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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Desenvolvimento de controladores de temperatura para uso em estações de
compressão de gás natural
Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a aprovação da disciplina:
DAS 5511 Projeto de Fim de Curso
Ramiro Saraiva da Silva
Florianópolis, Março de 2007
Desenvolvimento de controladores de temperatura para uso em estações de compressão de gás natural
Ramiro Saraiva da Silva
Esta monografia foi julgada no contexto da disciplina DAS 5511: Projeto de Fim de Curso
e aprovada na sua forma final peloCurso de Engenharia de Controle e Automação
Banca Examinadora:
Jan Wacker, Dipl. IngOrientador Empresa
Prof. Agustinho PlucenioOrientador do Curso
Prof. Augusto Humberto BruciapagliaResponsável pela disciplina
Prof. Eugênio de Bona Castelan Neto, Avaliador
Luan Godiva Perdomo Young, Debatedor
Ricardo Grützmacher, Debatedor
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Agradecimentos À minha família, em especial aos meus pais e irmãos, pelo carinho e apoio incondicional que sempre demonstraram. Ao professor orientador Agustinho Plucenio, por sua reconhecida generosidade e por sua grande colaboração com o desenvolvimento do projeto, tanto pelas orientações como também pelo apoio em solucionar entraves que inicialmente poderiam impossibilitar a realização desse trabalho, À empresa Greylogix GmbH em especial a Lars Malter e Matthias Buch pelasótimas condições de trabalho oferecidas durante a realização do estágio. Aos engenheiros Jan Wacker e Michael Blumen, orientadores por parte da empresa, que com muita disposição e paciência passaram ensinamentos e guiaram as atividades do aluno. Às funcionárias Stephanie Blank e Julia Berg pelo grande apoio prestado nas questões burocráticas referente a viagem e estádia. Ao engenheiro Matthias Wauer, pelo imenso companheirismo e amizade demonstrado durante esses 6 meses. Ao engenheiro Thorsten Köhn, por me apresentar Hamburgo e sua famosa avenida Reeperbahn. Ao amigo Renato Zacchello Leal, por me oferecer a oportunidade de realizar esse projeto de fim de curso. Ao amigo Rodrigo Tumelero Conte, pelo convívio, pelas viagens, pelas confraternizações e pelas aventuras realizadas. Ao Departamento de Automação e Sistemas da UFSC, aos seus professores e funcionários, pela forma como estimulam a qualificação de seus acadêmicos. Aos demais amigos, aos colegas de curso e aos laboratórios em que desenvolvi atividades: Laship e PRH-34; por toda experiência vivenciada e por tudo que com eles aprendi. Agradeço ainda o apoio financeiro da Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustiveis-ANP e da Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) por meio do Programa de Recursos Humanos da ANP para o Setor do Petróleo e Gás PRH-34 ANP/MCT. A todos, sou muito grato.
Resumo
Neste relatório descreve-se as atividades realizadas durante o estágio na
empresa GreyLogix GmbH, localizada na cidade de Flensburg – Alemanha, nos
meses de outubro de 2006 a março de 2007. Nesse período, o aluno participou de
projeto voltado à automação em ampliações de estações de transporte de gás
natural, tendo como função principal o desenvolvimento de controladores de
temperatura para o gás natural após sua compressão. As estações abrangidas pelo
projeto pertencem à companhia austríaca OMV e compõem a linha WAG (West-
Austria-Gasleitung).
O processo de compressão promove, naturalmente, uma elevação na
temperatura do gás, tornando–se necessário, assim, o controle de sua temperatura,
a fim de mantê-la dentro de faixas seguras. Para tanto, são utilizados bancos de
coolers que agem no sentido de acelerar a troca de calor entre o ambiente e o gás.
Desta forma, os algoritmos de controle desenvolvidos atuam sobre esses coolers
objetivando manter a temperatura do gás natural dentro de uma faixa desejada de
temperatura, levando em consideração além do comportamento dinâmico do
controlador (resposta a referências e a perturbações), também a otimização do
número de coolers utilizados (minimização do gasto energético), bem como outras
questões referentes à manutenção dos coolers. Todo trabalho foi desenvolvido no
ambiente SIMATIC PCS7, da Siemens, e como resultado, obteve-se 8 diferentes
controladores de temperatura para serem utilizados em estações de transporte de
gás natural.
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Abstract
This document reports the activities related to the internship that was carried
out at the company Greylogix GmbH, situated in Flensburg – Germany, from October
2006 to March 2007.
During this period the student took part in a project concerning the automation
in expansions of natural gas transport stations. These compression stations
compose the WAG (West-Austria-Gasleitung) gas pipeline, and belong to the
company OMV.
Inside this scope, the student's activities were focused on the development of
controllers to adjust the natural gas temperature after its compression. The
compression itself increases the gas temperature, and therefore the temperature
control become necessary.
Cooler banks are used in the gas cooling system, these coolers work in order
to accelerate the heat exchange between the natural gas and the environment. Thus
the developed controller's algorithms act with the aim of keeping the gas temperature
inside a desired range. In this way, the controllers consider not only its dynamic
behavior, but also try to minimize the number of utilized coolers as well as take care
of some aspects concerning the coolers maintenance.
The whole project was developed using SIMATIC PCS7. This suite was
introduced into the market by Siemens in 1997 and became one reference on the
automation segment.
5
Sumário
Agradecimentos.............................................................................................................3
Resumo.........................................................................................................................4
Abstract..........................................................................................................................5
Simbologia.....................................................................................................................8
Capítulo 1: Introdução...................................................................................................9
1.1:Empresa e projeto...............................................................................................9
Capítulo 2: Contextualização do tema / Motivação.................................................... 10
2.1:História..............................................................................................................11
2.2:Ocorrência.........................................................................................................12
2.3:Transporte.........................................................................................................14
2.4:Escopo do trabalho...........................................................................................15
Capítulo 3:Sistema (Coolers)......................................................................................18
3.1:Representação, Estados e Modos de operação dos coolers.......................... 19
3.2:Fenômenos físicos envolvidos..........................................................................21
3.2.1:Equacionamento básico............................................................................22
3.3:Modelo..............................................................................................................23
3.3.1:Ganho estático (1 cooler)..........................................................................25
3.3.2:Comportamento dinâmico (1 cooler).........................................................31
3.3.3:Sistema completo (disposição dos coolers)..............................................32
3.3.4:Conclusões sobre a modelagem...............................................................33
Capítulo 4: Controle – Parte Lógica............................................................................36
4.1:Limitações e especificações do controlador.....................................................38
4.2:Estratégias de controle - Variante 1.................................................................38
6
4.2.1:Estratégia de controle 2 pontos.................................................................38
4.2.2:PID.............................................................................................................40
4.3:Modos de Escalonamento - Variante 2............................................................45
4.3.1:Baseado em prioridade.............................................................................47
4.3.2:Baseado em timers....................................................................................48
4.4:Modo de acionamento - Variante 3..................................................................49
4.4.1:Acionamento Digital – on/off.....................................................................49
4.4.2:Acionamento Analógico.............................................................................51
4.5:Versões implementadas...................................................................................51
4.6:Modos de operação..........................................................................................53
Capítulo 5: Controle – Interface..................................................................................55
5.1:Typical...............................................................................................................56
5.2:Faceplates.........................................................................................................57
5.2.1:Standard....................................................................................................57
5.2.2:Parameter..................................................................................................59
5.2.3:Trend..........................................................................................................59
Capítulo 6: Resultados................................................................................................61
6.1:Parâmetros utilizados.......................................................................................63
6.2:Resultados com o sistema de acionamento digital..........................................64
6.3:Resultados com o sistema de acionamento analógico....................................66
6.4:Considerações..................................................................................................68
Capítulo 7:Conclusões e Perspectivas.......................................................................69
Anexos.........................................................................................................................72
7
Simbologia
T f ,e - temperatura de entrada do fluido frio [K]
T f , s - temperatura de saída do fluido frio [K]T q ,e - temperatura de entrada do fluido quente [K]T q , s - temperatura de saída do fluido quente [K]C i , j - cooler i do banco j
Q - taxa de transferência de calor [W]f - fator de correção [-]h - coeficiente de transferência de calor global [W / m² K]A - área efetiva total de iteração entre os fluídos [m²]
1 - constante de tempo dominante do modelo [s]
2 - segunda constante de tempo do modelo [s]
- atraso do modelo [s]k - ganho estático do modeloK - ganho proporcional do PID T i - tempo integrativo do PID [s]T d - tempo derivativo do PID [s]
Kc' - ganho proporcional do PID série
T i' - tempo integrativo do PID série [s]
T d' - tempo derivativo do PID série [s]
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Capítulo 1: Introdução
1.1: Empresa e projeto
A empresa GreyLogix GmbH foi fundada oficialmente em abril de 2000 na
cidade alemã de Flensburg, e desde então apresenta um crescimento
impressionante. Atuando na área de automação de processos industriais, possui
hoje escritórios em Berlim, Hamburgo, Brunsbüttel, Gelsenkirchen, Munique e Viena,
além de um vasto retrospecto de projetos bem sucedidos desenvolvidos para
pequenos e grandes clientes de diversos países e setores econômicos.
Figura 1: Greylogix GmbH, sede em Flensburg
Em seus projetos a firma utiliza software e hardware da família Simatic
(fabricados pela Siemens), além de sensores e atuadores em geral. Em decorrência
da sua alta competência técnica, foi uma das primeiras empresas a receber
certificado de excelência, concedido pela Siemens, no que tange o uso de seus
equipamentos.
No período em que atuou junto a empresa, o aluno participou de projeto
voltado à automação de estações de transporte de gás natural. Essas estações,
pertencentes a empresa austríaca OMV, compõem a linha WAG, (West-Austria-
Gasleitung). A WAG é uma das mais importantes rotas de transporte para o gás
natural extraído da Rússia (principal produtora mundial de gás natural) para o oeste
europeu, em especial para França e Alemanha. [7]
A empresa OMV é um exemplo de um dos grandes clientes com quem a
Greylogix trabalha. É a maior companhia austríaca e também o maior grupo de
petróleo e gás natural da Europa Central, atuando na exploração, produção e
transporte em 18 países distribuídos nos 5 continentes.
9
Capítulo 2: Contextualização do tema / Motivação
O gás natural é um combustível não renovável que pode ser encontrado em
formações geológicas específicas no subsolo e é freqüentemente acompanhado por
petróleo. [6]
Consiste de uma mistura de hidrocarbonetos leves e gases inorgânicos cuja
composição qualitativa e quantitativa depende de uma série de fatores naturais que
determinaram o seu processo de formação. De qualquer forma, possui sempre o
metano como componente preponderante.
O gás natural é também o combustível fóssil que apresenta a queima mais
limpa, e hoje, indo ao encontro de interesses ambientais e auxiliado por inúmeros
avanços tecnológicos que facilitaram a sua prospecção1, extração e transporte, ele
vem sendo utilizado para os mais variado fins.
A cadeia produtiva do gás natural constituí-se basicamente dos seguintes 5
estágios:
1) Exploração: É a fase inicial do processo e abrange desde estudos de
prospecção até a perfuração do poço visando comprovar a existência do produto em
nível comercial.
2) Produção: Etapa onde o gás é retirado do reservatório. Nesse estágio o
gás sofre um processamento para retirada de água, hidrocarbonetos líquidos e
partículas sólidas.
3) Transporte: No estado gasoso, o transporte do gás natural é feito por
meio de dutos ou, em casos muito específicos, em cilindros de alta pressão. No
estado líquido, pode ser transportado por meio de navios, barcaças e caminhões
criogênicos, a -160°C.
4) Armazenagem: Etapa onde um grande volume de gás é armazenado
(normalmente utilizando estruturas geológicas naturais), servindo como um “pulmão”
para que o sistema de transporte consiga lidar com oscilações no consumo.
1 reconhecimento de locais com estruturas propícias ao acúmulo de petróleo e/ou gás natural
10
5) Distribuição: É o estágio final do sistema. Onde o gás é levado até o
consumidor final, que pode ser residencial, comercial ou industrial.
Esse trabalho se concentra em atividades relacionadas ao transporte de gás
natural em estado gasoso através de dutos. Nos próximos dois tópicos procura-se
evidenciar a importância desse tema baseando-se em fatos históricos e na
ocorrência desuniforme do gás natural sob a superfície terrestre.
2.1: História
O gás natural esta presente no subsolo terrestre há milhares de anos, mas
como pode ser observado nesse breve histórico, seu uso em grande escala foi
limitado durante décadas por deficiências técnicas principalmente relacionadas ao
seu transporte.
Os primeiros relatos sobre gás natural datam da antiguidade (6000 a 2000
A.C.), no oriente médio, onde era então tratado como uma manifestação
sobrenatural. O gás exalava de fissuras no solo e quando excitado por alguma fonte
de ignição, passava então a arder por longos períodos. Na Pérsia, Grécia e Índia,
foram inclusive construídos templos para práticas religiosas ao redor destas
“chamas eternas”. Entretanto essas civilizações não reconheceram imediatamente a
importância de seu descobrimento.
Os chineses foram os primeiros a explorar esse produto. Construíram o
primeiro poço que se tem registro no ano de 211 A.C., utilizando bambus e brocas
rudimentares. Porém só a partir do século X o país começou a extrair o gás em
quantidades relevantes, com o intuito de secar pedras de sal.
Já o ocidente não tomou conhecimento do gás natural até o ano de 1659,
quando o mesmo foi descoberto na Grã Bretanha. Inicialmente a descoberta não
despertou grande interesse, devido à grande aceitação do gás resultante do carvão
carbonizado (town gas) que era então utilizado.
Em 1859, foi fundada nos Estados Unidos (em Fredonia, Nova Iorque) a
primeira companhia de gás, a Fredonia Gas Light Company. Durante todo século
XIX, o gás natural foi quase que exclusivamente utilizado apenas como combustível
de lamparinas. Seu consumo permaneceu muito restrito devido a falta de uma maior
infra estrutura de transporte, o que dificultava o translado de grandes quantidades
11
de gás a grandes distâncias. Em 1890 essa situação começou a mudar com a
invenção de um novo tipo de junta a prova de vazamento para gasodutos, tornando
possível o seu transporte a uma distância de 160 km. Distâncias mais generosas
passaram a ser alcançadas a partir de 1920 graças a avanços tecnológicos que
possibilitaram a utilização de maiores pressões nas tubulações. Depois da segunda
guerra mundial, devido ampliações nas redes de gasodutos e construções de locais
de armazenamento, o uso do gás natural cresceu rapidamente.
Durante quase todo o século XX, o gás natural que era encontrado junto ao
petróleo era considerado um estorvo, uma vez que exigia cuidados adicionais
voltados a segurança. Após a crise petroleira dos anos 70, o gás natural deixou de
ser considerado um subproduto sem interesse e se converteu em uma importante
fonte de energia no mundo.
2.2: Ocorrência
Como ilustrado no Gráfico 1, as reservas de gás natural apresentam-se
distribuídas de maneira bastante desuniforme sob a superfície terrestre. Esse é o
principal motivo pelo qual se faz necessário a existência de grandes redes de
transporte de gás natural, com linhas que muitas vezes cortam países e continentes.
Gráfico 1 – Distribuição das Reservas mundiais (Fonte: EIA - International Energy Annual 1999)
Ao se analisar a região apontada como a mais abundante em reservas de gás
natural (que por sinal é a região de maior interesse desse trabalho), composta pela
12
Europa e antiga União Soviética (Figura2 e Figura 3), pode-se notar a grande
importância do sistema de transporte que liga o leste ao oeste europeu.
Enquanto todos os países da Europa Ocidental e Central, bem como os
países escandinavos com exceção da noruega, não possuem reservas
representativas de gás, os reservatórios russos representam mais de um terço de
todo o gás conhecido hoje no mundo.
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Figura2: Reservas de Gás Natural – Situação em 2002 (BP STATISTICAL
REVIEW OF WORLD ENERGY. Disponível em: www.bp.com/worldenergy)
Figura 3: Consumo de Gás Natural em 2002 (BP STATISTICAL REVIEW OF
WORLD ENERGY. Disponível em: www.bp.com/worldenergy)
Apesar do consumo individual de cada país da Europa ocidental não
parecer representativo na escala utilizada na Figura 3, ao levarmos em
consideração o grande número de nações existentes, o consumo de um ponto de
vista geral se torna relevante.
Portanto é natural que o gás russo alimente essa demanda existente. Para
que isso ocorra de maneira eficiente e confiável, existe nessa região um complexo
sistema de transporte de gás. Esse sistema pode ser visto na figura acima, onde em
vermelho está destacada a zona de atuação do projeto em voga nesse relatório.
2.3: Transporte
O transporte eficiente de gás natural no estado gasoso, das regiões
produtoras até às consumidoras, depende de um elaborado sistema composto
basicamente por:
1) Dutos: com diametros que variam normalmente de 6 a 48 polegadas (0,1524m
a 1,291m), que são as vias através das quais o gás propriamente viaja.
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Figura 4: Sistema de Transporte de gás natural Europeu
2) Estações de compressão: onde, através da compressão, é transferida a
energia necessária para que o gás se movimente pelos dutos. Essas estações
são normalmente posicionadas em intervalos que variam de 60 a 160 km ao
longo das tubulações.
3) Estações de medição: estas estações são equipadas com instrumentação que
possibilitam que as companhias monitorem e administrem o gás existente em
seus dutos inserindo a menor perda de carga possível no sistema.
4) Válvulas: ao longo de seu comprimento, os dutos são equipados com válvulas
que possibiltam obstruir a passagem do gás em situações especiais como de
manutenção ou vazamento.
5) Estações de controle – sistemas SCADA2: As companhias de transporte de
gás possuem clientes nas duas pontas de suas linhas: em uma os produtores; e
em outra os conumidores e companhias de distribuição local. Para garantir que o
transporte esteja sempre sincronizado com a demanda, é necessário a
existência de estações centralizadas que controlem remotamente toda a rede.
Essas estações trabalham em tempo real, e normalmente são alimentadas por
dados que são coletados nas estações de medição ou compressão.
2.4: Escopo do trabalho
O projeto em que o aluno participou, e que ainda se encontra em
desenvolvimento pela empresa Greylogix (com prazo de entrega previsto para
outubro de 2007), visa criar sistemas automatizados e tele controlados para serem
implantados em futuras ampliações de 3 estações (Baumgarten, Kirchberg e
Rainbach) de compressão de gás natural operada pela empresa OMV na Áustria.
Como pode ser observado na Figura 5, essas 3 estações compõem,
juntamente com outras 4, a linha WAG (West-Austria-Gasleitung). A WAG possui
245 Km de extensão e é uma importante artéria dentro do sistema europeu de
transporte de gás natural.
Os sistemas desenvolvidos neste projeto, além de desempenhar suas
funções específicas sobre as ampliações em voga, deverão também possuir
2 Supervisory Control and Data Acquisition, um sistema distribuído de medição e controle.
15
interfaces para comunicar-se com os dispositivos já existentes, além de prover
informações para centrais remotas de controle.
Dentro desse escopo o trabalho do aluno se baseou no desenvolvimento de
controladores de temperatura para o gás natural após a sua compressão.
Como já foi dito anteriormente, a compressão é necessária para transmitir
energia suficiente para que o gás se movimente pelos dutos. Essa compressão é
realizada por turbinas que são alimentadas pelo próprio gás natural.
Sabe-se da termodinâmica, que o processo de compressão traz uma
elevação natural na temperatura do fluido. Como estamos aqui trabalhando com gás
natural, um fluido antes de mais nada combustível, é necessário uma série de
cuidados no que diz respeito a sua temperatura.
Portanto após o estágio de compressão nas turbinas, o gás natural passa
imediatamente por um estágio de resfriamento através do uso de coolers. Os
coolers são trocadores de calor que utilizam grandes ventiladores, acelerando assim
a troca térmica entre o gás que escoa na tubulação e o ar que é impulsionado por
suas pás.
Com o resfriamento do gás natural, dois objetivos distintos são alcançados:
16
Figura 5: Localização das estações de compressão no território Austríaco
1. Segurança. Como já citado, pelo gás natural ser um combustível, é
estritamente necessário manter sua temperatura dentro de uma determinada
faixa;
2. Vida útil das tubulações. Com o aumento de temperatura do gás, se
faz necessário um aumento proporcional de sua pressão para que se possa
manter uma mesma vazão mássica no escoamento. Essa elevação na
pressão acaba por diminuir a vida útil da tubulação.
De uma maneira simplista, pelo problema se encontrar apenas nas altas
temperaturas, poderia-se sugerir a utilização simultânea e contínua de todos os
coolers do sistema. Porém não é difícil de perceber que tal solução não é nem um
pouco otimizada e acabaria por trazer um gasto de energia elevado e muitas vezes
desnecessário.
Já com a implementação de uma lógica de controle adequada sobre o
sistema, é possível obter pelo menos duas grandes vantagens:
1. Minimização do número de coolers usados e por consequência da
energia gasta com o resfriamento.
2. Utilização racional dos coolers visando minimizar custos relativos à
manutenção.
Nos próximos capítulos é explicado com maior riqueza de detalhes o sistema
de resfriamento e as lógicas de controle desenvolvidas. Vale ressaltar que esse
trabalho não visa a sintonia propriamente dita dos controladores, mas sim o
desenvolvimento de estruturas de controle que sejam potencialmente adequadas
para o sistema em questão.
17
Capítulo 3:Sistema (Coolers)
Para o controle de temperatura do gás natural, as estações de compressão
utilizam bancos de coolers. O número de bancos e a quantidade de coolers
existentes em cada banco variam de estação para estação de forma a ser
compatível com as vazões que normalmente as atravessam. Na Figura 6 vemos a
imagem de um sistema que possui 3 bancos com 6 coolers cada.
Os coolers são compostos basicamente por um grande ventilador e uma
placa de dissipação de calor que visa ampliar a área de contato da tubulação com o
ambiente.
18
Figura 7: Placa dissipadora de calor
Figura 6: Bancos de coolers em estação de compressão
Após o estágio de compressão, onde o gás natural tem sua temperatura
aumentada, o escoamento é então levado aos bancos de coolers. Antes do gás
realmente percorre-los, sua vazão é dividida (em partes iguais) através de várias
tubulações menores que se encontram em paralelo. O número dessas tubulações é
sempre igual a quantidade de coolers existente em cada banco (Figura 8).
Na saída dos bancos, essas tubulações são novamente unidas, voltando a
formar uma única vazão. Nesse ponto o gás já foi resfriado e deve estar com sua
temperatura abaixo do limite de 50ºC. A partir daí o gás está pronto para deixar a
estação com energia suficiente para alcançar seu destino final ou então uma
próxima estação de compressão.
A Figura 8 auxilia na compreensão da disposição dos coolers no sistema.
Nela fica claro a existência de grupo de coolers em série (cada tubulação) e outros
em paralelo (cada banco de cooler).
3.1: Representação, Estados e Modos de operação dos coolers
Vemos na Figura 8 os ícones (typicals3) utilizados para representar os coolers
no ambiente visual do Simatic PCS74, o WinCC5. Vamos aproveitar essa ilustração
para apresentar os diferentes estados e modos de operação que esses dispositivos
podem assumir dentro do sistema. Porém antes disso, esclareceremos as
diferenças entre esses dois termos que aqui podem parecer semelhantes.
O estado diz respeito a situação física que um certo mecanismo se encontra
num determinado instante. Enquanto que o modo de operação determina quem está
no comando do dispositivo, ou seja, de onde vem o sinal que define se o dispositivo
deve ser ligado ou desligado.
Por exemplo, em relação aos estados, os coolers possuem apenas 3:
ligados, desligados ou em falha. Já no que se refere aos modos de operação, todos
os blocos funcionais que representam um elemento físico, ou as vezes até mesmo
3Ícone que representa um objeto mostrando suas principais informações de maneira concisa.
4Suite de ferramentas da Siemens para implementação de sistemas que fazem uso de CLPs
da linha Simatic.
5Significa em inglês “Centro de Controle em Windows” e é o front-end de visualização da suíte
de controle de processos PCS7
19
lógico, possuem sempre 4 modos: manual (HD), automático (AC), manual externo
(HE) e automático externo (AE).
Os modos manuais significam que o comando de acionamento ou
desligamento do dispositivo esta sendo gerado por um usuário (ou através do
sistema supervisório, ou através de um acionamento manual em algum painel). Os
modos automáticos, por sua vez, determinam que esses comandos estão sendo
recebidos de alguma lógica que não depende diretamente de um usuário (o sinal
chega através do CFC6, proveniente de um bloco responsável por controlar um
dado equipamento). Os modos externos definem apenas que o bloco esta sendo
operado remotamente e portanto não pode receber comando locais.
Na figura cada cooler é representado por um typical. Neles podemos
identificar informações relativas ao estado e modo de operação dos coolers. A cor
6Continuous Flowchart, programação gráfica baseada diagrama de blocos
20
Figura 8: Representação de um sistema de 4 bancos com 5 coolers cada
verde, branca e laranja representam respectivamente que o dispositivo está ligado,
desligado, ou com problema. E os símbolos HD e AC, definem a operação do cooler
no modo manual ou automático.
Deve ficar claro aqui que os coolers que se encontram em estado de falha,
ou então em um modo de operação manual, estão indisponíveis para serem
acionados por uma lógica de controle.
3.2: Fenômenos físicos envolvidos
O sistema de coolers apresentado pode ser encarado como um sistema
composto por vários trocadores de calor em série e paralelo, onde o fluído quente é
o gás natural após sua compressão e o fluído frio é o ar impulsionado por cada
cooler.
Quando em funcionamento, o cooler gera uma vazão de ar (com temperatura
ambiente) contra as placas dissipadoras de calor por onde o gás natural flui. Devido
a troca de calor, o ar na saída do sistema tem sua temperatura aumentada,
enquanto que o gás natural tem a sua diminuída.
Procura-se aqui discutir os fenômenos físicos da troca de calor em um cooler.
Vale ressaltar que não se tem o objetivo de criar um modelo analítico do sistema,
uma vez que seu equacionamento físico não é nada elementar, e sua solução
numérica depende normalmente de métodos de discretização (diferenças finitas,
elementos finitos, etc.). Porém trataremos das equações fundamentais que regem o
21
Figura 9: Esquema da troca de calor de um cooler
sistema, tentando inferir de maneira qualitativa seu comportamento geral. Uma
análise mais precisa do comportamento do sistema é obtida no capítulo 3.3 a partir
do uso de um software específico de simulação.
3.2.1: Equacionamento básico
Considerando que toda a troca de calor ocorre somente ente os fluidos
quente e frio e que ambos os fluidos permaneçam durante todo o processo no
estado gasoso podemos realizar os seguintes equacionamentos:
Pela conservação de energia temos que a quantidade de calor perdido pelo
fluído quente é igual a quantidade de calor ganhada pelo fluído frio e que por sua
vez é igual ao calor que atravessa a parede do dissipador:
Qq=−mq⋅c p ,q T q , e−T q , sQ f =m f⋅c p, f T f ,s−T f , eQq=−Q f=Q
dQq=−mq⋅c p , q⋅dT q
dQ f=m f⋅c p , f⋅dT f
dQq=−dQ f =dQ
O calor que atravessa a interface de contato (parede do dissipador) é definido
por:
Qi=hT q−T f ⋅AQi=Q
dQ i=h T q−T f ⋅dAdQ i=dQ
Porém, pela temperatura tanto do fluido quente como do fluido frio não serem
constantes ao longo da interface, as equações que regem a troca de calor nesse
meio necessitariam uma análise mais delicada do que a apresentada acima7.
De qualquer forma é possível realizar análises qualitativas com essas
equações. Por exemplo, vemos que para cada infinitesimal de área da parede do
dissipador, só haverá troca de calor quando a temperatura do fluído quente for
superior a temperatura do fluído frio. Portanto, percebe-se uma limitação física do
sistema; a temperatura mínima possível de ser atingida na saída do fluído quente
será, idealmente, igual a temperatura de entrada do fluído frio. Na verdade isso
nunca é alcançado, devido ao aquecimento do fluído frio ao longo do trocador, e a
limitações da quantidade de calor trocada entre os fluídos.
7Na prática se utiliza uma média logarítmica como apresentado em [1]
Q=h A f T f ,e−T q , s−T f ,s−T q ,e
lnT f , e−T q ,s
T f , s−T q, e
22
No que se refere ao regime dinâmico do sistema ao se variar as vazões ou
temperaturas de entrada pode se avaliar o seguinte: Da equações acima, percebe-
se que aumentando, por exemplo, a vazão mássica de entrada do fluído quente,
ocorre um aumento da quantidade de calor inserida no sistema. Esse aumento faz
com que a temperatura do fluído frio da saída aumente. Devido a esse aumento de
temperatura e também pelo aumento da quantidade de massa de fluído quente que
flui no trocador, a temperatura de saída do fluído quente é aumentada.
Resumidamente ao aumentar-se mq tem-se um aumento imediato de Qq , para
que se mantenha um equilíbrio no balanço de calor, o sistema diminui o T q e
aumenta o T f até que a igualdade Qq=−Q f volte a ser verdade, gerando assim
um novo regime estático. Mais detalhes sobre essa dinâmica podem ser conferidas
nos gráficos da Figura 10.
3.3: Modelo
Para análise do sistema foi utilizado o programa Heat.m desenvolvido por Jon
Bolmstedt (PhD na área de termodinâmica da universidade de Lunds Tekniska
Högskola, na Suécia) para uso em Matlab. O programa pode ser encontrado no site
Matlab Central8.
O software é uma ferramenta educacional que possibilita uma análise do
comportamento dinâmico de trocadores de calor sem a complexidade de um
desenvolvimento analítico por parte do usuário. O programa possui interface gráfica
como apresentada na Figura 10.
O usuário precisa apenas conhecer os parâmetros físicos que caracterizam o
trocador de calor (sua área, volume, coeficiente global de transferência de calor) e
os fluídos (temperatura de entrada, vazão e capacidade térmica dos fluídos
utilizados).
Com isso o programa gera 2 gráficos, um mostrando a variação da
temperatura de saída do fluido frio e quente em função do tempo e outro mostrando
a variação do perfil da temperatura dos fluidos quente e frio ao longo do trocador de
calor.
8comunidade para usuários de Matlab e Simulink - http://www.mathworks.com/matlabcentral/
23
Para definição dos parâmetros do sistema foi necessário realizar uma série
de simplificações e antes de tudo tentar utilizar o bom senso.
Sabe-se que a capacidade térmica dos gases variam com sua temperatura e
pressão. Porém a variação da capacidade térmica do ar atmosférico utilizado pelos
coolers é desprezível (sendo que sua pressão é conhecida e sua temperatura pouco
varia). A mesma facilidade não é encontrada nesse sistema para o gás natural, pois
suas pressões e temperaturas não são tão estáveis quanto a do ar. Nesse caso foi
utilizado o valor de sua capacidade térmica levando em consideração a pressão de
85 bar (pressão máxima utilizada nos gasodutos, e que normalmente é a pressão
alcançada logo após a fase de compressão) e a temperatura de 50 ºC, que segundo
os engenheiros do projeto, é a temperatura que o gás costuma chegar aos coolers
(80 graus é a temperatura máxima permitida nesse ponto).
24
Figura 10:Interface do simulador utilizado mostrando a resposta a um degrau em Qq
Para a vazão de ar foi utilizado valores entre 0 e 4000 CFM9
(aproximadamente 0,2 m³/s, que é a vazão nominal dos coolers normalmente
utilizados), já para a vazão de gás natural considerou-se ¼ da vazão média de gás
(pois a vazão é normalmente dividida em 4 antes de atravessar os coolers) da linha
WAG.
Para definição dos valores de área, volume e coeficiente de troca térmica do
trocador de calor, pela dificuldade de estima-los sem um conhecimento mais
detalhado do sistema, buscaram-se valores que trouxessem uma resposta dinâmica
e estática que condissesse com o conhecimento empírico dos funcionários da
empresa que conhecem o sistema.
Nos próximos dois tópicos visa-se criar uma modelo entre a vazão de entrada
de ar (vazão imposta pelo cooler) e a temperatura de saída do gás natural, tanto no
que diz respeito ao seu comportamento estático, como dinâmico.
3.3.1: Ganho estático (1 cooler)
É fácil notar que a temperatura de saída do gás natural depende além das
vazões de ar e gás natural, também das temperaturas de entrada do ar e do gás
natural. Aqui, a partir de uma série de ensaios realizados com o programa acima
citado, tenta-se definir como todas essas variáveis influenciam o ganho estático do
sistema.
Primeiramente levou-se o sistema para o ponto que foi considerado como seu
ponto normal de operação. E então fez-se variar a vazão de ar de 0 a 100% da
capacidade do cooler. Obtendo-se a resposta apresentada na Figura 11.
Percebe-se que o sistema foi simulado para vazões maiores do que 8% da
capacidade do cooler. Isso se deve ao fato do software de simulação utilizado gerar
erros numéricos ao se usar valores muito baixos de vazão.
Para podermos extrapolar o comportamento da curva dentro das faixas onde
não existem dados simulados, inseriu-se manualmente um ponto para vazão zero.
Esse ponto faz com que seja considerado que quando não existe vazão de ar o gás
natural saia com a mesma temperatura que entra.
9Unidade de vazão em pés cúbicos por minuto
25
Procurou-se então definir a “estrutura” de uma equação que represente
adequadamente essa curva, e que além disso possua parâmetros que apresentem
algum significado físico.
Pelo formato da curva apresentada, sugeriu-se o uso da equação:
y x =a⋅exp b⋅xc
Com o auxílio da ferramenta cftool10 realizou-se a sintonia dos parâmetros
a , b e c . Conforme figura Figura 12 pode se observar que tal equação não
representa de maneira satisfatória nem o ganho estático para vazões altas, nem
para vazão zero. Afim de se obter um melhor casamento das curvas utilizou-se a
equação y x =a⋅exp b⋅ x c . Assim foi obtido uma conformidade da ordem de
99.7 % .
Na equação, c representa a temperatura mínima que o gás natural atingiria
quando se aplicasse uma vazão máxima (infinita) de ar, e ac representa a
temperatura de entrada do gás natural. O parâmetro b possui menor 10Curve Fitting Tool, Toolbox do matlab para obter expressões de curvas a partir de vetores de
dados
26
Figura 11: Resposta 1
representatividade física, e “modula” o valor da vazão de ar a fim de se usar um
número de grandeza adequada na função exponencial.
A princípio pode-se garantir que b é um número negativo e que c sempre
vai possuir um valor entre a temperatura de entrada do gás natural e a temperatura
de entrada do ar. O parâmetro a por sua vez depende apenas de c e da
temperatura de entrada do gás natural. Ele define onde o sistema corta o eixo y
Os parâmetros então obtidos foram:
a=29.18 ; b=−0.206 ; c=21.39 ;
O que confirma todas as hipóteses antes realizadas, uma vez que ac é
aproximadamente igual a 50ºC, c esta entra 50ºC e 15ºC e b é negativo.
Uma vez definida a estrutura da função, variou-se o valor de todas as demais
entradas do sistema, uma a uma, a fim de se encontrar a relação entre os
parâmetros a , b e c , e as variáveis T q ,e ,T f , e ,Qq ,Q f .
27
Figura 12: Definição do formato da curva
Primeiramente variou-se T q ,e mantendo-se T f ,e=15ºC :
30ºC 35ºC 40ºC 45ºC 50ºC 55ºC 60ºC
a 12.51 16.68 20.84 25.01 29.18 33.35 37.13
b 0.206 0.206 0.206 0.206 0.206 0.206 0.206
c 17.74 18.65 19.57 20.48 21.39 22.31 23.22
28
Figura 13: Ensaio 1
Depois variou-se T q ,e mantendo-se T f ,e=5ºC :
30ºC 40ºC 50ºC 60ºC
a 20.84 29.22 37.52 45.86
b 0.206 0.206 0.206 0.206
c 9.566 11.42 13.22 15.05
Depois variou-se T q ,e mantendo-se T f ,e=25ºC (gráfico no Anexo 1):
30ºC 40ºC 50ºC 60ºC
a 4.169 12.51 20.84 29.18
b 0.206 0.206 0.206 0.206
c 25.91 27.74 29.57 31.39
29
Figura 14: Ensaio 2
Depois aumentou-se qq em 50% da vazão nominal e variou-se T q ,e
mantendo-se T f ,e=15ºC (gráfico no Anexo 2):
30ºC 40ºC 50ºC 60ºC
a 10.83 18.05 25.27 32.5
b 0.1812 0.1812 0.1812 0.1812
c 19.47 22.45 25.43 28.4
Depois diminuiu-se qq em 50% da vazão nominal e variou-se T q ,e
mantendo-se T f ,e=15ºC (gráfico no Anexo 3):
30ºC 40ºC 50ºC 60ºC
a 13.98 23.3 32.62 41.94
b 0.2771 0.2771 0.2771 0.2771
c 16.07 16.78 17.5 18.21
Analisando os resultados obtidos em relação a variação dos parâmetros a
b e c , podemos perceber o seguinte:
O parâmetro a será sempre igual a T q ,e−c .
O parâmetro c varia sempre linearmente com o aumento da vazão de
entrada do gás natural e sua inclinação só varia quando ocorre uma variação na
vazão de entrada de gás natural. Para a vazão considerada nominal (3 primeiras
tabelas) sua inclinação é de aproximadamente 1,827 unidades para cada 10 graus
Celsius. Com o o aumento da vazão (4ª tabela) : 2,976 unidades por 10ºC. E com a
diminuição da vazão (5 ª tabela) : 0,0713 unidades por 10ºC.
O parâmetro b é constante para cada vazão Qq . Para Qq nominal seu
valor é 0,206. Com a variação de Qq , b varia não linearmente.
30
3.3.2: Comportamento dinâmico (1 cooler)
A não linearidade do sistema referente ao regime transitório é muito mais
fraca do que a do regime permanente acima discutida. Para analisar o
comportamento dinâmico, foram aplicados degraus na vazão de entrada de ar, e
observou-se a variação da temperatura de saída do gás.
Pode se perceber que a constante de tempo de resfriamento e aquecimento
do sistema são distintas.
Ao se variar T f ,e , T q ,e e Qq a constante de tempo também sofre
pequenas alterações. Porém, a fim de de se obter um modelo mais simplificado do
sistema, foram desconsideradas essas pequenas variações e aproximou-se o
modelo do sistema através de uma função de transferência de 2ª ordem com atraso
de transporte.
Os parâmetros do modelo obtido são 1=120 , 2=20 e =20 , uma
resposta ao degrau é apresentada na figura a seguir e pode ser comparada com as
respostas obtidas na Figura 15.
31
Figura 15: Variação da temperatura com o aumento (esquerda) e redução (direita) da vazão de
entrada de ar (onde em vermelho temos T q , s e em azul T f , s )
3.3.3: Sistema completo (disposição dos coolers)
Depois de termos analisados o comportamento do sistema em cada cooler
basta agora apenas unir os modelos de maneira coerente com a disposição física
dos coolers no sistema.
Dos dois tópicos anteriores temos que o modelo de cada cooler é dado pela
estrutura:
Onde i representa o número do cooler no banco e j o número do banco.
32
Figura 17: Estrutura do modelo de um cooler
Figura 16: Resposta ao degrau do modelo
Para unirmos as saídas de um modelo com as entradas do outro deve-se
seguir a seguinte relação:
k i , j = f T q ,e i , j−1 , T f , ei , j ,Qq i
Considerando que a vazão de entrada Qq se divide uniformemente através
de todas as tubulações e que sua temperatura é uniforme temos:
n=nº de coolers por banco
Qq i =Qq
nT q ,e i ,0=T q ,e
E considerando que após se unirem numa só tubulação, a temperatura
atingida seja igual a média das temperaturas que cada uma das tubulações possuía,
temos:
T q , s=∑i=1
n
T q , si
n
Utilizando todas essas relações numa única lógica, obtêm-se então o modelo
do sistema como um todo.
3.3.4: Conclusões sobre a modelagem
Analisando de maneira mais minuciosa o modelo completo acima
apresentado, podemos identificar importantes detalhes no que diz respeito ao seu
comportamento.
Um detalhe de grande relevância para o decorrer do trabalho está ligado a
não equivalência do poder de resfriamento dos coolers devido às suas posições
relativas. Vamos tentar exemplificar isso imaginando um sistema composto por
apenas 2 bancos e 2 coolers por banco.
Em uma determinada situação nesse sistema tem-se somente o cooler
C 1,1 ligado e, pela temperatura T q , s estar elevada, deseja-se acionar um novo
cooler. Existem portanto 3 alternativas, que a primeira vista podem parecer
idênticas. Todavia, o efeito na temperatura de saída será distinto dependendo da
escolha realizada.
33
Se o cooler C 1,2 for acionado, a temperatura final de saída do gás natural
será mais elevada do que se fosse acionado o cooler C 2,1 ou o C 2,2 . Isso se
deve ao fato de que quando temos mais de um cooler agindo sobre a mesma
tubulação, a temperatura de entrada do gás em cada um desses coolers não é a
mesma. No exemplo dado o gás é resfriado inicialmente em C 1,1 entrando em
C 1,2 com uma temperatura mais baixa do que o gás que entra em C 2,1 e
C 2,2 .
Então por existir um T (diferença de temperatura média entre o gás
natural e o ar) menor em C 1,2 , a quantidade de calor que esse cooler é capaz de
trocar com o ambiente sempre será menor do que os que possuem um T maior.
Pode-se generalizar o exemplo e afirmar que para se atingir uma dada
temperatura usando o número mínimo de coolers, deve-se sempre manter o mesmo
número de coolers ligados em cada tubulação. Ou seja, imaginando a disposição
dos coolers como uma matriz, onde a linha é o número da tubulação e a coluna é o
numero do banco, o número de coolers em uso em cada linha deve ser sempre que
possível idêntico (Uma situação como essa esta ilustrada, não por acaso, na figura
da página 20).
Outro detalhe importante se refere à característica inversa do sistema, ou
seja, quando se aumenta a ação de controle, se diminui a variável controlada, e
quando se diminui a ação de controle, se aumenta a variável controlada. Portanto
essa característica tem que ser levada em consideração na implementação das
malhas de controle.
Um outro ponto que pode ser observado se refere à influência da temperatura
ambiente na quantidade de coolers necessários para controlar a temperatura do
sistema. Na Áustria, território de interesse do projeto, as temperaturas médias
oscilam entre 1ºC no inverno e 19ºC no verão11. Sabe-se que quanto menor a
temperatura ambiente, maior será a quantidade de calor trocada em cada cooler, e
portanto menor será o número de coolers utilizados para manter o gás natural na
temperatura desejada. Dessa forma, percebe-se que o sistema deve ser
dimensionado para funcionar adequadamente durante o verão, fazendo assim com
que seu bom funcionamento durante as estações mais frias também seja garantido.11Segundo o site meteorológico The Weather Channel.
34
Vemos aqui que apesar das simplificações adotadas, a modelagem do
sistema e os ensaios realizados foram de extrema importância, uma vez que
trouxeram a tona uma série de características intrínsecas do processo de
resfriamento.
A partir dessa etapa passou-se a contar com um modelo matemático para
testes de desempenho dos controladores e também com um melhor entendimento
dos fenômenos físicos envolvidos.
35
Capítulo 4: Controle – Parte Lógica
Os controladores aqui apresentados foram a principal contribuição feita pelo
aluno durante o decorrer de suas atividades. Seus desenvolvimentos englobaram
não apenas as estratégias de controle por si só, mas também as lógicas referentes
a ordem de utilização dos coolers (escalonamento), e as interfaces gráficas de
comunicação com o usuário.
Toda a lógica dos controladores foram implementadas em linguagem SCL12.
SCL é uma linguagem de programação de alto nível tendo uma sintaxe bastante
similar ao Pascal. Apresenta os típicos laços de controle do fluxo de execução como
FOR, IF-ELSE, WHILE, estruturas de dados como STRUCT, vetores de uma ou
mais dimensões, ponteiros, etc. De todas as possibilidades de programação de
CPUs Simatic, é com certeza a mais flexível, trazendo para o programador uma
maior facilidade na implementação de lógicas e fluxos de execução mais complexos.
O objetivo fundamental do controle de temperatura do gás natural após a sua
compressão é não deixar que a temperatura de saída do gás atinja valores
superiores a determinados patamares. Existem 2 patamares, o 1º é de 40 ºC e o 2º
é de 60 ºC. Quando a temperatura do sistema é superior ao 1º nível, mensagens de
aviso são enviadas aos operadores, caso a temperatura atinja o 2º nível, o sistema
entra em um estado de alerta e o funcionamento da planta é paralisado.
Portanto, o desempenho dinâmico do controlador deve conseguir compensar
as perturbações ( T q ,e , Qe , T f e) e as mudanças de referência, sem que essas
temperaturas máximas sejam ultrapassadas.
Sabe-se que o setpoint do controlador sempre terá um valor abaixo dos
limites de temperatura. Na prática ele é mantido próximo dos 35 graus e raramente
tem seu valor modificado.
Quanto menor for a capacidade do controlador de responder adequadamente
às perturbações e às mudanças de referência, menor deverá ser o valor do setpoint
(ou seja, maior será a distância entre a temperatura limite e a referência). Isso se faz
12Do inglês Structured Control Language.
36
necessário para que se evite que nos regimes transitórios a temperatura do sistema
ultrapasse os patamares limites de temperatura. Sabe-se no entanto que quanto
menor for o setpoint, maior será o número de coolers necessários para manter o
sistema em equilíbrio no regime permanente e portanto maior será o gasto
energético envolvido no processo. Portanto, percebe-se que quanto melhor for a
capacidade do controlador de rejeitar as perturbações, mais perto dos limites de
temperatura poderá ser definido o setpoint e menor será o gasto energético do
processo.
Levando em consideração também a frequência com que a Greylogix
desenvolve projetos ligados a estações de compressão de gás natural, os blocos de
controle foram pensados e implementados com o intuito de possuírem duas
características principais:
1. Alta reusabilidade: os controladores serão utilizados não só nas três
estações de compressão que englobam o atual projeto da OMV, mas
também comporão a biblioteca da Greylogix para serem usados em futuros
projetos semelhantes.
2. Alta flexibilidade: eles devem ser facilmente adaptáveis à plantas com
diferentes características físicas (diferentes números de bancos de cooler,
diferentes números de coolers por banco, existência ou não de inversores de
frequência para cada cooler) e também à diferentes especificações de
operacionalidade (lógica de escalonamento) definida pelo cliente.
Para se alcançar esses objetivos foram necessários o desenvolvimento de
não apenas 1 bloco de controle e uma única interface com o usuário, mas sim 8
blocos e suas respectivas 8 interfaces. O número 8 se deve a existência de 3
possíveis variantes no sistemas, são elas: estratégia de controle, modo de
escalonamento e modo de acionamento. As características específicas dessas 3
variantes serão apresentadas mais adiante, primeiramente serão listadas as
características das principais restrições do controlador.
37
4.1: Limitações e especificações do controlador
Do ponto de vista do controle existe no sistema algumas limitações
importantes, impostas tanto por características físicas como por especificações
passadas pelo cliente. Entre elas pode-se citar:
1. Saturação da atuação do controle devido ao número limitado de
coolers do sistema.
2. A existência de sistemas equipados com coolers de acionamento
apenas on/off.
3. A limitação da variação da ação de controle, isto é, quantos coolers
podem ser acionados ou desligados simultaneamente. Como os torques de
partida dos motores elétricos são elevados, esta limitação é necessária para
que se evite picos de corrente na rede elétrica.
4. A necessidade de se mostrar antecipadamente qual será a próxima
ação que o controlador irá tomar. Essa restrição vem ao encontro de quesitos
de segurança do sistema. Pretende-se dessa forma evitar que um operador
venha a se aproximar de um cooler que será acionado em breve. Essa
restrição impõem a necessidade de se atrasar a ação de controle em 1
período de amostragem.
4.2: Estratégias de controle - Variante 1
No que se refere a lógica de controle, foram implementados controladores
que se utilizam de duas técnicas distintas.
4.2.1: Estratégia de controle 2 pontos
O controlador aqui nesse trabalho denominado como “2 pontos” possui uma
lógica bastante simples. Basicamente ele divide todo o universo de possíveis
temperaturas do sistema em 3 zonas distintas: as que estão acima, as que estão
abaixo, e as que estão dentro da faixa de referência definida pelo setpoint e pela
amplitude da zona morta (detalhes na Figura 18).
38
A cada período de amostragem o controlador adquire a temperatura de saída
do gás natural e analisa em qual das 3 zonas ela se encontra. Caso a temperatura
esteja abaixo da faixa de referência, o controlador diminui o número de coolers
utilizados em um determinado valor. Caso ela esteja na região oposta, ou seja,
acima dessa faixa, o número de coolers é então aumentado no mesmo valor. Já se
a temperatura estiver dentro da faixa desejada, então nenhuma ação é tomada.
Seus parâmetros principais são:
– referência e zona morta: que definem as 3 regiões.
– período de amostragem: que define com que frequência uma ação é
tomada.
– step: tamanho de cada ação.
Se for analisado de um ponto de vista mais abstrato, pode se considerar que
desconsiderando a zona morta, esse tipo de controle se aproxima a um controlador
do tipo integrativo puro. Isso porque a cada período de amostragem a ação de
controle é somada em um determinado valor. Porém diferentemente do controle
integrativo, o valor que se soma na ação de controle não depende do módulo erro e
sim apenas do sinal do erro.
Sabe-se que normalmente um “controlador Integrativo puro piora as
características dinâmicas, isto porque se introduz um pólo na origem do sistema, e
desloca-se o diagrama pólo-zero para uma região mais próxima do semiplano direito
39
Figura 18: Esquema do controlador por 2 pontos
do plano s. De forma equivalente esse efeito pode ser interpretado pela fase de -90
graus introduzida pelo integrador no diagrama de resposta em frequência.” [5]
Normalmente com um controle integrativo, os sistemas facilmente se tornam,
oscilatórios (quando não instáveis) e apresentam resposta mais lenta do que em
malha aberta.
Essas mesmas características podem ser observadas no controlador de “2
pontos”. Ao se aumentar o valor do step e/ou diminuir o período de amostragem, o
sistema tem a amplitude de sua oscilação aumentada. Essa oscilação não
permanece por um período indeterminado, graças a existência de uma referência
por faixa, que proporciona a chance da ação de controle se estabilizar.
Apesar do seu comportamento dinâmico precário, esse controle é, ainda
hoje, o mais utilizado para esse tipo de processo. Foi ele o controlador inicialmente
especificado para ser desenvolvido para o projeto.
4.2.2: PID
O PID é com certeza a estrutura de controle mais difundida no mundo. O seu
uso representa mais de 95% de todo o universo de controladores utilizados nas
industrias hoje em dia [2]. Ele combina 3 diferentes tipos de ações: proporcional,
integrativa e derivativa, tendo uma estrutura de fácil implementação a partir de
componentes eletrônicos analógicos. Essa facilidade, aliada às suas boas
características dinâmicas e estáticas, foram as principais razões pelas quais no
passado sua utilização se tornou tão corriqueira.
Mesmo hoje em dia com a possibilidade existente de desenvolvimento de
controladores digitais mais sofisticados e específicos para cada planta, o uso do PID
continua sendo uma realidade. As indústrias simplesmente se acostumaram com
essa estrutura e a utilizam sempre que possível. Existe assim uma grande barreira
no que se refere a introdução de novas técnicas de controle. Encarando essa
realidade e visando maximizar a capacidade de se obter um comportamento
dinâmico mais conveniente do que o controle por 2 pontos pode oferecer, foi
sugerido a utilização de uma lógica de controle do tipo PID para o sistema.
40
Apesar do PID ser considerado um controlador de estrutura fixa, sua
estrutura não é única. Existe uma série de características que podem aparecer de
maneira distinta. Essas variantes podem ser classificadas sob dois pontos de vista:
1. pelo tipo de interação entre as ações P, I e D. Dentro dessa
classificação se encontram as estruturas acadêmica, série e paralela. (Anexo
4)
2. pelo posicionamento das ações P e D dento da malha de controle.
Dentro dessa classificação encontram-se as estruturas PID, PI+D e PID+PD.
(Anexo 5)
A estrutura escolhida para ser utilizada nos controladores PID desse trabalho
é a estrutura acadêmica com a ação derivativa no sinal de realimentação (PI+D). A
estrutura acadêmica possui 2 características positivas principais: (i) os parâmetros Ti
e Td possuem interpretações físicas (tempo integrativo e derivativo) e; (ii) ela não é
interativa (os ganhos Ti e Td são independentes um do outro). Já a estrutura PI+D
proporciona uma ação de controle mais suave do que a obtida com o PID puro
quando se aplica mudanças na referência do sistema. Isso se deve ao fato da ação
derivativa se encontrar na variável do processo e portanto apresentar variações
mais lentas. Abaixo vemos o diagrama de blocos da estrutura adotada.
Devido à característica inversa da planta, os sinais dos somadores estão
invertidos em relação ao que é encontrado nas malhas de controle tradicionais.
41
Figura 19: Diagrama de blocos do PI+D
Desse modo o número de coolers utilizados é aumentado quando a temperatura
esta muito alta (erro positivo) e diminuído quando o erro é negativo.
Para a implementação do controlador numa rotina do CLP, se faz necessário
a discretização da lei de controle. Isso é feito a partir da equação do PI+D contínuo:
u t =k[e t 1Ti∫0
t
e t dtTd dy t dt ]
Substituindo-se a integral por somatório e aproximando a derivada pelo
quociente incremental, é possível obter as seguintes equações à diferenças:
{u k =k [ek 1Ti ∑i=1k
e k ⋅TsTdTs y k − y k−1]
u k−1=k[e k−11Ti ∑i=1k−1
e k ⋅TsTdTs
y k−1− y k−2] }Tirando-se a diferença entre essas duas equações obtém-se a seguinte
forma recursiva:
Além disso, foi introduzido um filtro de primeira ordem na variável de
realimentação y(t) que atravessa o derivador. Esse filtro é necessário para evitar a
amplificação exagerada dos ruídos do sistema, especialmente os ruídos de alta
frequência.
y f s=1
T d /n s1y s
42
u k =uk−1g 0⋅e k g1⋅e k−1h0⋅y k h1⋅y k−1h2⋅y k−2
{g0=k 1Ts /Ti g1=k −1h0=k −Td /Tsh1=k 2Td /Tsh2=k Td /Ts
}
Portanto a lei de controle acaba por utilizar o sinal referente ao y f e não
mais ao y :
u k =u k−1g0⋅e k g1⋅ek−1h0⋅y f k h1⋅y f k−1h2⋅y f k−2
Nesse filtro, o valor de n normalmente varia entre 8 e 20. No projeto n foi
definido como 10. Portanto a constante de tempo do filtro é um décimo do tempo
derivativo do controlador.
Existem ainda aspectos ligados à limitações físicas e especificações do
controle que não estão representados no esquema acima:
1. a existência de limitação na ação de controle (saturação) devido ao
número limitado de coolers disponíveis. (essa limitação precisa ser
considerada no projeto do PID devido à ação integrativa).
2. A existência de uma zona morta no sinal do erro. Fazendo com que
quando o valor do erro se encontre dentro dessa zona a saída de controle
não seja alterada13. (isso possibilita que o sistema entre em equilíbrio mesmo
quando o setpoint é inatingível, isso acontece principalmente quando se tem
acionamento do tipo on/off, como sera visto mais adiante)
3. a taxa máxima que a ação de controle pode variar a cada período de
amostragem. Isso é, quantos coolers podem ser ligados ou desligados ao
mesmo tempo. (Essa limitação é importante para evitar picos de corrente na
rede devido ao chaveamento dos equipamentos).
4. chaveamento de manual para automático (os controladores devem
oferecer a possibilidade do usuário definir manualmente a ação do controle).
Para que o PID trabalhe adequadamente nessas quatro situações, foram
utilizadas duas técnicas distintas. Para os aspectos 1. e 2. se fez uso de uma
estrutura conhecida como “seguidora”, já para os aspectos 3. e 4. os valores das
variáveis internas do controlador ( u k , uk−1 , ek , e k−1 ,
y k , y k−1 , y k−2 ) são setados (sobrescritos) por uma rotina que monitora a
ocorrência dessas situações.
13 Apesar da saída do controlador ser mantida constante, o algoritmo de controle continua
sendo calculado
43
A estrutura seguidora é uma técnica de “eliminação da sobrecarga da ação
integral” (ESAI). Pode-se perceber que nas situações 1. e 2. existe a possibilidade
da ação integral ter seu valor aumentado ou diminuído indefinidamente, trazendo
problemas para a dinâmica do sistema. Para evitar isso, a estrutura seguidora é
utilizada fazendo com que a ação integral pare de ser incrementada ou
decrementada quando necessário. É interessante perceber que a estrutura
seguidora dos controladores PID recebe o nome especial de anti-windup quando
usadas para compensar a saturação na atuação. Na Figura 20 vemos o diagrama
de blocos do controlador PID em conjunto com essa estrutura.
A função f(u) representa a saturação e a manutenção da saída do controle
quando o erro esta dentro da região de zona morta. Seu algoritmo é definido por:
44
Figura 20: Diagrama de blocos do PI+D com seguidor e filtro
Resumidamente, a estrutura de seguimento apenas redefine o parâmetro
g0 e recalcula a lei de controle obtendo-se uma nova saída do controlador com a
sobrecarga da ação integrativa eliminada.
4.3: Modos de Escalonamento - Variante 2
As estratégias de controle acima mencionadas, são responsáveis apenas por
definir quantos coolers deverão estar acionados num determinado instante. Elas não
têm nenhuma influência sobre a escolha de qual cooler que será, quando
necessário, desligado ou ligado. Quem define esses detalhes é a lógica de
escalonamento.
A estratégia de escalonamento esta relacionada com dois aspectos
principais: o processo de manutenção, e a economia de energia.
Do ponto de vista relativo a manutenção, a lógica de escalonamento tem o
poder de manipular o tempo total de uso de cada cooler. Entende-se aqui tempo
total de uso como a quantidade de horas que cada cooler foi utilizado desde sua
instalação na planta.
Dessa maneira, é possível utilizar escalonamentos que a longo prazo
venham:
45
Figura 21: algoritmo de f(u) e do modo de seguimento
1. ou balancear o tempo total de uso dos coolers, fazendo com que todos
venham a ter praticamente o mesmo uso.
2. ou desbalancear o tempo total de uso trazendo um tempo de uso
completamente desigual entre os coolers.
Considerando que em uma dada estação de compressão todos os coolers
são idênticos, todos eles possuem uma expectativa de vida útil semelhante. Esse
tempo de vida é um parâmetro definido pelo fabricante e representa o período
médio com que os coolers normalmente funcionarão sem apresentar problemas.
Ou seja, ao utilizar-se uma estratégia de escalonamento que balanceia o
tempo de uso dos coolers, tem-se como consequência que o vencimento do tempo
de vida de todos os coolers do sistema ocorre quase que concomitantemente. Isso
é, teoricamente todos coolers precisariam ter suas trocas, ou então as suas
operações de manutenções, realizadas ao mesmo tempo.
Já ao se utilizar um escalonamento que desbalanceia o tempo de uso, essa
troca ou manutenção dos dispositivos seriam, teoricamente, sempre realizadas
sobre apenas um cooler do sistema de cada vez.
A primeira vista pode parecer vantajoso sempre utilizar os coolers de maneira
desigual, uma vez que a manutenção ou troca dos coolers que apresentam
problemas tendem afetar em menor grau o funcionamento da planta como um todo.
Porém ao utilizar os coolers de maneira balanceada se obtém outros
benefícios. Por exemplo, com esse sistema os intervalos entre as manutenções são
maximizados, o que traz uma economia no que se refere ao gasto com pessoal.
Alem disso, as manutenções, quando realizadas, são feitas sobre todos os coolers
de uma única vez, o que acaba também reduzindo os custos, uma vez que a
compra de equipamentos e material em maior quantidade sempre traz uma redução
do custo final.
Portanto a definição de qual modo de escalonamento é o mais conveniente a
ser utilizado, varia conforme o ponto de vista analisado. Existe quem prefira uma e
quem prefira outra estratégia.
Já no que se refere ao gasto energético, todas as estratégias de
escalonamento devem procurar sua minimização. Para isso, como já discutido no
46
tópico 3.3.4, deve-se sempre se selecionar os coolers de maneiras que a
quantidade de coolers ligados em cada tubulação (linha) fique sempre que possível
equilibrada.
Nesse trabalho foram desenvolvidos blocos de controle com duas estratégias
distintas de escalonamento. Elas serão discutidas nos próximos dois tópicos. Na
verdade existe uma infinidade de possíveis idéias de como escalonar um sistema
como esse, e muitas vezes essas idéias estão definidas na própria especificação do
projeto passada pelo cliente. As duas estratégias que foram implementadas nos
controladores desenvolvidos, foram baseadas em especificações passadas pela
OMV e por clientes de antigos projetos.
4.3.1: Baseado em prioridade
O escalonamento chamado de baseado em prioridade é uma estratégia que
se encaixa dentro das que usam os coolers de maneira desigual.
Aqui o usuário seta uma tabela que define a prioridade existente entre os
coolers do sistema. Existem dois níveis de prioridades: as prioridades entre as
tubulações (ou entre os coolers de um mesmo banco); e as prioridades entres os
bancos.
Quando não existe coolers com problemas ou em modo manual a ordem de
acionamento é fixa. O 1º cooler a ser ligado sempre será o cooler com prioridade 1
no banco com prioridade 1, o 2º sempre o cooler com prioridade 2 no banco com
prioridade 1, e assim por diante. O banco com prioridade 2 só será requisitado
quando o banco de prioridade 1 estiver totalmente utilizado.
Portanto o cooler que possui a menor prioridade de uso (o cooler que se
encontra no banco de menor prioridade e na tubulação de menor prioridade) será
acionado apenas quando o sistema estiver funcionando em carga máxima, ou seja,
com todos os coolers ligados. Já o cooler com maior prioridade (o 1o cooler que foi
acionado), só sera desligado caso a ação de controle enviada pelo controlador seja
zero. Dessa forma pode-se notar que a longo prazo o cooler com maior prioridade
será o cooler mais utilizado e, teoricamente, o primeiro a apresentar problemas.
Enquanto que o de menor prioridade, será o menos utilizado e o último a apresentar
problemas.
47
Todavia, é importante levar em consideração que deve se evitar deixar
desligado um equipamento durante intervalos de tempo muito longos, uma vez que
problemas de oxidação, ou acumulo de sujeira podem vir a estragar
prematuramente um cooler, mesmo que ele tenha tido um pequeno tempo de uso.
Por isso, ao se utilizar essa técnica, é importante que os operadores tomem
providências para evitar tal acontecimento.
Quando existe algum cooler indisponível no sistema, isto é, algum cooler em
modo manual ou então com problema, a ordem de acionamento é alterada. Isto
acontece para garantir a minimização do gasto energético. Se o escalonador apenas
“pulasse” a vez do cooler indisponível, e acionasse o seguinte da lista de prioridade,
estaria ele assim deixando de seguir a definição anteriormente proposta (página 34)
para otimização do uso de energia. Ao invés de “saltar” a vez do cooler indisponível,
e ligar o próximo cooler disponível daquele banco, o escalonador deve selecionar
(sempre que existir) o próximo cooler disponível daquela tubulação. Dessa forma
consegue-se manter balanceado o número de coolers utilizados em cada tubulação
e portanto se obedece o conceito apresentado de minimização do gasto energético
(na figura da página 20 tem-se a representação gráfica que auxilia o entendimento
da situação aqui relatada).
4.3.2: Baseado em timers
O escalonamento baseado em timers, diferentemente da lógica anterior, faz
com que a longo prazo o tempo de uso de todos os coolers venha a ser
aproximadamente igual.
Nessa estratégia o escalonador possui um relógio (timer) para cada cooler do
sistema. Os relógios contam o tempo total que cada cooler foi utilizado. Assim
quando o controle envia um comando para o acionamento ou desligamento de um
cooler, o escalonador, baseando-se nos valores dos timers e na economia de
energia, define para qual cooler esse comando será enviado.
A idéia resumidamente é a seguinte: Quando se necessita acionar um novo
cooler, seleciona-se aquele que possui o menor timer em uma das tubulações que
têm o menor número de coolers sendo utilizados. E quando o comando é de
48
desligamento, procura-se o cooler com maior timer em uma das tubulações que
possuem o maior número de coolers em uso.
Com esse pequeno algoritmo, alcança-se simultaneamente tanto o
balanceamento do tempo de uso dos coolers, como também o balanceamento do
número de coolers usados por tubulação.
4.4: Modo de acionamento - Variante 3
Os acionamentos dos coolers podem se apresentar de maneiras distintas nos
sistemas de resfriamentos. Em algumas plantas os coolers possuem apenas um
comando digital, ou seja, apenas dois estados: ligados ou desligados. Já em outras
plantas existe a possibilidade de um acionamento analógico e assim pode-se fazer
variar a porcentagem de atuação de cada cooler em separado.
4.4.1: Acionamento Digital – on/off
Um sistema que apresenta acionamento digital significa que, devido aos
equipamentos disponíveis na planta, seus coolers podem assumir apenas dois
estados: completamente ligado ou completamente desligado.
Dessa maneira, é criado então um universo limitado de possíveis valores de
atuação que o controle realmente pode impor sobre o sistema. Esse número de
possíveis atuações se resume a todos os números inteiros compreendidos desde
zero até a quantidade de coolers existentes no sistema.
Portanto as duas estratégias de controle acima descritas, especialmente a do
PID por possuir uma estrutura essencialmente analógica, precisam aqui de artifícios
que garantam que suas saídas sejam sempre constituídas de números inteiros. Para
isso, foi inserido uma função de arredondamento na saída do PID utilizado em
sistemas de acionamento digital, fazendo com que todos os números não inteiros
sejam arredondados para o o seu valor inteiro mais próximo. No controlador de 2
pontos essa restrição pôde ser facilmente alcançada ao se garantir que fosse
utilizados apenas números inteiros para o seu parâmetro step.
Com esse número limitado de possíveis atuações, dada uma certa condição
de operação da planta ( T q ,e ,T f , e ,Qq ,Q f ), existe também um número igualmente
49
limitado de temperaturas que podem ser alcançadas em regime permanente na
saída da vazão do gás natural.
Portanto aqui é fácil imaginar que o setpoint definido por um usuário muitas
vezes é uma temperatura inalcançável dentro do universo de atuações que o
sistema possui. Isso pode tornar o sistema oscilatório, fazendo com que o controle
fique ligando e desligando um cooler indeterminadamente sem que nem a variável
controlada e nem a variável de controle venham a se estabilizar.
Para evitar esse comportamento indesejado, podemos perceber que nesse
tipo de sistema, independentemente da estratégia de controle utilizada (“2 pontos”
ou PID), é necessário a existência de um parâmetro que defina uma zona morta na
referência (lógica similar ao que foi apresentado na figura da página 39).
Com o uso desse parâmetro, se torna possível que o controle encontre um
ponto de equilíbrio para o sistema mesmo quando a temperatura de referência é
inatingível. Isso é alcançado quando se garante que existe pelo menos um ponto de
equilíbrio dentro da faixa definida pela zona morta.
Como já discutido anteriormente, a variação imposta na temperatura pelo
acionamento de cada cooler não é constante. Na figura acima, considera-se que
esta sendo utilizada uma lógica de escalonamento que sempre aciona os coolers de
50
Figura 22: Definição do valor da zona morta
maior efeito antes dos de menor. Isso é verdade em ambas lógicas de
escalonamento utilizadas nesses trabalho.
Dessa forma, o valor do parâmetro que define a amplitude da região de zona
morta deve ser no mínimo igual a maior diferença de temperatura (ΔTmax) que o
acionamento ou desligamento de 1 cooler pode exercer na temperatura de saída do
gás natural. É claro que o ΔTmax que aqui se procura não é considerando o
acionamento de todos os coolers desde o seu primeiro, mas sim o ΔTmax existente
em volta do número de coolers necessário para manter o regime em equilíbrio.
Na Figura 22, o número de coolers utilizados em regime permanente para
manter o sistema em equilíbrio foi chamado de n. Nela percebe-se que conforme o
que se desejava, seguindo o procedimento aqui proposto, em qualquer situação
sempre existirá ao menos um ponto de equilíbrio dentro da zona morta.
4.4.2: Acionamento Analógico
Existem sistemas de resfriamento que possuem inversores de frequência
para cada cooler (caso da estação de Kirchberg). Assim, se torna possível o envio
de comandos não apenas booleanos (liga/desliga) para os coolers, mas sim
comandos que definam a porcentagem de uso de cada cooler.
Dessa maneira não existe nesse tipo de sistema a obrigatoriedade do uso de
zona morta na referência, uma vez que todos os setpoints setados pelo usuário são
aqui potencialmente atingíveis.
4.5: Versões implementadas
Com o objetivo de preencher a biblioteca da Greylogix com versões de
controladores de temperatura que venham a se adequar às mais diferentes
situações, foram criados 8 blocos de controle.
O número 8 se deve à combinação das 3 características citadas acima:
1. as duas estratégias de controle
2. as duas lógicas de escalonamentos
3. os dois modos de acionamento
51
Já que existem apenas 2 possibilidades para cada uma dessas 3
características, pode se gerar todas as possibilidades de combinação fazendo 2
elevado a potência 3, chegando-se assim ao número 8.
Poderia-se imaginar a implementação de apenas um único bloco de controle
que alternasse entre essas 8 lógicas de operação através da mudança de um
parâmetro de entrada. Porém essa solução traz pelo menos 2 problemas, que se
procurou evitar:
1. Ao se unir todas as possíveis combinações de lógicas em um único
bloco funcional, tem-se um aumento da quantidade de memória utilizada do
CLP, além de um aumento do tempo de processamento necessário para que
o CLP execute todas as suas instruções.
2. Como uma planta atua sempre em apenas um único modo de
operação, uma vez definido o valor do parâmetro que seta a lógica de
funcionamento daquela planta em específico, ele nunca mais deveria ser
alterado. Porém pela existência dessa entrada, cria-se a possibilidade para
que um usuário desatento venha a mudar esse parâmetro e faça com que a
planta passe a atuar de maneira imprevista.
Dessa maneira as 8 versões de controle desenvolvidas foram:
1. Controlador de 2 pontos com acionamento digital e escalonamento por
prioridade
2. Controlador de 2 pontos com acionamento analógico e escalonamento
por prioridade
3. Controlador PID com acionamento digital e escalonamento por
prioridade
4. Controlador PID com acionamento analógico e escalonamento por
prioridade
5. Controlador de 2 pontos com acionamento digital e escalonamento
baseado em timers
6. Controlador de 2 pontos com acionamento analógico e escalonamento
baseado em timers
52
7. Controlador PID com acionamento digital e escalonamento baseado
em timers
8. Controlador PID com acionamento analógico e escalonamento
baseado em timers
4.6: Modos de operação
Os controladores possuem 2 modos de operação: (i) manual, (ii) automático;
bem como dois estados: (i) ligado e (ii) desligado.
A seguir vemos o diagrama com todas as possíveis combinações de estado e
modos de operação do controlador. As setas pretas indicam comandos feitos
através do sistema supervisório (WinCC) e as setas vermelhas indicam comandos
provenientes de outros blocos lógicos. Esses blocos lógicos são responsáveis por
definir quando o controlador deve ser automaticamente desligado ou ligado.
Quando o controlador é desligado, independentemente de qual modo de
operação ele se encontre, ele desliga todos os coolers disponíveis e permanece
assim até que o controlador seja religado.
53
Figura 23: Diagrama de estados e modos de
operação do controlador
Quando o controlador está ligado, seu funcionamento depende do modo de
operação:
1. Automático (AC): as instruções referentes á lógica do controle são
executadas, e o bloco define quais e quantos coolers deverão ser acionados.
Nesse modo o controlador só pode ser ligado ou desligado por comandos
provenientes de outros blocos lógicos. O usuário tem apenas a capacidade
de trazer o sistema para o modo manual.
2. Manual (HD): aqui o controlador proporciona a possibilidade para que
o usuário altere o valor da ação de controle manualmente, definindo inclusive
qual cooler deve ser ligado ou desligado. Nese modo o usuário pode também
ligar e desligar o controlador através de comandos no sistema supervisório.
54
Capítulo 5: Controle – Interface
Na suite Simatic PCS7 a interface gráfica dos blocos funcionais é
desenvolvida utilizando-se ferramentas específicas do ambiente WinCC. Existem
duas maneiras de realizar a composição dessas interfaces:
1)Manualmente: os elementos gráficos são criados isoladamente, e as
conexões com as variáveis têm de ser definidas uma a uma. É o método utilizado
quando se integra o WinCC puro, sem ferramentas de instanciação automática de
objetos, portanto sem uso da suíte PCS7, ou então quando os objetos não possuem
uma forma suficientemente definidas, no que diz respeito as suas variáveis e seus
ícones de visualização.
2)Automaticamente: os elementos gráficos podem aqui ser chamados de
objetos propriamente dito, em um sistema orientado a objetos, assim como aquele
instanciado de uma classe. A classe é o bloco funcional (FB) correspondente e a
instância é cada ocorrência do FB, essas ocorrências são identificadas pelo número
do DB14 do bloco. Dessa forma, o objeto gráfico possui atributos e métodos. Os
métodos são scripts (programados em Visualbasic ou C) que são disparados sob
circunstâncias pré-definidas. Aqui cada objeto é representado graficamente por um
typical15 que pode estar associado a um ou mais faceplates16 que surgem ao clicar-
se sobre esses typicals. Este método de programação visual é disponível com
ferramentas de integração incluídas na suíte de aplicativos Simatic PCS7.
Visando facilitar o futuro uso dos controladores de temperatura, as interfaces
gráficas dos blocos foram desenvolvidas para serem utilizadas de forma automática
como citada acima. Portanto fez se necessário a construção de seus typicals e
respectivos faceplates.
Devido a grande semelhança no que diz respeito as interfaces das 8 versões
de controladores, vamos aqui apresentar a interface relativa a apenas a uma delas:
14 Blocos de dados, atuam como estruturas de organização de variáveis.
15Ícone que representa um objeto mostrando suas principais informações de maneira concisa
16Faceplates janelas pop-up que apresentam maiores informações sobre o objeto, bem como
possibilitam a modificação de seu parâmetros e estados.
55
a versão do controlador PID com saídas analógicas e escalonamento baseado em
prioridade.
5.1: Typical
O typical tem o papel de apresentar de maneira resumida a situação atual do
controlador: seus estado, modo de operação e suas variáveis mais importantes.
Aqui pode-se analisar as principais informações do controlador:
1. Qual modo de operação ele se encontra (AC / HD).
2. Se ele se encontra ligado ou desligado (EIN / AUS).
3. Qual é o setpoint (Sollwert).
4. Qual é a temperatura atual (Temperatur).
5. Quais coolers estão ligados, desligados ou indisponíveis (luzes verdes,
vermelhas e amarelas respectivamente da coluna “Aktiv”)
6. Qual será a ação que o controlador tomará no próximo período de
amostragem (coluna “Nächste” - no caso aumentar a porcentagem de uso do
cooler “C1B3”).
Tanto os nomes dos coolers como o número de bancos e o número de
coolers por banco podem ser alterados dinamicamente através do CFC, que tanto o
typical como os faceplates têm sua visualização imediatamente adaptada.
56
Figura 24: Typical
5.2: Faceplates
Ao se clicar no ícone do typical, o faceplate do objeto é aberto em uma janela
de pop-up. Nessa janela pode-se obter maiores detalhes das variáveis do
controlador, além de modificar seus parâmetros, estados e modos de
funcionamento.
Cada objeto pode ter um número diferentes de faceplates associados a ele,
dependendo de sua necessidade. Para essa aplicação foram utilizados 3 faceplates,
denominados: Standard, Paramaters e Trend. Cada um com um objetivo específico.
5.2.1: Standard
Na janela Standard, pode-se observar todas as mesmas informações que
constam no Typical, e além disso:
1. Ver a contagem regressiva para a próxima ação. (Nächsten Aktion
Countdown)
2. Ver a porcentagem de uso de cada um dos coolers (%)
3. Ver o tempo total que cada cooler foi utilizado (“Zeit”)
4. Resetar o tempo total de uso de cada cooler. (“Reset”)
5. Modificar os estados e o modo de operação do controlador, de acordo
com o diagrama apresentado na Figura 23. (Botões “Auto”, “Hand”, “Ein”,
“Aus”).
Na Figura 25 vemos o faceplate standard com o cooler ligado e no modo
automático. Dessa maneira o usuário pode apenas modificar a temperatura de
referência ou então trazer o sistema para o modo manual. Portanto apenas esses
botões e caixas de entrada estão acessíveis.
57
Na Figura 26 temos o controlador ligado e em modo manual. Aqui o operador
possui uma maior gama de possíveis ações do que no caso anterior: Pode-se
desligar o controlador, definir a porcentagem de uso de cada um dos coolers, ou
levar o sistema para o modo automático.
58
Figura 25: Faceplate Standard em modo automático
Figura 26: Faceplate Standard em modo manual
5.2.2: Parameter
Nesse faceplate é possível modificar os valores de todos os parâmetros
relativos ao controle (lado esquerdo) bem como os relativos às prioridades do
escalonamento (lado direito)
Não só aqui bem como em todas as janelas dos faceplates, para cada ação
tomada, o usuário necessita realizar uma confirmação ou cancelamento através dos
botões “Ausf” e “Abbr” respectivamente. Isso é uma medida de segurança que evita
que modificações acidentais sejam impostas no controlador. Essa situação esta
ilustrada na figura acima, onde o usuário modificou as prioridades entre o banco 1 e
o banco 3, sendo que para terem efeito, necessita-se confirmar a operação através
do botão verde (Ausführen) ou cancelar através do botão vermelho (Abbrechen).
5.2.3: Trend
A última janela do typical é a do Trend. Nela é apresentado um gráfico com a
variação no tempo da referência (em verde) e da temperatura do sistema (em azul).
Esse gráfico auxilia o operador a analisar o comportamento estático e dinâmico do
controlador, ele é importante uma vez que a análise qualitativa do controle é
59
Figura 27: Faceplate Parameter em modo manual
bastante complicada de ser realizada através apenas dos valores instantâneos da
temperatura e da referência que são apresentados na janela standard.
60
Figura 28: Faceplate Trend
Capítulo 6: Resultados
No decorrer desse trabalho foram implementados 8 controladores, e suas
respectivas interfaces visuais. Esses controladores são blocos funcionais que visam
substituir a antiga lógica de controle anteriormente desenvolvida e utilizada pela
empresa.
O antigo controlador não era programado em uma lógica de alto nível, mas
sim através de diagramas de blocos baseados em lógica booleana. Esses
diagramas eram compostos por diversos blocos padrões do Simatic PCS7, como
por exemplo: portas lógicas (e, ou, etc.), flip-flop's, comparadores ( , ),
contadores, timers, somadores, multiplicadores, etc., além de outros blocos
programados pela própria empresa. Uma, das seis complexas folhas de diagrama
que compõem esse controlador, pode ser observada no Anexo 6. Pelo fato dele ser
composto por vários blocos distintos, e por ser pensado sempre para o caso
específico da planta que está sendo trabalhada, sua lógica precisava ser repensada
e remontada para cada novo sistema. Além da lógica, a interface gráfica e os links
das variáveis com essa interface, precisavam também ser refeitos de forma manual
a cada novo uso.
Contrastando com tudo isso, na Figura 29, é apresentada a aparência de um
dos oito novos controladores (bloco a esquerda) desenvolvidos. Para cada projeto,
apenas um desses controladores sera utilizado, dessa forma, substitui-se com
apenas um bloco a lógica anteriormente composta por 6 folhas de diagramas. As
conexões apresentadas na Figura 29 representam a ligação necessária entre o
controlador e um dos coolers (bloco a direita) do sistema. Tais conexões precisam
ser repetidas tantas vezes quanto o número de coolers que o sistema possua.
Nota-se também que além de serem mais flexíveis em relação as variações
nas disposições físicas e nos equipamentos das diferentes estações de
compressão, os novos controladores possuem também entradas e saídas de mais
alto nível semântico, fazendo com que a tarefa de desenvolvimento do projeto seja
facilitada.
61
Outro ponto importante esta no fato de que a reusabilidade do controlador
também foi otimizada. Para fazer uso dos novos controladores o desenvolvedor
precisa apenas: importar os blocos funcionais do controle para o projeto em
desenvolvimento; setar os parâmetros que definem as características da planta (nº
de coolers e bancos); conectar os sinais de comando das saídas do controlador nas
entradas dos coolers; e ligar o sinal de leitura da temperatura do gás natural na
correspondente entrada do bloco do controlador. A interface gráfica, composta pelos
typicals e faceplates, bem como a conexão das variáveis com o ambiente gráfico,
são atualizadas automaticamente no ambiente visual, e não requerem nenhum
retrabalho adicional por parte do desenvolvedor.
Para analisar as diferenças de desempenho entre os controladores PID e de
2 pontos, foram realizados ensaios utilizando o modelo proposto no capítulo 3.3.
Como o algoritmo de escalonamento não influencia a resposta dinâmica e estática,
62
Figura 29: Diagrama de conexão entre o novo controlador (esquerda) e um
cooler (direita)
podemos ignorar aqui essa variante, fazendo com que passem a existir apenas 4
diferentes tipos de controle:
1. PID com acionamento digital
2. 2 Pontos com acionamento digital
3. PID com acionamento analógico
4. 2 pontos com acionamento analógico
Portanto os ensaios que serão aqui apresentados, visam uma comparação
entre os 2 tipos de controle, primeiramente nos sistemas com acionamento digital e
posteriormente nos sistemas com acionamento analógico.
6.1: Parâmetros utilizados
Para o ajuste dos parâmetros do PID, foi utilizado um método conhecido
como SIMC proposto em 2001 por Skogestad [4]. Esse método define os 3
parâmetros do PID da seguinte forma:
K c'=1k1c
;
T i'=min {1 ,4 c};
T d' =2
Onde K c' , T i
' e T d' são os ganhos do controlador PID na estrutura série,
k , 1 , 2 e são os parâmetros da planta definidos no capítulo da
modelagem, e c é um parâmetro de sintonia. Para trazer robustez ao sistema,
esse parâmetro deve respeitar a relação c≥ .
Utilizando-se c= e considerando-se o ganho estático do sistema de 2 (é o
ganho estático obtido para o sistema em seu ponto de operação), têm-se:
K c'=121202020
=1.5 ;
T i'=min {120 ,4⋅2020}=120 ;
T d' =20 ;
Como o método foi proposto para controladores PID com estrutura série, é
necessário transformar os seu ganhos para poderem ser utilizados em controladores
63
de estrutura acadêmica, já que esta é a estrutura dos controladores desenvolvidos
neste trabalho. As relações que implementam essa transformação são definidas
pelas seguintes equações:
K=K c' 1T d
'
T i' =1.5120120 =1.75
T i=T i'1T d
'
T i' =120120120 =140
T d=T d
'
1T d
'
T i'
=20
120120
=17.1
No caso do controle de 2 pontos, uma vez que não existe nenhum método
formal para obter os parâmetros de uma forma analítica, foi utilizado um ajuste
baseado na tentativa e erro, chegando-se aos seguintes valores:
– Para o controle com atuação digital utilizou-se um período de amostragem
de 80 segundos e um step de 1 cooler.
– Para o controle com atuação analógica utilizou-se um período de
amostragem de 20 segundos e um step de 25% da utilizacão de 1 cooler.
6.2: Resultados com o sistema de acionamento digital
Como discutido no capítulo 4.4.1, ao se utilizar acionamento digital, se faz
necessário o uso de uma zona morta no erro do sistema. Dessa forma, cria-se a
possibilidade para que a variável controlada possa se estabilizar dentro dessa faixa.
Nas simulações apresentadas na seqüência, os sistemas foram inicialmente
levados ao equilíbrio, estando então suas temperaturas dentro da região de zona
morta da referência. Em ambos os casos, o setpoint é de 34ºC e a amplitude da
zona morta igual ao valor do setpoint ±1ºC. Percebe-se que as temperaturas em
regime permanente, tanto iniciais quanto finais, não são exatamente iguais ao valor
definido pelo setpoint, mas estão compreendidas na faixa 34±1ºC. Essa é uma
interessante oportunidade para se notar de forma visual, o que anteriormente foi
discutido apenas textualmente: a necessidade da utilização da zona morta para os
64
sistemas de acionamento digital, uma vez que nesses casos não existe um número
inteiro de coolers que leve o sistema perfeitamente para o valor da referência.
Nos gráficos da figura abaixo, é possível notar as diferenças existentes entre
as respostas do controlador de 2 pontos e PID quando da ocorrência de um
aumento da vazão de gás natural (note que as escalas são diferentes).
Como já discutido, o gás natural é o fluído quente do sistema. Com o
aumento de sua vazão de entrada, a sua temperatura de saída tende a aumentar.
Observa-se que em ambos os casos, os controladores agiram no sentido de levar a
temperatura de saída do gás de volta para o range desejado, porém o
comportamento dinâmico dessas respostas se mostram diferentes.
Nesse ensaio, o controlador de 2 pontos apresenta na sua resposta uma
amplitude de erro maior do que a da estrutura PID (cerca de 8ºC contra cerca de
3,5ºC). Sabe-se que a amplitude do erro, para esse sistema, é a principal
propriedade a ser minimizada, pois, como já discutido, possibilita que se utilize uma
referência mais próxima dos limites de temperatura da planta, fazendo que se
obtenha uma potencial economia energética.
No controle por 2 pontos, existe basicamente apenas um parâmetro a ser
ajustado: o período de amostragem. Em cada período de amostragem, se a
temperatura não se encontrar dentro do range desejado 1 cooler será ligado ou
desligado. Na resposta apresentada na Figura 30, pode-se claramente observar os
65
Figura 30: Respostas à perturbação na Qq - Controlador de 2 pontos (esquerda) e PID (direita)
pontos onde cada cooler do sistema foi acionado. Para diminuir a amplitude do erro,
se faz necessário diminuir o intervalo entre cada ação, porém isso acaba trazendo
um comportamento extremamente oscilatório para o sistema, como pode ser visto
no gráfico abaixo.
Apesar de se obter uma diminuição na amplitude do erro, a oscilação
produzida é prejudicial ao sistema, fazendo com que vários coolers sejam ligados e
desligados com uma freqüência demasiada. Como trabalhamos aqui com grandes
motores elétricos, é preciso um certo cuidado com tal comportamento, pois esses
chaveamentos acabam trazendo um maior consumo elétrico, devido ao torque inicial
dos motores, além de uma diminuição da vida útil dos coolers.
6.3: Resultados com o sistema de acionamento analógico
Existe uma característica interessante nos sistemas de acionamento
analógico: a despeito do seu tipo de acionamento, a zona morta continua sendo um
parâmetro necessário para o controlador de 2 pontos. Isso se deve às
características intrínsecas desse tipo de controlador. Como discutido no capítulo
4.2.1, esse controle tende a apresentar facilmente um comportamento oscilatório, e
mesmo com acionamentos analógicos, ao se utilizar uma zona morta nula este
comportamento é acentuado. Ou seja, para o controle do tipo 2 pontos, a existência
66
Figura 31: Resposta do controle de 2 pontos com um
menor intervalo entre as ações
da referência por faixa é fundamental não apenas em sistemas com acionamento
digital, como também para os sistemas de acionamento analógico.
Já nos controladores PID não acontece o mesmo. Uma vez ajustado um bom
conjunto de ganhos, pode-se fazer o uso de uma zona morta nula sem nenhum tipo
de inconveniente. Na verdade é interessante que se utilize a zona morta dessa
maneira a fim de se obter um erro 0 em regime permanente. Isso pode ser
observado na Figura 32, onde foi aplicado novamente um degrau na vazão de
entrada de gás natural. Se utilizou para o controle por 2 pontos uma zona morta que
abrangia a região do setpoint mais ou menos 1ºC, enquanto que para o PID foi
utilizado uma zona morta de 0ºC.
Uma característica interessante do controlador PID é a possibilidade de se
criar respostas sem overshoot ou oscilação, obtendo-se assim uma diminuição na
quantidade de coolers que são ligados e desligados durante o regime transitório.
Devido a possibilidade de se variar a porcentagem de uso de cada cooler de
maneira contínua, pode-se também aqui observar com clareza a maior suavidade
apresentada nas variações de temperatura.
No que se refere a amplitude do erro na resposta a perturbação, obteve-se
um resultado semelhante ao alcançado com o acionamento digital. Para o
controlador de 2 pontos a amplitude foi da ordem de 9ºC e para o PID de 2ºC. A
diminuição da amplitude do erro no controlador PID em relação ao caso com
acionamento digital, apesar de pequena, se dá principalmente pela ausência da
67
Figura 32: Respostas à perturbação na Qq - Controlador de 2 pontos (esquerda) e PID (direita)
zona morta na referência do sistema. Isso porque com a zona morta nula, o
controlador é capaz de começar a modificar sua ação mais cedo do que no caso
anterior.
6.4: Considerações
Como esperado, baseando-se nas simulações realizadas, o controlador PID
se mostrou potencialmente mais eficiente do que o controlador por 2 pontos, no que
tange a resposta às perturbações no sistema. O mesmo acontece para as
mudanças de referência, porém esses resultados não foram aqui explorados, uma
vez que na prática essas alterações acontecem de maneira muito isolada.
68
Capítulo 7:Conclusões e Perspectivas
Procurou-se neste relatório apresentar de maneira concisa as principais
atividades desenvolvidas pelo aluno durante o período referente ao seu estágio.
Essas atividades demandaram uma série de importantes habilidades
intensivamente trabalhadas durante a graduação, entre elas: programação, controle
digital, modelagem de sistemas, acionamentos elétricos, sistemas supervisórios,
além de rápida adaptação a diferentes ferramentas de desenvolvimento, no caso a
plataforma Simatic PCS7.
Do ponto de vista do cliente (OMV), o trabalho realizado pelo aluno foi
bastante apreciado, uma vez que extrapolou as expectativas, indo além do que foi
inicialmente especificado. Como já dito anteriormente a solicitação inicial era o
desenvolvimento apenas de um controlador do tipo 2 pontos. Em reunião com o
cliente no mês de março de 2007, o controlador PID foi apresentado juntamente
com suas considerações referentes a possibilidade de se obter ganhos com
economia de energia no processo, agradando os engenheiros presentes que vieram
avaliar o sistema. Detalhes adicionais sobre a real melhoria trazida pelo controlador
PID em relação ao de 2 pontos, só poderão ser obtidas com maior grau de certeza,
ao se utilizar os novos controladores nas plantas reais. Isso esta previsto para
acontecer no mês de outubro.
Do ponto de vista da empresa (Greylogix), o trabalho desenvolvido também
foi de grande valia. A partir de agora a firma contará em sua biblioteca com
controladores que podem se adaptar às mais diferentes especificações e
configurações de estações de compressão de gás natural, facilitando dessa forma o
desenvolvimento de futuros projetos nessa área.
Um ponto interessante, observado durante o estágio se refere a barreiras no
que tange a proposta de soluções de controle menos populares do que os
tradicionais PID. Por exemplo, foram desenvolvidos controladores baseado em
lógica Fuzzy e estruturas de PID um pouco mais elaboradas, como o PID+PD.
Porém eles foram descartados devido às suas estruturas serem consideradas por
demasiado complexas, podendo trazer assim dificuldades para os usuários que
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iriam operar a planta. Essas barreiras refletem, antes de mais nada, a realidade das
industrias hoje em dia, que é evidenciada na pesquisa feita por Takatsu H., Itoh T. e
Araki M ([2]), onde se afirma que 95% de todos os controladores industriais se
resumem a PID's.
Do ponto de vista profissional e pessoal do aluno, a experiência foi bastante
proveitosa, trazendo a possibilidade de conhecer o dia a dia da realidade de uma
empresa 100% voltada à automação industrial. Mesmo enfrentando todas as
dificuldades inerentes ao desenvolvimento de um trabalho em um país que
apresenta características tão distintas às nossas, como o caso da Alemanha, o
reconhecimento apresentado pela equipe do projeto em relação ao trabalho
desenvolvido pelo aluno é gratificante. Baseado nisso, pode-se constatar o bom
nível de conhecimento técnico dos alunos do curso de Engenharia de Controle e
Automação da UFSC, que, com a bagagem adquirida durante esses 5 anos de
faculdade, são capazes de exercer suas atividades profissionais de maneira
adequada nas mais diversas situações, colaborando dentro de suas habilidades
com a equipe de trabalho da qual participa.
Com o estágio realizado, surge ainda a proposta para que o aluno volte a
trabalhar na sede da empresa Greylogix GmbH após a obtenção do seu título de
Engenheiro. A empresa tem como meta expandir seus negócios para o Brasil, e por
essa razão tem interesse em manter uma relação próxima com um grupo de
profissionais brasileiros até que a planejada futura filial saia do papel. Nessa
empreitada, fazem parte ainda outros 4 colegas do curso de ECA da UFSC.
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Bibliografia
1: Timo Eirola, Mathematical model for single-pass crossflow heat exchanger, 2000
2: Takatsu H., Itoh T. and Araki M., “Future Needs for the Control Theory in
Industries”, Journal of Process Control, Vol. 8, 1998.
3: Bak Martin, “Control of Systems with Constraints”, Ph.D. Thesis, Technical
University of Denmark, 2000.
4: Skogestad Sigurd, “Probably the best simple PID tuning rules in the world”,
Journal of Process Control, July 2001.
5: Normey Rico Julio, “Apostila utilizada na matéria de Sistemas Realimentados”
6: Disponível em www.naturalgas.org, Acesso em Janeiro de 2007
7: Disponível em www.omv.com, Acesso em Janeiro de 2007
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Anexos
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Anexo 1: Ensaio 3
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Anexo 3: Ensaio 5
Anexo 2: Ensaio 4
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Anexo 4: Estruturas acadêmica, (a), série (b) e paralelo (c) do PID
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Anexo 5: Estruturas PID, (a), PI+D (b) e PID+PD (c)
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Anexo 6: Uma das 6 folhas de diagrama do antigo controlador