Prof. Yuri Guerrieri

SENAI – CETIND Tecnologia de Processos – TEP Curso Técnico em Automação Introdução ao Controle de Processos Químicos

Prof. Yuri Guerrieri

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Programação 

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Noção intuitiva Definições e conceitos básicos Porque usar controle nos processos? Como projetar um sistema de controle? Um pouco de história...e futuro. Controle e o processo produtivo

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Controle: Noção Intuitiva 

Controlar: ▫ Manter algo num valor desejado; ▫ Assegurar a qualidade de um produto; ▫ Ter domínio sobre algo através da manipulação de outro; ▫ Atingir a estabilidade;

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O objetivo de todos é atingir a estabilidade: ▫ Finanças: Riqueza ▫ Processos: Estado Estacionário

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Controle: Noção Intuitiva Manter um carro na estrada monitora-se: a trajetória/ velocidade/ tráfego atua-se: sobre volante/ acelerador/ freio controla-se: a trajetória segurança: guard-rails/ muretas Controle de orçamento

monitora-se: o saldo bancário atua-se: sobre desembolsos controla-se: o orçamento segurança: poupança?

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Controle: Noção Intuitiva Tomar uma ducha quente

monitora-se: temperatura/ vazão da água atua-se: sobre as torneiras controla-se: a temperatura (e vazão, se der) segurança: box maior que o jato da ducha

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Controle: Noção Intuitiva SISTEMAS NATURALMENTE INSTAVEIS

AÇÃO DE CONTROLE

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Definições e Conceitos Básicos 

As 3 operações da malha/sistema de controle: ▫ Medição; ▫ Tomada de decisão; ▫ Ação.

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Malha aberta e malha fechada Controle Automático e Manual

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Definições e Conceitos Básicos 

Os 4 componentes básicos de um sistema de controle: ▫ Sensor – Elemento primário da malha de controle; ▫ Transmissor – Elemento secundário da malha de controle; ▫ Controlador – Elemento que “comanda” a malha; ▫ Elemento final de controle – válvula de controle, bomba dosadora, etc.

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Definições e Conceitos Básicos Controlador

Elemento Final de Controle

Transmissor

Sensor de Nível

Definições e Conceitos Básicos • Entrada: Causa / Saída: Conseqüência ▫ Entrada = Alimentação / Saída ≠ Descarga

Variável medida / Variável não medida

Variável controlada / Variável manipulada / Perturbação Sistemas monovariáveis e multivariáveis  SISO – Single Input Single Output  MISO – Multiple Input Single Output  SIMO – Single Input Multiple Output  MIMO – Multiple Input Multiple Output

Conceito Básicos 

Diagrama de Blocos: Utilizado para dar uma melhor visualização da interdependência dos diversos órgãos que compõem o sistema, evidenciando as diferentes entradas e saídas das malhas de ação e de realimentação, tornando-as compreensivas.

Conceito Básicos

Conceito Básicos  Variável Controlada ou Principal (PV ou CV) : É o agente físico (variável) que se deve manter em um valor desejado. (ex.: pressão, temperatura, umidade, etc).  Variável Manipulada (MV): É o agente físico que recebe a ação do controlador e altera o meio controlado com a finalidade de manter a variável controlada no valor desejado (ex.: posição de uma válvula, tensão aplicada a uma resistência de aquecimento, etc)..

Conceito Básicos  Set Point (SP) ou Set Value (SV): É um valor desejado estabelecido previamente como referência de ponto de controle no qual o valor controlado deve permanecer.

Controle Manual

Controle Automático

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Controle Supervisório e Regulatório • Controle Supervisório (ou servo): são sistemas realimentados com o set point variável ao longo do tempo. Esta mudança pode ser na forma de um degrau, de uma rampa, de uma senóide, ou de uma forma aleatória qualquer. • Controle Regulatório: são sistemas realimentados onde a entrada é mantida constante para que a saída seja também constante. O objetivo de controle passa a ser o de rejeitar as perturbações ao sistema.

Controle Supervisório e Regulatório • Resumindo, se a referência do sistema realimentado é constante, o sistema atua como um regulador. • Se a referência do sistema realimentado varia, o sistema atua como um servo-mecanismo.

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Porque Usar Controle nos Processos? • Existem três classes gerais de necessidades para as quais um sistema de controle é requerido: ▫ Estabilizar o processo; ▫ Suprimir a influência de perturbações externas; ▫ Otimizar o desempenho do processo.

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Estabilização de Processos • Equilíbrio Instável ▫ Região (desejada) na qual o processo naturalmente não é estável.  Motocicleta  Região desejada – em pé, sobre duas rodas (equilíbrio instável);  Região naturalmente estável – caída no chão (equilíbrio estável);  Controlador – Motociclista.

 Reatores de Polimerização  Região desejada – temperatura e pressão de especificação do produto (normalmente, equilíbrio instável);  Região naturalmente estável – temperaturas muito altas (explosão) ou muito baixas (mata a reação);  Controlador – operador (manual) ou sistema de controle automático.

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Supressão da Influência de Perturbações Externas • Processo estável ▫ Perturbação persistente  Muda o valor estacionário

▫ Nova mudança (controle)  Retorna o sistema para o valor desejado

▫ Perturbação não persistente  Permite que retorne ao valor desejado enquanto a perturbação não cessar;  Manipulação de uma entrada permite que o sistema retorne mais rapidamente ao valor desejado (controle).

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Otimizar o desempenho do processo

Controle Automático Mantém os processos industriais dentro de seus pontos operacionais mais eficientes;

AÇÕES DE CONTROLE -

modo discreto (ON/OFF); modo contínuo (analógico);

Ação de Controle On-Off

Proporcional Integral Derivativa

ON-OFF (LIGA-DESLIGA) • De todas as ações de controle, a ação em duas posições é a mais simples e também a mais barata, e por isso é extremamente utilizada tanto em sistemas de controle industrial como doméstico. • Como o próprio nome indica, ela só permite duas posições para o elemento final de controle, ou seja: totalmente aberto ou totalmente fechado. • Assim, a variável manipulada é rapidamente mudada para o valor máximo ou o valor mínimo, dependendo se a variável controlada está maior ou menor que o valor desejado.

ON-OFF (LIGA-DESLIGA)

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Como Projetar um Sistema de Controle?

1. Identificação das variáveis

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Como Projetar um Sistema de Controle?

“Só se controla aquilo que se conhece”.

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Como Projetar um Sistema de Controle?

1. Identificação das variáveis 2. Identificação dos objetivos

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Como Projetar um Sistema de Controle?

“Para quem não sabe onde chegar qualquer estrada é caminho”.

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Como Projetar um Sistema de Controle?

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Identificação das variáveis Identificação dos objetivos Seleção das medições Seleção das variáveis manipuladas Seleção da configuração de controle Seleção do controlador Seleção dos parâmetros do controlador

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Qual configuração utilizar?

“A melhor solução é a mais simples que atende aos seus requisitos.”.

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Tipos Gerais de Configurações • Configuração de Controle por Realimentação (ou “Feed-back”) • Configuração de Controle Antecipativo (ou “Feed-forward”) • Configuração de Controle Inferencial (ou com estimador de estados e propriedades) • Obs.: As Configurações não são excludentes

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Configuração de Controle por Realimentação (Feed-Back) Entradas

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Configuração de Controle por Realimentação (Feed-Back)

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Configuração de Controle por Realimentação (Feed-Back) • Essa configuração usa uma medição direta da variável controlada (PV) para ajustar o seu valor da a um valor desejado (SP) manipulando uma outra variável (MV)

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Configuração de Controle por Realimentação (Feed-Back)

Controle Cascata (um controlador recebe o sinal de um outro controlador)

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Configuração de Controle por Realimentação (Feed-Back)

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Configuração de Controle por Realimentação (Feed-Back)

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Configuração de Controle Antecipativo (Feed-Forward) Perturbações (medidas)

Variáveis de Saída

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Configuração de Controle Antecipativo (Feed-Forward)

Variáveis de Saída

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Configuração de Controle Antecipativo (Feed-Forward) • Usa uma medição direta da perturbação (DV) para ajustar o valor da variável manipulada (MV). O objetivo é manter a variável de saída controlada (PV) em um nível desejado (SP), embora NÃO HAJA MEDIÇÃO da PV.

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Configuração de Controle Antecipativo (Feed-Forward)

Feed-back Feed-forward

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Configuração de Controle Inferencial

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Configuração de Controle Inferencial

RNA

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Configuração de Controle Inferencial

MV

PV

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Configuração de Controle Inferencial • Esta configuração usa uma medição inferida/calculada (porque a variável controlada não pode ser medida) para ajustar o valor da variável manipulada. O objetivo é manter a variável controlada (não medida) em um nível desejado (“setpoint”). • O estimador usa o valor das saídas e entradas medidas disponíveis para calcular matematicamente (estimar), com a ajuda de um modelo de processo, o valor da variável controlada não medida. Esta estimativa é usada pelo controlador para ajustar o valor da variável manipulada.

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Um pouco de história… 

Grécia e Alexandria 

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Aplicações rudimentares são descritas em documentos históricos .

Nos séculos XVII e XVIII (Rev. Industrial) 

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Vários dispositivos de controle foram criados visando resolver alguns problemas práticos. Controladores de velocidade das máquinas a vapor (James Watt)

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Um pouco de história… 

Década de 1920 ▫ Primeiras aplicações de sistemas de controle feedback: controle de velocidade de motor, direcionamento de navio, controle de processo industriais (temperatura, pressão e vazão); ▫ 1922 – Nicholas Minorsky formulou a equação do PID como conhecemos hoje.

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Um pouco de história… 

Década de 1940~50 ▫ Surgiram os primeiros métodos de sintonia de controladores;  Hendrik Bode (Diagrama de Bode)  J.G. Ziegler e N.B. Nichols (Método Ziegler-Nichols)  Geraldine Coon (Método de Coen-Coon)

▫ 2º Guerra  Forçou que engenheiros Mecânicos, Elétricos e Eletrônicos trabalhassem juntos e rápido.

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Um pouco de história… 

Década de 1960 ▫ O surgimento dos microcomputadores deram um grande avanço aos sistemas de controle;  Maior velocidade e robustez no processamento.

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Década de 1970 ▫ Aplicação dos desenvolvimentos das décadas de 1950 e 60 à processos industriais.  Surgimento dos Pólos Petroquímicos.

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Um pouco de história… • Década de 1980~90 ▫ Charles Cutler e colaboradores da Shell Development Company  Instalaram e demonstraram os benefícios do uso de uma estratégia de controle ótimo  Primeiro MPC (Model Predictive Control)

▫ Surgimento do SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído) ▫ Devido ao sucesso do MPC houve uma revolução das atividades acadêmicas  MPC original foi melhorado e generalizado

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Um pouco de história… • Década de 2000 ▫ O computadores são utilizados fortemente nos sistemas de controle; ▫ As melhorias nos MPCs continuam e eles são aplicados a processos mais complexos. ▫ Desenvolvimento e implantação de RTO (Real Time Optimization) em plantas petroquímicas.

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…Futuro. • Década de 20xx??

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Controle e o processo produtivo

61 INTERVALO DE ATUAÇAO – ESCALA DE TEMPO Planejamento Estratégico Planejamento Tático

Anos Meses

Planejamento de Produção

Semanas

Programação de Produção

Dias

Otimização (RTO) Controle Avançado: FF, MPC...

Controle Básico: vazão, pressão... TÉCNICA / METODOLOGIA

Horas Min Seg

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Malha de Controle Tradicional – PID • Controle da Produção (variável Yuri Guerrieri, M. Sc. [email protected] r

controlada) através da vazão de Catalisador para reator (variável manipulada)

F_SP

FC

Catalisador T_SP TC-1

AGR

PRODUÇÃO

Legenda PID

TC-2 Controlador PID tradicional

TC-2.MV

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Malha de Controle com MPC Yuri Guerrieri, M. Sc. [email protected] r

PRODUÇÃO_SP (via MPC)

MPC PRODUÇÃO F_SP

INFERÊNCIA FC

PRODUÇÃO Catalisador T_SP TC

AGR

Legenda

TC-2 PID MPC

Controlador PID tradicional Controlador Avançado

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Aumento de Produção Restrição “flexível” (Fuzzy Limit)

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Restrição “rigorosa” (Hard Constrain) Potencial de aumento da produção

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Aumento gradativo do SP de produção, seguido do aumento da abertura da válvula de água.

Queda na produção devido a variação brusca na vazão de catalisador

Válvula passa a operar próximo da restrição.

APC Fase 2: Controle Avançado

APC desligado

APC ligado

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Restrição da válvula

12,3

12,0

Modo do controlador Abertura da válvula Taxa de produção Vazão de catalisador

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Resultados do MPC 3,5% de aumento de produção

U$ 465 mil/ano 0.42 ton/ano

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…e o futuro (especulação). • • • • •

Sistemas de Controle Otimizante; Utilização cada vez maior de modelos online; Expansão da RTO para outros processos; Inteligência artificial em processos químicos; ….

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Atividade 1 do Trabalho 

Escolher um equipamento ou sistema de um processo e fazer as etapas 1, 2 e 3 do projeto de uma malha de controle.

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Onde Obter mais Informações • Bibliografia ▫ Stephanopoulos, G., “Chemical Process Control. An Introduction to Theory and Practice”, Prentice-Hall, (1984) ▫ Luyben, W. L., “Process Modeling, Simulation and Control for Chemical Engineers”, 2nd edition, McGraw-Hill, (1990) ▫ Coughanowr, D. R. e Koppel, L. B., “Análise e Controle de Processos”, Editora Guanabara, (1978). ▫ Smith, C. A. e Corripio, A. B., “Principles and Practice of Automatic Process Control”, John Wiley & Sons, (1985). ▫ Seborg, D. E., Edgar, T. F. e Mellichamp, D. A., “Process Dynamics and Control”, John Wiley & Sons, (1989). ▫ www.lacoi.ufba.br ▫ http://wwwusers.rdc.puc-rio.br/werneckr/index_cp.html ▫ Piovoso, M. J., “Industrial Process Control”, IEEE Journal, 2000 ▫ Guerrieri, Y., “Introdução ao Controle de Processos Químicos”, DEQ/EP/UFBA (Apostila)