos e não em 2003 minutos como demonstrado no gráfico da figura 6.7.

Para o controle do nível do acumulador utilizando a rede industrial Foundation Field-bus foi implementado uma lógica de controle utilizando o software de configuração pararedes industriais SYSCON R©. A figura 6.9 mostra a implementação dessa lógica que ébaseada em blocos e descritores de dispositivos.

Figura 6.9: Lógica de blocos implementado um controlador PID para um ambiente deredes industriais Foundation Fieldbus

Com a implementação do controlador no ambiente de redes industriais FoundationFieldbus, o controlador LIC-102 pode ser excluído da planta simulada. O próximo passoé a configuração da ferramenta para medição e atuação na planta simulada (ComunicaçãoHYSYS). Essas ações são exemplificadas na figura 6.10.

No programa Comunicação HYSYS, deve ser selecionada a variável Liquid PercentLevel do acumulador (V-100) para medição e associar a variável Percentagen open daválvula VLV-103 ao canal da placa A/D conectada a um FI responsável pela atuaçãonessa válvula.

O gráfico da figura 6.11.(a) mostra o comportamento do nível do tanque para o novocontrolador implementado. Esse controlador foi sintonizado com o mesmo ganho Kc doLIC-102 e com as mesmas condições iniciais de operação: setpoint de 50% e nível doacumulador igual a 0%. O τi foi setado em 6 segundos e não em 5 minutos, como foisetado no LIC-102.

A simulação está rodando em uma velocidade muito superior do que ocorreria emcondições reais. O controlador instanciado na rede não tem como observar isso, pois nãotem acesso aos métodos do sistema simulado, diferentemente do controlador LIC-102definido no HYSYS. Portando, o τi tem que ser redefinido.


Figura 6.10: Ações realizadas para controle do nível do acumulador na planta simuladaatravés da rede FF

Os parâmetros foram escritos nas especificações do bloco funcional PID dentro doconfigurador SYSCON R©. Percebe-se que a variável de nível da figura 6.11 (malha decontrole implementado no dispositivo FI da rede FF), apresenta um tempo maior de esta-bilização do que na figura 6.7 (malha de controle implementado no HYSYS). Isso deve-seaos atrasos que a rede provoca na medição e atuação no sistema. A rede FF atualiza osseus valores no seu barramento em intervalos de tempo que dependem do macro-cicloconfigurado na mesma através do SYSCON R©. O menor tempo obtido para o macro-ciclofoi de 670ms. Levando-se em consideração que o HYSYS atualiza as suas equações parao Step Size de 0.5 em um intervalo de tempo muito menor que o macro-ciclo definido narede, o controlador implementado na rede não consegue atuar de forma tão eficaz, porquevários dados são perdidos tanto na leitura como na escrita de variáveis no HYSYS pelarede.

A figura 6.11.(b) mostra a supervisão realizada na Estação de Configuração/Supervisãodo nível do acumulador utilizando o software Elipse SCADA. A escala de tempo presentenessa figura, agora é real e portanto, agora pode-se verificar o tempo que a simulação le-vou para rodar. Nesse gráfico também é possível observar o setpoint, não mais definido naEstação de Simulação. Os sinais supervisionados agora apresentam um comportamentomais ruidoso, mais característico de um processo real. Percebe-se então que a plantasimulada está sendo supervisionada na "Estação de Configuração/Supervisão"como se amesma fosse real.


(a) Estação de Simulação - gráfico plotado no HYSYS

(b) Estação de Configuração/Supervisão - gráfico plotado no Elipse SCADA

Figura 6.11: Controle para o nível do tanque do acumulador implementado no ambientede redes industriais Foundation Fieldbus

Aumentando-se o Step Size para 1, verifica-se na figura 6.12 que a rede industrial FFnão consegue controlar a planta simulada, pois a mesma não tem a capacidade, nesse caso,de acompanhar a velocidade em que a simulação atualiza os seus dados. Quando um IFna rede faz uma amostragem do sinal analógico proveniente do Canal D/A da Estação deSimulação, um bloco PID, por exemplo, instanciado em um dispositivo FI da rede, vaidemorar pelo menos o tempo de um macro-ciclo para disponibilizar o sinal de controlecorrespondente na saída do canal da FI. E nesse intervalo de tempo, para o valor de StepSize configurado, os dados na simulação já estão completamente diferentes, fazendo comque o controle da variável de nível do acumulador assuma o comportamento oscilatóriodemonstrado na figura 6.12.


Figura 6.12: Controle do nível do acumulador pela rede FF para Step Size igual a 1

Por outro lado, para um Step Size igual a 0.1, o controlador instanciado na rede FFtem um comportamento muito parecido com aquele apresentado pelo controlador LIC-102, definido na própria Estação de Simulação. Nesse caso, a simulação está rodandoem uma velocidade mais compatível com o macro-ciclo de atualização da rede, figura6.13, permitindo que o controlador implementado no dispositivo FF da rede tenha umcomportamento satisfatório.

Mesmo diminuindo o Step Size para 0.1, a simulação demorou um tempo muito infe-rior aquele necessário caso a mesma estivesse habilitada para rodar em tempo real, campoReal time ativado, conforme pode-se observar na figura 6.13.(c). Ela executou em 30 mi-nutos, e demoraria normalmente 34 horas. Para um Step Size de 0.5, pode-se observar nafigura 6.11.(b), que a simulação executou durante 5 minutos, com a variável de processointeressada estabilizando bem próximo ao setpoint especificado.

Poderia ter-se chegado a tempos de estabilização bem menores caso outros valores deτi (tempo de integração) fossem configurados no bloco PID instanciado na rede, mas essenão é foco dos testes realizados para o trabalho em questão, que têm a função de verificaro comportamento de um processo simulado quando controlado por dispositivos reais deuma rede industrial FF.


(a) Estação de Simulação - controle implementado no HYSYS

(b) Estação de Simulação - controle implementado nos dispositivos da rede FF

(c) Estação de Configuração/Supervisão - gráfico plotado no Elipse SCADA

Figura 6.13: Controle para o nível do tanque do acumulador implementado no ambientede redes industriais Foundation Fieldbus


Portanto, os testes realizados mostram que a comunicação entre a rede FF e o HYSYSé realizada de forma satisfatória mesmo para uma simulação executando de forma bemmais rápida que a realidade, de tal forma que é possível utilizar o ambiente híbrido nacriação das mais variadas estratégias inteligentes com aplicação na otimização e controlede um vasto número de processos existentes na indústria química e petroquímica. Semcontar, que o tempo de desenvolvimento e testes das estratégias inteligentes distribuídasna rede pode ser reduzido graças a possibilidade de acelaração temporal de um processosimulado no HYSYS.

Capítulo 7

Considerações Finais

7.1 Conclusões

No trabalho foi apresentado a fundamentação teórica assim como os detalhes de pro-jeto e arquitetura para desenvolvimento do ambiente híbrido proposto. Também foi feitoum breve estudo à respeito do controle de colunas de destilação para melhor entendimentodos testes realizados para validação do ambiente.

Na Estação de Simulação está instalado um simulador de processos químicos queapresenta grande fidelidade na construção e simulação de um vasto número de plantaspresentes na indústria petroquímica, apresentando na sua base de dados componentesquímicos, métodos termodinâmicos, ferramentas para caracterização de fluidos de petró-leo e criação de componentes hipotéticos, e operações unitárias como equipamentos deseparação, trocadores de calor, tubulações e válvulas.

Sendo assim, por permitir a construção de modelos fieis de plantas reais, a escolhadesse simulador para o ambiente proposto é considerada de grande importância pois as-segura que os sensores virtuais e estratégias de controle desenvolvidas para uma plantasimulada nesse ambiente sejam eficazes quando forem transferidos para a planta real equi-valente.

Percebeu-se que o ambiente híbrido permite a implementação de algoritmos inteli-gentes no ambiente de redes industriais Foundation Fieldbus para medição indireta devariáveis de processo, detecção de falhas, degradação em sistemas de medição e imple-mentação distribuída de estratégias de controle, tornando possível criar um sistema decontrole real para uma planta simulada, como é no caso do controle da coluna de destila-ção proposto neste trabalho.

Portanto, utilizar o ambiente híbrido desenvolvido para estudo e melhoria de um de-terminado processo torna-se vantajoso, já que o mesmo auxilia no desenvolvimento deestratégias de controle mais eficientes e de algoritmos inteligentes, assim com na escolhada tecnologia e especificações de instrumentação mais adequados para o processo, nãohavendo necessidade de interferência no processo industrial real, o que acarretaria mai-ores custos financeiros e eventuais problemas de operação na planta. Sem contar que osprocessos de uma planta real estão susceptíveis a interrupções para manutenção, de tal

70 CAPÍTULO 7. CONSIDERAÇÕES FINAIS

forma que acabaria prejudicando o estudo para melhor operação da mesma.

7.2 Perspectivas e Trabalhos Futuros

As perspectivas e trabalhos futuros são as motivações apresentadas nesse trabalho.São elas:

• Estudo do comportamento dos dispostivos que serão utilizados para medição e atu-ação na planta simulada (comunicação, tempo de resposta, robustez) e se estes se-riam adequados para um projeto de instrumentação da planta física equivalente àsimulada;• Estudo das especificações que os dispositivos devem ter para atender os requisitos

de instrumentação para funcionamento correto da dinâmica da planta;• Teste e/ou criação de diferentes supervisórios para melhor monitoramento e con-

trole da planta;• Monitoramento e controle de uma planta simulada através de um sistema SCADA

(Supervisory Control And Data Acquisition), tornando possível fazer o estudo docomportamento da dinâmica da planta sem a necessidade de implementação físicada mesma;• A criação de telas de supervisório, estratégias de controle e de otimização para a

planta, e o armazenamento do histórico de variáveis em um banco de dados paracriação de estratégias inteligentes, como por exemplo, sensores de software.

No trabalho em questão, a coluna de destilação foi utilizada nos testes para validaçãodo ambiente proposto. Agora, o ambiente poderá ser utilizado para criação e teste dosprincipais métodos e estratégias de controle para uma coluna de destilação; testes paramelhor localização de sensores e válvulas de controle nessa coluna; e também, desenvol-vimento de métodos para inferir importantes variáveis de uma coluna de destilação, comopor exemplo, a composição do produto de saída da mesma. Portanto, com o desenvol-vimento do ambiente híbrido proposto almeja-se a criação desses algoritmos utilizandoblocos funcionais padrões existentes no ambiente FF para um variado número de pro-cessos da indústria química e petroquímica. Dentre eles, podemos citar, o processo dedestilação.

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Apêndice A

Layout do circuito conversor V/I

O circuito projetado apresenta 18 (dezoito) módulos conversores de loops de correntepara tensão e é constituído por 2 (duas) placas, que se encaixam. Uma (figura B.1) quepossibilita o ajuste das correntes de offset (4mA) e spam (20mA) de cada módulo (figura5.4) por um operador, através dos potenciômetros R1 e R2, e a outra (figura A.2) queimplementa as conexões necessárias no XTR110 para conversão do padrão de 0 - 10Vpara 4 - 20mA. O material necessário para desenvolvimento e encapsulamento das placasprojetadas no software Eagle 5.6.0 está descrito abaixo:

• 1 BORNE S H S MOD. KRE 02 - 2 TERMINAIS (CCI 02);• 6 BORNERS S H S MOD. KRE 03 - 3 TERMINAIS (CCI 03);• 1 CAIXA PATOLA MOD. PB 108 TE- 116 X 75 X 32;• 1 CAIXA PATOLA MOD. PB 119/2 TE - 52 X 110 X 190;• 1 CAPAC. ELET. BIPOLAR - 4,7 MF X 50 V - RADIAL;• 2 CONECTORES IDC HEADER MACHO - 20 VIAS B. PERFIL - 180 G.;• 18 RESISTORES DE CARBONO CR 25 - 0,25 W. - 56 K• 18 SOQUETES P/CIRC. INTEGRADO - 16 PINOS - ESTAMPADO;• 2 SOQUETES P/CIRC. INTEGRADO - BARRA 50P- B-USO-W• 2 SOQUETES P/CIRC. INTEGRADO - BARRA 50P- TORNEADO;• 36 TRIMPOT DE 25 VOLTAS (64W)= 3296W-1-504 = 500 K;• 0.50m FIO (CABO) PLANO TWO - 20 X 28 AWG - CINZA;• 2 CONECTORES LATCH FEMEA - 20 VIAS C/ALIVIADOR;• 1 PLACA DE FENOLITE FACE SIMPLES - 15 X 20 CM;• 1 PLACA DE FENOLITE FACE DUPLA - 15 X 20 CM e• 18 TRANSISTORES MOSFET PNP - RF9530NPBF.

76A

PÊN

DIC

EA

.L

AY

OU

TD

OC

IRC

UITO

CO

NV

ER

SOR

V/I

100k

100k

56k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

KRE1 KRE2 KRE3 KRE4 KRE5 KRE6

2520-

KRE7

R1

R2

R3R4

R5

R7

R8

R10

R11

R13

R14

R16

R17

R19

R20

R22

R23

R25

R26

R28

R29

R31

R32

R34

R35

R37

R38

R40

R41

R43

R44

R46

R47

R49

R50

R52

R53

X1 X3 X4 X5 X6 X7

X2

X8

3 3

3 3

3 3

3 3

3 3

3 3 3 3

3 3

3 3

3 3 3 3

3 3

3 3

3 3

3 3

3 3

3 3

3 3

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2

PAD3

PAD5PAD1PAD2

PAD6

PAD7

PAD8PAD9

PAD10 PAD12

PAD13

PAD14PAD15

PAD16 PAD18

PAD19

PAD20PAD21

PAD22 PAD24

PAD25

PAD26PAD27

PAD28 PAD30

PAD31

PAD32PAD33

PAD34 PAD36

PAD37

PAD38 PAD39

PAD40

PAD41 PAD42

PAD43

PAD44PAD45

PAD46 PAD48

PAD49

PAD50PAD51

PAD52 PAD54

PAD55

PAD56

PAD57

PAD58PAD59

PAD60 PAD62

PAD63

PAD64PAD65

PAD66 PAD68

PAD69

PAD70

PAD71

PAD72PAD73

PAD74 PAD76

PAD77

PAD78PAD79

PAD80 PAD82

PAD83

PAD84

PAD85

PAD86PAD87

PAD88 PAD90

PAD91

PAD92PAD93

PAD94 PAD96

PAD97

PAD98

PAD99

PAD100PAD101

PAD102 PAD104

PAD105

PAD106PAD107

PAD108

PAD110

PAD111

PAD112

PAD113

PAD114PAD115

PAD116 PAD118

PAD119

PAD120PAD121

PAD122

PAD123

PAD124

PAD125

PAD126

PAD127

R6

PAD128

R9

PAD129

R12

PAD130

R15

PAD131

R18

PAD132

R21

PAD133

R24

PAD134

R27

PAD135

R30

PAD136

R33

PAD137

R36

PAD138

R39

PAD139

R42

PAD140

R45

PAD141

R48

PAD142

R51

PAD143

R54

PAD144

X9

PAD4

PAD11

56k

56k

56k

56k

56k 56k

56k

56k

56k 56k

56k

56k

56k

56k

56k

56k

56k

BTOR1

Figura A.1: Placa 1 - para ajuste das correntes de offset (4mA) e spam (20mA) dos módulos conversores V/I da Placa 2 (figura A.2)

77

IC1

C1

PAD3

PAD5PAD1PAD2

PAD6

IC2

C2

PAD7

PAD8PAD9

PAD10 PAD12

IC3

C3

PAD13

PAD14PAD15

PAD16 PAD18

Q4

Q1

Q2

IC4

C4

PAD19

PAD20PAD21

PAD22 PAD24

Q3

IC5

C5

PAD25

PAD26PAD27

PAD28 PAD30

Q5

IC6

C6

PAD31

PAD32PAD33

PAD34 PAD36

Q6

PAD37

PAD38 PAD39

PAD40

PAD41 PAD42

IC7

C7

PAD43

PAD44PAD45

PAD46 PAD48

Q7

IC8

C8

PAD49

PAD50PAD51

PAD52 PAD54

Q8

PAD55

PAD56

IC9

C9

PAD57

PAD58PAD59

PAD60 PAD62

Q9

IC10

C10

PAD63

PAD64PAD65

PAD66 PAD68

Q10

PAD69

PAD70

IC11

C11

PAD71

PAD72PAD73

PAD74 PAD76

Q11

IC12

C12

PAD77

PAD78PAD79

PAD80 PAD82

Q12

PAD83

PAD84

IC13

C13

PAD85

PAD86PAD87

PAD88 PAD90

Q13

IC14

C14

PAD91

PAD92PAD93

PAD94 PAD96

Q14

PAD97

PAD98

IC15

C15

PAD99

PAD100PAD101

PAD102 PAD104

Q15

IC16

C16

PAD105

PAD106PAD107

PAD108

PAD110

Q16

PAD111

PAD112

IC17

C17

PAD113

PAD114PAD115

PAD116 PAD118

Q17

IC18

C18

PAD119

PAD120PAD121

PAD122 PAD124

Q18

PAD125

PAD126

PAD127

PAD128

PAD129 PAD130

PAD131

PAD132 PAD133 PAD134

PAD135

PAD136


PAD140


PAD144

PAD4PAD11

PAD17

XTR110A

4.7uFXTR110A

4.7uF

XTR110A

4.7uF

IRF9530

IRF9530

IRF9530

XTR110A

4.7uF

IRF9530

XTR110A

4.7uF

IRF9530

XTR110A

4.7uF

IRF9530

XTR110A

4.7uF

IRF9530

XTR110A

4.7uF

IRF9530XTR110A

4.7uF

IRF9530XTR110A

4.7uF

IRF9530

XTR110A

4.7uF

IRF9530

XTR110A

4.7uF

IRF9530

XTR110A

4.7uF

IRF9530

XTR110A

4.7uF

IRF9530

XTR110A

4.7uF

IRF9530

XTR110A

4.7uF

IRF9530

XTR110A

4.7uF

IRF9530

XTR110A

4.7uF

IRF9530

Figura A.2: 18 Placa 2 - 18 (dezoito) módulos conversores V/I implementados com o XTR110KP

78 APÊNDICE A. LAYOUT DO CIRCUITO CONVERSOR V/I

Apêndice B

Layout do circuito conversor I/V

O circuito projetado apresenta 18 módulos conversores de corrente para tensão. Cadamódulo é constituído de dois potenciômetros em série, um de 1K e outro de 100 (paraajuste mais fino).O material necessário para desenvolvimento e encapsulamento da placaprojetada no software Eagle 5.6.0 está descrito abaixo:

• 1 BORNE S H S MOD. KRE 02 - 2 TERMINAIS (CCI 02);• 6 BORNERS S H S MOD. KRE 03 - 3 TERMINAIS (CCI 03);• 1 CAIXA PATOLA MOD. PB 108 TE- 116 X 75 X 32;• 1 CAIXA PATOLA MOD. PB 119/2 TE - 52 X 110 X 190;• 2 CONECTORES IDC HEADER MACHO - 20 VIAS B. PERFIL - 180 G.;• 18 TRIMPOT DE 25 VOLTAS (64W)= 3296W-1-102 = 1 K;• 18 TRIMPOT DE 25 VOLTAS (64W)= 3296W-1-101 = 100 R;• 0.50m FIO (CABO) PLANO TWO - 20 X 28 AWG - CINZA;• 2 CONECTORES LATCH FEMEA - 20 VIAS C/ALIVIADOR e• 1 PLACA DE FENOLITE FACE DUPLA - 15 X 20 CM;

80A

PÊN

DIC

EB

.L

AY

OU

TD

OC

IRC

UITO

CO

NV

ER

SOR

I/V

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

100k

KRE1 KRE2 KRE3 KRE4 KRE5 KRE6

2520-

KRE7

R1

R2

R4

R5

R7

R8

R10

R11

R13

R14

R16

R17

R19

R20

R22

R23

R25

R26

R28

R29

R31

R32

R34

R35

R37

R38

R40

R41

R43

R44

R46

R47

R49

R50

R52

R53

X1 X3 X4 X5 X6 X7

X2

X8

3 3

3 3

3 3

3 3

3 3

3 3 3 3

3 3

3 3

3 3 3 3

3 3

3 3

3 3

3 3

3 3

3 3

3 3

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

31

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2

X9

BTOR1

Figura B.1: Placa com 18 módulos conversores de loops de corrente para tensão

Apêndice C

Montagem do Ambiente Proposto

82 APÊNDICE C. MONTAGEM DO AMBIENTE PROPOSTO

83

84 APÊNDICE C. MONTAGEM DO AMBIENTE PROPOSTO

Apêndice D

Graus de Liberdade em uma ColunaBinária Ideal

Para uma coluna de destilação binária ideal temos a seguinte análise quantitativa dosgraus de liberdade do sistema:

VARIÁVEIS (X):Vazão e composição da alimentação (F e z) = 2Composição nos pratos (xn e yn) = 2 · NTEscoamento líquido dos pratos (Ln) = NTHoldup de líquido nos pratos (Mn) = NTComposição do refluxo (xD) = 1Vazão de refluxo (R) = 1Vazão de destilado (D) = 1Holdup no tambor de refluxo (MD) = 1Vazões no fundo (V e B) = 2Composição da base (xB e yB) = 2Holdup da base (MB) = 1

4 · NT + 11

NÚMERO DE EQUAÇÕES (E):Balanço molar nos pratos = NTBalanço de massa total = NTEquilíbrio nos pratos = NTEquilíbrio na base = NTHidráulica = 1Balanço molar no tambor de refluxo = 1Balanço global no tambor de refluxo = 1Balanço molar na base = 1Balanço global na base = 1

4 · NT + 5

86 APÊNDICE D. GRAUS DE LIBERDADE EM UMA COLUNA BINÁRIA IDEAL

DISTÚRBIOS EXTERNOS (N):Vazão e composição da alimentação (F e z) = 2

Graus de liberdade (C) - número de controladores:

C = X− (E +N) = 4 ·NT +11− (4 ·NT +5+2) = 4 (D.1)

Portanto podemos instalar 4 controladores:

• 1 controlador do nível do tambor de refluxo (MD);• 1 controlador do nível da base da coluna (MB);• 1 controlador de composição do destilado (xD);• 1 controlador de composição do fundo (xB);

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