Prof. André Laurindo Maitelli DCA-UFRN CONTROLE AVANÇADO Prof. André Laurindo Maitelli DCA-UFRN

CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS

Controle de Processos Industriais

Controle de Processos Industriais

Controle de Processos

Processos Industriais Sensor, Transmissor, Válvula de Controle: campo (junto ao processo); Controlador: sala de controle ou campo; Equipamentos de controle: analógicos ou digitais; Sistemas analógicos: sinais de ar pressurizado (3 a 15 psi) ou sinais de corrente/tensão (4-20 mA, 0-10 Vdc).

Controlador Industrial Modos de Operação: Manual ou Automático; Ações de Controle: Direta ou Reversa A escolha da ação de controle depende da ação da MV sobre a PV no processo, da ação da válvula e do sensor.

Características de um Controlador Industrial Indicar o valor da Variável de Processo (PV); Indicar o valor da saída do controlador, a Variável Manipulada (MV); Indicar o Set Point (SP); Ter um chave para selecionar entre modo manual ou automático; Ter uma forma de alterar o valor do SetPoint quando o controlador está em automático; Ter uma forma de alterar MV quando o controlador está em manual; Ter um modo de seleção entre ações direta e reversa do controlador.

CONTROLE “FEEDFORWARD”

O que é ? Controle feedforward usa o conhecimento das perturbações para agir sobre o sistema antes que as mesmas afetem o erro; Desvantagens: necessidade de medição das perturbações Necessidade do conhecimento do modelo do processo e da perturbação

Controle Feedforward

Controle Convencional Gc(s) G(s) Gn(s) + - Y(s) R(s) E(s) N(s)

Controle Convencional Influência da entrada Influência das perturbações Se as perturbações são mensuráveis, o controle feedforward é um método útil para cancelar os seus efeitos na saída do processo.

Controle Feedforward Gc(s) G(s) Gn(s) Y(s) R(s) E(s) N(s) Gff(s) + - Y(s) R(s) E(s) N(s) Gff(s) saída perturbação controlador feedforward

Controle Feedforward A vantagem deste tipo de controle é que a ação corretiva ocorre antecipadamente, ao contrário do controle por realimentação, em que a ação corretiva acontece somente depois da saída ser afetada.

Exemplo Sistema de controle de temperatura

Exemplo Perturbação: mudança vazão de saída da torre (depende do nível da torre); seu efeito não pode sentido imediatamente, devido aos atrasos envolvidos no sistema; um controlador convencional agirá somente quando houve um erro; um controlador feedforward que receberá a também a informação da vazão, poderá agir mais cedo sobre a válvula de vapor.

Exemplo

CONTROLE EM CASCATA

O que é ? É um método simples, envolvendo dois controladores por realimentação em cascata; O controle em cascata é definido como a configuração onde o sinal de saída de um controlador é o Set-Point gerado pelo outro controlador.

Controle em Cascata Gc1(s) - Gc2(s) G2(s) G1(s) R1(s) R2(s) Y2(s) + - Gc2(s) G2(s) G1(s) R1(s) R2(s) Y2(s) Y1(s) laço secundário laço primário

Controle em Cascata Equação característica: Gc1(s) - G1(s) R1(s) R2(s) + - G1(s) R1(s) R2(s) Y2(s) Y1(s) Equação característica: primário secundário

Controle Convencional – exemplo LC + - G(s) SP H

Controle em Cascata - exemplo LC + - FC G1(s) G2(s) SP2 Q H malha de vazão malha de nível SP1

Controle em Cascata - exemplo Considerando: Controle convencional: LGR - +

Controle em Cascata - exemplo laço secundário - + laço primário LGR-primário -2 LGR-secundário

COMPENSAÇÃO DO TEMPO MORTO

Tempo morto É o atraso entre a variação do sinal de controle (MV) e o início da variação da saída (PV). Exemplos: Transporte de fluidos em linhas longas; Variável controlada medida por analisador de linha; Elemento final de controle lento; Um controlador convencional não funciona bem com tempo morto, pois a ação de controle demora um certo tempo para ser detectada. tempo morto

Compensação do tempo morto Considerando: Gc1(s) e-sτ G(s) + - R(s) Y(s) A FT de malha fechada é:: (I)

Compensação do tempo morto Idéia: deslocar o tempo morto para fora da malha de controle Gc(s) G(s) + - R(s) e-sτ Y(s) Para isto, projetaremos um controlador a fim de que a FT de malha fechada seja: (II)

Compensação do tempo morto Igualando as equações (I) e (II) temos: Gc(s) G(s) + - R(s) e-sτ Y(s) (1-e-sτ)G(s) Gc1(s)

Compensação do tempo morto O controlador Gc(s) é projetado de forma usual; O controlador de Smith realimenta a saída sem o atraso (não pode ser obtida na prática); O controlador modifica a variável controlada da seguinte forma: Quando o controlador enviar uma ação de controle ao processo, o controlador imediatamente responde pelo processo para que a resposta seja isenta do tempo morto; Após o tempo morto, à medida que o processo começar a responder, o controlador vai retirando a sua ação de acordo com a dinâmica do processo.

CONTROLE “OVERRIDE”

Controle “Override” Também chamado de controle seletivo; É uma forma de controle multivariável em que uma única variável manipulada (MV) pode ser ajustada usando-se várias variáveis controladas (PV), uma de cada vez; Escolhe-se a variável principal que estará na maior parte do tempo atuando na variável manipulada, sendo as outras apenas variáveis de restrição.

Coluna de Destilação - exemplo

Coluna de Destilação - exemplo Deve-se controlar a vazão de vapor para o refervedor (trocador de calor para aquecimento) de fundo de uma coluna de destilação, atuando na única válvula do sistema; Entretanto, o nível deste refervedor não pode ser menor que um valor para não perder o selo de líquido; Solução: controle override.

Vantagens Quando não existem graus de liberdade suficientes no processo, pode-se controlar preferencialmente uma variável até que uma outra atinja o seu limite operacional; Forma simples de respeitar as restrições do processo e evitar que o sistema de segurança atue parando a planta.

Cuidados na implementação Prever proteção contra saturação do sinal de saída dos controladores que não estiverem sendo selecionados para atuar no elemento final de controle; Implementar uma estratégia de rastreamento dinâmico forçando a saída dos controladores que não estão controlando a válvula a seguir a posição atual da válvula (saída do seletor).

Controle Override – Exemplo 2 Controle override para proteção de um compressor Quando a pressão do gás de saída do compressor ultrapassa um valor pré-ajustado, o controle passa a ser exercido pela malha de pressão, ao invés da malha de fluxo, através da chave HSS ativada por valores altos.

Controle Override – Exemplo 3 Controle override para proteção de geradores de vapor Inicialmente o controle busca manter a pressão na linha de vapor. Quando o nível se torna muito baixo, o controle passa a ser exercido pela malha de nível.

CONTROLE “SPLIT RANGE”

Controle “Split Range” Em certas aplicações, uma única malha de controle de fluxo pode ser suficiente para garantir um bom desempenho do sistema em uma grande faixa de operação; Controle de fluxo do tipo Split Range usa dois controladores (um com uma válvula de controle pequena e o outro com uma válvula de controle grande), ambos em paralelo; Para fluxos pequenos, a válvula grande é fechada e a válvula pequena garante um controle de fluxo de boa qualidade; Para grandes fluxos, ambas as válvulas estão abertas.

Exemplo Controle de pressão em split-range:

Exemplo Se a pressão começar a subir, o controlador deve primeiro fechar toda a válvula que admite gás e em seguida abrir a válvula de alívio; Assim, supondo o controlador em ação direta, entre 0 e 50% na saída do PID, a válvula que admite gás vai da posição toda aberta para a posição toda fechada; Na faixa entre 50 e 100% na saída do PID, a válvula que alivia gás vai da posição fechada para a posição toda aberta.

Controle Split Range – Exemplo 2

Controle Split Range – Exemplo 3 Controle de Temperatura Split Range

Controle Split Range – Exemplo 2 Controle de Temperatura Split Range T > Tref Resfriar T < Tref Aquecer

CONTROLE DE RELAÇÃO

O que é ? Existem muitas situações nos processos industriais onde é necessário manter duas variáveis numa proporção ou relação definida; Uma variável flutua livremente de acordo com as exigências do processo e é chamada de variável livre; A outra variável é proporcional à variável livre e é chamada de variável manipulada; Exemplos: a mistura de aditivos à gasolina, mistura proporcional de reagentes de um reator químico e a mistura de fluxos quentes e frios para se obter uma determinada temperatura da mistura.

Controle de Relação - Exemplo