intro controle 1

Universidade Federal do Rio de JaneiroUniversidade Federal do Rio de JaneiroEscola de QumicaEscola de Qumica

EQE 487 EQE 487 -- CONTROLE E INSTRUMENTAO DE PROCESSOSCONTROLE E INSTRUMENTAO DE PROCESSOS

MaurcioMaurcio BezerraBezerra de Souza de Souza JniorJniorDEPARTAMENTO DE ENG. QUMICADEPARTAMENTO DE ENG. QUMICA

AbrilAbril de 2013de 2013

O controle de processos diz respeito manuteno devariveis de processo (temperaturas, presses, vazes,composies etc) em algum valor de operao desejado.

Introduo ao Controle de ProcessosIntroduo ao Controle de Processos

A natureza dos processos industriais dinmica, o que tornanecessrio um controle automtico e contnuo de suas variveis,de modo que condies de projeto relacionadas a segurana,qualidade do produto e taxas de produo sejam alcanadas.


Objetivos de controleObjetivos de controleSeparao de uma carga lquida, consistindo dos componentes A e

B (Marlin, 2000).

Objetivos de controleObjetivos de controle1. Segurana do pessoal presso mxima no pode ser

excedida;2. Proteo ambiental material no pode ser descartado para a

atmosfera;3. Proteo do equipamento

a vazo atravs da bombaa vazo atravs da bombadeve ser maior ou igual aomnimo;

4. Operao suave a cargadeveria ter pequenavariabilidade;

5. Qualidade do produto valores desejveis doproduto lquido.

Objetivos de controleObjetivos de controle6. Eficincia e otimizao reduo dos custos de troca de calor.

7. Monitoramento e diagnstico sensores, displays, variveiscalculadas para informar ao operador sobre condies normais eanormais de operao.

Fonte: Marlin (2000)

At os anos 1940 do sculo passado, a operao manualdemandava um nmero muito grande de operadores.

Tanques grandes eram tambm empregados entre vriasunidades na planta, para amortecer perturbaes.


TY

TT

TIC

A digitalizao do controle ocorreu na dcada de 1970 com oadvento dos computadores digitais. Atualmente, operadores,controladores, indicadores, registradores e alarmes se encontramna sala de controle, a partir da qual possvel monitorar econtrolar todo o processo do campo.


controlar todo o processo do campo.

Cerca de 80 % dotempo que se passanuma planta passadona sala de controle e asala de controle ocentro nervoso daplanta.

Estratgias de ControleEstratgias de ControleEstratgias de ControleEstratgias de ControleEstratgias de ControleEstratgias de ControleEstratgias de ControleEstratgias de Controle

Controle por realimentao (feedback): a maneiratradicional de controlar um processo medir a varivela ser controlada, comparar o seu valor com o valordesejado (o set-point do controlador) e alimentar adiferena (o erro) em um controlador feedback quemodificar uma varivel manipulada de modo a levar avarivel controlada ao valor desejado.


Set-point CONTROLA-DOR FB

PROCES-

PerturbaoVar.

manipu-

lada

Var.

controDOR FBPROCES-

SOlada controlada


Controle feedforward: a perturbao detectadaquando entra no processo e uma mudana apropriada feita na varivel manipulada visando a manter avarivel controlada no set-point.


Set-pointCONTROLA-

DOR FF

Perturbao

DOR FF

PROCESSO

Var. manipulada

Var.

controlada

Exemplo: controle de um forno prExemplo: controle de um forno prExemplo: controle de um forno prExemplo: controle de um forno pr----

aquecedoraquecedoraquecedoraquecedor



Apresentam-se a seguir as diversas fases na implementao deum sistema de controle em uma fornalha pr-aquecedora de umarefinaria de petrleo, ilustrada nas Figuras (Ogunnaike & Ray,1994).

Os diagramas P&I (Processo & Instrumentao) para osdiversos sistemas sugeridos so tambm apresentados.





Reproduz-se o dilogo entre um engenheiro de processo (EP) eum engenheiro de controle (EC). Os diagramas P&I (Processo& Instrumentao) para os diversos sistemas sugeridos sotambm apresentados.tambm apresentados.





Fase 1EC: Quais so seus objetivos de operao?

EP: Nos gostaramos de entregar leo cru para a unidade defracionamento a jusante a uma temperatura alvo consistente T*.fracionamento a jusante a uma temperatura alvo consistente T .0 valor deste set-point usualmente determinado pelo tipo deleo cru e pelo rendimento desejado da refinaria. Portanto, mudaa cada 2-3 dias. Ns tambm temos um limite superior derestrio (Tm) sobre o quanto a temperatura dos tubos do fomopode alcanar.





EC: Portanto, das suas duas sadas de processo, Fo e T, aprimeira estabelecida externamente pelo fracionador, enquantoa ltima aquela que voc esta preocupado em controlar?

EP: Sim.EP: Sim.





EC: Seu objetivo de controle portanto regular a sada doprocesso T, assim como lidar com o problema servo demudanas de set-point a cada 2-3 dias?

EP: Sim.EP: Sim.





EC: De suas variveis de entrada, quais aquelas sobre as quaisvoc realmente tem controle?

EP: Apenas a vazo de ar e a vazo de combustvel e mesmoassim ns usualmente pr-estabelecemos a vazo de ar eassim ns usualmente pr-estabelecemos a vazo de ar emudamos apenas a vazo de combustvel quando necessrio.Nossa principal varivel de controle a razo ar- combustvel.





EC: As outras variveis de entrada, a vazo de leo cru, F, e atemperatura de entrada, Tj, so portanto perturbaes?

EP: Sim.

EC: Ha outras variveis de processo de importncia que eu devaconhecer?

EP: Sim, a presso de fornecimento de combustvel, PF, e o calorespecfico do combustvel, F; eles variam significativamente ens no temos qualquer controle sobre essas variaes. Elastambm so perturbaes.





EC: Que tipo de instrumentao voc tem para aquisio dedados e implementao da ao de controle?

EP: Ns temos termopares para medir T e Ti; medidores devazo para medir F, QF; e uma vlvula de controle na linha devazo para medir F, QF; e uma vlvula de controle na linha decombustvel. Ns temos um pirmetro ptico instalado paramonitorar a temperatura do tubo da fornalha. Um alarme acionado se a temperatura fica uns poucos graus prxima darestrio do limite superior.





Fase 2

EC: Voc tem um modelo de processo disponvel para estafornalha?

EP: No. Mas ha um operador que entende do comportamentodo processo muito bem. Ns temos tentado operar o processosob controle manual usando este operador, mas os resultadosno foram aceitveis. Este registro tirado de um registrador detemperatura bastante representativo. Esta a resposta para umaumento degrau na vazo de entrada F.





EC: Voc tem uma idia do que poderia ser responsvel?

EP: Sim. Ns pensamos que tem a ver com as limitaeshumanas bsicas; sua antecipao do efeito da perturbao naalimentao engenhosa, mas imperfeita, e ele simplesmentealimentao engenhosa, mas imperfeita, e ele simplesmenteno consegue reagir rpido o bastante, ou acuradamente obastante, influncia dos efeitos de perturbao adicional napresso de fornecimento de combustvel e contedo energtico.





EC: Ento, vamos comear com um sistema feedback simples.Vamos instalar um controlador de temperatura que usa medidasda temperatura de sada da fornalha T para ajustar a vazo Qp.Vamos usar um controlador PID com esses valores deparmetros para comear. Sinta-se livre para reajustar oparmetros para comear. Sinta-se livre para reajustar ocontrolador se necessrio. Vamos discutir os resultados assimque voc estiver pronto.





Fase 3

EP: 0 desempenho do sistema feedback, ainda que melhor que odo controle manual, ainda no aceitvel; muita alimentao abaixa temperatura mandada para o fracionador durante asbaixa temperatura mandada para o fracionador durante asprimeiras horas que se seguem a cada aumento de F.

EC: 0 que preciso e um meio pelo qual ns possamos mudar avazo de combustvel no instante que nos detectarmos umamudana na vazo de alimentao. Tente esta estratgia decontrole feedforward sozinha, primeiro; aumente-a com ofeedback apenas se voc achar necessrio.





Fase 4

EP: Com a estratgia feedforward sozinha, houve a vantagem derapidamente compensar o efeito da perturbao, pelo menosinicialmente. 0 principal problema era a no disponibilidade dainicialmente. 0 principal problema era a no disponibilidade damedida da temperatura de sada do forno para o controlador.Como resultado, nos tivemos offsets. Desde que nos nopodemos aceitar offsets persistentes, nos tivemos de ativar osistema de controle feedback. Como esperado a adio dosistema de controle feedback retificou este problema.





EP: Ns ainda temos um problema grande: a temperatura desada da fornalha ainda flutua, algumas vezes de forma bastanteinaceitvel, sempre que ns observamos variaes na presso dechegada do combustvel.Adicionalmente, ns estamos certos que as variaes noAdicionalmente, ns estamos certos que as variaes nocontedo energtico do combustvel contribuem para essasflutuaes, mas nos no temos uma maneira fcil de monitorarquantitativamente essas variaes de contedo energtico. Nesteponto, no entanto, elas no parecem ser to significativas comoas variaes na presso de fornecimento.





EC: Vamos focalizar no problema causado pelas variaes napresso de fornecimento de combustvel. fcil de ver porqueisto deve ser um problema. 0 controlador pode apenas ajustar avlvula na linha de combustvel; e embora nos esperemos queposies especficas da vlvula devam corresponder a vazes deposies especficas da vlvula devam corresponder a vazes decombustvel especficas, isso s ser assim se a presso dechegada for constante. Quaisquer flutuaes na presso dechegada significa que o controlador no vai obter a vazo decombustvel que ele solicita.





EC: Ns devemos instalar uma malha adicional para assegurarque o controlador de temperatura obtm a mudana de vazoverdadeira que ele solicita; uma simples mudana na posio davlvula no vai assegurar isso. Ns devemos instalar umcontrolador de vazo entre o controlador de temperatura e acontrolador de vazo entre o controlador de temperatura e avlvula de controle na linha de combustvel. A tarefa destecontrolador interno ser assegurar que a vazo de combustvelsolicitada pela controlador de temperatura ser realmenteentregue fornalha, independetemente de variaes na pressode fornecimento. A adio desse sistema de controle em cascatadevera funcionar bem. .

Principais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentode um sistema de controlede um sistema de controlede um sistema de controlede um sistema de controlede um sistema de controlede um sistema de controlede um sistema de controlede um sistema de controle

TerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologia

Dinmica: comportamento dependente do tempo de umprocesso.

Estabilidade: um processo estvel no sentido BIBO(bounded input; bounded outpo ou entrada limitada;(bounded input; bounded outpo ou entrada limitada;sada limitada) aquele que, para uma entrada limitada(por exemplo: um degrau), exibe uma sada limitada. Aocontrrio, a sada de um processo INSTVEL, para umavariao limitada na sua entrada, torna-se cada vez maior, medida que o tempo aumenta.


Variveis manipuladas: aquelas que se pode mudar demodo a controlar a planta.

Variveis controladas: aquelas que se tenta manter toconstante quanto possvel ou fazer seguir uma trajetria noconstante quanto possvel ou fazer seguir uma trajetria notempo.

Set-point: valor desejado da varivel controlada.


Variveis no controladas: variveis do processo que noso controladas.

Variveis de perturbao ou distrbios (ou cargas):entradas do processo que no podem ser manipuladas. Soentradas do processo que no podem ser manipuladas. Sodefinidas por outras partes da planta. O sistema de controledeve ser capaz de manter a planta sob controle apesar dosefeitos destas perturbaes.


Controle regulador: situao em que se tenta compensaro efeito das perturbaes na varivel controlada, com set-point mantido constante.

Controle servo: o set-point modificado em funo do Controle servo: o set-point modificado em funo dotempo e a varivel controlada deve seguir o set-point.

Hierarquia das Hierarquia das Hierarquia das Hierarquia das

Atividades de Atividades de Atividades de Atividades de

Controle de Controle de Controle de Controle de

Hierarquia das Hierarquia das Hierarquia das Hierarquia das

Atividades de Atividades de Atividades de Atividades de


4. Real-Time Optimization

5. Planning and Scheduling

3b. Multivariable and Constraint Control

(days-months )

(minutes-hours )

(hours-days )


ProcessosProcessosProcessosProcessos


ProcessosProcessosProcessosProcessos

1. Measurement and Actuation

2. Safety, Environment and Equipment Protection

3a. Regulatory Control

Process

(< 1 second )

(< 1 second )

(seconds-minutes )

Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos

mais complicadosmais complicadosmais complicadosmais complicados



1. Abordagem tradicional:estratgia e hardwareselecionados com base noconhecimento do processo,experincia e insight.Depois que o sistema decontrole instalado naplanta, procede-se suasintonia.





2. Abordagem baseada emmodelo: modelo dinmicodo processo desenvolvidopara: (i) projetar ocontrolador; (ii) incorporardiretamente na lei decontrole; (iii) usar emsimulao de controle.





Implementao no MATLAB/SIMULINK





Admitindo que se pretende controlar a temperatura de sada dotanque, discuta as estratgias de controle possveis.

Controle Feedback Controle Feedback


y~

Km

SPy

Resposta em Malha FechadaResposta em Malha Fechada

Processo: y(s) = Gp(s) m(s) + Gd(s) d(s) (1)

Dispositivo de medida: ym(s) = Gm(s) y(s) (2)

Mecanismo de controle: E(s) = Km ySP(s) - ym(s) (3)Mecanismo de controle: E(s) = Km ySP(s) - ym(s) (3)

c(s) = GI/P Gc E(s) (4)

Elemento final de controle: m(s) = Gf(s) c(s) (5)

Resposta em Malha FechadaResposta em Malha Fechada

)(1

)(1

)(//

/ sdGfGmGpGcG

Gdsy

GfGmGpGcGKmGpGfGcG

syPI

SPPI

PI

++

+=

)(/ syGcKmGpGfGGsp PI= Problema )(1 /

/ syGfGmGpGcG

GcKmGpGfGGsp SPPI

PI

+=

)(1

arg/

sdGfGmGpGcG

GdaGc

PI+= Problema

regulador

Problema servo


Ementa

Introduo ao controle de processos e instrumentaoindustrial. Sistemas de controle de realimentao. Representaoem diagrama de blocos. Instrumentao industrial em malhas decontrole. Sensores e transmissores de sinais. Elementos finais decontrole. Sensores e transmissores de sinais. Elementos finais deatuao. Controladores PIDs. Estabilidade de malhas decontrole. Mtodos de ajuste de controladores. Mtodos desntese direta. Sistemas de controle feed-forward. Sistemas emcascata. Aplicaes em processos controlados. Controlemultivarivel.


Referncias Bibliogrficas

1. Introduo a Modelagem e Dinmica para Controle deProcessos. Maurcio B. de Souza Jr., Publit, 2013.

2. Process Dynamics, Modeling and Control. Ogunnaike e Ray.Oxford University Press, 1994.Oxford University Press, 1994.

3. Process Dynamics and Control. Dale E. Seborg, Thomas F.Edgar, Duncan A. Mellichamp and F. Doyle. Wiley Series inChemical Engineering, 3ed., 2011.

4. Chemical Process Control, An Introduction to Theory andPractice. George Stephanopoulos. Prentice-Hall, 1984.

Controle Feedback Controle Feedback Referncias Bibliogrficas

5. Process System Analyis and Control. Coughanowr. 2nd Ed.McGraw-Hill International Editions, 1991.

6. Processs Modeling, Simulation and Control for ChemicalEngineers. W. L. Luyben. 2nd Ed. McGraw-Hill, 1990.Engineers. W. L. Luyben. 2nd Ed. McGraw-Hill, 1990.

7. Dinmica, Controle e Instrumentao de Processos. BelkisValdman, Rossana Folly e Andra Salgado, Editora UFRJ, 2008.

8. 100 Problemas de Controle. Maurcio B. de Souza Jr.Imprensa Universitria da UFRRJ, 1994.

9. Process Dynamics. Modeling, Analysis, and Simulation. B.W. Bequette. Prentice-Hall, 1998.

Controle Feedback Controle Feedback Referncias Bibliogrficas

10. Process Control: Modeling, Design, and Simulation, B. W.Bequette, Prentice-Hall, 2003.

11. Controles Tpicos de Equipamentos e Processos Industriais,Mrio Campos e Herbert Teixeira, Edgard Blcher, 2006.

12. Princpios e Prtica do Controle Automtico de Processo.Carlos A. Smith and Armando B. Corripio, 3a Edio, LTC,2008.

13. Process Control: Designing Processes and Control Systemsfor Dynamic Performance, Thomas E Marlin, 2nd Ed,McGrawHill, 2000.

14. Engenharia de Controle Moderno, K. Ogata, 4a Ed., PrenticeHall, 2007.

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