identificaÇÃo e sintonia do controle de...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO

DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA ESPECIALIZAÇÃO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

ADILSON LUIS DE LARA

IDENTIFICAÇÃO E SINTONIA DO CONTROLE DE TEMPERATURA DE UM TORRADOR DE CAFÉ

MONOGRAFIA - ESPECIALIZAÇÃO

CURITIBA 2009



CURITIBA 2009

Monografia de Conclusão do curso de

Especialização em Automação Industrial do

Departamento Acadêmico de Eletrônica da

Universidade Tecnológica Federal do Paraná

apresentada como requisito parcial para a obtenção

do título de “Especialista em Automação Industrial”

Orientador: Prof. Dr. Sérgio Leandro Stebel



Esta Monografia foi julgada e aprovada como requisito parcial para a obtenção do grau de

Especialista em Automação Industrial no Programa de Pós-Graduação do Departamento

Acadêmico de Eletrônica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.

Curitiba, ...... de ........................... de 2009

........................................................

Coordenador do Curso

Guilherme Alceu Schneider

BANCA EXAMINADORA

..................................................... .....................................................

Prof. Dr. Sérgio Leandro Stebel

Universidade Tecnológica Federal do

Paraná

Orientador

Prof. Mestre Guilherme Alceu Schneider


Paraná

.....................................................

Prof. Dr. Carlos Raimundo Erig Lima


Paraná

AGRADECIMENTOS

À minha esposa Marilene, à minha filha Jéssica, e

ao meu neto Andrew, por terem compartilhado

todos os esforços necessários para a realização

do curso e deste trabalho.

Aos meus pais, irmãos e familiares que sempre

estão me apoiando.

Aos professores, grandes amigos da UTFPR,

pela responsabilidade em nos conceder seus

conhecimentos.

À empresa Café Damasco pela abertura da

oportunidade de estudo e em especial ao Sr Altair

Lenartowicz.

À empresa Leogap Indústria e Comércio de

Máquinas pela confiança depositada em mim,

com um agradecimento especial ao Sr. João Cruz

e ao Sr. Helmut Nikkel.

E a Deus pela nossa saúde e razão que nos

permite estarmos sempre em busca de novos

desafios.

RESUMO LARA, Adilson Luis. Identificação e Sintonia do Controle de Temperatura de um Torrador de Café. 2009, 61 f. Monografia (Especialização em Automação Industrial) - Programa de Pós-Graduação do Departamento Acadêmico de Eletrônica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2009. Melhorar a estabilidade de um sistema sempre foi, e provavelmente sempre será, a busca pelos profissionais da engenharia de controle. Os argumentos motivadores por esta busca contínua são os mais diversos, partindo das necessidades econômicas, com sistemas mais otimizados gerando menos perdas, passando pelas ambientais gerando menos poluentes, chegando às necessidades mais subjetivas como a própria satisfação profissional. Nestes princípios, procurou-se melhorar a estabilidade do controle de temperatura da fornalha de um torrador industrial de café, utilizando as estratégias de sintonia do controlador PID. Os resultados obtidos foram ótimos e foram evidenciados pela comparação da situação antes e depois da sintonia. Palavras-Chaves: Identificação do Sistema. Sintonia do Controlador PID. Torrador de Café. PID da Fornalha.

ABSTRACT LARA, Adilson Luis. Identification and Tuning of the Temperature Control of a Coffee Roaster. 2009, 61 f. Monografia (Especialização em Automação Industrial) - Programa de Pós-Graduação do Departamento Acadêmico de Eletrônica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2009. Improve the stability of a system always has been and probably always will be the search for professionals of control engineering. Motivating arguments for this continuous search are the most diverse, beginning on economic needs, with optimized systems generating less waste, passing through the environmental with cleaner generation, reaching at more subjective needs as their own professional satisfaction. In these principles, it tried to improve the stability of temperature control of the furnace of an industrial coffee roaster, using the strategies of tuning PID controller. The results were great and were highlighted by comparing the situation before and after tuning. Keywords: Identification of the System. Tuning PID Controller. Coffee Roaster. Furnace PID.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1: Escala Sensorial do Café ...........................................................................11

Figura 2: Torradores Manuais de Café......................................................................12

Figura 3: (a) Torrador Contínuo (b) Torrador por Bateladas .....................................13

Figura 4: Exemplo da Instalação de um Termopar....................................................17

Figura 5: Termopar com Conexão por Cabo de Cobre .............................................18

Figura 6: Termopar com Conexão por Cabo de Compensação................................19

Figura 7: Inversão de Polaridade no Bloco de Ligação .............................................20

Figura 8: Dupla Inversão de Polaridade - No Bloco e no Instrumento.......................21

Figura 9: (a) Controle Regulatório (b) Controle Servo..............................................23

Figura 10: Diagrama em Blocos da Malha Fechada .................................................24

Figura 11: Ilustração do Efeito do Controlador PI......................................................26

Figura 12: Ilustração do Efeito do Controlador PD....................................................27

Figura 13: Ilustração do Efeito do Controlador PID ...................................................28

Figura 14: Visão Geral de uma Planta de Torrefação ...............................................32

Figura 15: Esquema do Torrador Turbo T3600.........................................................33

Figura 16: Diagrama de Blocos dos Diversos Sub-sistemas do Turbo T3600 ..........37

Figura 17: Instrução de Chamada do PID e seu Algoritmo - CLP Altus ....................39

Figura 18: Tabela de Parâmetros Adicionais da PID.................................................40

Figura 19: Tela de Coleta de Dados..........................................................................42

Figura 20: Exemplo Plotagem dos Dados Pelo Recurso Histórico do Elipse ............43

Figura 21: Curva de Reação Obtida ao Degrau P de 12/09......................................44

Figura 22: Curva de Reação Obtida ao Degrau N de 12/09......................................45

Figura 23: Curva de Reação Obtida ao Degrau P de 14/10......................................45

Figura 24: Curva de Reação Obtida ao Degrau N de 14/10......................................46

Figura 25: Curva de Reação em Malha Aberta- Método 2 ........................................47

Figura 26: Controlador PID Altus no Simulink ...........................................................50

Figura 27: Respostas ao Degrau no Simulink ...........................................................51

Figura 28: Resposta ao Degrau no Torrador em Malha Fechada .............................52

Figura 29: Desempenho do Controle de Temperatura da Fornalha Antes da

Validação...................................................................................................................55

Figura 30: Desempenho do Controle de Temperatura da Fornalha Depois da

Validação...................................................................................................................55

LISTA DE TABELAS Tabela 1 : Dados das Curvas de Respostas para Span de 950 ºC - 2009................47

Tabela 2 : Tempos de Excursão da Válvula Ar/Comb Queimador - 2009 .................48

Tabela 3 : Método CHR Para as Médias dos Degraus – 2009..................................49

Tabela 4 : Método Heurístico Cohen e Coon Para as Médias dos Degraus - 2009 ..49

Tabela 5 : Método Integral do Erro Para as Médias dos Degraus - 2009..................49

Tabela 6 : Cálculo dos Valores Convertidos Para Carga na Tabela de Parâmetros

PID - 2009 .................................................................................................................53

Tabela 7 : Comparação Desempenhos Para Setpoint de 700 ºC - 2009 ..................56

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................11

1.1 TEMA ........................................................................................................................................ 11 1.1.1 Delimitação do Tema ............................................................................................................... 13

1.2 OBJETIVO GERAL................................................................................................................... 14

1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS..................................................................................................... 14

1.4 JUSTIFICATIVA........................................................................................................................ 15

1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ................................................................................. 16

2 PROBLEMAS COMUNS NA INSTALAÇÃO DE TERMOPARES..................17

2.1 ERROS DE LEITURA DEVIDO A INSTALAÇÃO COM CABO DE COBRE........................... 17

2.2 ERROS DE LEITURA DEVIDO INVERSÕES DE POLARIDADES......................................... 19

3 SISTEMA DE CONTROLE..............................................................................22

3.1 TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROLE................................................................................... 22

3.2 CONTROLE REGULATÓRIO E CONTROLE SERVO ............................................................ 22

3.3 FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA ............................................................................................. 23

3.4 IDENTIFICANDO O SISTEMA ................................................................................................. 25

3.5 CONTROLADOR PID ............................................................................................................... 25 3.5.1 Ação de Controle Proporcional-Integral ................................................................................ 25 3.5.2 Ação de Controle Proporcional-Derivativa ............................................................................ 27 3.5.3 Ação de Controle Proporcional-Integral-Derivativa............................................................... 28

3.6 SINTONIA DE CONTROLADORES PID.................................................................................. 29

4 A TORREFAÇÃO DE CAFÉ...........................................................................31

4.1 PLANTA DE UMA TORREFAÇÃO .......................................................................................... 31

4.2 FUNCIONAMENTO BÁSICO DO TORRADOR TURBO T3600.............................................. 32 4.2.1 Partida da Máquina ............................................................................................................... 32

4.2.2 Recepção de Café Cru.......................................................................................................... 33 4.2.3 Operação da Câmara de Secagem/Torra 1.......................................................................... 34 4.2.4 Operação da Câmara de Secagem/Torra 2.......................................................................... 35 4.2.5 Operação das Câmaras de Esfriamento 1 e 2...................................................................... 35

5 IDENTIFICAÇÃO DA FORNALHA .................................................................36

5.1 PLANEJAMENTO PARA A TOMADA DE DADOS................................................................. 36

5.2 PROCEDIMENTOS PARA A TOMADA DE DADOS............................................................... 37 5.2.1 Estudo das documentações e softwares aplicativos do torrador.......................................... 37 5.2.2 Implementações no software aplicativo do CLP ................................................................... 38 5.2.3 Implementações do software aplicativo do Supervisório ...................................................... 41

5.3 DADOS COLETADOS.............................................................................................................. 43 5.3.1 Gráficos do dia 12/09/09 ....................................................................................................... 44 5.3.2 Gráficos do dia 14/10/09 ....................................................................................................... 45 5.3.3 Análise dos Gráficos.............................................................................................................. 46

5.4 SIMULAÇÕES........................................................................................................................... 49

5.5 VALIDAÇÃO ............................................................................................................................. 52 5.5.1 Reação ao Degrau do Torrador em Malha Fechada ............................................................ 52 5.5.2 Sintonia Fina dos Ajustes Para a Validação ......................................................................... 53 5.5.3 Comparação do Antes com o Depois.................................................................................... 54 5.5.4 Critérios Para a Comparação do Antes com o Depois ......................................................... 56

6 CONCLUSÃO .................................................................................................58

APÊNDICE A - Esquema P&I Simplificado das Câmaras Secagem/ Torra T3600 ........................ 61

11

1 INTRODUÇÃO

1.1 TEMA

O café tem sua qualidade determinada pela avaliação de diversas

características que variam desde o aspecto físico do grão até uma análise sensorial

da bebida. Como auxílio para esta avaliação, a ABIC – Associação Brasileira da

Indústria de Café, definiu uma Escala Sensorial do Café conforme figura 1. As

técnicas de classificação baseiam-se em uma série de avaliações, algumas

subjetivas, que levam em consideração os elementos: Fragrância, Aroma, Amargor,

Acidez, Corpo, Sabor, Sabor Residual, Adstringência e a Qualidade Global. Muitas

destas características variam conforme a espécie, a altitude e o clima de cultivo, o

tipo de solo, a quantidade de insolação, a quantidade de chuva, enfim, de uma série

de influências relativa à região de produção (AFONSO & CIA, 2008).

Figura 1: Escala Sensorial do Café

Fonte: Sítio Associação Brasileira da Indústria de Café (ABIC, 2009)

Contudo, o que se chama de Qualidade Global é a percepção conjunta

dos aromas da bebida, dos sabores característico do café, do amargor, das

sensações de gosto doce, salgado e ácido, que também são influenciados pelo

processo de torra e pelo grau de torrefação do grão do café.

Antes era apenas torrar o café, por um tempo, até uma determinada

temperatura para se chegar a certa cor. Torravam-se em cilindros a manivela ou nos

12

tipo “bola”, conforme figura 2, que são fabricados até hoje pela Indústria Fabrizio em

Orlândia-SP.

Atualmente, sabe-se que o café sofre diversas reações químicas ao

submeter-se ao calor: São os amidos que se transformam em açúcares, são

algumas espécies de ácidos que surgem, enquanto que outras desaparecem, são

proteínas desmembradas transformando-se em peptídeos1 (SOCIETÉ DES

PRODUITS NESTLÉ S.A, 2009), em resumo, é uma mistura complexa porque

possui muitos compostos voláteis.

Figura 2: Torradores Manuais de Café

Fonte: Adaptado de Sítio (INDÚSTRIA FABRIZIO, 2009)

Sobre os equipamentos industriais, destacam-se os chamados torradores

contínuos e os de bateladas, ilustrados esquematicamente na figura 3, que são

utilizados para produção em grandes quantidades. Os contínuos recebem o café

verde de um lado e do outro despejam os grãos já torrados, pois o cilindro de torra é

construído com pás formando uma espécie de rosca-sem-fim. Os torradores por

bateladas torram quantidades menores de cada vez, várias vezes durante a

operação. (SOCIETÉ DES PRODUITS NESTLÉ S.A, 2009).

1 Peptídeo (peptídio) = s.m. quim.. Qualquer substância (por ex. proteínas e certos hormônios) formada por dois ou mais aminoácidos unidos por ligação peptídica (q.v.). (NOVO AURÉLIO da Lingua Portuguesa, 4 edição, Editora Positivo, 2009 p.1533)

13

(a) (b)

Figura 3: (a) Torrador Contínuo (b) Torrador por Bateladas Fontes: Adaptado de Sítios (NEUHAUS NEOTEC, 2009) e (CIA LILLA, 2009)

Apesar do conceito de torrar café a nível industrial permanecer

semelhante ao cilindro à manivela, as máquinas atuais são implementadas com

equipamentos computadorizados e recursos programáveis, disponibilizando o

controle total do processo de torra, denominado de Profile Roasting. É a capacidade

de se executar diversos perfis de torra.

Profile Roasting traduz-se na possibilidade infinita de experimentos e

descobertas de novos produtos, permitindo a empresa de torrefação explorar

completamente o seu Know How, adequando seu produto final aos diversos

paladares preferenciais de cada região. Trata-se de uma oportunidade para atender

qualquer mercado consumidor.

1.1.1 Delimitação do Tema

Com relação ao rigor dos critérios de avaliação da qualidade da torra, a

responsabilidade fica com o pessoal especializado em degustação, que mantém um

monitoramento constante destas características, coletando amostras dos grãos de

café recém-torrado e levando-os ao laboratório para uma bateria de verificações de

rotina e dentre elas a análise cromática (cor do café em pó).

14

Os padrões e critérios da análise cromática do café moído, que é dada

em valores numéricos e que varia de acordo com o blend2 respectivo para cada tipo

de café, são definidos e diferenciados de empresa para empresa. Comumente todas

elas têm uma faixa aceitável para a variação da cor do café.

Como procedimento padrão o operador do torrador recebe um retorno do

valor numérico, após toda amostra avaliada, para que possa tomar a decisão sobre

a necessidade ou não de ajustes das temperaturas nas câmaras de torra. Assim,

evitando-se antecipadamente a rejeição de lote fora de especificação.

Acontece que se ocorrerem oscilações intensas na temperatura da

fornalha, podem ocorrer oscilações na cor do café. Portanto, o trabalho estará

concentrado na melhoria do controle da temperatura da fornalha por meio da

respectiva Função de Transferência determinada pelas análises dos dados obtidos

de forma experimental. Posteriormente serão aplicadas as estratégias de sintonia de

controladores PID com a respectiva validação.

A base teórica abordará alguns problemas na instalação de termopares,

comentará o controle Servo e Regulatório, a função de transferência e a

identificação de um sistema. Apresentará os efeitos de cada ação do controlador

PID, a instrução F-PID.033 do Controlador Lógico Programável - CLP Altus e

descreverá uma planta de torrefação de café.

1.2 OBJETIVO GERAL

A partir dos dados coletados experimentalmente, identificar a Função de

Transferência do processo e aplicar métodos de sintonia do controlador PID. Validar

e obter como conseqüência a melhora da estabilidade da temperatura da fornalha.

1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Estudar o projeto elétrico e detalhes técnicos inerentes ao Torrador de

Café.

2 Blend = Termo em inglês muito comum no ambiente de torrefação de café, significando a mistura de

diferentes tipos do produto.

15

Desenvolver o esquema P&I simplificado com base na simbologia

ABNT e/ou ISA e inserir como apêndice.

Coletar e armazenar os dados relevantes do processo, utilizando as

próprias ferramentas disponíveis da máquina (supervisório Elipse Scada e o

Controlador Programável). Levantar a curva de resposta em malha aberta.

Estudar e avaliar os dados coletados;

Realizar a identificação da Função de Transferência do sistema com a

ajuda dos softwares de simulação Simulink e Matlab.

Aplicar métodos de sintonia (CHR – Chien, Hrones e Reswick,

Heurístico de Cohen e Coon, Integral do Erro) ao controlador PID para propor os

melhores parâmetros.

Validar a sintonia.

1.4 JUSTIFICATIVA

Numa siderúrgica ou numa cervejaria, numa montadora de automóveis ou

numa petroquímica. Não importa que produto seja produzido, nem tampouco o

segmento. O importante para elas é, além de promover o bem estar de seus

funcionários, reduzir perdas, melhorar a eficiência e garantir a qualidade do produto

final. Reduzir perdas significa reduzir custos e melhorar o lucro. E a empresa que

tiver seu processo mal ajustado, certamente estará perdendo em algum ponto que

refletirá no custo final do seu produto.

Realizar um estudo com objetivo de encontrar parâmetros de sintonia do

controlador PID pela função de transferência identificada será muito valioso,

refletindo no melhor nível de estabilidade da temperatura da fornalha, que poderá

influenciar diretamente em outras características como a uniformização da cor do

grão de café torrado, a redução dos custos com o retrabalho, com as perdas de

embalagens ou perdas no descarte do produto fora da especificação (grão fora da

cor aceitável) e simultaneamente numa diminuição do combustível utilizado pela

torra.

16

1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS

Tendo um objetivo prático específico de encontrar a função de

transferência referente à fornalha do torrador de café Turbo T3600, de propriedade

da Empresa Café Damasco e fabricação da Leogap Indústria e Comércio de

Máquinas, a pesquisa científica classificada como aplicada explicativa, conforme

Manual de Frascati (OECD, 2007, p 106), coletará e registrará dados das entradas e

saídas, relacionando-as para posterior análise e interpretação (MEDEIROS, 2003,

p.42).

Serão estabelecidas relações causais mais significantes, com

apontamento dos problemas encontrados e sugestões para futuras melhorias.

Etapas da pesquisa:

Pesquisa dos conceitos teóricos;

Planejamento e execução experimental;

Seleção da estrutura do modelo;

Estimação dos parâmetros do modelo;

Simulações em software dedicado;

Validação e ajustes finos dos parâmetros encontrados;

Novas simulações em software dedicado se necessário;

Conclusão e apresentação dos resultados.

Procedimentos metodológicos para a identificação da dinâmica da

fornalha.

Programar a disponibilidade da máquina;

Introduzir perturbações em degrau na variável manipulada vazão de

ar/combustível;

Aguardar para que o sistema atinja o regime permanente estável da

variável controlada temperatura;

Registrar os dados de entrada e saídas para plotagem da curva de

reação do sistema;

Obter o ganho (K), a constante de tempo (τ) e o tempo morto (θ) do

processo;

Repetir outras vezes o ciclo, incluindo variações positivas e negativas;

Realizar a validação durante o acompanhamento da produção normal.

17

2 PROBLEMAS COMUNS NA INSTALAÇÃO DE TERMOPARES

Na maioria das aplicações industriais de medição de temperatura por

meio de termopares, o sensor não se encontra junto do instrumento de medida,

exigindo um cabo ou fio para a conexão, que tenha uma curva de força eletromotriz

(fem) similar à do próprio termopar. A figura 4 mostra um exemplo de aplicação onde

o termopar pode estar instalado em campo e o instrumento numa sala de controle e

a conexão necessária por um cabo de extensão.

Figura 4: Exemplo da Instalação de um Termopar

Fonte: Adaptado de Sítio (CONSISTEC, 2009, p.19)

É importante que se saiba que existe diferença entre cabos de extensão e

de compensação: Um cabo de extensão é literalmente uma extensão do termopar

em uso, pois é construído com as mesmas ligas de materiais. Enquanto que um

cabo de compensação é construído com diferentes ligas, porém com curvas de fem

iguais aos do termopar (THOMAZINI; ALBUQUERQUE, 2007, p. 100).

A opção de escolha entre um cabo ou outro está em cima do tipo de liga

utilizada na aplicação, pois caso o elemento seja formado de metais nobres como

Platina/Ródio-Platina, Cobre/Ouro-Cobalto ou Ouro-Ferro/Cromel, o uso de cabo de

extensão elevará muito o custo de instalação. Neste caso recomenda-se o cabo de

compensação apropriado.

2.1 ERROS DE LEITURA DEVIDO A INSTALAÇÃO COM CABO DE COBRE

O cuidado extra a ser tomado é o uso do fio ou cabo correspondente à

especificação do termo-elemento, ou seja, tipo do fio ou cabo correspondente ao

termopar em uso. Não havendo correspondência, haverá erro de leitura. Por

exemplo: considerando uma instalação com termopar tipo K, sendo lido por um

18

módulo de entrada do CLP e uma conexão por cabo de cobre entre o bloco de

ligações e o instrumento de medida, causará erros de leitura conforme ilustra a

figura 5.

Figura 5: Termopar com Conexão por Cabo de Cobre

Fonte: Adaptado de Notas de Aula Prof Simone M. Acosta (2008, p.41)

Como não é característica elétrica do cobre gerar força eletromotriz em

função da temperatura, sendo que o módulo de entrada lê somente este sinal, não

obstante, a tensão a ser apresentada no supervisório será com um erro, pois a

somatória das tensões respectivas a cada trecho não corresponderá ao estabelecido

pela tabela do termopar tipo K, conforme norma NBR 12771/99. Sendo:

mvmVmVmV

695,21960,0000,0

735,20

++++

Fem entre fornalha e cabeçote

Fem entre o cabeçote e módulo de entrada

Fem junta de compensação temp. ambiente de 24°C

Fem lida pelo módulo de entrada

Verificando a tabela do termopar K encontramos:

+22,265mV ⇒ Corresponde a 538°C;



A temperatura esperada seria de 538°C, porém +21,695mV corresponde

a 525°C, gerando um erro de -13°C na temperatura apresentada no supervisório.

19

Já com o cabo de compensação o valor lido corresponderá ao esperado,

conforme ilustra a figura 6.

Figura 6: Termopar com Conexão por Cabo de Compensação


mvmVmVmV

265,22960,0570,0

735,20

++++





A somatória das fems resultam em +22,265 mV correspondente a 538°C,

que é o valor desejado. (Obviamente existem os erros devido às incertezas

inerentes dos elementos que compõem este sistema, que neste exemplo foram

desconsiderados).

2.2 ERROS DE LEITURA DEVIDO INVERSÕES DE POLARIDADES

Durante a montagem de uma planta é comum ocorrerem inversões de

polaridade no bloco de ligações (cabeçote) do termo-elemento, que normalmente

são detectados ao longo do comissionamento pelo próprio Controlador Lógico

Programável (CLP) ou instrumento de medida, quando este acusa um valor absurdo,

como uma temperatura negativa ou outro estado de diagnóstico que varia de

fabricante para fabricante. A figura 7 demonstra esta inversão.

20

Figura 7: Inversão de Polaridade no Bloco de Ligação


Tensão lida no módulo de entradas analógicas de termopar:

mvmVmVmV

205,19960,0570,0

735,20

−++−





Neste exemplo de uma inversão simples, a somatória das fems resultou

em um valor negativo, que gerará uma leitura absurda no instrumento de medida.

E se ingenuamente, instintivamente, ou mesmo com a proposta de

“ganhar tempo”, o responsável pela montagem optar por fazer a inversão

diretamente nos terminais do instrumento de medida, como ilustra a figura 8,

acreditando que com a segunda inversão conseguirá anular a primeira, estará

equivocado. A dupla inversão só agravará o problema, pois a medida lida no

instrumento até aparecerá com valor coerente e isto certamente dificultará uma

rápida detecção de que algo está errado. Ou seja, poderá existir um erro de leitura

sem que ninguém saiba o porquê. É uma situação gravíssima. Em campo não tem

problema pior do que aquele que aparentemente está correto.

21

Figura 8: Dupla Inversão de Polaridade - No Bloco e no Instrumento


No exemplo de dupla inversão, a tensão lida no módulo de entradas

analógicas de termopar será:

mvmVmVmV

125,21960,0570,0

735,20

++−+





O resultado da somatória das fems dos três trechos será de +21,125mV

correspondente a 511°C, que gerará um erro de -27°C na temperatura apresentada

no supervisório ou no instrumento de medida. E isto representará um acréscimo de

erro de 5%.

22

3 SISTEMA DE CONTROLE

O controle em si tem desempenhado um papel de extrema importância

para a evolução e sobrevivência humana, pois está presente nos equipamentos

simples como um aquecedor doméstico de água, à gás, passando pelos veículos

espaciais, sistemas robotizados, sistemas tele-guiados e até compondo dispositivos

implantados para infusão automática de insulinas em pacientes com diabetes3.

Campos e Teixeira (2006, p.3) descrevem "controle de processos" como

um termo utilizado para aludir a sistemas que tem o objetivo de manter certas

variáveis de uma planta industrial entre os limites operacionais desejáveis,

necessitando uma intervenção humana ou automática. Essas variáveis estão num

grupo essencial nas operações tais como controle de pressão, temperatura,

umidade, viscosidade e vazão nas indústrias de processo.

3.1 TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROLE

Se para LIMA (2008, p.9) “a capacidade de analisar um sistema e

determinar seu desempenho depende de quão facilmente se possa expressar

matematicamente as características de cada um de seus componentes”, é certo que

um sistema dinâmico pode ser completamente representado por meios de equações

diferenciais. Mas na prática, ele geralmente é não-linear ou variante no tempo, tendo

soluções complexas ou até mesmo sem soluções. Entretanto, podemos aproximar

para modelos matemáticos lineares, que, com uma representação bem encontrada

poderá satisfazer as especificações de projeto.

3.2 CONTROLE REGULATÓRIO E CONTROLE SERVO

A condição que determina se o controle é regulatório ou servo está na

característica da variável de referência, ou o setpoint.

Para um controle do tipo regulatório, o principal é compensar as variações

causadas somente pelas perturbações externas, pois a referência permanece

3 NIH - National Instituites of Health encoraja os leitores da publicação INSTRUMENTOS PARA

TOMAR INSULINA a fazerem e distribuírem quantas cópias quiserem (NIH, 2000).

23

constante, figura 9 (a). Como exemplo, no Torrador T3600, a operação da fornalha

em estudo é um controle regulatório.

(a) (b)

Figura 9: (a) Controle Regulatório (b) Controle Servo Fonte: Campos e Teixeira (2006, p.8)

Enquanto que para o sistema de controle servo, ou servossistema por

outras literaturas, é além de compensar os desvios causados pelas perturbações,

ainda ter que acompanhar todo novo valor de referência, figura 9 (b).

Outro exemplo está no mesmo Torrador T3600, que para o controle de

temperatura do ar de entrada do cilindro de torra/secagem, o Set-point altera-se

dinamicamente com o avanço da torra, desenvolvendo uma rampa decrescente.

3.3 FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA

Com referência a figura 10, a relação entre o sinal C(s) denominado de

função Resposta e o sinal R(s), Função Excitação, é chamada de Função de

Transferência Global e em teoria de controle, são usadas para caracterizar a relação

entrada-saída de componentes ou sistemas descritos por equações algébricas no

domínio s, obtidas pelas Transformadas de Laplace4 das respectivas equações

diferenciais lineares invariantes no tempo (OGATA, 1998, p.50).

4 Transformada de Laplace – É um recurso matemático de transformações de equações diferenciais

em equações algébricas, para se trabalhar no domínio da freqüência e plano complexo “s”. Maiores

informações poderão ser encontradas em literaturas específicas.

24

Figura 10: Diagrama em Blocos da Malha Fechada

Fonte: Adaptado de Carvalho (2000, p.3) e Ogata (1998, p.54)

Considerando o sistema com G(s):

)().()( sEsGsC =

)()()( sBsRsE −=

)().()( sCsHsB =

(1)

(2)

(3)

Substituindo E(s) da equação (1) pelas equações (2) e (3):

)]()()()[()( sCsHsRsGsC −= (4)

Obtem-se a Função de Transferência Global do sistema em malha

fechada:

)()(1)(

)()(

sHsGsG

sRsC

+= (5)

A Função de Transferência fornece uma descrição completa das

características relativas à dinâmica do processo e pode ser obtida pela modelagem

fenomenológica, que é o uso das leis da Física, ou pela identificação do sistema.

É conveniente ressaltar que o mesmo conceito para a determinação da

FT global poderia ter sido aplicado em subsistemas e quem sabe até ter gerado

qualquer um dos blocos G1(s), G2(s) e H(s) da figura 10. Este procedimento é

comum e tem o propósito de simplificar o diagrama de blocos e a própria equação

da Função de Transferência.

25

3.4 IDENTIFICANDO O SISTEMA

Identificar o sistema é aplicar sinais conhecidos na entrada de um

processo, registrar e analisar os dados obtidos na saída, sem muito interessar que

fenômenos ocorreram internamente, como por exemplo, qual foi a quantidade de

massa ou energia transformada durante o procedimento.

Comparando-se, a modelagem fenomenológica tem a vantagem de

detalhar por completo o comportamento dinâmico. Por outro lado, num caso mais

real, determinar todos os fenômenos intrínsecos do sistema, pode transformá-la em

alta complexidade para este tipo de análise.

A identificação explorando os recursos de tomada de dados de forma

experimental é o método mais rápido para se obter um modelamento. Em

contrapartida exige uma intervenção durante o funcionamento do processo e

procedimentos repetitivos tanto quantos forem necessários para se atingir um

modelo bem representativo (CAMPOS e TEIXEIRA, 2006, p.13).

3.5 CONTROLADOR PID

Como destacou Aström e Hägglung apud Campos e Teixeira (2006, p.23)

o controlador Proporcional-Integral-Derivativo, PID, é o algorítmo mais tradicional de

controle das plantas industriais, que segundo pesquisa publicada em 1995, apontava

seu uso em 97% das malhas. Onze anos mais tarde, os mesmos Aström e Hägglung

(2006, p.1) confirmaram ainda o uso não só nas plantas industriais, mas em diversos

sistemas como CD e DVDs players, pilotos automáticos de automóveis e

microscópios atômicos, alcançando 95% das malhas de controle.

Obviamente a popularidade do PID se deve à simplicidade de ajuste dos

seus parâmetros e a obtenção de um bom desempenho.

3.5.1 Ação de Controle Proporcional-Integral

Em qualquer controlador com ação proporcional, a parte proporcional age

sempre como um amplificador de ganho ajustável, somando-se com as demais

ações se houverem. No controlador PI, a parte integral visa “memorizar” as

condições do sistema para garantir um sinal de saída diferente de zero mesmo que

na entrada obtenha-se zero de erro e produz uma função de transferência com um

26

pólo na origem, eliminando os erros estacionários com Setpoint fixos. Isto para

qualquer instalação sob controle desde que a retroação seja estável.

Observa-se na figura 11 que, para um erro em degrau entre os tempos 4

e 22, a ação Integral, representada na cor marrom, aumentará indefinitivamente a

saída do controlador, saturando-o. Para o erro em rampa a partir do tempo 22, a

ação integral se intensifica, saturando-o mais rapidamente. O efeito de saturação é

conhecido por “wind-up”. Resumindo, num regime permanente, o controlador I é

intolerável, pois agirá na saída enquanto ocorrer um erro entre a variável de

referência SP e a variável controlada PV ou CV.

Nos PIs atuais há no algoritmo um limitador de saturação chamado de

anti-windup.

Figura 11: Ilustração do Efeito do Controlador PI

Fonte: Autoria Própria

A equação (6) mostra a equação do controlador PI em função do tempo e

a sua função de transferência em s:

)11()()()()()(

0 sTk

sEsUdtte

Tik

tektui

pLtp

p +=→+= ∫ (6)

Apesar de se ouvir o termo Ganho Integral (GI), a unidade é o tempo, ou

Tempo Integral (Ti), expresso em segundos ou minutos por repetição. Há quem

27

prefira o termo “Reset-time”, que é expresso em repetições por segundo ou por

minuto da ação integral, ou seja, Reset-time = 1/Ti.

3.5.2 Ação de Controle Proporcional-Derivativa

A ação derivativa tem um caráter antecipatório ou preditivo ao sistema,

mas, somente atua quando ocorre uma variação do sinal do erro. Observando a

figura 12 em função de um sinal de erro em rampa a partir do tempo 22, a parte

derivativa contribui com um valor constante que somado com a contribuição do

ganho proporcional, geram o sinal de saída do controlador.

O caráter antecipatório está evidenciado no gráfico, analisando que no

tempo 23 a saída do controlador PD já está em 5,2 unidades enquanto que se

contássemos apenas com a contribuição do ganho P o mesmo valor seria atingido

somente após o tempo 37.

Figura 12: Ilustração do Efeito do Controlador PD


A equação (7) mostra a equação do controlador PD em função do tempo

e a sua função de transferência em s:

)1()()()()()( sTksEsU

dttdeTktektu dp

Ldpp +=→+= (7)

28

Um benefício importante do termo D no controlador, desde que tenha uma

escolha conveniente dos parâmetros, é poder deslocar o lugar das raízes, que é a

representação geométrica dos pólos e zeros de uma função de transferência, mais

para o semi-plano esquerdo do eixo imaginário do plano complexo. Em outras

palavras, quanto mais afastados para a esquerda da origem, mais estável será o

sistema. O Lugar das Raízes é um método bem prático e bastante útil para análises

de estabilidades de sistemas, entretanto no presente trabalho não será explorado.

3.5.3 Ação de Controle Proporcional-Integral-Derivativa

A saída do controlador PID reúne a ação de controle proporcional ao erro,

mais a ação proporcional à integral do erro e mais a ação proporcionalmente à

derivada do erro. A figura 13 ilustra a soma das três ações:

Figura 13: Ilustração do Efeito do Controlador PID


A equação (8) mostra a equação do controlador PID em função do tempo

e a sua função de transferência em s:

)11()()()()()()(

0sT

sTk

sEsU

dttdeTkdtte

Tik

tektu di

pL

dp

tpp ++=→++= ∫ (8)

29

Na equação (8) percebemos que a ação proporcional interage nos três

controles e o cálculo das três ações se dá de forma paralela, para depois serem

somadas. Então a equação recebe a denominação de um controlador PID Paralelo Clássico, que por ter ainda os ganhos dependentes é reconhecida por alguns

fabricantes como Formato ISA (ROCKWELL AUTOMATION, 1999, p.26)

Podemos encontrar o formado de ganhos independentes, que é o PID Paralelo Alternativo, como por exemplo, os controladores dos equipamentos da

Smar, da GE-Fanuc e da Rockwell Automation. Este configurável via software

(CAMPOS e TEIXEIRA, 2006, p.31).

A equação (9) mostra a equação do controlador PID paralelo alternativo

em função do tempo e a sua função de transferência em s:

sTsT

ksEsU

dttdeTdtte

Titektu d

ip

Ld

t

p ++=→++= ∫1

)()()()(1)()(

0 (9)

3.6 SINTONIA DE CONTROLADORES PID

Malhas de controles e seus controladores são sempre motivos que

despertam interesses para investigações e estudos. O controlador PID por ser o

mais aplicado é o mais amplamente discutido, por conseguinte, existe uma vasta

referência literária em torno dos métodos científicos, frutos de enormes esforços

desenvolvidos ao longo da própria história dos controladores, que podemos

encontrar com certa facilidade e empregá-los quando necessário. Para tanto,

descrever detalhadamente todos os métodos de sintonia para controladores PID não

seria tão conveniente, sendo oportuno apenas uma citação com breves comentários

dos mais conhecidos.

Importante também é comentar que numa visão bem prática, o principal

critério para ajuste de uma malha é a sua estabilidade, ficando a cargo do

profissional de controle de processos, detectar a melhor estratégia para garantir o

bom funcionamento com a robustez desejada.

Os métodos mais conhecidos são:

Heurístico de Ziegler e Nichols – Foi o primeiro trabalho a propor uma

metodologia objetiva para a sintonia. Um em malha fechada, com a obtenção do

30

ganho crítico e outro em malha aberta calculando-se a taxa de variação e o tempo

morto (CAMPOS e TEIXEIRA, 2006, p.48);

Método CHR – É o trabalho de [Chien, Hrones e Reswick, 1952]

desenvolvido tanto para problemas servos como regulatórios, com a resposta mais

rápida possível, com e sem sobressinal (CAMPOS e TEIXEIRA, 2006, p.53);

Heurístico de Cohen e Coon – Desenvolvido para processos com

tempos mortos elevados (CAMPOS e TEIXEIRA, 2006, p.55);

Método da Integral do Erro (IAE e ITAE) – Também desenvolvido para

problemas servos e regulatórios com a vantagem de considerar toda a curva de

respostas e não somente dois pontos (CAMPOS e TEIXEIRA, 2006, p.56);

Método do Modelo Interno (IMC) – Sua vantagem é que o desempenho

do controlador está associado com a razão da constante de tempo de malha

fechada com a da aberta (CAMPOS e TEIXEIRA, 2006, p.60);

Método dos Relés em Malha Fechada – Semelhante ao método de

Ziegler e Nichols, utilizando “relés” (CAMPOS e TEIXEIRA, 2006, p.63);

31

4 A TORREFAÇÃO DE CAFÉ

Assim como as indústrias de outros segmentos, as de processamento de

café também estão se automatizando. Elas teriam uma classificação de indústria de

processos discretos, porém possuem máquinas para a torra de grãos de cafés que

agregam diversas variáveis analógicas como pressão, nível, vazão, velocidade e

temperatura.

4.1 PLANTA DE UMA TORREFAÇÃO

As matérias-primas chegam até as torrefações em sacas de 60kg, Big-

Bags de até 1.500kg ou em caminhões graneleiros (para o caso das empresas com

plataformas de descargas) e são classificadas e armazenadas em silos no setor de

café cru conforme o tipo do café. Os torradores de café quando iniciam sua

produção, solicitam cargas de café cru conforme receita pré-programada no

supervisório. O setor de café cru, interpreta este pedido e realiza o blend de diversos

tipos de matérias-primas, por exemplo: Se o pedido foi da Receita 1, que

hipoteticamente é composta de 60% da espécie Arábica do silo A e 40% da espécie

de Conilon do silo B, para uma carga de 240kg. Então, o automatismo do setor de

café cru vai carregar a balança com 144kg do silo A e 96kg do silo B e enviar esta

carga para o torrador.

A carga recebida passa pelo processo de torra e antes de ser enviada ao

setor de café torrado ela é novamente pesada. O procedimento de pesagem antes e

depois é importante para a contabilização do rendimento, ou seja, na linguagem

coloquial dentro das torrefações, seria a “quebra do café”, que é dada em

porcentagem de perdas. Naturalmente quando um grão de café é torrado, ocorre

uma diminuição do peso devido a perda de água e óleos aromatizantes, por outro

lado há um aumento de volume.

32

Figura 14: Visão Geral de uma Planta de Torrefação

Fonte: Adaptado de Sítio (CIA LILLA, 2009)

Assim que os grãos de café são torrados eles precisam de um período de

descanso, por isto são armazenados em silos no setor de moagem para somente

depois serem moídos e empacotados. E garantindo um estoque mínimo, para cada

estágio do processamento do café são necessários os respectivos silos de

armazenagem. Figura 14.

4.2 FUNCIONAMENTO BÁSICO DO TORRADOR TURBO T3600

Atualmente, ainda existem alguns fabricantes de máquinas para

torrefação que utilizam o mesmo fundamento de torrar café dos torradorzinhos

portáteis à manivela apresentado no capítulo 1. Mas orgulhosamente comentando,

no torrador Turbo a Leogap aplicou um novo conceito de se torrar café por

turbilhamento de ar quente, de alta vazão, sobre os grãos de café, realizando um

processo mais rápido por bateladas. Em seguida está uma seqüência resumida do

seu funcionamento.

No apêndice A tem um esquema P&I simplificado das câmaras

Secagem/Torra do torrador Turbo T3600.

4.2.1 Partida da Máquina

Após executada a seleção da receita a ser produzida, conferências dos

ajustes iniciais nas telas específicas da aplicação do supervisório e a conclusão de

todo o resto do procedimento de preparação do torrador, o operador pressiona a

33

tecla de inicialização. Automaticamente acontece a liberação do aquecimento da

fornalha e o pedido de café cru aos bojos 1 e 2 acima do torrador.

Figura 15: Esquema do Torrador Turbo T3600

Fonte: Sítio (ALTUS SISTEMAS, 2008)

4.2.2 Recepção de Café Cru

Recebido o pedido, o setor de armazenagem de café cru prepara o blend,

conforme descrito no item 4.1, e o envia ao bojo 1. No interior dos bojos 1 e 2 há um

sensor capacitivo, com a função de garantir que o nível do produto está dentro do

esperado. São os 240kg de café cru. Confirmado esta primeira carga, há a liberação

para o pedido de café cru ao bojo 2, repetindo-se o mesmo procedimento de

preparação do blend para esta segunda carga.

Acompanhando pelo esquema da figura 15, inicia-se o ciclo propriamente

dito quando se tem uma temperatura mínima na fornalha, na câmara 1, na câmara 2

e a presença de produto no bojo 1. Então o registro pneumático5 abre transferindo o

material p/ a câmara 1 de Secagem/Torra. Neste instante o bojo 2 já está carregado

5 Registro Pneumático: É um dispositivo tipo “registro faca” com comando eletropneumático, válvula

5/2 vias retorno a mola e pistão dupla ação.

34

com a segunda carga de café cru. Portanto, o bojo 1 solicita uma nova carga, a

terceira da seqüência, de café cru para o setor de armazenagem;

4.2.3 Operação da Câmara de Secagem/Torra 1

Recebido o produto cru do bojo 1, posicionam-se outros registros

pneumáticos para injetar um turbilhamento de ar quente vindo da fornalha,

diretamente aos grãos de café em movimento. Nos primeiros minutos é apenas

executado um estágio de secagem, com a temperatura em torno de 125°C. Atingido

o set-point de temperatura de secagem por um determinado tempo, inicia-se o

estágio de torra e simultaneamente permite a transferência do produto do bojo 2

para a câmara de Secagem/Torra 2.

Neste momento estão ocorrendo operações simultâneas:

- O café da câmara 1 está no estágio de torra;

- O café da câmara 2 está no estágio de secagem;

- O bojo 1 está preparado com a terceira carga, apenas aguardando o fim

da torra da câmara 1;

- O bojo 2 está solicitando a quarta carga de café cru.

No estágio de torra tem-se 2 parâmetros de ajuste de temperatura. Um em

torno de 232°C, denominado de "Temperatura de Corte", que tem a função de fechar

parcialmente o registro de ar quente diminuindo a vazão de turbilhamento e

reduzindo a velocidade de aquecimento dos grãos. O outro aproximadamente em

242°C, denominado de "Ponto do Café" ou "Água" ou "Ponto de Aromatização", que

executa o fechamento completo do registro de ar quente para logo em seguida,

liberar a injeção de água fria no produto. É a etapa denominada de aromatização.

Estas temperaturas são medidas por um sensor do tipo PT100 imerso nos grãos de

café dentro da câmara.

A quantidade de água é injetada respeitando o parâmetro pré-ajustado no

supervisório e medida por um instrumento medidor de fluxo com sensor magnético.

Terminado a aromatização, abre-se a comporta e o produto torrado é transferido

para a câmara de esfriamento 1.

35

Na seqüência o bojo 1 transfere a terceira carga para a câmara de

Secagem/Torra 1, fazendo um novo pedido de reposição de café cru, sendo a quinta

carga.

A carga nova recebida entra no estágio de secagem.

4.2.4 Operação da Câmara de Secagem/Torra 2

Assim que a carga da câmara 1 foi transferida para a câmara de

esfriamento 1, o café da câmara 2 sai do estágio de secagem e passa para o estágio

de torra, alternando-se as operações:

- O café da câmara 1 está no estágio de secagem;

- O café da câmara 2 está no estágio de torra;

- O bojo 1 está solicitando a quinta carga de café cru;

- O bojo 2 está preparado com a quarta carga, apenas aguardando o fim da torra

da câmara 2;

- A câmara do esfriador 1 está resfriando o café recém-torrado.

4.2.5 Operação das Câmaras de Esfriamento 1 e 2

O café recém-torrado é resfriado através de dutos e registros

posicionados para tal situação até um valor de temperatura programado no

supervisório. Atingido esta temperatura, que é da ordem de 65°C e medida por

sensor tipo PT100, a comporta se abre descarregando o produto em cima da esteira

transportadora, enviando ao respectivo silo de armazenagem.

A partir deste momento a máquina entra no ciclo normal de trabalho,

alternado-se entre os estágios de torra e secagem nas câmaras 1 e 2 a cada 4

minutos de operação.

36

5 IDENTIFICAÇÃO DA FORNALHA

Como dito no item 1.5 Procedimentos Metodológicos, a identificação da

fornalha foi desenvolvida sobre experimentos práticos, em duas oportunidades de

parada de produção, aplicando-se de sinais conhecidos de entrada com diversas

iterações de degraus positivos e negativos, com coleta e registros dos respectivos

sinais de saída, comparando-se as situações antes e depois dos novos ajustes,

finalizando com a conclusão do trabalho.

5.1 PLANEJAMENTO PARA A TOMADA DE DADOS

Obviamente, por se tratar de uma máquina de extrema importância, teve

a exigência de se estudar cuidadosamente os procedimentos para a intervenção.

Portanto, em um primeiro momento e em conjunto com o Café Damasco, foi traçado

um plano de intervenção descrito abaixo:

Recebimento das documentações do projeto elétrico, do software

aplicativo do CLP e do software aplicativo do sistema supervisório Elipse;

Estudo do projeto elétrico em conjunto com o aplicativo do CLP e do

supervisório;

Criação de uma cópia fiel do aplicativo do CLP (que é composto por

diversos arquivos relativos a cada módulo de programa);

Edições em off-line do aplicativo do CLP para as implementações das

novas linhas de programa e de eventuais alterações nas existentes;

Criação de uma cópia fiel do aplicativo do Elipse;

Edição em off-line do aplicativo do Elipse com as implementações de

novos scripts, tags, telas e de eventuais alterações nos existentes;

Apresentação de um documento impresso, para apreciação ao Café

Damasco, com todas as implementações nos dois aplicativos referente a preparação

para o experimento prático;

Programação da parada de produção para a execução do experimento

prático;

Edição on-line diretamente no Torrador Turbo, das novas linhas de

programa e das eventuais linhas alteradas do aplicativo do CLP usando o

documento impresso apenas como roteiro de implementações;

37

Instalação dos arquivos do aplicativo Elipse com as implementações

no computador do supervisório do Torrador Turbo;

Efetivação dos testes práticos com os registros dos dados.

Edição on-line diretamente no Torrador Turbo, retirando todas as

implementações realizadas. Ou seja, retornando tudo para a forma original.

5.2 PROCEDIMENTOS PARA A TOMADA DE DADOS

5.2.1 Estudo das documentações e softwares aplicativos do torrador

Com os documentos técnicos e respectivos softwares foi possível

conhecer melhor os detalhes da topologia de configuração do CLP, dos

equipamentos eletro-eletrônicos instalados e dos equipamentos mecânicos. Foi

possível também detectar o quão complexo é o sistema, onde na realidade se tem

diversos sub-sistemas que formam o circuito geral que executa o processo de torra

dos grãos de café. Um estudo mais completo seria a identificação da função de

transferência destes sub-sistemas, como do queimador, das câmaras de torra, da

fornalhinha e dos ciclones. Mas isto exigiria muito mais tempo, ficando para uma

próxima oportunidade. No presente trabalho, os esforços foram concentrados no

sub-sistema da fornalha, que é formada pela malha de controle em destaque, como

ilustra na figura 16 o diagrama de blocos abaixo.

Figura 16: Diagrama de Blocos dos Diversos Sub-sistemas do Turbo T3600


38

A malha de controle para o circuito da fornalha, em destaque, é formada

pelos seguintes dispositivos:

- Controlador PID pela função F-PID.033 do software aplicativo do CLP

modelo QK801, série Quark da Altus;

- Sensor de temperatura Termopar tipo K;

- Medidor de temperatura por cartão de entrada QK1109 do CLP Altus;

- Queimador Weishaupt Duo Combustível, modulante com regulagem

de potência lenta. Acoplamento mecânico da válvula borboleta de gás natural e da

palheta do ar comburente por sistema de hastes e alavancas. A abertura e o

fechamento de ambas acontecem simultaneamente e são atuadas por um “servo-

motor” AC, com comando de rotação direta/inversa com tempo de excursão ± 20s;

- Medidor de vazão de gás Krohne tipo Vortex.

5.2.2 Implementações no software aplicativo do CLP

Foi, obviamente, exigido um estudo de muitas rotinas e linhas de

programa que, na linguagem do equipamento Altus seriam respectivos aos módulos

e lógicas, para serem projetadas as implementações responsáveis pelo

armazenamento dos dados desejados. Tomou-se o cuidado para executar as

alterações necessárias em modo off-line com o software de programação

MasterTool, gerando um relatório impresso com as linhas e as instruções a serem

implementadas em modo on-line.

Apesar de ser um método mais trabalhoso o fato de fazer as

implementações no CLP antes dos testes e desfazer tudo após os testes, isto

garantiu a originalidade do aplicativo, não comprometendo uma possível parada de

produção causada por erros do programa após as tomadas de dados. Outro fato

importante é a característica deste modelo de CLP não reter determinados dados na

operação de download de um novo módulo. Esclarecendo: no instante da

comutação do modo de execução para o modo de programação do CLP, algumas

words, bytes, nibbles e bits pararão com um determinado estado de zeros e uns.

Quando se carrega um novo módulo pelo procedimento de download, este entrará

em operação com suas words, bytes, nibbles e bits todos zerados, podendo causar

danos graves na máquina. Obviamente que um programador experiente sempre

39

tomará este cuidado, criando rotinas de inicialização e evitando estas complicações.

De qualquer forma a preferência foi para este procedimento.

As alterações foram:

Permitir uma operação manual da instrução F-PID.033;

Envio dos estados ao supervisório dos bits relativos aos comandos de

abertura e fechamento da válvula do queimador;

Preparado comandos paralelos, via supervisório, para a abertura e

fechamento da válvula do queimador, no caso de falha da operação manual do PID;

Envio dos estados ao supervisório dos bits relativos ao medidor de

vazão do gás;

Cancelamento do zeramento programado de 3 bits dentro do byte de

comandos via teclado do microcomputador do supervisório;

Recebimento da variável, via instrução setpoint do supervisório,

correspondente a posição desejada da válvula do queimador.

O CLP Altus, modelo QK801, tem algumas particularidades interessantes

no que se refere ao PID. Por trás do bloco representado na figura 17 (a), ocorrem os

cálculos das ações proporcional, integral e derivativo, segundo o algoritmo da figura

17 (c).

Figura 17: Instrução de Chamada do PID e seu Algoritmo - CLP Altus

Fonte: Adaptado de MasterTool Manual de Programação (ALTUS..., 2004, p. 191 e 192)

Interessantíssimo é que a instrução já vem com o algoritmo da ação

derivativa calculada em cima da variável medida e não sobre o erro. Trata-se de

40

uma manobra para o controle mais estável quando ocorrem freqüentes mudanças

de setpoint. Por outro lado, não é possível a seleção do cálculo sobre o erro que

permitiria uma resposta mais rápida e menos estável. Alguns fabricantes denominam

este controlador modificado de PI-D, sendo também disponibilizada a seleção do

cálculo via parametrização. A função de transferência no plano s está apresentada

pela função (11):

)()...

11.()()..

11.()( sVMsGDsGI

GPsPAsGI

GPsU ++−+= (10)

)(.)...

11(1

)(.)...

11()()(

sCGPsGDsGI

sCGPsGDsGIsPA

sVM

+++++=

(11)

Outra particularidade muito relevante é o procedimento para o cálculo dos

parâmetros que serão carregados na tabela de parâmetros adicionais, apresentado

na figura 18 que foi extraída da página 194 do manual do MasterTool Manual de

Programação.

Figura 18: Tabela de Parâmetros Adicionais da PID

Fonte: MasterTool Manual de Programação (ALTUS..., 2004, p. 194)

41

Uma vez encontrado os valores do ganho proporcional (GP), do tempo

integral (GI) em segundos por repetição e do tempo derivativo (GD) em segundos,

devem ser convertidos levando em consideração as recomendações do próprio

fabricante. Para o carregamento na tabela do ganho proporcional GP na posição 00,

o valor encontrado deve ser multiplicado por 10. Para o tempo integral é necessário

dividir o tempo de amostragem td pelo valor de GI e o resultado fracionário será

carregado na posição 01 e o inteiro na posição 02. Para o tempo derivativo é

necessário dividir o valor de GD pelo tempo de amostragem td e pelo valor 3, e o

resultado fracionário será carregado na posição 03 e o inteiro na posição 04.

O tempo de amostragem td funciona como filtro para ruídos quando a

ação derivativa está intensificada. Significando que quanto maior o ganho derivativo

GD, maior deverá ser o tempo de amostragem td. Senão ocorrerá instabilidade do

sistema, com ações bruscas do controlador causadas pela amplificação de ruídos

apenas.

5.2.3 Implementações do software aplicativo do Supervisório

O software supervisório instalado na planta é o Elipse Scada32, versão

2.24.

No mesmo princípio de preservar a integridade do sistema, foi criada uma

cópia do aplicativo do supervisório original, onde se pôde criar os novos tags, scripts

e telas, para o armazenamento dos dados para a obtenção da curva de resposta da

fornalha. Portanto, durante os testes para a coleta de dados, foi rodado este

aplicativo cópia numa pasta no diretório raiz “D” do computador do supervisório,

diferente da pasta com o aplicativo original. Cuidado importante que garantiu a

preservação de todos os relatórios e históricos originais, pois estes são

constantemente atualizados com supervisório ativado.

As alterações foram:

Criação de uma tela nova para o armazenamento dos dados. Figura

19;

Criação de novas posições no tag tipo “Tag Bloco PLC” respectivo aos

parâmetros do PID da fornalha;

Criação de tag tipo “Tag Ram” para a geração do contator de amostras

para disparo do armazenamento;

42

Criação de tags tipo “Tag Ram” para registros de diversos valores

auxiliares;

Exploração dos recursos de histórico do Elipse Scada com registros

em arquivos dat;

Exploração dos recursos de relatórios do Elipse Scada para

exteriorização dos dados em arquivos txt;

Figura 19: Tela de Coleta de Dados


Seguindo o propósito inicial de aproveitar todos os recursos já

disponíveis, nesta tela provisória de coleta de dados foram concentrados os tags já

existentes com os tags novos. A estratégia usada para registrar alguns dados

importantes com a maior precisão possível, como o início dos comandos, foi

programar alguns scripts e tags que carregavam valores pré-determinados. Assim

seriam facilmente identificáveis na curva impressa. Por exemplo, na figura 19 “Tela

de Dados”, o destaque em vermelho na coluna “Aber” amostra de número 7496,

registrou o valor 100. Logo após, registrou o valor 0, evidenciando que na amostra

de número 7497 o comando de abertura da válvula do queimador foi encerrado. A

43

mesma estratégia também foi utilizada para registrar o comando de fechamento com

o valor 80 e do estado de chama acesa no valor de 50.

Figura 20: Exemplo Plotagem dos Dados Pelo Recurso Histórico do Elipse


5.3 DADOS COLETADOS

Para a coleta de dados seria necessária a disponibilidade da máquina por

um período suficientemente adequado. Pois não seria apenas coletar os dados e

sim realizar as implementações em on-line no aplicativo do CLP, instalar a cópia do

aplicativo do supervisório, criar a pasta para os arquivos .txt que seriam gerados e

no fim dos testes o mais exigente dos procedimentos: apagar todas as

implementações realizadas no aplicativo do CLP para retorná-lo a forma original

para evitar o problema citado no segundo parágrafo do item 5.2.2.

Foi agendada e executada a primeira oportunidade para realização da

coleta de dados, num período de baixo programa de produção. Isto propiciou uma

condição inicial de partida, com a fornalha, dutos, câmaras, ciclones e toda a

estrutura metálica em temperatura ambiente.

Para realizar mais iterações, foi agendada e executada uma segunda

tomada de dados. Agora as condições da máquina foram ao contrário da primeira,

pois a oportunidade aconteceu logo após uma produção normal. Assim, e

obviamente, tanto a fornalha, como os dutos, as câmaras e as demais partes,

44

estavam próximas à temperatura de trabalho. Podemos dizer que a máquina estava

literalmente quente.

Todos os dados relevantes para a pesquisa foram armazenados em

arquivos eletrônicos .dat, formados por milhares de linhas e várias colunas.

Para a exteriorização e disponibilidade dos dados, foi criado um comando

via script no supervisório que realizou a exportação saindo do arquivo .dat para

arquivo tipo texto (.txt), numa pasta previamente criada no diretório raiz. Na

seqüência, este enorme arquivo foi importado para uma planilha de Excel e

convenientemente trabalhado para gerar os gráficos abaixo apresentados pelas

figuras 21 a 24, respectivos aos dias e iterações realizadas.

5.3.1 Gráficos do dia 12/09/09

20

40

60

80

100

120

310 370 430 490 550 610 670 730 790 850 910 970 1030 1090 1150 1210

Tempo (s)

Varia

ção

da P

V (°

C)

Figura 21: Curva de Reação Obtida ao Degrau P de 12/09


45

250

270

290

310

330

350

370

390

410

4253 4313 4373 4433 4493 4553 4613 4673 4733 4793 4853 4913 4973 5033 5093 5153 5213 5273 5333

Tempo (s)

Varia

ção

da P

V (°

C)

Figura 22: Curva de Reação Obtida ao Degrau N de 12/09


5.3.2 Gráficos do dia 14/10/09

0

50

100

150

200

250

300

350

400

367 587 807 1027 1247 1467 1687 1907 2127 2347 2567 2787 3007 3227 3447 3667 3887 4107 4327 4547Tempo (s/2)

Varia

ção

da P

V (°

C)

Temp. (°C)Detec InflexãoTmin (°C)Máx. InclinaçãoT63,2% (°C)

Figura 23: Curva de Reação Obtida ao Degrau P de 14/10


46

200

225

250

275

300

325

350

375

400

425

4711 4861 5011 5161 5311 5461 5611 5761 5911 6061 6211 6361 6511 6661 6811 6961 7111 7261 7411

Tempo (s/2)

Var

iaçã

o da

PV

(°C

)

Temp. (°C)Detec InflexãoTmax (°C)Máx. InclinaçãoT63,2% (°C)

Figura 24: Curva de Reação Obtida ao Degrau N de 14/10


5.3.3 Análise dos Gráficos

Utilizando dos recursos da planilha eletrônica, para todos os gráficos

plotados foram traçadas algumas retas auxiliares com os valores das temperaturas

mínimas (ou máximas para degraus negativos), das temperaturas correspondentes a

63,2% do estado estacionário alcançado, da reta tangente ao ponto de inflexação e

da reta auxiliar para destacar o ponto de inflexão.

O tempo morto e a constante de tempo do processo, respectivos a cada

iteração, foram obtidos levando-se em consideração os critérios para a

determinação dos parâmetros de sintonia do controlador PID por meio da curva de

resposta em malha aberta, figura 25. Trabalhando-se com sistemas de primeira

ordem, equação (12), para uma aproximação da função de transferência real.

47

Figura 25: Curva de Reação em Malha Aberta- Método 2

Fonte: Notas de Aula Sintonia de Controladores Industriais (STEBEL, 2009)

1.. .

+=seKFT

s

τ

θ

(12)

Com os dados de temperatura inicial, temperatura final, variação de

temperatura durante o degrau aplicado, magnitude do degrau aplicado, todos

extraídos dos gráficos acima e agrupados na tabela 1, formaram a base de dados

para os cálculos dos valores das variáveis da função de transferência (K, θ, τ).

Quando o queimador está com a válvula borboleta de gás e palheta de ar

em 100%, aplicando toda sua potência, o Span é de 950 ºC para qualquer condição

de máquina (fria ou quente).

Tabela 1 : Dados das Curvas de Respostas para Span de 950 ºC - 2009

Data Tin (ºC) Tfi (ºC) |∆Temp| (ºC) |∆Entr| (%) |∆Saída| (%) K L [ θ ] T [ τ ] 12/09 D1 39 109 70 13,6 7,368 0,543 45 249 12/09 D2 384 274 110 18,1 11,579 0,640 12 135 14/10 D1 121 362 241 15,0 25,368 1,691 35,5 235,5 14/10 D2 362 314 48 10,0 5,053 0,505 17,5 104

Médias dos Degraus 0,845 27,500 180,875

Onde:

K = Ganho do processo

θ = Tempo morto do processo (L)

τ = Constante de tempo do processo (T)

Tin = Temperatura inicial

Tfi = Temperatura final

|∆Temp| = Módulo da variação de temperatura (inicial menos a final)

|∆Entr| = Módulo da variação sinal de entrada (magnitude do degrau em relação ao

span)

48

|∆Saída| = Módulo da variação sinal de saída

Uma observação de extrema importância é a forma apresentada da

informação do posicionamento da válvula borboleta de gás combustível e da palheta

do ar comburente. O método foi um projeto desenvolvido pelo próprio fabricante da

máquina, que voluntariamente dimensionou para a instalação um queimador com

servo-motor sem retorno de posicionamento. O retorno da posição instantânea é

dado através de cálculos relativos ao tempo de excursão do servo-motor. O método

foi planejado para economizar o sensor de posição e todos os demais acessórios

(conversor de sinais, módulos de entrada no CLP, etc).

A tabela 2 foi gerada para calcular algumas posições relativas ao tempo

de excursão.

Tabela 2 : Tempos de Excursão da Válvula Ar/Comb Queimador - 2009

Texc (s) Tacc (s) Dacc (%) Degrau (%) 3 3 13,6 13,6 4 7 31,7 18,1 4 11 49,8 18,1 -4 7 31,7 -18,1

Onde:

Texc = Tempo excursão da válvula de ar/combustível

Tacc = Tempo acumulado medido

Dacc = Magnitude do degrau acumulado calculado

Degrau = Magnitude do degrau aplicado calculado

Em função dos gráficos 21 a 24 e da tabela 1, considerados quatro

degraus, dois positivos e dois negativos, foram calculados as médias das variáveis

K, θ, τ, para a função de transferência (13) a ser simulada. As tabelas 3, 4 e 5 estão

apresentadas abaixo com o propósito de comparação entre os métodos aplicados e

os respectivos ajustes encontrados.

1.875,180.845,0)(1

.50,27

+==

−

sesGFT

s

(13)

49

Tabela 3 : Método CHR Para as Médias dos Degraus – 2009

Sem Sobressinal (Regulatório) Controlador Kp Ti (s) Td (s)

P 2,336 99999 0 PI 4,672 110 0

PID 7,40 65,31 11,58 Sem Sobressinal (Servo)

Controlador Kp Ti (s) Td (s) P 2,336 99999 0 PI 2,725 209,815 0

PID 4,67 180,88 13,75 Com 20% de Sobressinal (Servo)


PID 7,40 245,45 13,01

Tabela 4 : Método Heurístico Cohen e Coon Para as Médias dos Degraus - 2009


PID 10,81 64,68 9,91

Tabela 5 : Método Integral do Erro Para as Médias dos Degraus - 2009

Sistema Servo Controlador Critério A B C D E F Kp Ti (s) Td (s)

PI IAE 0,758 -0,861 1,02 -0,323 4,542 186,298 0 PI ITAE 0,586 -0,916 1,03 -0,165 3,895 179,991 0

PID IAE 1,086 -0,869 0,74 -0,13 0,348 0,914 6,61 251,13 11,25 PID ITAE 0,965 -0,850 0,796 -0,147 0,308 0,929 5,66 233,79 9,68

Sistema Regulatório Controlador Critério A B C D E F Kp Ti (s) Td (s)

PI IAE 0,984 -0,986 0,608 -0,707 7,462 78,545 0 PI ITAE 0,859 -0,977 0,674 -0,68 6,405 74,550 0

PID IAE 1,435 -0,921 0,878 -0,749 0,482 1,137 9,63 50,25 10,24 PID ITAE 1,357 -0,947 0,842 -0,738 0,381 0,995 9,56 53,50 10,58

5.4 SIMULAÇÕES

Primeiramente, o algoritmo desenvolvido pelo controlador PID do CLP

QK801 da Altus foi implementado no software de simulação Simulink, destacado

pela figura 26, com o bloco G1(s) preparado com a função de transferência (13).

50

Figura 26: Controlador PID Altus no Simulink


Para que fosse possível simular o comportamento do controlador PID

Altus, foram carregados os ganhos GP, GI e GD dentro do bloco modelado, gerando

os oito gráficos de (a) a (h), apresentados pela figura 27, em respostas ao degrau

unitário. MÉTODO CHR – Sem sobressinal (Regulatório)

Kp Ti (s) Td (s) 7,40 65,31 11,58

MÉTODO CHR – Sem sobressinal (Servo) Kp Ti (s) Td (s)

4,67 180,88 13,75

(a)

(b)

MÉTODO CHR – 20% de sobressinal (Servo) Kp Ti (s) Td (s)

7,40 245,45 13,01

MÉTODO HEURÍSTICO DE COHEN E COON (CC) Kp Ti (s) Td (s)

10,81 64,68 9,91

(c)

(d)

51

MÉTODO INTEGRAL DO ERRO IAE – (Regul) Kp Ti (s) Td (s)

9,63 50,25 10,24

MÉTODO INTEGRAL DO ERRO IAE – (Servo) Kp Ti (s) Td (s)

6,61 251,13 11,25

(e)

(f)

MÉTODO INTEGRAL DO ERRO ITAE – (Regul) Kp Ti (s) Td (s)

9,56 53,50 10,58

MÉTODO INTEGRAL DO ERRO ITAE – (Servo) Kp Ti (s) Td (s)

5,66 233,79 9,68

(g)

(h)

Figura 27: Respostas ao Degrau no Simulink Fonte: Autoria Própria

Normalmente para um sistema a ser controlado, o que se espera de uma

especificação sobre as características de resposta transitória é atingir um projeto

com o menor tempo possível de subida, com um mínimo valor de ultrapassagem no

menor tempo de acomodação. Naturalmente na prática, as especificações mais

rigorosas podem ser difíceis de serem conseguidas, principalmente se o sistema tem

armazenamento de grandes volumes de energia. Daí, tanto os dispositivos

responsáveis pelo controle como a planta, devem ser criteriosamente avaliadas com

relação ao custo/benefício, precisão, qualidade e demais itens, da instalação. Se

bem que de numa forma geral, quem prevalece nesta questão é o quão fino se

necessita e/ou se deseja que o processo aconteça. Pois quanto mais fino, mais

preciso, mais caro.

52

5.5 VALIDAÇÃO

A validação de uma estratégia de controle, de fato, é a uma fase muito

importante, porque sempre poderá agregar questões não encontradas em um

ambiente de simulações. Para a validação da estratégia de controle, foi necessário

mais uma implementação, agora definitiva, no aplicativo do supervisório Elipse

Scada. Como originalmente não era possível alterar os parâmetros relativos à ação

derivativa, foram acrescentados objetos de entrada de dados na tela de

programação, para esta disponibilização. Também houve a necessidade de alterar

uma lógica no aplicativo do CLP, para carregamento de constantes de inicialização

na tabela de parâmetros do PID.

5.5.1 Reação ao Degrau do Torrador em Malha Fechada

Mesmo sabendo que no torrador o controle é do tipo regulatório e com

muitas perturbações de variáveis externas, dentre os oito métodos, foi escolhido o

integral do erro ITAE Servo figura 27(h) para aplicação da primeira simulação.

Então, num pequeno intervalo de produção foi ensaiado o degrau em malha

fechada, com os parâmetros GP=5,66; GI=233,79 e GD=9,68.

Figura 28: Resposta ao Degrau no Torrador em Malha Fechada


Assim que foi liberado a operação do queimador com um setpoint de

250°C, apresentado com o nome “Prog.Fornalha” no histórico, em malha fechada, a

resposta da temperatura da fornalha, apresentado com o nome “Temp. Fornalha”,

53

apresentou-se relativamente lenta, traçando a curva da figura 28. Antes mesmo dela

atingir a referência, ocorreu a interrupção voluntariamente do teste, para a retomada

da produção. Este primeiro teste prático permitiu perceber que os parâmetros não

estavam bem sintonizados, incontestando que o método ITAE Servo figura 27(h) não

respondeu bem com relação a dinâmica do processo, sendo necessário escolha de

outro método de sintonia com ações integral e derivativo mais intensificados.

5.5.2 Sintonia Fina dos Ajustes Para a Validação

No segundo teste prático os parâmetros programados no controlador

partiram dos obtidos na simulação conforme figura 27(a), com GP=7,4 GI=65,31 e

GD=11,58. Como o torrador estava em plena produção, os ajustes finos foram sendo

feitos, observando-se as respectivas reações. Ao fim do período de

acompanhamento, as melhores respostas adquiridas foram com os parâmetros

GP=7,3 GI=31 e GD=16,20.

Retornando à teoria e calculando o tempo morto, a constante de tempo e

o ganho do sistema, chegou-se na função de transferência (14), que mesmo sendo

uma função de primeira ordem conseguiu representar satisfatoriamente a resposta

da fornalha, como será visto logo abaixo.

1.875,180.612,0)(1

.47,38

+==

−

sesGFT

s

(14)

Já citado anteriormente, o equipamento Altus tem uma particularidade

que exige a conversão dos valores dos ganhos calculados antes de serem

carregados na tabela de parâmetros do PID. Na tabela 6 seguem os valores

carregados respectivos ao ajuste fino, com o tempo de amostragem td=2,5s.

Tabela 6 : Cálculo dos Valores Convertidos Para Carga na Tabela de Parâmetros PID - 2009

Desejado Calculado Altus Programado na Tabela do Altus GP GI GD P I D P I-frac I-int D-frac D-int

7,30 31,00 16,20 73 0,08065 2,1600 73 807 0 1600 2

54

5.5.3 Comparação do Antes com o Depois

Para a comparação de desempenho, foi colhido nos registros antigos um

arquivo dat do supervisório com uma situação de operação exatamente um mês

anterior a data da validação. O gráfico da figura 29 ilustra bem como era o controle

naquela ocasião, revelando-se instável mediante os picos de oscilações elevados,

tanto para cima do set-point, como para baixo. O tipo de histórico é o mesmo usado

na obtenção da resposta da figura 28, que é um recurso original do supervisório do

torrador.

Complementando o funcionamento do torrador Turbo, existem algumas

fases no processo de torra que exigem respostas rápidas do controlador da fornalha.

São períodos de perturbações severas que precedem e sucedem a fase de

aromatização, que neste trabalho foram divididos em três estágios. Aromatizar

significa injetar água fria sobre o café, quando este ultrapassa uma temperatura pré-

determinada. É o chamado “Ponto do Café”.

Os três estágios causadores das perturbações são:

Exotermia do Café

Quando os grãos de café atingem temperaturas acima de 190ºC, eles

entram na fase exotérmica, que se caracteriza por absorver quantidades menores de

energia, consequentemente, o controlador PID da fornalha deverá agir diminuindo a

intensidade da chama do queimador.

Choque térmico

É a fase mais turbulenta e acontece quando os grãos de café atingem a

temperatura “Ponto do Café”, válvulas solenóides são abertas injetando água, à

temperatura ambiente, sobre o café a mais de 220 ºC. No primeiro instante do

choque térmico, há um aumento de pressão na câmara de secagem/torra e a

produção de uma quantidade de vapor com alta temperatura, que em seguida é

aplicada no circuito de realimentação, elevando bruscamente a temperatura da

fornalha. Em conseqüência, se a resposta do controlador for muito lenta, ocorrerá a

extrapolação do valor máximo de ultrapassagem como destacado na figura 29.

Injeção de Ar úmido

Poucos segundos após os vapores quentes e ainda durante a

aromatização, sucede-se a injeção de ar muito úmido e mais frio na fornalha,

fazendo sua temperatura despencar, apontado como afundamento na figura 29. É

55

porque injetar ±45 litros de água não um procedimento tão rápido, e nem deve,

senão aumentaria demasiadamente a pressão dentro da câmara e isto não é

seguro.

Interessante é observar que para os ajustes antigos do controlador PID o

conjunto da válvula borboleta e palheta de ar do queimador trabalharam mais lentos,

em relação aos novos ajustes. É uma situação esperada, pois o conjunto está sendo

mais exigido para manter a estabilidade devido às perturbações inseridas no

sistema.

Figura 29: Desempenho do Controle de Temperatura da Fornalha Antes da Validação


Figura 30: Desempenho do Controle de Temperatura da Fornalha Depois da Validação


56

5.5.4 Critérios Para a Comparação do Antes com o Depois

Os critérios adotados para mensurar os resultados foram:

Temperatura Média Medida – Todos os dados registrados no

arquivo.dat foram exportados para uma planilha, facilitando o cálculo da média;

Temperatura de Pico Máxima e Mínima – Medida direta;

Variância das amostras – Demonstra o quanto os valores amostrados

estão dispersos em relação ao valor da média;

Desvio Padrão – É a raiz quadrada da variância e que mensura a

dispersão;

Porcentagem de melhora da Variância e Desvio Padrão – Foram

calculadas as porcentagens de melhora da Variância e Desvio Padrão das situações

depois em relação às situações do antes;

Média dos Tempos de Recuperação – Considerado a tolerância de -

0,286% do Set-point, ou seja, foram somados os tempos que a temperatura

permanecia abaixo de 698ºC e tirado sua média;

Média dos Tempos de Sobressinal – Considerado a tolerância de

+0,286% do Set-point, ou seja, foram somados os tempos que a temperatura

permanecia acima de 702ºC e tirado sua média;

Porcentagem de Melhora no Tempo de Recuperação – Cálculo em

quantos % foi reduzido o tempo de recuperação (Antes=106s com o Depois=94s);

Porcentagem de Melhora no Tempo de Sobressinal – Cálculo em

quantos % foi reduzido o tempo de sobressinal (Antes=160s com o Depois=60s).

Gerando a tabela seguinte: Tabela 7 : Comparação Desempenhos Para Setpoint de 700 ºC - 2009

Antes Depois Descrição dos Dados 705,88 699,81 Temperatura Média medida (ºC)

782 714 Temperatura de pico máximo medida (ºC) 665 684 Temperatura de pico mínimo medida (ºC) 117 30 Variação entre as temperaturas de picos máxima e mínima (∆ºC)

16,71 4,29 Porcentagem da variação das temperaturas de picos em relação ao SP (%) 381,94 41,44 Variância das amostras

89,15 Porcentagem de melhora na Variância das amostras (%) 19,54 6,44 Desvio Padrão

67,06 Porcentagem de melhora no Desvio Padrão (%) 01:46 01:34 Média dos tempos de recuperação (mm:ss) 02:40 01:00 Média dos tempos de sobressinal (mm:ss)

11,32 Porcentagem de melhora no tempo de recuperação (%) 62,50 Porcentagem de melhora no tempo de sobressinal (%)

57

Considerando estas perturbações severas, ora colaborando para a

elevação, ora para a redução da temperatura, os resultados obtidos após a sintonia

fina podem ser considerados ótimos se comparado com a situação anterior.

58

6 CONCLUSÃO

No ambiente industrial não é raro os processos apresentarem

características complexas. Aliás, pelo contrário, os sistemas não são lineares,

possuem atrasos de transportes, ou se caracterizam por serem multivariáveis ou

variantes no tempo, com variáveis externas muitas vezes não mensuráveis. Alcançar

o ajuste ótimo de um controlador em um sistema somente na tentativa e erro é uma

tarefa dificílima, quase impossível.

Por isto o profissional da automação não pode abrir mão dos métodos

científicos que são ferramentas importantes para o aperfeiçoamento da sintonia de

um controlador.

Neste caso, em que o foco principal do trabalho foi exatamente melhorar

as oscilações de temperatura da fornalha do torrador Turbo T3600, proveniente das

perturbações que precedem e sucedem a aromatização, a aproximação da função

real por uma equação de primeira ordem pelas estratégias de sintonia se mostraram

eficientes se comparadas com o trabalho árduo e demorado que daria para o caso

de um modelamento fenomenológico.

Finalizando, sem dúvida, ainda há margem para aprimoramentos da

estabilidade da temperatura da fornalha, pois há a possibilidade de estudo focando

um refinamento mais completo aplicando da estratégia de controle Feed-Forward

(antecipatório), com base na temperatura de saída das câmaras de torra, sinal em

disponível na máquina, que dinamicamente ajustaria o setpoint do controlador PID

atual. Seria trabalhar com o controlador PID preparado para um sistema Servo.

59

REFERÊNCIAS

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61

APÊNDICE A - Esquema P&I Simplificado das Câmaras Secagem/ Torra T3600

identificaÇÃo e sintonia do controle de...

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