Controle de Processos Industriais: Desafios

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

Dept. Engenharia Elétrica - UnB

Objetivos da Apresentação

• Controle de Processos Industriais

– Contextualização

– Desafios do engenheiro de controle e automação

– Motivação

– Visão geral

Tópicos

• Processo

• Áreas de atuação

• Controle de Processo

• Exemplos

Processo

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

Operações Unitárias (operação física) e Processos Unitários (conversão química)

ALIMENTAÇÃO DA MÁQUINA

MESA PLANA (FORMAÇÃO)

PRENSAS

SECAGEM

CALANDRAGEM

ENROLADEIRA

APLICADOR

TINTA

SECAGEM

MÁQUINA DE PAPEL

Massa Rolo Jumbo

Processo Contínuo

Processo Batelada (descontínuo)

Processo Semi-contínuo

Sistemas a Eventos Discretos

Processos Industriais

• Petroquímica

• Papel e Celulose

• Farmacêutica

• Química

• Fertilizantes

• Mineração

• Cimento

• Açúcar e álcool

Petroquímico

Refinaria Extração

Produção de Papel

Processo Químico

Áreas de Atuação

• Elétrica

• Acionamento

• Instrumentação

• Automação

Elétrica

Elétrica

Região de Atração para Sistemas de Potência (situação de falha)

Acionamento de Máquinas Elétricas

Acionamento

Acionamento digital Acionamento analógico

Modo de Controle Vetorial

Controle (3ª Malha)

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 Processo

• 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 blocos (BFD, block flow diagrams)

Tanque de

liquido TL01

Tanque de

liquido TL02

Misturador

M08

Reator

R102

Separador

S56

• Visão clara e geral do processo • Os blocos ou retângulos representam uma operação unitária ou processo unitário.

Os blocos são conectados por linhas retas que representam as correntes de fluxo do processo entre as unidades. Essas correntes de fluxo podem ser misturas de líquidos, gases e sólidos fluindo em dutos ou sólidos sendo transportados em correias transportadoras.

Caulim (Ponto normal)

Polímero Nalco 7530

Pulper

Beloit

50 m³

Separador Massa Grossa

Refinadores Caixa de Nível

B 33

Cleaner

Depurador

Douformer

Cx.

Entrada

SISTEMA DE MASSA - P2 – Col Ácida

SISTEMA DE REFUGO - P2

SISTEMA DE MASSA RECUPERADA - P2

Busan 1078

Tq 04

100 m³

Silo

ABA

Transbordo

Filtro a Disco

Água Turva

Água Clara

Tanque

PCC

Celulose Soda (não utiliza)

Tq 01

200 m³

Tq 06

200 m³

TQ Máquina 1

50 m³

TQ Máquina 2

50 m³

Silo

ABA

70 m³

TQ ABA 1

Sveen

TQ Massa Refinada

100 m³

Tq 02 (revestido)

100 m³ Tq 05 (ñ revest.)

200 m³

Tq 03

200 m³

Despastilhador

Depurador

3

4

5

6

7

1

TQ ABA 2

TQ Massa Recuperada

Tubo Flauta

Transbordo para o Tanque 3

Caixa de Desagregação

Pulper

Tq 118

Couch Pit

Cônico

SISTEMA FIBRA LONGA - P2

Pulper

Voith

32 m³

Tq Fibra Longa

90 m³

Busperse 2420

Alvejante

Caulim

Amido

Busan 1290

Sulfato (30%)

Corante Violeta

Corante Azul

Corante Vermelho

Cola

+ Sulfato

(70%)

2

8

Fluxograma do processo (PFD , process flow diagram)

• Um fluxograma de processo mostra as relações entre os principais componentes no sistema. Ele também tabula os valores projetados para o processo para os componentes nos diferentes modos de operação, tipicamente mínimo, normal e máximo.

Exemplo PFD

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

• Contém toda informação do processo necessária para a construção da planta. Estes dados incluem tamanho dos tubos (dimensionamento da tubulação e localização de toda instrumentação para ambas as correntes de processo e de utilidades).

Exemplo P&ID

Projeto de Sistemas de Controle de Plantas Industriais

Etapas de Projeto

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 Se ries

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 Se ries

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 Encontrados

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

Medição

Controle

Válvula

Processo

• Variabilidade

• Ruído

• Não-lineraridade • Projeto/conceito ruim

• Em manual

• Sintonia

• Saturada

• Com Agarramento

• Com Folga

• Distúrbios

• Mudanças do operador

• Interações entre variáveis

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

Modelagem Matemática de Processos

• Princípios de Conservação

– Balanço de Massa

– Balanço de Energia

Simulação Temporal

Estratégia de Controle

Controle Regulatório x Avançado

• Controle Regulatório: PID

• Controle Não-convencional: cascata, antecipatório , override, split range, relação

• Controle Inferencial

• Introdução ao Controle Avançado;

• Controle Robusto;

• Controle Adaptativo;

• Controle Preditivo Multivariável;

• Controle Globalmente Linearizante

Controle em Cascata: Trocador de Calor

Controles de uma coluna de destilação