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Introdução ao Controle de Processos

Introdução ao Controle de Processos (CP1) www.professores.deq.ufscar.br/ronaldo/cp1 DEQ/UFSCar 1 / 52

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Roteiro

1 Incentivos ao Controle de Processos

2 Principais Objetivos OperacionaisPlanta QuímicaExemplo

3 Objetivos do Sistema de ControleSuprimir a Influência de Perturbações ExternasRealimentação × AntecipatórioAssegurar a Estabilidade do ProcessoOtimizar o Desempenho do Processo

4 Justificativa Econômica para o Controle de Processos

5 Atividades Complementares



Incentivos

Planta Químicaarranjo de unidades processadoras→ reatores, trocadores de calor,bombas, colunas de destilação, absorvedores, evaporadores, tanques,etc

Objetivo Global da Plantaconverter matéria-prima em produtos desejados da maneira maiseconômica possível



Incentivoscontinuação

Tendências no Projeto da PlantaAs plantas estão cada vez mais complexas devido a redução noconsumo de energia, alta flexibilidade, produtos com maior qualidadee redução de estoques, enquanto continuam sendo mais e maisconduzidas aos seus limites operacionais.

Operação da Plantasatisfazer as exigências do projeto frente a todo tipo de influências —erros no modelo, perturbações, mudanças operacionais

Controle de Processomanter as variáveis do processo (temperaturas, pressões, vazões,composições, etc) dentro de valores operacionais de projeto



Objetivos Operacionais

1 Segurança2 Especificações do Produto3 Proteção ao Meio Ambiente4 Restrições Operacionais5 Econômicas

Sistema de ControleAtingir os objetivos operacionais com o monitoramento e ação externasobre o processo (controle): equipamentos + intervenção humana



Planta Química e sua Instrumentação

V6

V9

V5

V1

V2

V7

fasevapor ( )B

fase líquida( )A

alimentação( )A puro

V4

CN2

CN1

V8

CP1CT2

CT8

CT4

CT7

CT9

CT5

óleo quente

óleo quente

reciclo

água derefrigeração

TamborFlash

CF6

CF2

CF5

CF4CF3

CF1

CT6

CT1 CT3

R Exoeator térmicoA B

V3

Figura: Exemplo de uma planta química



Atender aos Objetivos Operacionais

ExemploApresente soluções que atendam aos objetivos operacionais para oprocesso flash da figura abaixo.

C F 1

V 1C T 1

v a p o r

V 2

V 3

f a s ev a p o r

f a s el í q u i d a

C T 2

T a m b o rF l a s h

T C

V 4B o m b a

C N 1

V 5

C P 1

C T 3

a l i m e n t a ç ã o

C C 1



Atender aos Objetivos OperacionaisExemplo (continuação): segurança

C F 1

V 1C T 1

v a p o r

V 2

V 3

f a s ev a p o r


C T 2


T C

V 4B o m b a

C N 1

V 5

C P 1

C T 3


C C 1 Alta pressão notambor flash é perigoso.

Solução

C F 1

V 1C T 1

v a p o r

V 2

V 3

f a s ev a p o r


C T 2


T C

V 4B o m b a

C N 1

V 5C T 3


C C 1

C P 1

Figura: Controle da pressão no tambor flash: conteúdo de vapor



Atender aos Objetivos OperacionaisExemplo (continuação): proteção ao meio ambiente

C F 1

V 1C T 1

v a p o r

V 2

V 3

f a s ev a p o r


C T 2


T C

V 4B o m b a

C N 1

V 5

C P 1

C T 3


C C 1 Nunca eliminehidrocarbonetos na atmosfera.

Solução

C F 1

V 1C T 1

v a p o r

V 2

V 3

f a s ev a p o r


C T 2


T C

V 4B o m b a

C N 1

V 5C T 3


C C 1

C P 1

Q u e i m a d o r

Figura: Hidrocarbonetos são queimados na atmosfera



Atender aos Objetivos OperacionaisExemplo (continuação): restrição operacional

C F 1

V 1C T 1

v a p o r

V 2

V 3

f a s ev a p o r


C T 2


T C

V 4B o m b a

C N 1

V 5

C P 1

C T 3


C C 1 A bomba nãodeve operar sem fluxo.

Solução

C F 1

V 1C T 1

v a p o r

V 2

V 3

f a s ev a p o r


C T 2


T C

V 4B o m b a

C N 1

V 5C T 3


C C 1

C P 1

Q u e i m a d o r

Figura: Controle do conteúdo de líquido no tambor flash



Atender aos Objetivos OperacionaisExemplo (continuação): especificações do produto

C F 1

V 1C T 1

v a p o r

V 2

V 3

f a s ev a p o r


C T 2


T C

V 4B o m b a

C N 1

V 5

C P 1

C T 3


C C 1 Componentechave é ajustado pelo aquecimento.

Solução

C F 1

V 1C T 1

v a p o r

V 2

V 3

f a s ev a p o r


C T 2


T C

V 4B o m b a

C N 1

V 5C T 3


C C 1

C P 1

Q u e i m a d o r

c o m p o n e n t e c h a v eFigura: Controle da qualidade do componente chave



Atender aos Objetivos OperacionaisExemplo (continuação): econômicas

C F 1

V 1C T 1

v a p o r

V 2

V 3

f a s ev a p o r


C T 2


T C

V 4B o m b a

C N 1

V 5

C P 1

C T 3


C C 1 Mantenha umataxa de produção suave.

Solução

CF1

V1

CT1

vapor

V2

V3

fasevapor

faselíquida

CT2

TamborFlash

TC

V4

Bomba

CN1

V5

CT3

alimentação

CC1

CP1

Queimador

componente chave

Figura: Controle da taxa de produção



Atender aos Objetivos Operacionais

Exemplo (continuação): configuração de controle para o tambor flash

O atendimento aos principais objetivos operacionais garantirá uma operaçãolucrativa e, principalmente, segura.

Solução

CF1

V1

CT1

vapor

V2

V3

fasevapor

faselíquida

CT2

TamborFlash

TC

V4

Bomba

CN1

V5

CT3

alimentação

CC1

CP1

Queimador

componente chave



Objetivos do Sistema de Controle1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas

Objetivo mais comum em uma planta química.



Objetivos do Sistema de Controle1. Suprimir a Influência de Perturbações Externas (continuação)

Estudo de CasoTanque de Aquecimento com Agitação

F i 1

T i 1

F T,T

F s t

Q h

C o n d e n s a d o

V a p o r

F i 2

T i 2

T s t




objetivos do sistema de controle1 manter T a um valor desejado Ts ("set point")2 manter h a um valor desejado hs ("set point")

perturbações — causam desvios de T e h em relação a Ts e hs,respectivamente

1 variações em Fi1 e Fi22 variações em Ti1 e Ti23 variações em Fst e Tst

compensações das perturbações1 controle por realimentação ("feedback")2 controle antecipatório ("feedforward")3 controle por realimentação + antecipatório




Controle por Realimentação Fst → T

F i 1

T i 1

F T,T

F s t

Q h

V a p o r

F i 2

T i 2

T I

T C

T TT I

T T

T C

I n d i c a d o r d e T e m p e r a t u r a

I n s t r u m e n t a ç ã o

T r a n s d u t o r d e T e m p e r a t u r aC o n t r o l a d o r d e T e m p e r a t u r a

c o n t r o l a d o r

s e t p o i n t

C o n d e n s a d o

T

T s p e+-

T s t




Funções da malha de controle:medição: sensor ( termopar ) + transdutor/transmissor detemperaturacomparação: e = Ts − T , Ts(= Tsp) valor de referência ("setpoint")

ação:

e > 0→ Fst ↗e < 0→ Fst ↘e = 0→ Fst = Fsts

⇒ elemento final (válvula de

controle)




Controle por Realimentação Fi2 → h

F i 1

T i 1

F T,T

F s t

Q h

C o n d e n s a d o

V a p o r

F i 2

T i 2

L I L CL T

L I

L T

L C

I n d i c a d o r d e N í v e l

I n s t r u m e n t a ç ã o

T r a n s d u t o r d e N í v e lC o n t r o l a d o r d e N í v e l

c o n t r o l a d o r

s e t p o i n th s p e+

-h

T s t




Funções da malha de controle:medição: sensor ( célula de pressão diferencial ) + transdutor/transmissor denívelcomparação: e = hs − h, hs(= hsp) valor de referência ("setpoint")

ação:

e > 0→ Fi2↗e < 0→ Fi2↘e = 0→ Fi2 = Fi2s

⇒ elemento final (válvula de

controle)




Controle Antecipatório Fst → T

Fi1

Ti1

F T,

T

Fst

Q h

Vapor

Fi2

Ti2

TI

TC

TT

TI

TT

TC

Indicador de

Temperatura

Instrumentação

Transdutor de

Temperatura

Controlador de

Temperatura

controlador

Condensado

Ti1

Tst




Funções da malha de controle:medição: sensor (termopar) + transdutor/transmissor detemperatura

controle:{

baseado no modelo estacionário do processobaseado no modelo dinâmico do processo

⇒

elemento final ( válvula de controle )



Objetivos do Sistema de Controle"Feedback" × "Feedforward"

Controle por Realimentação × Controle Antecipatório

Controle por Realimentação: atua no processo após a perturbaçãoafetá-lo.

vantagens1 compensa para todas as perturbações indistintamente, sem a

necessidade de identificá-las ou medi-las2 insensível aos erros de modelagem e alterações em parâmetros

desvantagens1 compensa somente após desvio da variável controlada2 é insatisfatório para processos lentos e com tempos mortos3 pode criar instabilidade na resposta da malha fechada



Objetivos do Sistema de Controle"Feedback" × "Feedforward" (continuação)

Controle por Realimentação × Controle Antecipatório

Controle Antecipatório: atua no processo antes da perturbaçãoafetá-lo.

vantagens1 compensa antes da ocorrência de um erro (controle ideal)2 é bom para processos lentos e com tempos mortos3 não indroduz instabilidade à resposta da malha fechada

desvantagens1 requer identificação e medida de todas as possíveis perturbações

(uma malha para cada perturbação)2 não funcionará com a presença de perturbações não medidas3 sensível a alterações em parâmetros4 requer um bom conhecimento do comportamento do processo



Objetivos do Sistema de Controle"Feedback" × "Feedforward" (continuação)

Configuração de Controle do Sistema

F i 1

T i 1

F T,T

F s t

Q h

V a p o r

F i 2

T i 2

C o n d e n s a d o

T s t 31 2 R e a l i m e n t a ç ã o

A n t e c i p a t ó r i o

1

23

T I

T T

T C

T I

T T

T C

L I L T L C



Objetivos do Sistema de Controle2. Assegurar a Estabilidade do Processo

Tornar a operação da planta estável.



Objetivos do Sistema de Controle2. Assegurar a Estabilidade do Processo (continuação)

Sistema Estável ou Auto-Regulável

u

entradalimitada

saídalimitada

y

tto

após a perturbação, y retorna ao seu valor inicialnão necessita de controle para estabilização




Sistema Instável

u

entradalimitada

saídailimitada

y

tto

A

B

C

após a perturbação, y não retorna ao seu valor inicialnecessita de controle para estabilização




Estudo de CasoCSTR com Reação Irreversível Exotérmica

F i

T i

F T,

F c

Q B

R e f r i g e r a n t eT c i

C a i

C a

F cT c

A B

Q

T

Q BQ A

T 1 T 2 T 3Q A : c a l o r g e r a d o p e l a r e a ç ã oQ B : c a l o r r e m o v i d o p e l o r e f r i g e r a n t e

Regime EstabelecidoQA = QB→ 3 estados estacionários: P1, P2 e P3




t

T 3

T 2

T 1

T

t

T 3

T 2

T 1

T

t

T 3

T 2

T 1

T

t

T 3

T 2

T 1

P 1 e P 3 : e s t á v e i s P 2 : i n s t á v e l

Por quê operar em P2?1 P1: baixa conversão (T baixa)2 P3: insegura, destrói catalisador, degrada B (T alta)



Objetivos do Sistema de Controle3. Otimizar o Desempenho do Processo

Tornar a operação da planta mais produtiva.



Objetivos do Sistema de Controle3. Otimizar o Desempenho do Processo (continuação)

Estudo de CasoOtimizar o Desempenho de um Reator em Batelada

reação: A→ B → C (endotérmica)produto desejado: Bproduto indesejado: Cobjetivo do sistema de controle: maximizar Φ no intervalo detempo 0 a tR

máxFstsp

Φ =

∫ tR

0[(receita de B)− (custo do vapor)] dt − custo de A




ação de controle: Fst é usado exclusivamente para a otimizaçãodo desempenho do reator, pois afeta as taxas das reações

malha feedback

T

Fst

Q

Condensado

Vapor

Tst

controlador

set point

sp e+

-

Fst

Fst

CTotimizador

max FCB

Figura: Controle otimizante

t

s pF s t

t R

m á x

m í n

Figura: Ação de controle




Na Otimização em Tempo Real (RTO), os valores ótimos dos "setpoints" são calculados na otimização da operação do processo, sa-tisfazendo as restrições do sistema.

C o n t r o l eR e g u l a t ó r i o

( s e g u n d o s -m i n u t o s )

C o n t r o l e P I D , t é c n i c a s a v a n ç a d a s d e c o n t r o l e ,m o n i t o r a m e n t o d a p e r f o r m a n c e d a m a l h a d ec o n t r o l e

S e g u r a n ç aa m b i e n t a l e d o se q u i p a m e n t o s

( < 1 s e g u n d o ) G e r e n c i a m e n t o d o s a l a r m e s ep a r a d a d e e m e r g ê n c i a

M e d i ç ã o eA t u a ç ã o( < 1 s e g u n d o ) V e r i f i c a ç ã o d o f u n c i o n a m e n t o d o s

s e n s o r e s e a t u a d o r e s

P r o c e s s o




P l a n e j a m e n t o eP r o g r a m a ç ã o( d i a s - m e s e s )

P r e v i s ã o , g e r e n c i a m e n t o d ac a d e i a d e s u p r i m e n t o s , p l a n e j a m e n t o /p r o g r a m a ç ã o d a s m a t é r i a s - p r i m a s e p r o d u t o

O t i m i z a ç ã o e mT e m p o R e a l( h o r a s - d i a s )

O t i m i z a ç ã o d a p l a n t a i n t e i r a e d a s u n i d a d e s i n d i v i d u a i s , e s t i m a t i v a d e p a r â m e t r o s ,c o n t r o l e s u p e r v i s ó r i o , r e c o n c i l i a ç ã o d e d a d o s

C o n t r o l e M u l t i v a r i á v e lc o m R e s t r i ç ã o

( m i n u t o s -h o r a s )

C o n t r o l e m u l t i v a r i á v e l ,c o n t r o l e p r e d i t i v o c o m m o d e l o

Figura: Níveis hierárquicos no controle e otimização de processos




Em plantas grandes, chega-se a obter mais do que US$200 mil deincremento diário nos ganhos com RTO.

Em algumas vezes, os "set points" ótimos podem mudar diaria-mente. O custo das fontes de geração de energia, variações naqualidade e custo das matérias-primas, limites de processamento eestocagem e demanda do produto são resposáveis pela necessidadefrequente de RTO.

Problemas envolvendo mais do que 100 mil variáveis e restriçõesde igualdade e desigualdade são hoje rotineiramente resolvidos comRTO.



Justificativa Econômica

Redução na variação da especificação do produto.

t

x s p

x

t

r e s t r i ç ã o o p e r a c i o n a l

a n t e s

xx s p

r e s t r i ç ã o o p e r a c i o n a l

d e p o i sFigura: Redução da variabilidade do produto

benefícios econômicos:mudança do ponto operacionalaproxima-se da restrição operacionalmenor quantidade de produto fora de especificação



Leitura I

Leitura Complementar

Próximas aulas:

apostila do Prof. Wua, capítulos 2, 3 e 4 (volume I).

livro do Stephanopoulosb, capítulos 2, 3 e 4.

livro do Marlinc , capítulo 3.

livro do Seborg et al.d , capítulos 2 e 13.

aKwong, W. H., Introdução ao Controle de Processos Químicos com MATLAB. Volumes I e II, EdUFSCar, São Carlos, Brasil, 2002.

bStephanopoulos, G., Chemical Process Control. An Introduction to Theory and Practice. Prentice Hall, Englewood Cliffs, USA,1984.

cMarlin, T. E., Process Control. Designing Processes and Control Systems for Dynamic Performance. 2nd Edition, McGraw-Hill,New York, USA, 2000.

d Seborg, D. E., Edgar, T. F., Mellichamp, D. A., Doyle III, F. J., Process Dynamics and Control. 3rd Edition, John Wiley, New York,USA, 2011.



Leitura II

Sobre o conteúdo da aula atual:

Knegtering, B., Pasmanb, H. J.Safety of the Process Industries in the 21st Century: A ChangingNeed of Process Safety Management for a Changing Industry.Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 22, 162–168,2009.

Bauer, M., Craig, I. K.Economic Assessment of Advanced Process Control - A Survey.Journal of Process Control, 18, 2–18, 2008.

Alford, J. S.Bioprocess Control: Advances and Challenges.Computers and Chemical Engineering, 30, 1464–1475, 2006.



Leitura III

Samad, T., Annaswamy, A. M. (eds.)The Impact of Control Technology.IEEE Control System Society, Control Systems Society, 2011.Overview, Success, Stories, and Research Challenges.

Samad, T., Annaswamy, A. M. (eds.)The Impact of Control Technology, 2nd ed..IEEE Control System Society, Control Systems Society, 2014.Part 1: Success Stories for Control.Part 2: Chanllenges for Control Research.


http://ieeecss.org/sites/ieeecss/files/2019-07/IoCT-FullReport_v2.pdf

http://ieeecss.org/sites/ieeecss/files/2019-06/SuccessStoriesforControlCompilation.pdf

http://ieeecss.org/sites/ieeecss/files/2019-06/ChallengesforControlResearchCompilation_0.pdf


Vídeos I

Próximas aulas:

e-Lessons Prof. MarlinMathematical Modelling Principles - Part I. Modeling Method and Linear SystemsMathematical Modelling Principles - Part II. Linearized Models and NumericalMethod


http://www.pc-education.mcmaster.ca/PC_Ed%20eLearn/cc-Chap_03_Part_I_Marlin_eLearn%20(Web)/index.html

http://www.pc-education.mcmaster.ca/PC_Ed%20eLearn/cc-Chap_03_Part_II_Marlin_eLearn%20(Web)/index.html

http://www.pc-education.mcmaster.ca/PC_Ed%20eLearn/cc-Chap_03_Part_II_Marlin_eLearn%20(Web)/index.html


Consulta a Sites I

Sobre o conteúdo da aula atual:

U.S. Chemical Safety Board – CSBwww.csb.gov


http://www.csb.gov


Termopar

SensorElementos dedicados que transformam determinada variável de pro-cesso em uma grandeza passível de manipulação. Geralmente a va-riável de interesse é transformada em uma grandeza elétrica.

TransdutorSistemas que atuam junto com sensores e constituídos por algum dis-positivo elétrico, eletrônico ou eletromecânico. O transdutor é na ver-dade um complemento de um sensor com o objetivo de tornar possívela medição de determinada grandeza ou mesmo melhorar as condiçõesde medições de um sensor.



Termoparcontinuação

Um termopar é formado por dois condutores metálicos, de naturezadistinta, na forma de metais puros ou de ligas homogêneas. Os fiossão soldados em um extremo chamado de junta quente ou junta demedição. As outras extremidades dos fios são levadas ao instrumentode medição de f.e.m. (força eletromotriz), fechando um circuito elétricopor onde flui a corrente.

Esse outro extremo dos fios que formam o termopar se conectaao instrumento de medição, sendo chamado de junta fria ou junta dereferência.

O aquecimento da junta quente gera o aparecimento de umaf.e.m. Este princípio é conhecido por Efeito Seebeck.




Figura: Esquema de conecção de um termopar.




Figura: Termopar industrial com flange.

Volta



Célula de Pressão Diferencial

Sensor Capacitivo ou Célula Capacitiva é o sensor mais utilizado emtransdutores de pressão. Nele dois diafragmas de medição se movemcom relação a um diafragma fixo. Entre o diafragma fixo e os móveis,existe um líquido de enchimento que funciona como um dielétrico.

Como um capacitor de placas paralelas é constituído por duas pla-cas paralelas separadas por um meio dielétrico, ao sofrer o esforço depressão, o diafragma móvel (que vem a ser uma das placas do capa-citor) tem sua distância em relação ao diafragma fixo modificada. Issoprovoca alteração na capacitância de um circuito de medição, e entãotem-se a medição da pressão.



Célula de Pressão Diferencialcontinuação

Estes instrumentos, quando utilizados em medição de nível, medemdiferenciais de pressão que são provocados pela coluna líquidapresente nos equipamentos cujo nível se deseja medir.

O lado de alta pressão do transdutor de pressão diferencial é ligadopela tomada da parte inferior do tanque e o lado de baixa pressão éaberto para a atmosfera. Visto que a pressão estática do líquido édiretamente proporcional ao peso do líquido, este pode ser obtido pelamedida do primeiro.




Figura: Esquema de uma célulacapacitiva.

Figura: Célula capacitiva.




Figura: Sensor/transdutor de pressãodiferencial.

Figura: Nível de tanque medido porpressão diferencial.

Volta



Válvula de Controle

Qualquer que seja a natureza do sistema de controle utilizado(pneumático, elétrico, eletrônico ou hidráulico), uma válvula de controleautomática é, na maioria das vezes, o elemento final de controle usado.

Isso porque a forma mais comum de influenciar o comportamentode processos químicos é modificando as vazões de escoamento dascorrentes de processo. Normalmente, uma resistência variável écolocada da corrente de interesse, a qual influenciará a sua vazãode escoamento conduzindo o processo a um comportamento desejado.

Em alguns casos a resistência da válvula tem que ser ajustada (umapessoa ajusta a sua abertura). Porém em muitos casos a resistênciada válvula é determinada por um controlador automático, com a válvulaprojetada a aceitar e executar o sinal emitido pelo controlador.



Válvula de Controlecontinuação

Figura: Esquema de uma válvulapneumática.

Figura: Válvula pneumática.Volta



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