Controle de Processos Baseado em Esquemas de Reconfiguração

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A determinação de estratégias de controle eficientes é de fundamental importância para o atendimento da qualidade de produtos e manutenção da operabilidade em processos químicos. Assim, é necessário que sejam projetadas estruturas de controle capazes de lidar com as complexidades de plantas modernas. Entretanto, as metodologias presentes na literatura normalmente selecionam apenas uma configuração de controle, o que pode comprometer o desempenho global do processo. Diante disto, o presente trabalho considera o problema de reconfiguração da estrutura de controle para alcançar desempenho aceitável na presença de perturbações nas variáveis do processo. São propostas diretrizes, distribuídas ao longo de quatro etapas, baseadas na extensão das tarefas do projeto de estrutura de controle com a inclusão de esquemas de reconfiguração. O procedimento é aplicado a dois exemplos típicos da Engenharia Química para a determinação de políticas operacionais adequadas e validação dos esquemas de controle por meio de simulação dinâmica. Os resultados obtidos justificam a modificação em linha da configuração de controle, na medida em que é possível manter o ponto ótimo econômico do processo, atender as especificações de qualidade e recuperar operabilidade em face de uma diversidade de condições operacionais.

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CONTROLE DE PROCESSOS BASEADO EM ESQUEMAS DE RECONFIGURAO Julio Cesar Sampaio Dutra TesedeDoutoradoapresentadaaoProgramade Ps-graduao em Engenharia Qumica, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como partedosrequisitosnecessriosobtenodo ttulo de Doutor em Engenharia Qumica.Orientadores: Enrique Luis Lima Jos Carlos Costa da Silva Pinto Rio de Janeiro Agosto de 2012 CONTROLE DE PROCESSOS BASEADO EM ESQUEMAS DE RECONFIGURAO Julio Cesar Sampaio Dutra TESESUBMETIDAAOCORPODOCENTEDOINSTITUTOALBERTOLUIZ COIMBRA DE PS-GRADUAO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADEFEDERALDORIODEJANEIROCOMOPARTEDOS REQUISITOS NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE DOUTOR EM CINCIAS EM ENGENHARIA QUMICA. Examinada por: _____________________________________________ Prof. Enrique Luis Lima, D.Sc. _____________________________________________ Prof. Jos Carlos Costa da Silva Pinto, D.Sc. _____________________________________________ Prof. Argimiro Resende Secchi, D.Sc. _____________________________________________ Prof. Maurcio Bezerra de Souza Jr., D.Sc. _____________________________________________ Prof. Mrcia Peixoto Vega Domiciano, D.Sc. _____________________________________________ Dr. Euclides Almeida Neto, D.Sc. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL AGOSTO DE 2012iii Dutra, Julio Cesar Sampaio ControledeProcessosBaseadoemEsquemasde Reconfigurao/JulioCesarSampaioDutra.Riode Janeiro: UFRJ/COPPE, 2012. XVI, 177 p.: il.; 29,7 cm. Orientadores: Enrique Luis Lima Jos Carlos Costa da Silva Pinto Tese(doutorado)UFRJ/COPPE/Programade Engenharia Qumica, 2012. Referencias Bibliogrficas: p. 145-161. 1.Controledeprocessos.2.Reconfiguraode controle.3.Manutenodeoperabilidade.I.Lima, EnriqueLuisetal.II.UniversidadeFederaldoRiode Janeiro,COPPE,ProgramadeEngenhariaQumica.III. Ttulo. iv Aos meus pais, Gina e Jos, minha irm, Juliana,ao meu cunhado Vanderson, e ao meu sobrinho Arthur, pelo apoio incondicional, carinho e amor! v AGRADECIMENTOS Je t'ai attendu 100 ans dans les rues en noir et blanc blouie par la nuit, Zaz. Finalmente, a longa jornada de trabalho desta tese est finalizada. Nesta trilha, encontrei muitaspedrasquemefizeramsentirestagnado,semforaseideiasparaprosseguir. Comonapassagemacima,pordiversasvezes,asdificuldadestornarammeussonhos em preto e branco. Felizmente, a misericrdia de Deus me mostrou que esses momentos eram passageiros e colocou pessoas importantes em minha vida para afastar a solido e encontrarmuitasoportunidadesapartirdasadversidades.Comoissofoifundamental parachegarataqui,gostariaderegistrarminhagratidoquelesqueforamfuraces, ou mesmo brisas, e agitaram s minhas ideias e me deram nimo nesses anos de estudo. OmaiordetodososagradecimentoscabeunicamenteaDeus,poisEleconfiouamim flego de vida desde o princpio e restaurou minhas foras e a cor dos meus sonhos. minhafamlia,porentenderminhaausnciaemtantosmomentosimportantes,fazer valer a pena cada instante e acreditar em mim at quando eu mesmo duvidava. Aosmeusqueridosorientadores,semosquaisestetrabalhonoseriapossvel. Agradeoporteremmeacolhido,entendidominhaslimitaeseincentivadoa perseverar durante todo o grande desafio que representou o doutoramento direto. Enrique um amigo e conselheiro paciente, me resgatou de momentos bastante difceisemefezcompreenderqueosfrutosdotrabalhosotambmaqueles colhidos a partir de nosso crescimento pessoal. ZCarlosrepresentaomodelodeumgrandepesquisadoraserseguido,em toda sua paixo e entusiasmo pelo trabalho, e foi o catalisador incondicional de discusses muito importantes para o andamento desta tese. AoprofessorSigurdSkogestad,pelacolaboraodealtonvelemTrondheim,por mostrar que a Noruega tambm pode ser calorosa mesmo em pleno inverno de -30 C e pelo incentivo contnuo, mesmo estando to distante. vi Aos meus professores da UFRuralRJ, em especial aMaurcio Mancini eMrcia Vega, que despertaram a paixo pela Engenharia Qumica e pela rea de controle de processos. AosbrilhantesprofessoresdaUFRJ,ArgimiroSecchi,EvaristoBiscaiaJr,Geraldo Lippel, Jos Herskovits, Lidia Dieguez, Mrcia Dezotti, Maurcio Bezerra, Paulo Lage, Pramo Melo Jr e Vtor Teixeira, pelos conselhos e aulas brilhantes. Aos meus amigos da UFRuralRJ, Allan, Frederico, Kelly, Rodrigo e Thiago do Quinto, pelosinmerosmomentosdediverso;aoThiagoFeital,pelasdiscussesfilosficase aventurasgastronmicas;e,sobretudo,aoDiogoeWillian,companheirosdemoradia, pelas conversas importantes e por ajudarem a me tornar uma pessoa melhor. AoscompanheirostrogloditasdoLMSCPedaUFRJ,emespecialaoAndr,Carol, Cau, Bruno Oechsler, Bruno Nogueira, Dirceu, Eduardo Lemos, Fabrcio, caro, Isaas, JooBatista,Kese,Marina,SchwaabeRodrigoBrackmann,pelasdiscusses interessantes, pelas paradas para os cafs e porque, at aqui, deu pra convergir. Aos meus grandes amigos de Angra dos Reis, Almira Frana, Joo Ciriaco e Rodrigo de Lima,eaosquemeforamdadosdepresentepeloRiodeJaneiro,JorgeMarques, Edimir Andrade, Julio Suta, Daniela Neves, Mariza de Castilho e Pedro Lopes. quelesquemeacolheramemTrondheim,MatteoCicciotti,XiaoguangMa,Lisbeth Roel,PerAlbertVold,EsmaeilJahanshahi,DeeptanshuDwivedi,MagnusJacobsen, Chriss Grimholt, Mehdi Panahi, Ramprasad Yelchuru e Naresh Jayavelu. Ao Arthur, Luciana, Paula e Vera, pela ateno constante na secretria do PEQ. banca, pela pacincia e disposio para ler e avaliar este trabalho. Ao CNPq, pelo importante apoio financeiro. At aqui nos ajudou o Senhor. I Samuel 7:12. Julio Cesar Sampaio Dutra vii ResumodaTeseapresentadaCOPPE/UFRJcomopartedosrequisitosnecessrios para a obteno do grau de Doutor em Cincias (D. Sc.) CONTROLE DE PROCESSOS BASEADO EM ESQUEMAS DE RECONFIGURAO Julio Cesar Sampaio Dutra Agosto/2012 Orientadores: Enrique Luis Lima Jos Carlos Costa da Silva Pinto Programa: Engenharia Qumica A determinao de estratgias de controle eficientes de fundamental importncia paraoatendimentodaqualidadedeprodutosemanutenodaoperabilidadeem processosqumicos.Assim,necessrioquesejamprojetadasestruturasdecontrole capazesdelidarcomascomplexidadesdeplantasmodernas.Entretanto,as metodologias presentes na literatura normalmente selecionam apenas uma configurao de controle, o que pode comprometer o desempenho global do processo. Diante disto, o presente trabalho considera o problema de reconfigurao da estrutura de controle para alcanardesempenhoaceitvelnapresenadeperturbaesnasvariveisdoprocesso. Sopropostasdiretrizes,distribudasaolongodequatroetapas,baseadasnaextenso dastarefasdoprojetodeestruturadecontrolecomainclusodeesquemasde reconfigurao.OprocedimentoaplicadoadoisexemplostpicosdaEngenharia Qumicaparaadeterminaodepolticasoperacionaisadequadasevalidaodos esquemas de controle por meio de simulao dinmica. Os resultados obtidos justificam amodificaoemlinhadaconfiguraodecontrole,namedidaemquepossvel manter o ponto timo econmico do processo, atender as especificaes de qualidade e recuperar operabilidade em face de uma diversidade de condies operacionais.viii AbstractofThesispresentedtoCOPPE/UFRJasapartialfulfillmentofthe requirements for the degree of Doctor of Science (D. Sc.) PROCESS CONTROL STRATEGY BASED ON RECONFIGURATION SCHEMES Julio Cesar Sampaio Dutra August/2012 Advisors: Enrique Luis Lima Jos Carlos Costa da Silva Pinto Department: Chemical Engineering Determiningefficientcontrolstrategiesisimportanttomeetproductqualityand maintaining the operability of chemical processes. Thus, engineers must design control structurescapableofdealingwiththecomplexitiesofmodernplants.However, traditionalmethodologiesusuallyselectonlyonecontrolconfiguration,suchwaythat the process overall performance may be compromised. In this regard, the present work considerstheproblemofcontrolstructurereconfiguration,soastoachieveacceptable performancedespitedisturbancesinprocessvariables.Throughoutfoursteps,some guidelinesareproposedtoembodyreconfigurationschemesintothedesigntasksof controlstructures.Theprocedureisappliedtotwosimulatedexamples,abinary distillationcolumnandapolymerizationreactor,tofindsuitableoperationalpolicies andvalidatethecontrolschemesthroughdynamicsimulation.Theobtainedresults justifytheonlinecontrolreconfiguration,sinceitispossibletomaintaintheprocess optimumpoint,meetthequalityspecificationsandrecoveroperabilityinthefaceofa variety of operating conditions.ix SUMRIO 1.INTRODUO ...................................................................................................... 1 1.1. Apresentao ......................................................................................................... 1 1.2. Motivao .............................................................................................................. 2 1.3. Desafios na operabilidade ...................................................................................... 4 1.4. Objetivos ................................................................................................................ 6 1.5. Organizao ........................................................................................................... 8 2.PROJETO DE ESTRUTURAS DE CONTROLE .............................................. 9 2.1. Introduo .............................................................................................................. 9 2.2. Projeto de estruturas de controle ......................................................................... 11 2.2.1. Questes estruturais ..................................................................................... 14 2.2.2. Projeto de controle baseado em heursticas................................................. 18 2.2.3. Projeto de controle baseado em teoria......................................................... 19 2.3. Comentrios finais ............................................................................................... 25 3.ESQUEMAS DE RECONFIGURAO DE CONTROLE ............................. 27 3.1. Introduo ...................................................................................