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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