IMPLANTAÇÃO DOS SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO ENG-ENGENHEIRO DE AUTOMAÇÃO

IMPLANTAÇÃO DOS SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO

ENG-ENGENHEIRO DE AUTOMAÇÃO

PROJETO - DEFINIÇÃO

Segundo o PMI (Project Management Institute - PMBoK®-2004) a definição é: “projeto é um esforço temporário empreendido para criar um produto, serviço ou resultado exclusivo”. Para alcançarmos resultados satisfatórios na realização de projetos de investimento, algumas premissas deverão ser atendidas , sendo elas:

Custo;Prazo;Escopo; eQualidade.

IMPLANTAÇÃO DOS SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO

Para que seja possível chegarmos ao êxito na implantação de novos empreendimentos de automação de processos, entendemos ser preciso definir como iremos iniciar, planejar, executar, controlar e encerrar nossos projetos. Em cada uma destas fases deverão ser gerados documentos específicos com a finalidade de garantir que o projeto inicie e termine dentro do prazo, com custos adequados e tendo como produto o escopo definido com a qualidade esperada.

PROJETOS – PORQUE FRACASSAM?

ORÇAMENTO INADEQUADO:- Estimativa de malhas inadequadas no Projeto Conceitual, que se

mostrará insuficiente após emissão do Projeto Básico;- Preços unitários de materiais e equipamentos defasados

(transmissores, válvulas de controle e on-off, cabeamentos, infraestrutura de bandejas e envelopes, SDCDs, SCMDs, etc...)

- Quantitativos destes mesmos materiais insuficientes;- Estimativa de homem hora de projeto e de montagem aquem da

necessidade.- Estimativa de homem hora de testes aquem da necessidade.


META NÃO CLARAMENTE DEFINIDA Escopo de Contratos deficiente. Um projeto em especial em

Refinarias de Petróleo é levado a cabo por uma série de Contratos. Todo contrato possui o que se chama de “Escopo”. Escopo são as obrigações e serviços que a Contratada DEVE executar. Se a descrição não inclui tudo que se pensou, ou se a soma dos diversos contratos não resulta no projeto, temos problema.

É neste momento que ocorrem os contratos emergenciais ou “aditivos” contratuais, feitos muitas vezes as pressas sem uma avaliação adequada de qualidade e custo.

Normalmente geram atrasos ao projeto. E também inadequações de qualidade.


COMUNICAÇÕES INEFICIENTE Um projeto Planejado de forma “perfeita” não seria tão sensível a problemas

de comunicação. Mesmo assim um processo de comunicação formal seria necessário para que as etapas de aprovação dos contratos fossem realizadas nos prazos necessários.

Ocorre que plano é uma “trilha” e não um “trilho” e é natural que desvios ocorram. O Plano de Comunicação deve estar apto a direcionar as comunicação de mudanças de escopo, cronograma, custo, etc... prontamente e as pessoas que necessitam da informação. Caso a comunicação seja falha ocorrerão retrabalhos e gaps as vezes críticos para o sucesso de um projeto.

Um acréscimo de custo sem a devida revisão no orçamento pode tornar um gerente de projeto insustentável. Uma alteração de cronograma pode levar a mobilização de um contingente de montadores antes do necessário gerando custo e ociosidade. Ou depois do necessário gerando atrasos.


EQUIPE POUCO PREPARADA PARA O DESAFIO A composição de uma equipe de projeto é uma arte. A busca de

profissionais adequados é difícil, em especial na atual conjuntura brasileira de crescimento. Esta é uma das razões do Prominp.

Sempre existe de fato um “pool” de profissionais e de outro lado requisitos de qualificação. É necessário pesar características individuais, riscos de determinados perfis profissionais, montando um “time” capaz de fazer a tarefa.

A função do gerente de projetos é conhecer as deficiências e monitorar o andamento dos trabalhos com foco na percepção dos riscos de cada membro da equipe.

Nunca existirá uma equipe perfeita com os perfis exatos em um projeto que tenha início, meio e fim, já que são mobilizações e desmobilizações constantes.


PLANEJAMENTO E CONTROLE INADEQUADOS Sem um plano, não há como um projeto complexo ser conduzido. São

muitas ações interdependentes que devem ser sincronizadas. Podemos nos dar ao luxo de conduzir uma reforma em nossas casas sem um plano, mas o número de ações é tão pequeno que, com bastante atenção, não haverá descompasso.

Um grande projeto as vezes tem milhões de atividades individuais. Uma das coisas que não se aprende de forma clara é o que é de fato

um PLANEJAMENTO. O documento mais comumente usado em um Planejamento é o

CRONOGRAMA, mas isto não é suficiente para um projeto ter sucesso. O Cronograma é somente o “When” dos chamados 5W1H: What,

Where, Why, Who e How. Mais modernamente temos o How much, que seria o segundo W do 5W2H.


INEXISTÊNCIA DE UM SISTEMA DE NEUTRALIZAÇÃO DE ITENS DE ALTO RISCO

Um projeto quando é planejado com 5W2H, também está incompleto.

E se uma determinada entrega não chegar no prazo? E se for crítica para o cronograma? E se isto significar deixar uma equipe de mil pessoas ociosas por meses?

Não pensem que isto é teoria, pois já vivenciei diversas vezes na prática coisas deste porte.

Um projeto bem planejado precisa de um plano de resposta a riscos e um sistema de mitigação.

Exemplo: Entregas críticas devem ser acompanhadas às vezes diariamente cada etapa de fabricação e transporte. O conhecimento do problema antecipadamente, talvez não leve a ter mil pessoas ociosas, já que se pode retardar a mobilização propositadamente.


FALTA DE COMPROMETIMENTO DAS PRINCIPAIS PARTES ENVOLVIDAS Parece uma frase simples mais existe até nomenclatura internacional para

“partes envolvidas”. STAKEHOLDERS. Stakeholders são todos os que tem algum envolvimento no projeto que

dependem dele ou tem poder de dificultá-lo: diretores, gerente do projeto, equipe de projeto, clientes, fornecedores, comunidades, áreas de controle do governo, ambientalistas, etc...

O termo Stakeholders tem sido utilizado mais atualmente para aqueles envolvidos que realmente tem poder para torná-lo um sucesso ou um fracasso. Neste sentido a gestão destes indivíduos é um ponto importante na disciplina de Gestão de Projetos.

Exemplos: Um diretor que vê o sucesso de um determinado projeto como uma ameaça a sua área irá tomar medidas, às vezes não óbvias para dificultá-lo. Porisso ele deve ser gerenciado para ver as vantagens.

Um órgão ambiental que tem alguma “richa com a empresa” não terá boa vontade na hora de negociar compensações para emição da Licença de Instalação.


PROBLEMAS NO PROJETO DE ENGENHARIA Sistema ineficiente de controle de revisões de documentação técnica e administrativa.

Imaginem comprar um equipamento com a Folha de Dados desatualizada. Chega o

equipamento e não tem como colocar em operação. Não-padronização / não-aplicação de práticas de engenharia, fazendo com que a

unidade tenha riscos operacionais inaceitáveis. Por exemplo um intertravamento de

caldeira que não obedece e norma, gerando situação até ilegal. Alto turn-over dos recursos humanos de fornecedores de serviços, em

especial partes do projeto contratado; Mudança da capacidade operacional da planta, sem revisão de Engenharia; Falta de Critérios Técnicos de Engenharia e Especificações Funcionais

Padronizadas; Homologação indevida de fornecedores, que não serão aceitas pela

operação e manutenção. Documentação final para a Manutenção sem “As-Buit”.

SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO DE REFINARIAS

LIT

SDCDCLPs

ARA

cabos

IHM

CJA

CJD

ARD

I/P

sinaldigital

VM STVM

configuração

CASAANALISADORES

PAINÉIS DEMÁQUINAS SCMD M

LS

VM M

Sinal digital: Ótico ou Par trançado (RS 485) Protocolo Mudbus, Fiedbus Foundation ou Proprietário.

Sinal elétrico: 4-20 mA 4-20 mA com Serial Hart para instrumentos inteligentes Sinal discreto ligado/desligado, aberto/fechado, etc...

Sinal elétrico para comando: 24 VCC – intertravamento – alta confiabilidade 110 VCA para contatoras de motores até 75 Kw 125 VCC para motores acima de 75 Kw Sinal pneumático: Atualmente usado apenas para acionamento de válvulas e alguns atuadores especiais como dampers de fornos.

SISTEMAS REFINARIAS – TIPOS DE SINAIS

SISTEMAS REFINARIAS – SDCD

- O SDCD ou Sistema Digital de Controle Distribuído é a evolução do controlador de painel. A idéia é de usar computadores dedicados com entradas e saídas, tanto discretas quanto analógicas, além de redes de campo e redes de controle para gerenciar e controlar processos industriais.

- A filosofia do sistema de controle digital distribuído é a de dividir os equipamentos em vários módulos funcionalmente distintos: processo, controle, operação, gerenciamento e comunicação.

- O SDCD se compõe de três elementos básicos: a interface com o processo (integrando os controladores e unidades de aquisição de dados), a Interface-Homem-Máquina (IHM) e a via de dados (data highway) que interliga as primeiras.


- A concepção original da interface homem-máquina dos SDCDs saiu da Divisão de Sistemas de Gerenciamento da Honeywell no final da década de 1970, como resultado de um estudo sobre rotinas de uso das salas de controle centralizado.

- Como para efetuar um controle eficiente, o operador deve poder observar continuamente um número de variáveis chaves, detectar qualquer anomalia no comportamento das mesmas, e tomar medidas corretivas rapidamente, podendo partir, parar e controlar o processo manualmente quando necessário, decidiu-se criar telas de grupo de variáveis, acessadas por uma ou mais tela e que o operador trabalhasse sentado, como numa cabine de avião, tendo ao seu alcance todas informações e seus comandos.

- Criou-se assim, a configuração usada até hoje do operador sentado com um teclado e um monitor a sua frente.


- O CLP ou Controlador Lógico Programável é o sistema de controle mais simples dos três aqui mostrados e foi criado inicialmente para efetuar o controle lógico de variáveis discretas, entretanto atualmente é usado para praticamente todos os tipos de controle.

- O CLP foi inventado para substituir os relés de um circuito lógico seqüencial ou combinacional par controle industrial. Por ser programável, introduziu mais flexibilidade a configuração da lógica. Basta alterar o software em vez de mudar o hardware, no caso fios e relés.

- O CLP foi concebido em 1968, a partir de uma especificação da divisão de hidramáticos da General Motors Co., como o nome de Modular Digital CONtroller, donde derivou o nome MODICON, de seu primeiro fabricante. Sua “invenção” foi atribuída a Richard (Dick) Morley.

SISTEMAS REFINARIAS – CLP

- Nos anos 70s e 80s os CLPs evoluíram muito, de sua concepção inicial, pois houve uma grande evolução na área de microprocessadores e de memórias eletrônicos. Nesta evolução se criou dois principais tipos de CLPs, os modulares e os tipo caixa única.

- Os modulares são geralmente de maior capacidade e são expansíveis pela adição de módulos de entradas e saídas. O sistema é dividido em CPU, Fonte de alimentação, módulo de comunicação e módulos específicos de entradas, saídas, discretas e analógicas, seguindo o modelo dos SDCDs.

- Já os do tipo caixa única são para uso em aplicações mais limitadas, e de custo mais baixo, onde no mesmo módulo, temos a CPU, Fonte de alimentação, módulos de entradas e saídas e módulo de comunicação todos integrados.


- Quanto a linguagens de programação, os CLPs são muito conhecidos pela linguagem “ladder diagram” ou diagrama de escada.

- Apesar de o ladder ser a linguagem mais usada, vários fabricantes foram criando suas próprias linguagens de programação de CLPs.

- Entretanto, hoje existe a norma IEC-61131-3 que define cinco padrões de linguagens a fim de permitir maior portabilidade de programas entre diferentes plataformas.

- As cinco linguagens são:a) Histograma de Contatos (ladder diagram)b) Diagrama de Blocos Funcionais (Functional Block Diagram)c) Mapa de Seqüência Funcional (Sequential Function Chart)d) Texto Estruturado (Structured Text)e) Lista de Instruções (Instruction List)


SISTEMAS REFINARIAS – CLPs DE MÁQUINAS

Compressor

- A maioria dos CLPs hoje em projetos da Indústria do Petróleo são

projetos padronizados e fabricados junto com as máquinas

(compressores, turbinas), incluindo controle e intertravamento.

- Os controles não são de processo e sim de máquina tipo rotação, anti-

surge (reinjeção de gás para manter fluxo mínimo), etc...

- Os intertravamentos são em geral desligamento por sobrerrotação,

temperatura de mancal, vibração, outros...

CLP

Turbina

SISTEMAS REFINARIAS – CLPs “PROJETADOS”

SDCD

- Alguns CLPs não são necessariamente padrões de fabricantes e podem

ser desenvolvidos especificamente para o projeto. Na maioria das vezes

são instalados junto aos SDCDs, na CCL. Comunicação Modbus RS485.

- O mais comum são para Fornos de Aquecimento. São equipamentos

que utilizam chama em câmara de combustão e o hidrocarboneto é

aquecido em tubulações, muito parecido com caldeiras.

- O intertravamento segue a lógica de proteção contra explosão: pressão

do combustível, sensor de chama, etc..., normalmente desligando o

forno.

CLP

Nas figuras a seguir, temos exemplos de cada um dos tipos de linguagem de programação para CLPs.

Texto Estruturado (Structured Text)


-A


Histograma de Contatos (Ladder Diagram)


Lista de Instruções (Instruction List)


Diagrama em blocos funcionais

NO CAMPO: Normalmente RS 485. Novos projetos em estudo cabo ótico. Rotork e Limitor: Protocolos proprietários. Coester: Informa ter Protocolo Universal, mas ainda não testado na PB.

MASTER STATION PARA SDCD: Modbus RS 485. A Master Station se encarrega da conversão do Protocolo da rede para Protocolo do SDCD.

VM VM

VM

VM

VM

VM

SDCD

MASTERSTATION

CCL

SISTEMAS REFINARIAS - STVM

SISTEMAS REFINARIAS – PROTOCOLOS

- Os protocolos de comunicação digital são “idiomas” que os transmissores conversam entre si ou com os sistemas digitais. Hoje existem mais de vinte protocolos em uso nas indústrias. Alguns exemplos são HART, FOUNDATION FIELDBUS, MODIBUS, PROFIBUS PA, PROFIBUS DP, ASI, DEVICE NET, DEVICE BUS, INTERBUS, etc.

- Neste material mostraremos uma rápida visão dos dois protocolos mais usados em Refinarias que são o HART e o Foundation Fieldbus.

SISTEMAS REFINARIAS – PROTOCOLO HART

- O protocolo HART (Highway Address Remote Transducer), um sistema que combina o padrão 4 a 20mA com a comunicação digital. É um sistema a dois fios com taxa de comunicação de 1200 bits/s (BPS) e modulação FSK (Frequency Shift Keying). O Hart é baseado no sistema mestre escravo, permitindo a existência de dois mestres na rede simultaneamente.

- As vantagens do protocolo Hart são as seguintes:Usa o mesmo par de cabos para o 4 a 20mA e para a comunicação digital;Usa o mesmo tipo de cabo usado na instrumentação analógica;Disponibilidade de equipamentos de vários fabricantes.

- As desvantagens são que existe uma limitação quanto à velocidade de transmissão das informações, e que não economiza cabeamento (precisa-se de um par de fios para cada instrumento).

SISTEMAS REFINARIAS – FIELDBUS FOUNDATION

LIT PIT TIT

LIT PIT TIT

LIT PIT TIT

SDCD- A tecnologia para rede já existia a muito tempo, mas demorou décadas

para que os fabricantes de transmissores produzissem um protocolo

único que pudesse permitir a comunicação.

- Em novos projetos substitui os transmissores, com exceção aos

dedicados a intertravamento. Além da óbvia economia de cabos, permite

mais facilmente a adoção de inteligência (calibração, etc…)

- De fato são inúmeras ilhas, com malhas afins, que permitem muitas

vezes adoção de estratégias de controle sofisticadas fora do SDCD.



- O Foundation Fieldbus (FF) é um protocolo padrão de comunicação

digital criado pela Fieldbus Foundation. Ele é bidirecional e interliga

equipamentos inteligentes de campo com sistema de controle ou

equipamentos localizados na sala de controle, conforme mostra a

figura abaixo.- Este padrão permite comunicação entre uma variedade de dispositivos, como: transmissores, válvulas, controladores, CLPs, etc. Estes dispositivos podem ser de fabricantes diferentes (Interoperabilidade), e com controle distribuído (cada instrumento tem a capacidade de processar um sinal recebido e enviar informações a outros instrumentos para correção de uma variável - pressão, vazão, temperatura, etc).- Uma grande vantagem deste protocolo é a redução do número de cabos do controlador aos instrumentos de campo - apenas um par de fios é o suficiente para a interligação de uma rede FF com até 16 instrumentos, quando alimentados diretamento do barramento e até 32, quando forem a quatro fios.

SISTEMAS REFINARIAS – SCMD

- O SCMD ou Sistema de Controle e Monitoração Distribuído, nada mais é

do que um SDCD dedicado ao uso na área elétrica. O SCMD executa

remotamente o comando e supervisão de diversos dispositivos, como

geradores, motores, disjuntores, transformadores, chaves seccionadores

e proteções elétricas. Executa também funções complexas, como

rejeição e reaceleração de cargas, registro seqüencial de eventos,

controle de demanda e fator de potência.

PAINEL MOTORESSCMD

SISTEMAS REFINARIAS – SCMD

-Fisicamente o SCMD fica próximo aos painéis dos motores para

permitir que os comandos sejam facilmente implementados.

- O SCMD recebe as informações de ligado/desligado e disponível/não

disponível, através de rede. A disponibilidade considera a existência

de tensão na gaveta, estar ou não inserida, e a possibilidade no

balanço elétrico daquele consumo de energia dadas circunstâncias do

momento.

- A função do SCMD é também realizar um tipo de intertravamento

decidindo o desligamento instantâneo de agrupamentos específicos de

motores, dado um evento de indisponibilidade, assegurando que a

queda não se propague para toda a Refinaria.

CONTROLE

CONTROLE

CONTROLE

PROJETOS DE AUTOMAÇÃO - FALHAS

VÁLVULAS DE CONTROLE DIMENSIONADAS AQUÉM OU ALÉM DE SUAS CAPACIDADES

FLUIDO SAINDOFLUIDO ENTRANDO

SEDE

PLUG

Característica da válvula é obtida no projeto do design tanto do obturador como da sede: - IGUAL PERCENTAGEM- LINEAR- ABERTURA RÁPIDA

PROJETOS DE AUTOMAÇÃO - FALHAS% VAZÃO

% ABERTURA

VÁLVULALINEAR

100

1000

% VAZÃO

% ABERTURA

VÁLVULAIGUALPERCENTAGEM

100

1000

% VAZÃO

% ABERTURA

VÁLVULAABERTURARÁPIDA

100

1000

As características da válvula se referem a um teste com pressões constantes nos flanges de entrada e saída. Não reflete o comportamento real quando inserida em sistema com tubulação e bomba.


efeito da perda de carga e curva da bomba

% VAZÃO

% ABERTURA

VÁLVULAIGUALPERCENTAGEM

100

1000

10

Quando uma válvula é colocada em uma tubulação, o fluído, ao longo do seu percurso, perde pressão. Assim, a diferença de pressão disponível nos dois flanges da válvula é menor, fazendo com que a vazão real na mesma reduza drasticamente, em especial quando se tentam vazões altas com aberturas altas das válvulas.


Em geral o fluido é deslocado através de bombas. O comportamento destes equipamentos quase sempre é uma curva em que, para vazões baixas, tem-se pressões altas. E para vazões altas têm-se pressões baixas. Isto acentua a distorção da curva da válvula de forma parecida com a perda de carga.

Desta forma, quando existe muita perda de carga em tubulação, e efeito de curva de bomba significativo opta-se sempre por válvula do tipo igual percentagem, que permite uma linearização adequada entre o sinal de abertura enviado a válvula, e a vazão real no processo.


É importante observar que a adoção deste tipo de estratégia para obter controles mais eficientes faz com que a capacidade da válvula seja reduzida. A figura mostra claramente que, naquele caso, a válvula terá de fato apenas 10% da capacidade original nominal. Ou seja, ela toda aberta terá uma passagem de 10% da vazão nominal, obtida em laboratório, sem perda de carga e efeito de bomba. A curva resultante será então transformada como segue:

% VAZÃO

% ABERTURA

100

1000

10

% VAZÃO

% ABERTURA

VÁLVULA IGUAL PERCENTAGEMLINEARIZADA

10

1000


A literatura tradicional aborda a linearização de uma válvula igual percentagem, mas não esclarece a perda de capacidade real da mesma. Esta tem sido fonte constante de erros de instrumentação, originários da uma engenharia básica deficiente e despreparada.

A detecção deste problema ocorre em geral no “start-up” da planta. A solução de contorno está normalmente na aquisição de uma válvula de tamanho maior já que para obter-se CVs maiores exige-se furos maiores na sede da válvula. Somente válvulas de maior diâmetro conseguem na maioria das vezes este efeito. É atraso certo na partida da unidade.


É importante ressaltar o perigo e de fato um erro recorrente, a utilização de válvulas lineares em sistemas com bombas e perda de carga. As distorções acabam por transformar a característica real em uma válvula de abertura rápida. Ou seja, já no inicio da abertura tem-se vazões elevadas, e no final abre-se muito para terem-se pequenos acréscimos de vazão.

Esta distorção é fonte freqüente de instabilidades em malhas de controle que acabam por tornarem-se oscilantes em uma parte da operação, e muito lentas na outra. A sintonia de sistemas de controle deste tipo torna-se muito difícil e obriga os operadores a colocarem seguidamente o controlador no manual.

Nem se fala na válvula de abertura rápida que deve ser usada somente para sistemas on-off. Onde se quer a vazão máxima no menor prazo.


MEDIDORES MAL CALIBRADOS OU COM RUÍDO OU SUB/SOBRE DIMENSIONADOS

- Problemas de calibração em geral não são causadores de atraso em partidas de unidades.

- Mas podem inserir riscos de acidentes muitas vezes graves. Ou set-point incorreto em intertravamento de equipamentos críticos pode levar que o sistema não se desloque para a condição de segurança esperada.

- Há responsabilidade civil em erros deste tipo que levem a acidentes com lesão ou morte.


CASO DO MEDIDOR DE NÍVEL DO TUBULÃO DE CALDEIRA

parede dáguamistura água/vaporbaixa densidadeescoamento natural

chama

água

vaporchaminé

tubulão

entrada água


displacer

LIT LIC

I- A medição de nível de água do tubulão é uma das variáveis mais críticas para a segurança de uma caldeira. - Originalmente as malhas de intertravamento eram projetadas com chaves fim de curso, atuando em relés dedicados a tarefa de desligar a caldeira.


- Nos projetos mais modernos, com a evolução da confiança nos CLPs, adotou-se o projeto destes intertravamentos de forma totalmente eletrônica.

- Devido ao risco de falhas destes CLPs, adotou-se a prática de sistemas triplamente redundantes. Votação 2 de 3.

- Para isto, necessitou a existência de três transmissores independentes, enviando sinal para um CLP triplamente redundante.


CASO DA PARTIDA DE CALDEIRA

- Durante partida da caldeira, após todos os testes, já no início da geração de vapor, ocorre inundação e envio de água para a rede de vapor. Com risco de destruição de palhetas das turbinas. O sistema foi parado a tempo graças a experiência de operadores após golpe de aríete ocorrido em flange de filtro.

- A investigação detectou falha no procedimento de calibração dos medidores de nível do tubulão. Como a falha foi no procedimento, o fato se estendeu para os três medidores que atuavam no intertravamento.

- O instrumentista havia calibrado o displacer para água a temperatura ambiente, considerando uma densidade próxima de 1,0. Mas a água em operação, encontrava-se a densidade muito inferior, já que a temperatura era de 280oC.

PROJETOS DE AUTOMAÇÃO – FALHAS – CONTROLE

MALHAS DE CONTROLE FUNCIONANDO MELHOR EM MODO MANUAL QUE EM MODO AUTOMÁTICO Malhas com tempo morto não considerado no Projeto Básico. Controles multivariáveis tratados como malhas separadas. Sintonias mal resolvidas por falha de comunicação entre operação e instrumentação. Não linearidades não avaliadas no Projeto Básico. Não linearidades causadas por características de válvulas. Ausência de Controles do Tipo Cascata como forma de minimizar não linearidades. Falta de Criatividade no Projeto Básico para adoção de estratégias de controle fora das convencionais.


chama

água

vaporchaminé

tubulão

moinho

ar

esteira

- sensor de peso - sensor velocidade

PIT

PICFLUXO

COMBUSTÍVEL

TEMPO MORTO


TEMPO MORTO - CASO CALDEIRA RIOCELL Tempo morto gerado pela baixa velocidade de resposta devido ao tempo para alimentar carvão, moer e injetar na câmara de combustão. Na década de 80, havia um operador dedicado a ficar o dia inteiro

SOLUÇÕES: Compensador de Tempo Morto – Melhora a performance do controle, mas continua uma malha extremamente lenta. Malhas feed forward: Necessidade de estudos profundos de quais as ações da planta causariam demanda maior ou menor de vapor, afetando a pressão.


vapor

PIT

PICFLUXOCOMBUSTÍVEL

k1

1+τ1s

Incremento da velocidade dos

rolos da secagem de bobinas de

celulose

k2

1+τ2s+INV

A função do feed-foward é antecipar o que irá acontecer. O projeto da malha em geral baseia-se no inverso da dinâmica daquela variável. Ou seja, tenta reproduzir exatamente uma neutralização do efeito na pressão. Na prática nunca é perfeita e a malha feed-back acaba por fazer as pequenas correções, e as duas ações são de fato somadas.


SISTEMAS DE PRIMEIRA ORDEM

So(t) água salgada

t

S(t) concentraçãode sal na saída

t = 0água pura deionizada

saídavertedor

S(s)G(s) = k Ts + 1

So(s)

kganho

T constante de tempo

entrada degrau saída

primeira ordem

S(t)


SISTEMAS DE SEGUNDA ORDEM

So(t)

S(t)

S(s)G1(s) = k1

T1s + 1

So(s) G2(s) = k2

T2s + 1

G(s) = k

T2s + 2ζTs + 1

So(s) S(s)

S(t)

t


SISTEMAS DE ORDEM “N”So(t)

S(t)S(t)

t

G(s) = ke-θs

T2s + 2ζTs + 1

So(s) S(s)Aproximado por um sistema de segunda ordem com tempo morto.

θ


CONTROLE MULTIVARIÁVEL Típica coluna de destilação. Pureza do produto leve controlada pela temperatura de topo. Já do produto pesado pela temperatura de fundo. Cada vez que se aumenta o vapor para aumentar a temperatura de fundo, a de topo é afetada, sendo um sistema multivariável bastante acoplado. Quando de resfria o topo ocorre o mesmo com o fundo. As respostas nas malhas não afins são lentas, dificultando adoção de controles tradicionais.

água deresfriamento

TIT

TIC 1

vapor deaquecimento

TITTIC 2

carga

produto leve

produto pesado


MALHA SIMPLES Medição de temperatura é retroalimentada no controlador com sinal negativo. Controlador compara com a temperatura desejada (set-point) e define qual abertura da válvula deve ser adotada para a correção. Com uma posição nova da válvula, o processo irá levar a temperatura a um novo patamar, que será novamente comparado. Em controles analógicos, este processo é contínuo, o que define a natureza do controlador PID.

Gp11 temperaturaset-pointtemperatura

Gc1erro abertura da válvula

_+


Gp12 bastante mais lenta em relação a T1 do que Gp11. Porque existem uma

enormidade de pratos a serem vencidos pelo vapor até chegar ao topo da torre.

Gp21

Gp12

Gc1 Gp11

_+

Gc2 Gp22_+

+

+T1

T2

V1

V2E2

E1


D21 e D12 são funções com características inversas e ao mesmo tempo diretas dos processos Gp. Por exemplo D21(s) = - Gp21(s)/Gp22(s).

Gp21

Gp12

Gc1 Gp11

_+

Gc2 Gp22_+

+

+T1

T2

D21

D12

+

aberturasválvulasCorrigidas

V1 e V2

+


As interações de controle da figura anterior podem ser representadas por um sistema matricial conforme abaixo:

Para o controle fica:

V1 Gc11 Gc12 E1

= x

V2 Gc21 Gc22 E2

T1 Gp11 Gp12 V1

= x

T2 Gp21 Gp22 V2


- Na notação vetorial, a solução matemática para a malha fechada fica:

- Note que D21/12 e Gc1/2 são projetos de Gc11/12/21/22. Para matrizes

de ordem 3 ou mais o usual é a OTIMIZAÇÃO numérica digital on-line.

T = 1

T* 1 + Gc.Gp

- Sendo T* o vetor de perturbações de temperatura. - Todas as variáveis são desvios neste equacionamento.- Note que Gc.Gp após multiplicadas e somadas com 1, ainda são matrizes. Dependendo do número de variáveis a inversão das mesmas é complexa para a solução desta equação diferencial somente factível de forma numérica.

PROJETOS DE AUTOMAÇÃO – OTIMIZAÇÃO

EXEMPLO DE OTIMIZAÇÃO EM UNIDADE DE REFINO DE PETRÓLEO

- Uma Refinaria tem como objetivo adquirir o petróleo e transformá-lo em produtos tais como GLP, nafta, gasolina, querosene, diesel, óleo combustível, asfalto e enxofre. Também produtos especiais em unidades especificas tais como propeno, coque, óleos lubrificantes, parafinas, etc...- Não somente nas Refinarias brasileiras, mas também em países desenvolvidos, muitos dos equipamentos antigos tornam-se limitantes do processamento. E são em geral equipamentos e sistemas caros, os quais tornam-se inviáveis de serem substituidos.- Nestes casos, sistemas de otimização são implantados para que, mesmo com tais limitações, possa aquela unidade proporcionar o máximo de produção e rentabilidade.


- O exemplo a seguir refere-se a um trabalho específico de uma Dissertação de Mestrado, de uma parte da REFAP que executa o fracionamento de produtos leves após Craqueamento Catalítico.- Até o momento somente estava sendo abordado o controle multivariável aplicado a estabilização. De fato a otimização é um conceito genérico na disciplina de controle em que o objetivo é atingir algo desejável para um processo industrial. Os objetivos podem ser muitos, mas basicamente se dividem em dois principais:

- estabilização,- maximização econômica.

- A maximização econômica envolve o conhecimento profundo do processo e suas implicações financeiras e de mercado.- Por exemplo maximizar a produção de diesel em uma refinaria de petróleo, em detrimento de outros produtos, se isto significar maior ganho financeiro para a empresa.


OTIMIZAÇÃO COM RESTRIÇÕES- É a forma mais usual de otimização na Indústria do Petróleo.- Baseia-se no conceito de que sempre haverá oportunidades de ganhos econômicos pela adoção de ajustes on-line nas variáveis de processo. E quanto mais rápido forem implementadas maior será o retorno.- Em geral existe algum equipamento limitante da maximização de um produto, ou mesmo no aumento do processamento. Como o processo é dinâmico e as condições (composição da carga, temperatura, disponibilidade de vapor, etc...) vão variando, “aparecem” janelas que permitem que novos parâmetros (pressão, temperatura, etc...) possam ser definidos, permitindo “tirar leite de pedra”, já que este equipamento limitante pode ter ficado com folga.


OTIMIZAÇÃO COM RESTRIÇÕES- Ocorre que, quando se tenta chegar aos limites de uma unidade, também surgem outras restrições que podem impedir a maximização. Devem ser monitoradas e controladas já que via de regra são situações que envolvem segurança.- De fato a otimização seria o que se esperaria de um operador “perfeito”. Sempre vigilante as possibilidades de aumentar o processamento, conhecendo profundamente as restrições de cada equipamento, e atuando imediatamente ao surgir oportunidades de ganho.- Ocorrem três problemas quando se analisa um ser humano real:

- Não é factível o nível de conhecimento parametrizado e quantificado necessário para a decisão de alterar o processo.

- Mesmo que tivesse o tempo de resposta seria lento.- Sempre existirá risco de infringir uma questão de segurança

desconhecida pelo operador.

Destilação Atmosférica

Destilação a Vácuo

Craqueamento Catalítico

UNIDADES DE REFINO.UNIDADES DE REFINO.

PETRÓLEO RESÍDUO

ATMOSFÉRICO

GASÓLEO

GÁS

GLP

NAFTA PETROQ

QUEROSENE

DIESEL

GÁS

GLP

GASOLINA

DIESEL

DIESEL

ÓLEO

COMBUSTÍVEL


CRAQUEAMENTO CATALÍTICO - A automação ou controle é ensinada normalmente abordando conceitos matemáticos complexos. O objetivo aqui será simplificar ao máximo a matemática e concentrar-se no problema a ser resolvido pela automação.- A destilação é um processo físico de separação dos componentes já pré-existentes no petróleo. A destilação a vácuo possibilita então a separação física dos componentes mais pesados.- Após os pesados estarem separados, parte dele, em especial o que chamamos de gasóleos, devem sofrer processo químico para que se produzam novamente componentes leves de valor comercial.- O Craqueamento eleva a temperatura destes gasóleos a mais de 400oC e mistura com um catalisador, permitindo que as macromoléculas sejam “quebradas”, em pequenas, gerando novamente gás, GLP, gasolina e diesel. Após isto então esta mistura deve ser fracionada em sistemas do tipo destilação. Então ocorre a separação física exatamente como antes.

Fluxograma Geral da FCC

RISER EREGENERADOR(CONVERSÃO)

Gasóleo + RAT

gasesquentes quench

OCLA

LCO

FRACIONADORAPRINCIPAL

ABSORVEDORAPRIMÁRIA E

RETIFICADORA

DEBUTANIZADORA

nafta

GLP

gáscombustível

GLP +nafta

RECUPERAÇÃO DE GASES

V-305

nafta deabsorção

gasolina

gasolina

GLP


CRAQUEAMENTO CATALÍTICO – RECUPERAÇÃO DE GASES- Após saírem do Conversor (Craqueamento), os gases são primeiramente separados grosseiramente na Fracionadora Principal.- Os produtos de topo, tanto líquido (próximo a gasolina) como gasoso (próximo de GLP), vão então para a Unidade de Recuperação de Gases. - Tanto este líquido como este gás são impuros e não podem ser chamados de gasolina e GLP. A gasolina está muito contaminada de gases, e os gases muito contaminados de gasolina.- A Recuperação de Gases é composta pelo vaso de carga, compressor em dois estágios, retificadora, absorvedora primária e debutanizadora.- A Retificadora tem o objetivo de permitir que a mistura gasolina e GLP de fundo esteja isenta de gás, o que é mensurado pelo teor de H2S.- A absorvedora Primária tem como objetivo remover o máximo de GLP do gás combustível, já que o primeiro possui valor comercial alto.- A Debutanizadora separa gasolina de GLP.

Primeiro Estágiode Compressão

Gás Combustível(GC)

Nafta + GLP

RETIFICADORA

Nafta de Absorção

Carga

FIC34347

ABSORVEDORAPRIMÁRIA

V-343

Segundo Estágiode Compressão

PIC39391

TIC34344

TIC34343

TIC34048

V-305

V-344

gasolina


ABSORVEDORA PRIMÁRIA E RETIFICADORA- Estes dois equipamentos, somados ao vaso de carga e sistema de compressão, compõem o sistema em estudo a ser otimizado.- O sistema possui cinco controles básicos conforme mostrado na figura anterior. São controladores PIDs convencionais.- A nafta de aborção é injetada para remover o máximo de GLP dos gases que sobem, mas está limitada em quantidade para que a torre não inunde.- A pressão do sistema é controlada pela saída de gás combustível, mas seu set afeta diretamente a potência exigida dos compressores.- A temperatura do vaso intermediário (344), é chave para que não se permita que vá muito gás para a absorvedora primária, mas se for muito baixa pode gerar muito líquido, inundando a retificadora.- A temperatura da entrada da retificadora é então aumentada com objetivo de impedir a ida de leves em excesso para este sistema.- A temperatura de fundo da Retificadora é controlada para impedir que a mistura gasolina GLP possua gases. O limite é o teor de H2S.


MODELO DE OTIMIZAÇÃO- Na figura a seguir observamos a inserção de controladores em um nível hierárquico superior ao regulatório. Portanto em nível supervisório.- A otimização proposta não terá objetivo de estabilização e sim de minimização da perda de GLP no gás combustível.- Pelo conhecimento do processo, e por avaliações detalhadas elaboradas neste trabalho de mestrado, pode-se provar que é no bom fracionamento e na utilização da unidade em seu limite, que é possível a máxima recuperação de GLP.- Assim os controladores supervisórios tem como meta levar a unidade a seus limites que são:

- Potência dos Compressores,- Vazão de líquido na Retificadora (inundação),- Vazão de Líquido na Absorvedora Primária (inundação,- Vazão de Gás na Retificadora (arraste),- Vazão de Gás na Absorvedora Primária (arraste),- Teor de H2S na mistura gasolina GLP (especificação).

FIC34347

TIC34344

TIC34343

TIC34048

V-344

PIC39391

CPLIQRET

CPFIC34359

CPFIC34344

CPGASREB

CPH2SFUN

CPPOT

set point

set point

set point

set point

set point


MODELO DE OTIMIZAÇÃO- Estes controladores supervisórios terão como tarefa gerar set-points para os controles regulatórios. Informar quais as melhores possibilidades de operação para a planta, que levem a menor perda de GLP.- A unidade então estará sempre buscando oportunidade de:a) Trabalhar na máxima Potência dos Compressores. Se a carga diminui, aumenta a pressão já que houve folga, para permitir mais condensação de GLP. Se a carga aumenta diminui a pressão, mas perdendo mínimo GLP.b) Trabalhar com as máximas vazões de gás e líquido nas Retificadora e Absorvedora Primária, já que isto significa mais fracionamento e mais Teor de H2S na mistura gasolina GLP (especificação).c) Máxima nafta de absorção para impedir fuga de GLP.d) Máxima temperatura de fundo da Retificadora para garantir a especificação da gasolina GLP e máximo fracionamento.


Nas figuras a seguir temos de forma sintética, as principais variáveis:

GASV305 - Vazão de gás para compressore. Equivale a carga gasosa da unidade.LIQV305 - Vazão de líquido flow para Absorvedora Primária. Equivale a carga líquida da unidade.PIC30301 - Pressão do Vaso de Topo da Fracionadora Principal (V-305).TI30040 - Temperatura do Vaso de Topo da Fracionadora Principal (V-305).POT - Total de potência dos Compressores.PRESSÃO - Pressão do Sistema.C3TOP - Concentração de propano e propeno no gás combustível.FIC34347 - Vazão de nafta de absorsão.


TI34044 - Temperatura da nafta de absorsãoTI34047 - Temperatura na saída do resfriador intermediário da Absorvedora Primária.GASV344 - Vazão de Gás para Absorvedora TIC34343 - Temperatura na entrada da Retificadora.TIC34348 - Temperatura do Refervedor da RetificadoraGASREB - Vazão de Gás do Reboiler para o prato da Retificadora/.H2SFUN - Concentração de H2S no efluente da Retificadora (Nafta+GLP).FIC34349 - Vazão de líquido na saída da Absorvedora Primária.TIC34344 - Temperatura do V-344.FIC34344 - Vazão de líquido na saída do V-344..LIQ RET - Vazão de líquido na entrada da Retificadora.

C3TOP

POT

FIC34349

GASV344

FIC34344

LIQRET

GASREB

H2SFUN

FIC343477 PIC39391

TIC34344

GASV305

TIC34343

TIC34348

LIQV305

TI34044

TI34077

PIC30301

TI30040

Figura 3 - Indicação das Variáveis - Controladas em azul e Manipuladas em

vermelho e Perturbações em preto.

Restrições da unidade: Fator limitante da otimização de C3TOP.Controle indireto através das Restrições

PROCESSO

VariáveisManipuladas

C3TOP

Restrições

GASV305

LIQV305

TI30040 (V-305)

PIC30301

FIC34347

GASV344

GASREB

FIC34344

PERTURBAÇÕES

VARIÁVEISMANIPULADAS

TIC34344 (V-344)

TIC34343

TIC34349

RESTRIÇÕES HIDRÁULICAS

MINIMIZAÇÕES

C3TOP

RESTRIÇÕES CONCENTRAÇÃO

H2SFUN

TI34077

TI34044

FI34359

LIQRET

PIC39391

RESTRIÇÕES COMPRESSÃO

POT

Figura 4 - Entradas e Saidas do Sistema Multivariável

Problema: mais controladas que manipuladas (5x8).

GV344: não deve ir para o limite para não ter perda C3.

C3TOP: é minimizado automaticamente.

Solução:

- restam ainda 6x5

- utilização do “passa menor” em LIQRET e FIC34359

FIC34347 TIC34344 TIC34343 TIC34048 PIC393910 0 0 0 1 POT

0,655 0,051 0,070 0,224 0 H2SFUN-0,083 0,067 0,661 0,355 0 GASREB0,036 0,587 0,241 0,136 0 FIC343440,392 0,295 0,028 0,284 0 FIC34359

FIC34347 TIC34344 TIC34343 TIC34048 PIC393910 0 0 0 1 POT

0,006 0,146 0,086 0,761 0 H2SFUN0,136 0,214 0,739 -0,089 0 GASREB-0,026 0,833 0,210 -0,018 0 FIC343440,883 -0,194 -0,036 0,346 0 LIQRET

RGA 5x5 caso FIC34359

RGA 5x5 caso LIQRET

As tabelas anteriores mostram as matrizes RGA para esta estrutura de controle. Vale ressaltar que existem duas matrizes porque a variável manipulada FIC34347 precisa controlar duas variáveis. Ou seja, ainda existem mais variáveis controladas do que manipuladas. A solução adotada foi controlar duas variáveis com apenas uma manipulada. Isto é possível porque tanto FIC34359 como LIQRET são restrições hidráulicas, com correlação direta com a nafta de absorção (FIC34347). Dois controladores são implementados pela técnica “passa menor” já descrita acima, mas apenas um opera de cada vez. Somente a variável mais próxima do limite é controlada. Este fato mostra que é impossível manter 6 variáveis em seus limites com apenas 5 variáveis manipuladas, sendo uma em posição sub-ótima.

PIC39391

TIC34048

POT

TIC34344

FIC34347

H2SFUN

FIC34359

LIQRET

GASV344FIC34344

C3TOP

TIC34343 GASREB

C3TOP

Time Hours0 5 10 15

AN

AL_C

3T

OP.O

utp

ut_

km

ol/km

ol

0.0

15

0.0

2 SEM OTIMIZAÇÃO

COM OTIMIZAÇÃO

RESULTADO PARA PERDA DE GLP COM AUMENTO DE CARGA DA UNIDADE-Observe que, apesar da perda de GLP ocorrer, o que é inevitável, os controladores se deslocaram para os seus máximos nas restrições, o que permitiu reduzir a perda.- Isto demonstra que a análise das restrições é chave para a otimização de um processo.


MODELOS DE CONVOLUÇÃO DISCRETOS - DMC: Dynamic Matrix Control- GPC: Controle Preditivo Generalizado- MPC: Model Predictive Control

- Será descrito apenas o DMC por ser mais usado e o menos complexo.- Sistemas multivariáveis com matrizes de ordem 3 ou maiores tornam-se inviáveis de controlar com métodos algébricos de transformadas de laplace. Muitas vezes, como no caso da dissertação apresentada, opta-se por um sistema múltiplo de “single-loop”, com análise prévia de acoplamentos através de RGAe e RGAd.- Os coeficientes dos modelos discretos são de fácil obtenção no campo.- Aplicáveis a processos relativamente lineares e de comportamento não usual,já que o modelo prevê respostas inversas.


DMC - Modelo Discreto de Resposta ao Degrau

∆m

t1

tc1 = a1

c4 = a4c3 = a3

c2 = a2

c5 = a5c

∆t 2∆t 3∆t 4∆t 5∆t

DMC - Modelo Discreto de Resposta ao Degrau


DMCcn+1 = c0 + ∑ ai ∆mn+1-i

i = 1

T^

Onde:a = coeficientes do modelo.∆t = intervalos de tempo do modeloT = horizonte do modelo, sendo 95% da resposta final

Cn = valor predito para saída no instante nCn = valor real da saída no instante nmn = valor da variável manipulada no instante n.∆mn = mi – mi-1

Se erro de predição = 0, então Cn = Cn

^

^


DMC – Exemplos

1) Se somente ocorre uma entrada ∆mo em t = 0. c1 = c0 + a1∆m0 c2 = c0 + a2∆m0

cT = c0 + aT∆m0

^^

^

2) Se houvesse 2 entrada ∆mo, ∆m1 em t = 0 e t = 1 c1 = c0 + a1∆m0 c2 = c0 + a2∆m0 + a1∆m1

cT = c0 + aT∆m0 + aT-1∆m1

^^

^

c1 = ai

quando ∆mo = 1

^


DMC - EQUACIONAMENTO

Idéia Básica: Calcular as futuras ações de controle que minimizarão um certo índice de desempenho.

NC ações de controle são calculadas de modo a controlar as saídas preditas até um horizonte NP.NC horizonte de prediçãoNP horizonte de controle

NC ações de controle (mn, mn+1, mn+NC-1)

Instante n NP predições de saída (cn+1, cn+2,..., Cn+NP)


DMC - EQUACIONAMENTO

c1 a1 0 0 0 ∆m0

c2 a2 a1 0 0 ∆m1

c3 = a3 a2 a1 0 = ∆m2

cNP aNP aNP aNP-NC+1 ∆m NC-1

^

^

^

^

C = A .∆m^


DMC - EQUACIONAMENTO-Do ponto de vista do controle, deve-se fazer uma distinção entre mudanças na variável manipulada no passado e no futuro.- Para NP mudanças no passado teremos (∆m)old, que serão as saídas

consideradas em malha aberta a partir do instante zero. Ou seja, um sistema que vinha sendo controlado, mas desliga-se o controlador. Isto permite estimar como se comportará a variável controlada dali para frente, possibilitando estimar, depois as ações de controle.

cOL,i = ∑ ai-k+1 (∆mk)old i = 1, ..., NP

k = 0

-NP+1^

- Sendo OL (open-loop), temos então as previsões de saída de C, baseadas nas ações de controle antigas. É como se fosse um tipo de “rebatimento” da matriz A, só que de forma invertida.


DMC - EQUACIONAMENTO- No instante atual (0), pode-se medir a saída do processo (C0

meas). Se o

modelo for perfeito: c0meas = cOL,0

^

- Utilizando-se este conceito para inserir um erro nas previsões, melhorando o modelo, temos:

cOL,i = ∑ ai-k+1 (∆mk)old + c0

meas - cOL,0k = 0

-NP+1^

- Que rearranjado leva a equação básica do DMC para predição em malha aberta:

cOL,i = c0meas + ∑ (ai+1-k - a1-k) (∆mk)

old

k = 0

-NP+1^


DMC - EQUACIONAMENTO- Graficamente podemos observar o significado das ações de controle passadas e a situação de malha aberta futura:

∆m-NP+1

m-NP+1

-NP+1NC NP

m0

∆m0


A resposta real de saída C deve considerar o efeito das futuras mudanças:

cCL,i = cOL,i + ∑ aik (∆mk)new i = 1, ..., NP

k = 1

NC^ ^

O critério mais aceito, para fins de estabilização, é a minimização da diferença entre o set point e as saídas preditas, como segue:

J = ∑ (cset - cCL,i)2 ou,

i = 1

NP ^

J = ∑ [cset - cOL,i - ∑aik (∆mk)new]2

i = 1

NP ^

k = 1

NC


Introduzindo-se o conceito de “erro” predito futuro em malha aberta, ou seja uma previsão do que aconteceria se nada fosse feito:

Ei = cset - cOL,i

temos, ^

J = ∑ [Ei - ∑aik (∆mk)new]2

i = 1

NP

k = 1

NC

Que possui uma solução matricial da seguinte forma:

(∆m)new = (AT . A)-1. AT . E


DMC - USOS

- Até o momento temos um controlador single-loop de boa eficiência.- Mas sua superioridade a um PID bem sintonizado para malhas usuais de respostas de 1a, 2a e ordem superiores, não é aparente.- Então porque o DMC? Por dois motivos:

- Para single loop de processos não usuais, por exemplo, resposta inversa, ele pode prever o que acontecerá e ter ações mais inteligentes. O PID não consegue por não conhecer o processo.

- Para uso em sistemas multivariáveis como será visto a seguir.


DMC - MULTIVARIÁVEL

∆m1

t1

a15

a12

a13

a14

a11 c

∆t 2∆t 3∆t 4∆t 5∆t

- Para sistemas multivariáveis, a obtenção da dinâmica do processo é a mesma mas, para cada degrau de cada variável manipuada, traça-se o gráfico de todas as controladas em malha aberta.- Note que o primeiro índice de a indica qual variável de saída se refere, enquanto o segundo ao instante de tempo.

a1a2


DMC – MULTIVARIÁVEL: A expansão da Matriz Dinâmica fica:

a11 0 0 a2

1 0 0

a12 a1

1 0 a22 a2

1 0

a13 a1

2 a11 a2

3 a22 a2

1

A = a1i a1

i-1 a1i-2 a2

i a2i-2 a2

i-3

a31 0 0 a4

1 0 0

a32 a3

1 0 a42 a4

1 0

a33 a3

2 a31 a4

3 a42 a4

1

a3i a3

i-1 a3i-2 a4

i a4i-2 a4

i-3


E a solução matricial é a mesma:

(∆m)new = (AT . A)-1. AT . E

- Para uso em sistemas de minimização ou maximização com restrições, existem desenvolvimentos matemáticos diferenciados, chegando-se a soluções matriciais semelhantes.

DMC - MULTIVARIÁVEL

- DMC funciona bem em sistemas lineares porque cada ação de controle independente pode ter seus efeitos somados algebricamente com os efeitos das demais ações de controle.


SINTONIA Muitas vezes a questão da sintonia é um problema simples. De fato a quantidade de malhas de controle de uma Refinaria de Petróleo é enorme. As vezes mais de 5 mil malhas. O desafio de 99% do problema é quantitativo e envolve recursos humanos de instrumentistas em quantidade e bem preparados. Os métodos de sintonia para PID são amplamente conhecidos. Como demonstrado anteriormente, às vezes o problema multivariável pode levar a situações de difícil sintonia. Quando se resolve uma malha a outra fica instável já que o controlador da primeira a perturba. O custo de aplicação de controladores multivariáveis em todos os casos é oneroso. Muitas vezes a análise da freqüência das duas malhas que competem pode resolver o problema.


SINTONIA Uma malha de baixa prioridade pode ser sintonizada em frequências baixas. Ou seja, ela pode ser lenta que não existem grandes implicações. Outros casos, é possível tornar uma malha bem mais rápida (altas frequências), sem comprometer sua estabilidade, fazendo com que a malha concorrente “sinta pouco” a sua influencia. As vezes o próprio instrumentista, ou mesmo o operador treinado percebe isto e implementa sem grandes estudos matemáticos. Mas a ferramenta teórica clássica para esta análise chama-se RGA Dinâmica. Matriz de ganhos relativos dinâmica. A análise pode ser feita no Matlab, conhecendo-se as dinâmicas dos processos. É entao traçado um gráfico, onde se observam o grau de interação nas várias frequências. Isto permite verificar se é possível o desacoplamento por frequência, e optar por qual frequência cada malha deve operar.


SINTONIA – RGA DINÂMICA

10-2

10-1

100

101

102

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Frequência (rad/h)

Observa-se melhora com aumento de freqüência na faixa de 0,3 a 1,0 rad/h. Certamente esta estrutura de controle está adequada para operar na faixa de trabalho escolhida entre 1,2 a 2,4 rad/h pois alguns valores da RGA estão próximos a 1 e outros um pouco superiores a 1.

SINTONIA – RGA DINÂMICA


LINEARIDADE- Muita confusão tem sido feita sobre o conceito de linearidade. Para um iniciante na área de controle, lhe parece que nada é linear, já que quase todos os comportamentos dinâmicos são “curvas”.- O conceito de linearidade está baseado na premissa de que em qualquer faixa de operação, um sistema dinâmico funciona com a mesma velocidade e amplitiude.- Por amplitude entenda-se o ganho estático a uma entrada.- Por velocidade entenda-se o tempo de resposta a uma entrada.


NÃO LINEARIDADE SIMPLES Normalmente associada apenas ao ganho estático. O exemplo mais conhecido é o projeto da válvula de controle como já abordado. Existem basicamente três soluções. Primeira: Um bom projeto da válvula e do sistema de fluxo, que resolve a questão na origem, tornando linear. Segunda: Controlador tipo Cascata, quando existe a não linearidade do fluxo e não se quer que seja transferida para a malha de temperatura por exemplo. Terceira: Ganho adaptativo. Hoje qualquer controlador possui esta facilidade de alterar o ganho proporcional do PID para diferentes faixas de operação.


NÃO LINEARIDADE COMPLEXA Solução complexa e as vezes de difícil transposição. Em geral são processos sensíveis em que qualquer perturbação excessiva pode levar ao descontrole e incapacidade dos sistemas de retorno a condição normal. Na maioria das vezes o processo é interrompido, e é refeito o procedimento de partida em manual, até chegar aos parâmetros de operação, onde as sintonias dos sistemas de controle funcionam. Somente então são ligados tais controladores. Exemplos disto são Reatores Petroquímicos, em que a temperatura de reação influi na dinâmica do processo, e somente muito próximo a estas condições o sistema suporta operar no automático.


GANHO ADAPTATIVO

% VAZÃO

% ABERTURA

100

1000

REGIÃO 1

REGIÃO 2

REGIÃO 3

REGIÃO 1: Pouca abertura muita vazão. Ganho do processo elevado. Ganho do controlador deve ser mais baixo.REGIÃO 3: Muita abertura de válvula para pouca vazão. Ganho do controlador deve ser alto para compensar a pouca ação da válvula.REGIÃO 2: O ganho deve ser intermediário.OBS: As variações de ganho podem ser incrementais.


CASCATA

TIC FIC

Fluido Quente

Fluido a ser Aquecido

TITSP

- O controle de fato é de temperatura. O TIC poderia gerar sinal diretamente de abertura de válvula.- Como a malha de vazão é de alta velocidade, pode-se sintonizar este controlador de forma mais branda, operando lento para vazão. Esta lentidão na verdade atende a velocidade da malha principal, e a malha de vazão fica estável.- É como se o sistema fosse linear para temperatura.

FIT

TITTIC

chama

chaminé

FIT FIC SP

TITTICFIT FIC SP

TITTICFIT FIC SP

TITTICFIT FIC SP

MALHAS CRIATIVAS BALANÇO DE TEMPERATURA EM FORNOS

ENTRADA DE PETRÓLEO A AQUECER

SAÍDAQUENTE


MALHAS CRIATIVAS – BALANÇO DE TEMPERATURA EM FORNOS Sistemas existentes em Refinarias e Petroquímicas para aquecimento de cargas. Soluções adotadas historicamente, por exemplo, na antiga COPESUL, envolviam criação de “bias” para evitar ações na temperatura. Qualquer ajuste de temperatura era extremamente danoso aos outros controles. Em geral, as malhas oscilavam sem a adoção do bias. E era muito difícil conseguir uma CARGA adequada e temperaturas certas. Uma idéia original, e de matemática extremamente simples, de fácil implementação nos SDCDs, conseguiu desacoplar totalmente as malhas, e definir uma CARGA constante. Esta idéia foi criada na RPBC na década de 1990 pelos Engenheiros Darci Odloak e Antônio Zanin.

TIT

TIT

+

- FIC 2

FIC 1

∆SPSP

∆TIC A

-

+

SP

SP

∆SP

SP

Olhando-se primeiramente apenas um par de correntes. Esta malha permite equalizar a temperatura de saída destas duas correntes manipulando a vazão de cada uma. Quando a temperatura da primeira corrente (passe 1) aumenta, é necessário aumentar a vazão deste passe 1. Assim, o controlador ∆TIC1 recebe um sinal positivo da diferença de temperatura. O controlador, envia um sinal positivo, que aumenta o set point de vazão do passe 1 e reduz para o passe 2. Note que a vazão total fica a mesma já que houve compensação. Este controle de delta T é eficiente e atua nas válvulas até zerar a diferença

TIT

TIT

+

- FIC 2

FIC 1

∆SPSP

∆TIC A

-

+

SP

SP

∆SP

SP

TIT

TIT

+

- FIC 4

FIC 3

∆SPSP

∆TIC B

-

+

SP

SP

∆SP

SP

Replicando-se o mesmo raciocínio para os outros dois passes temos novamente a equalização. Mas somente com esta ação, haverá igualdade para cada dupla, mas ainda diferença entre os pares. Cada par terá sua temperatura.

TIT

TIT

+

- FIC 2

FIC 1

∆SPSP

∆TIC A

-

+

SP

SP

∆SP

SP

TIT

TIT

+

- FIC 4

FIC 3

∆SPSP

∆TIC B

-

+

SP

SP

∆SP

SP

+

+

+

-∆TIC C

+

+

-

-

TIT

TIT

+

- FIC 2

FIC 1

∆SPSP

∆TIC A

-

+

SP

SP

∆SP

SP

TIT

TIT

+

- FIC 4

FIC 3

∆SPSP

∆TIC B

-

+

SP

SP

∆SP

SP

+

+

+

-∆TIC C

+

+

-

-

SET POINT DE CARGA DO FORNO÷ 4

PROJETOS DE AUTOMAÇÃO – FALHAS

- Intertravamentos, Sequenciamentos: como são definidos no projeto básico, em geral estão adequadas. Em alguns casos exigem adaptação, mas a própria operação em conjunto com a manutenção definem a nova lógica.- Estações de Operação – Interface Homem Máquina – IHM: Em geral os novos projetos são feitos a partir de estudos de ergonomia sérios e na experiência de 30 anos implantando SDCDs. Quando comparados até com paises como EUA (visitei a refinaria de da Exxon Mobil em Houston), nossos projetos são muito superiores. Alguns projetos antigos são deficientes. Os mais modernos são concebidos em grandes salas, compartilhadas pelas diversas áreas, com uma coordenação no centro. Imagens de câmeras da área são projetadas em grandes telões atrás das IHMs, por área operacional.


MESA DE REUNIÕES

cadeiras

telões

IHMs


Empresa Integradora – EPECista: - Após partida, é necessário um apoio da integradora durante quase um ano em geral resolvendo pendências da configuração ou montagem. Isto pode parecer uma inadequação do projeto, mas é normal tal situação, e formalmente chamada de “OPERAÇÃO ASSISTIDA”. Projetos bem sucedidos é possível que dure apenas seis meses. Mas é sempre um requisito contratual em Grandes Projetos. Deve-se ter muita observância a qualidade e rotatividade dos recusrsos humanos de Automação em contratios deste tipo.- Muito cuidado nas questões de aterramento, encaminhamento de cabos, etc.

- Deve-se ter a questão dos as-bult bem trabalhada e o contrato deve prever este

serviço de forma muito severa. Senão corre-se o risco de que a documentação final do

projeto não confira com o campo. Estes contratos devem prever multa por não

cumprimento, já que é um serviço de final de contrato, numa fase em que a

montadora deseja se desmobilizar.


Segurança de processo: Instalações sem observação de Normas de Classificação de Área, Normas de Segurança de Processo (IEC 61508).

Planejamento:-Falta de ferramenta para ajudar e quantificar mais finamente um orçamento.- Não aplica um controle que ligue as Mudanças corriqueiras do Escopo com as consequências de Prazos, Custos e Riscos;

FASES DO PROJETO

Iniciação: É quando a empresa cria o projeto, a partir de documento formal. Normalmente é emitido um “TERMO DE INICIAÇÃO”. Planejamento: É a fase onde são feitos os cronogramas, responsabilidades, etc... Execução: Onde os contratos são assinados e o serviço fisico se inicia. Monitoração / Controle: São ferramentas que permitem averiguar o andamento do projeto. Prazo, custo e qualidade.Encerramento: É o encerramento formal com a entrega do sistema já livre de pendências. É formalizado como “TERMO DE ENCERRAMENTO”.

PROJETO DE ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO

- Temos que diferenciar o termo “Projeto” quando usado em “Gestão de Projetos” e quando se aborda “Engenharia”.

- Na disciplina da Gestão, o termo é utilizado de forma a abranger todas as etapas de implantação de um sistema. Desde a idéia, passando pela conceituação do problema, planejamento, execução, etc... Na língua inglesa significa Project.

- Na disciplina da Engenharia quando nos referimos a Projeto é o que na língua inglesa pode ser descrito como Design, que será abordado nas próximas páginas.

ESTRUTURA ANALÍTICA DO PROJETO (EAP)

UNIDADE DEDESSULFURIZAÇÃO

DE GASOLINA

PROJETOCONCEITUAL

PROJETOBÁSICO

PROJETODETALHAMENTO

SUPRIMENTO CONSTRUÇÃO CIVIL

MONTAGEM ELÉTRICA E MECÂNICA

TESTES PARTIDA


FASES DE UM PROJETO (DESIGN)- Projeto Conceitual: Esta fase precede a automação. Os Fluxogramas de Processo possuem balanços de massa e fluxos principais. As malhas de controle são representadas de forma simplificada de modo a indicar as variáveis que necessitam controle automático. Por exemplo não são indicados nem os controles cascata.- Projeto Básico: Aparece toda a estratégia de controle e intertravamento. É onde a automação é pensada. Os documentos que descrevem o sistema são os P&I e Diagramas Lógicos de Intertravamento.- Projeto de Detalhamento: Tem como objetivo descrever como os sistemas físicos serão montados e testados. Documentos principais são os Diagramas de Malha e Lista de Cabos. Outros documentos importantes são as plantas, em especial as de encaminhamento de envelopes e bandejas.


DOCUMENTOS DE PROJETO - Projeto Básico: - Fluxogramas de Engenharia (P&I): É o documento que cristaliza

o funcionamento da planta industrial. Praticamente toda a estratégia de controle é apresentada, com exceção ao avançado e ás lógicas de intertravamentos e sequenciamentos. Em adição, toda a tubulação é apresentada e espcificada. Por isso P&I (Pipe and Instrumentation).

- Diagramas Lógicos de Intertravamento: Toda a parte de controle on-off, sequenciamentos e intertravamentos são apresentados neste documento, complementando o P&I. Estes P&I possuem “saídas” do tipo “I”, onde sinais são encaminhados para os Diagramas de Intertravamento. Seu projeto é realizado com portas do tipo E/OU, +, -, etc...


DOCUMENTOS DE PROJETO – P&I




DOCUMENTOS DE PROJETO

DIAGRAMAS LÓGICO DE INTERTRAVAMENTO



DOCUMENTOS DE PROJETO - Projeto de Detalhamento:- Diagrama de Malha: Permite visualizar cada malha de controle ou

intertravamento individualizada, de onde vem no campo, como passa pelo Armário de Rearranjo e chega no SDCD e CLP. Permite a realização dos testes de malha de forma produtiva, sem que os executores dos testes conheçam o processo. Ou seja o teste fica “focado” nos sinais de controle transitando nos sistemas.

- Lista de Cabos: Permite a visualização de agrupamentos de cabos, dando uma perfeita compreensão de como serão instalados no campo. Tem uma visão diferenciada do Diagrama de Malha, já que os multicabos seguem a lógica de proximidade física. Somente serão redirecionados por processo, antes de chegar no SDCD/CLP, após passarem pelos Armários de Rearranjo.



DIAGRAMA DE MALHA



LISTA DE CABOS



LISTA DE CABOS

TESTE DO SOFTWARE

TESTES DE MALHA.

TESTE DE MALHA

TESTE DE MALHA

TESTE DE MALHA

TESTE DE MALHA

TESTE DE MALHA

TESTE DE MALHA

CICLO DE VIDA DE UM PROJETO DE AUTOMAÇÃO

- Inicialmente na indústria do petróleo, ainda no alvorecer do século 20, predominava a malha aberta. O homem era o controlador. Acidentes eram uma constante. Alguns controles físicos tais como abertura de válvula por dilatação de dispositivos metálicos eram usados.- Em seguida veio a era pneumática, que possibilitou um salto inacreditável na automação. Sinais eram transmitidos e monitorados remotamente. Controladores PID faziam suas tarefas. Mas o custo dos meios físicos inviabilizavam grandes distâncias e a adoção de um número grande de malhas de controle.- Já na década de 60, veio a eletrônica analógica para o mundo industrial. O custo de lançar cabos a longa distância viabilizou a adoção de estratégias de controle e segurança cada vez mais sofisticadas. A precisão do sinal transmitido era enorme e o número de intervenção de manutenção extremamente reduzido quando comparada a tecnologia pneumática.


- Mas a eletrônica analógica, além de necessitar uma interface enorme (antigos painéis de processo), possuía inúmeras limitações. - Como usar estratégias de controle avançado? Como fazer otimizações on-line? Os pesquisadores nas universidades desenvolviam teorias de controle digital, mas os sistemas fabricados ainda não eram viáveis para a industria do petróleo. - A conversão de uma informação analógica para digital era a barreira que impedia. Apesar de que os chamados CLPs tenham sido criados na década de 1960, ainda eram caros, pouco confiáveis. Os computadores então, pior ainda, além de ocuparem muito espaço. - Iniciou-se de forma incipiente na década de 70 alguns controles avançados, mas de forma a aquisitar e converter para digital apenas as variáveis de interesse. E os resultados, obtidos em grandes computadores, eram realimentados nos controladores analógicos.

CICLO DE VIDA DE UM PROJETO DE AUTOMAÇÃO- Nem se imaginava ainda a hipótese de controle de produção (Programação de Produção). Já que envolveria uma enormidade de informações a serem disponibilizadas digitalmente.- Então na década de 80, iniciou-se em todo o mundo a onda de instalação dos SDCDs. Além de possibilitarem uma interface homem-máquina do tipo “computador”, convertiam todos os sinais analógicos em digitais.- Foi o que possibilitou a adoção em grande escala do Controle Avançado em Computador de Processo, dando impulso a profissão de Engenheiro de Controle.- Em paralelo a substituição de sistemas de intertravamento por relés, para CLPs triplamente redundantes ganhou força já na década de 90.- Também na década de 90 foi impulsionada a Automação da Programação de Produção. Decisões de compra de matéria prima, volume de produção, podiam agora serem tomadas on-line com as informações de mercado e restrições físicas da empresa.

CICLO DE VIDA DE UM PROJETO DE AUTOMAÇÃO- Na década de 2000, torna-se então possível a adoção dos field-bus, com a implantação do protocolo “Fied Bus Foundation”, acabando com mais de uma década de discussão das facilidades de sistemas proprietários já instalados.- Com o Field Bus inicia-se uma era de projetos de baixo custo, mas com envolvimento grande de engenheiros. As vantagens de custo devem ser assumidas sem comprometer a adoção de controles sofisticados, já que há um retorno ao controle de “campo”, limitando a flexibilidade de controles.- Como visão de futuro temos que mais sistemas serão automatizados dada a redução constante em seus custos.- O conhecimento disseminado das disciplinas de controle por engenheiros, e as tecnologias disponíveis, possibilitarão que ocorra a disseminação das estratégias sofisticadas que proporcionam retorno econômico.- Sempre haverá Controles Avançados serem refeitos mesmo em unidades existentes na adoção de novas estratégias e devido a revamps que mudama dinâmica do processo.


- A subida do nível supervisório para o nível de programação de produção também terá seu avanço disseminado nas próximas décadas.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Piramidedaautomacao.jpg

BIBLIOGRAFIA

PMBoK - Project Management Body of Knowledgement do PMI – Project Management Institute;

Dinsmore, Paul Cambell; Cavalieri, Adriane - Como se Tornar um Profissional em Gerenciamento de Projetos – Qualitymark Editora Ltda. – 2ª Edição.

Seborg, Dale E.; Edgar, Thomas F.; Mellichamp, Duncan A. – Process Dynamics and Control – John Wiley & Sons – 1989.

Bega, Egídio A.; Delmée, Gerard J.; Cohn, Pedro E.; Bulgarelli, Roberval; Koch, Ricardo e Finkel, Vitor Schimidt - Instrumentação Industrial – Editora Interciência: IBP - 2ª Edição – Rio de Janeiro, RJ – 2006.

Bega, Egídio A. - Instrumentação Aplicada ao Controle de Caldeiras – Editora Interciência - 3ª Edição – Rio de Janeiro, RJ – 2003.

BIBLIOGRAFIA

SENAI – Programa de Certificação do Pessoal de Manutenção – Instrumentação - ES – 1999.

Jordão, Dácio M. – Manual de Instalações Elétricas em Indústrias Químicas, Petroquímicas e de Petróleo – Atmosferas Explosivas – Qualitymark – 3ª Edição – Rio de Janeiro, RJ – 2004.

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IMPLANTAÇÃO DOS SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO ENG-ENGENHEIRO DE AUTOMAÇÃO