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)
TINTA
APLICADOR
MÁQUINA DE PAPEL
SECAGEM
SECAGEM
PRENSAS
MESA PLANA
(FORMAÇÃO)
Massa
ALIMENTAÇÃO DA
MÁQUINA
CALANDRAGEM
ENROLADEIRA
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
Pressão
aplicada para
pequenos
trancamentos
Pontos de
agarramento
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
Misturador
M08
Reator
R102
Separador
S56
Tanque de
liquido TL02
• 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.
SISTEMA DE MASSA - P2 – Col Ácida
Celulose
Soda
utiliza)(não
Pulp
er
Beloi
t
50 m³
Separador
Massa
Grossa
Alvejante
Caixa de
Caulim
Nível
Amido
Busan 1290
6
CoranteSulfato
Violeta(30%)
Corante Azul
Corante Vermelho
Refinadores
1
Cleaner
Cola
+
Sulfato
(70%)
Silo
Busperse
2420
ABA
Tanque
PCC
Tq 01
Tq 06
200 m³
200 m³
SISTEMA FIBRA LONGA - P2
TQ
Massa
Refinad
a
TQ
Máquin
a1
TQ
Máquin
a2
50 m³
50 m³
70 m³
7
Caulim
(Ponto
normal)
B 33
Polímero
Nalco
7530 Depurad
100 m³
or
2
Pulp
er
Voith
32
m³
Caixa de
Desagregaç
ão
Tq
Fibra
Longa
8
Cx.
Entrada
90 m³
SISTEMA
Busan
1078
Tq 02
(revestid
o)
100 m³
Tq 05
(ñ
revest.)
DE REFUGO - P2
3
5
Tq 03
4
Pulper
Tq 04
200 m³
Água
Clara
Água
Turva
100 m³
Douform
er
Depurador
Cônico
Despastilhad
or
Sveen
200 m³
SISTEMA DE MASSA RECUPERADA P2 Transbordo
Silo
ABA
TQ ABA
1
Tq 118
TQ Massa
Recupera
da
TQ ABA
2
Filtro a Disco
Transbord
o para o
Tanque 3
Tubo Flauta
Couch Pit
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.
b.
Objetivos de controle, produção e econômicos
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 meioambiente
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
Redução de Variabilidade
Novo Set Point
Especificação
do Produto
Set Point
Impacto da
Redução de
Variabilidade
Aumento de
Custos de
Matéria Prima
e Energia
Set Point
Mais perto da
especificação
Aumento de
Qualidade
Redução do
Custo de
Refugos
Refugo e Matéria Prima
Produtividade
$$$
Qualidade do Produto
Redução de
Custos com
Matéria Prima
e Energia
EFEITO DA MARGEM DE SEGURANÇA DO OPERADOR
(EX.: CONTROLE DE ALVURA)
SP = 89 ºISO
Novo SP = 88,1 ºISO
Especificação = 88 ºISO
Propagação das Variabilidades
Nível
LIC
Vazão
Variabilidade
A Função do Controle
Perturbação com Freqüência e
Amplitude Variáveis
Sintonia  Quantidade de
Variabilidade Deslocada
SP
E
Controlador
MV
D
Processo
Variabilidade
Deslocada
PV
Redução de Variabilidade
Exemplo: Redução da Variabilidade
TICXXXX - AUTO
Temperatura Coluna
Deg C
ticxxxxo.dat
07/18/2001
Time Series
TICXXXX - AUTO
Temperatura Coluna
% of Total
119.4
4.537
119.1
3.403
118.8
2.269
118.5
1.134
118.2
0.0
66.7
133.3
200.0
Mean=118.805 2Sig=0.6755 (0.569%)
TICXXXX - AUTO
Temperatura Coluna
Deg C
266.7
0.000
118.1
min
ticxxxxn.dat
04/02/2002 03:00:00
Time Series
119.1
4.303
118.8
2.869
118.5
1.434
133.3
118.5
200.0
Mean=118.823 2Sig=0.1895 (0.159%)
266.7
min
118.8
TICXXXX - AUTO
Temperatura Coluna
5.737
66.7
Antes
119.1
Mean-2S=118.1 Mean+2S=119.5
119.4
0.0
Histogram
% of Total
118.2
ticxxxxo.dat
07/18/2001
0.000
118.1
119.4
Deg C
ticxxxxn.dat
04/02/2002 03:00:00
Histogram
Depois
118.5
118.8
Mean-2S=118.6 Mean+2S=119
119.1
119.4
Deg C
Exemplo: Redução da Variabilidade
PIC2258.PV - AUTO
Pressao FA2226 (Ind DA2212)
Kgf/cm2
pic2258c.t01
07/18/2001
Time Se ries
PIC2258.PV - AUTO
Pressao FA2226 (Ind DA2212)
Var (E-3)
3.585
3.470
3.532
2.603
3.480
1.735
3.427
0.868
3.375
pic2258c.t01
07/18/2001
Power S pectrum
Antes
0.000
0.0
66.7
133.3
200.0
Kgf/cm2
136.5
min
Mean=3.50006 2Sig=0.1271 (3.63%)
PIC2258.PV - AUTO
Pressao FA2226 (Ind DA2212)
266.7
pic2258. t01
04/02/2002
Time Se ries
102.4
34.2
PIC2258.PV - AUTO
Pressao FA2226 (Ind DA2212)
3.585
2.918
3.532
2.188
3.480
1.459
3.427
0.729
0.0
min/Cycle
Win=Sqr., Detr=N, Ovr= 0
Var (E-6)
3.375
68.3
pic2258. t01
04/02/2002
Power S pectrum
Depois
0.000
0.0
66.7
133.3
200.0
Mean=3.50018 2Sig=0.005567 (0.159%)
266.7
min
136.5
102.4
68.3
Win=Sqr., Detr=N, Ovr= 0
34.2
0.0
min/Cycle
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
• Variabilidade
Medição
• Ruído
• Não-lineraridade
Controle
• Projeto/conceito ruim
• Em manual
• Sintonia
• Saturada
Válvula
• Com Agarramento
• Com Folga
• Distúrbios
Processo
• 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