Controle de Processos – Introdução

Prof. Eduardo Stockler Tognetti Laboratório de Automação e Robótica (LARA)

Dept. Engenharia Elétrica - UnB

Objetivos da Apresentação

1. Visão geral dos processos industriais

2. Áreas de atuação e atribuições do engenheiro de controle e automação

3. Tópicos de controle de processos

4. Objetivos da disciplina e assuntos abordados

1. Processos industriais

Processo Químico

• Transformar matéria prima em produtos, através de operações fisicas e químicas

• Exemplos – refinaria de petróleo – usina de açúcar e álcool – amônia – ...

Processo Químico

Processo Químico

Trocadores de calor

Processo Contínuo

Processo Batelada (descontínuo)

Processo Semi-contínuo

Sistemas a Eventos Discretos

Áreas

• Petroquímica

• Papel e Celulose

• Farmacêutica

• Química

• Fertilizantes

• Mineração

• Cimento

• Açúcar e álcool

Petroquímico

Refinaria Extração

Produção de Papel

Processo Químico

2. Áreas de Atuação do Engenheiro de Controle e Automação

• Elétrica

• Acionamento

• Instrumentação

• Automação

Elétrica

Elétrica

Acionamento de Máquinas Elétricas

Acionamento

Acionamento digital Acionamento analógico

Controle da tensão do papel (Regulador Tensão -> Velocidade -> Torque)

Controle em Cascata

Rebobinadeiras

Sistemas de Controle: Rebobinadeira

Controles Desenroladeira: • Tensão da folha (célula de carga) • Torque motor (cálculo inércia bobina, perdas fricção, diâmetro, curva fluxo campo) Controles Enroladeira: • Controle dureza da bobina (pressão alívio I/P rolo suporte, função do diam.) • Divisão de carga (mestre/escravo): v mestre (RST) x overspeed com

tq_lim_sup_RSD=tq_ref_RSD (50-60% tq_total varia com diâmetro: dureza) Geral: cálculo diâmetro e espessura => controle do comprimento (critério de parada)

Instrumentação

Instrumentos

Problemas em Válvulas

Problemas em Válvulas

Pressão aplicada para destrancar

Pontos de agarramento

Pressão aplicada para pequenos trancamentos

Automação

Atribuições do Engenheiro de Processos

• Projeto – Formular fluxo de processo

– Especificar unidades de processo individuais (reatores, trocadores de calor, etc)

– Especificar variáveis de operação e meios de controlá-las

• Operação – Operar, manter e otimizar o processo

Fluxogramas de tubulação e instrumentação (P&ID , pipping and instrumentation diagram)

3. Controle de Processos Industriais

Etapas de projeto de um sistema de controle

1. Especificação dos objetivos de controle a. Objetivos de controle, produção e econômicos b. Restrições de processo: qualidade e segurança

2. Definição da estratégia de controle a. Selecionar variáveis controladas (CV); Como medir CV’s

(variáveis medidas); Como atuar nas CV’s (variáveis manipuladas); Graus de liberdade e estrutura do controle (feedback, inferência, antecipatório, siso/ mimo/ multimalha)

3. Especificação detalhada da instrumentação, hardware, software, custos

4. Construção, comissionamento, startup, operação, validação das especificações

Objetivo do Controle de Processos

Objetivos do Controle de Processos

Gerais

• Segurança

– Pessoas e equipamentos

• Motivações econômicas

– Atender especificações de qualidade

– Minimizar gastos energéticos

– Minimizar desperdícios/ consumo de insumos

– Maximizar produtividade e eficiência

– Maximizar tempo de vida dos equipamentos

• Minimizar impactos no meio-ambiente

Específicos

• Atenuar distúrbios

• Garantir estabilidade

• Otimizar desempenho ($)

• Combinação das acima

Variabilidade no Processo

• Reação desbalanceada

Produto fora de especificação

Maior consumo de matéria prima, insumos e energia

• Maior desgaste dos instrumentos de campo

Aumento do custo com manutenção e pessoal

• Paradas não prevista

Diminuição da disponibilidade da planta e produtividade

Especificação

do Produto

Set Point

Refugo e Matéria Prima

Produtividade

Qualidade do Produto

Especificação

do Produto

Redução de Custos com Matéria Prima e Energia

Redução do

Custo de

Refugos

Set Point

Impacto da

Redução de

Variabilidade

Novo Set Point

Aumento de Qualidade

Set Point

Mais perto da

especificação

Aumento de

Custos de

Matéria Prima

e Energia

$$$

Redução de Variabilidade

EFEITO DA MARGEM DE SEGURANÇA DO OPERADOR (EX.: CONTROLE DE ALVURA)

Especificação = 88 ºISO

SP = 89 ºISO

Novo SP = 88,1 ºISO

Propagação das Variabilidades

LIC

Nível

Vazão

Variabilidade

A Função do Controle

Controlador Processo SP E MV PV

Variabilidade

Deslocada

Sintonia Quantidade de

Variabilidade Deslocada

Perturbação com Freqüência e

Amplitude Variáveis

D

Redução de Variabilidade

Exemplo: Redução da Variabilidade TICXXXX - AUTO ticxxxxo.dat

07/18/2001 Temperatura Coluna

0.0 66.7 133.3 200.0 266.7

min

118.2

118.5

118.8

119.1

119.4

Deg C Time Series

Mean=118.805 2Sig=0.6755 (0.569%)

TICXXXX - AUTO ticxxxxo.dat

07/18/2001 Temperatura Coluna

118.1 118.5 118.8 119.1 119.4

Deg C

0.000

1.134

2.269

3.403

4.537

% of Total Histogram

Mean-2S=118.1 Mean+2S=119.5

TICXXXX - AUTO ticxxxxn.dat

04/02/2002 03:00:00Temperatura Coluna

0.0 66.7 133.3 200.0 266.7

min

118.2

118.5

118.8

119.1

119.4

Deg C Time Series

Mean=118.823 2Sig=0.1895 (0.159%)

TICXXXX - AUTO ticxxxxn.dat

04/02/2002 03:00:00Temperatura Coluna

118.1 118.5 118.8 119.1 119.4

Deg C

0.000

1.434

2.869

4.303

5.737

% of Total Histogram

Mean-2S=118.6 Mean+2S=119

Antes

Depois

Exemplo: Redução da Variabilidade PIC2258.PV - AUTO pic2258c.t01

07/18/2001 Pressao FA2226 (Ind DA2212)

0.0 66.7 133.3 200.0 266.7

min

3.375

3.427

3.480

3.532

3.585

Kgf/cm2 Time Series

Mean=3.50006 2Sig=0.1271 (3.63%)

PIC2258.PV - AUTO pic2258c.t01

07/18/2001 Pressao FA2226 (Ind DA2212)

136.5 102.4 68.3 34.2 0.0

min/Cycle

0.000

0.868

1.735

2.603

3.470

Var (E-3) Power Spectrum

Win=Sqr., Detr=N, Ovr= 0

PIC2258.PV - AUTO pic2258.t01

04/02/2002 Pressao FA2226 (Ind DA2212)

0.0 66.7 133.3 200.0 266.7

min

3.375

3.427

3.480

3.532

3.585

Kgf/cm2 Time Series

Mean=3.50018 2Sig=0.005567 (0.159%)

PIC2258.PV - AUTO pic2258.t01

04/02/2002 Pressao FA2226 (Ind DA2212)

136.5 102.4 68.3 34.2 0.0

min/Cycle

0.000

0.729

1.459

2.188

2.918

Var (E-6) Power Spectrum

Win=Sqr., Detr=N, Ovr= 0

Antes

Depois

Benefícios Esperados

• Redução nos consumos específicos dos insumos no processo de produção

• Redução nos consumos de energia

• Redução na geração de rejeitos

• Ampliação da disponibilidade da planta, com consequente aumento da capacidade produtiva

• Redução no custo de manutenção • Redução nas perdas produtivas

Problemas e Oportunidades

Malhas de Controle

• Estatísticas – 30% das malhas em manual

– 30% problemas em sensores, atuadores

– 20% projeto errado e/ou inadequado

– 85% mal sintonizadas (30% sem sentido)

– 85% com desempenho insatisfatório

– 90% das plantas tem um de seus turnos de operadores melhor que os outros

• Somente 20% das malhas operam melhor em automático que em manual !

Fonte: Revista Controle & Instrumentação

Problemas Típicos Encontrados

• Algumas das razões para geração da estatística anteriormente citada são: – Falta de sintonia de

controladores; – Estratégias de controle

inadequadas; – Instrumentação imprópria; – Falta de análise na escolha

da tomada de medição; – Instalações inadequadas.

O resultado, são processos de alta variabilidade.

Objetivo da disciplina

Controle de Processos

Objetivos do Curso

• Familiarizar-se com a nomenclatura de processos industriais

• Saber desenvolver modelos matemáticos dos processos mais comuns

• Conhecer e projetar as principais estratégias de controle utilizadas nas indústrias

• Desenvolver habilidades em ferramentas computacionais de simulação e projeto

Panorama da disciplina

• Definições e terminologias:

– Elementos de uma malha de controle

– Terminologia e simbologia (norma ISA)

– Diagrama de processos e instrumentação (PI&D)

• Características e modelagem de processos:

– Revisão de conceitos básicos de modelagem

– Características dos processos

– Exemplos de modelagem

– Simulação

Panorama da disciplina

Panorama da disciplina

• Válvulas de controle

– Descrição de válvulas de controle

– Tipos de válvulas de controle

– Características

Panorama da disciplina

• Controlador PID

– Algoritmos

– Técnicas de projeto

– Indicadores de desempenho

Panorama da disciplina

• Estratégias de controle de processos – Controladores tipo cascata

– Controladores tipo feedforward

– Controladores tipo razão

– Controladores tipo split-range

– Controladores tipo override

– Compensação de tempo morto

Panorama da disciplina