Controle. Controle. Introdução. Importância do Controle de Processos. Idéia. Típico Processo Industrial - Problema da Tennessee-Eastman

(1)

Introdução

e

Conceitos Básicos de Malhas de Controle

Prof. Dr. Jorge Otávio Trierweiler

g

Departamento de Eng. Química

Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Típico Processo Industrial

-Problema da Tennessee Eastman

Esquema de Reação: A(g) + C(g) + D(g) → G(liq) A(g) + C(g) + E(g)→ H(liq)

Deptº. Eng. Química / UFRGS - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler

Problema da Tennessee-Eastman

A(g) + C(g) + E(g) → H(liq) A(g) + E(g) → F(liq) 3D(g) → 2F(liq) ₂

â

Introdução MVs & CVs Malhas de _Controle Controle do _Inventário _{Transferência}Funções de Exemplos

- Segurança e proteção

Q

lid d d

d t

Importância do

Controle de

- Qualidade dos produtos

- Operação suave

Operação suave

Processos

- Monitoração dos processos

Melhoria dos processos

l ibilid d

j

Controle

Flexibilidade nos projetos

Limites operacionais

Controle

Limites operacionais

Aumento da produtividade

Idéia

Manipulada: Setpoint TC SDCD

FI

FC

(2)

Caso de estudo - Coluna de destilação

Coluna de separação do VAC do ácido acético,

Esta coluna compõe a unidade de produção de vinil

acetileno (VAC).

O VAC é utilizado como matéria prima para produção de

acrílico.

Coluna de destilação azeotrópica.

Destilação azeotrópica

Denomina-se destilação azeotrópica todo o processo de

destilação que utiliza a formação de um azeótropo com um

ou mais componentes da mistura para efetuar a separação.

Quase na totalidade dos casos, o azeótropo é mais volátil

sendo removido no topo da primeira coluna.

5

Caso de estudo - Coluna de destilação

Alimentação:

[mol/mol]

VAC:0,206

AI

VAC:0,206

H

₂

O: 0,281

HAc: 0,513

LI Orgânico Aquoso TI LI PI LI LI

Deptº. Eng. Química / UFRGS - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 6

C l

d d

til

ã

Coluna de destilação

(cont.)

AI LI Orgânico Aquoso TI LI PI

H

₂

0

TI

VAC

LI

HAc

C l

d d

il

Coluna de destilação

(cont.)

(

)

VAC

AI

VAC

LI Orgânico Aquoso TI LI PI

H

₂₂

0

LI

HAc

(3)

Perguntas:

Quais são os objetivos

operacionais da coluna?

p

Composição de topo e fundo

Operação sem inundação

p

ç

Operação sem esvaziamento

ou transbordo dos vasos de

topo e fundo (nível de

interface)

Pressão

Aumento e diminuição da

d

id d

carga da unidade

Segurança

...

9

Tipos de Graus de Liberdade

Graus de Liberdade Operacionais Graus de Liberdade de Projeto

10

Perguntas:

Quais são os graus de liberdade

operacional? Variáveis

p

manipuladas (manipulated

variables, MVs)?

Válvula (vazão) da fase orgânica de topo

Válvula (vazão) da fase aquosa de

Válvula (vazão) da fase aquosa de topo

Válvula (vazão) de fundo

Válvula (vazão) do fluido de refrigeração

Válvula (vazão) do fluido de

Válvula (vazão) do fluido de aquecimento

Válvula (Vazão) de refluxo

Perguntas:

Qual é a instrumentação

necessária? Quais são os

medidores?

Nível total e de interface do

vaso de topo (LI)

Medidor do nível do vaso de

fundo (LI)

Pressão Total (PI)

Diferença de Pressão (PDI)

Vazão (FI)

Temperaturas (TI)

(4)

Perguntas:

Quais são os principais

distúrbios ?

Vazão de alimentação

T

t

/ E t l i d

Temperatura / Entalpia da

alimentação

Composição da alimentação

Características do fluido de

aquecimento

Características do fluindo de

Ca ac e s cas do u do de

refrigeração

...

13

Malha de controle

Elemento de medição

Elemento de atuação

Algoritmo matemático

V l

d

f ê

i

Valor de referência

SISO

Single Input – Single Output

Uma entrada

Uma saída

Uma entrada – Uma saída

Maioria dos controladores industriais

Exemplo:

Chuveiro elétrico (ducha corona)

SISO

Variável Controlada: vazão

Variável Manipulada: abertura de válvula

(5)

Malhas

de

T

Q

T

in

T

_inf

controle

Tanque

T

1

_Tubulação

T

2

in

F

in

T

A

T

2 A

T

₂

T

inf

T

1

T

_A

MV =>Q (Manipulated Variable),

CV => T

₂

(Controlled Variable) ,

Distúrbio >T

F

T

etc

T

Distúrbio=>T

_in

, F

_in

, T

_A

, T

_inf

etc

T

₁ 17

T

2

T

1

T

in

T

A

_T

inf

e=erro=

T

2SET

–T

2

T

2SET

C

Tanque

T

2

Q

Tubulação

T

1

F

in

e

-

C

Retroalimentação

(Feedback)

T

in

T

A

T

inf

T

2SET

C1

Tanque

T

2

Q

Tubulação

T

1

F

in

C2

T

_1SET

-

C1

-

C2

TC

Malhas

Cascata

T

2

T

1

T

in

T

A

T

inf

T

_2SET

C

Tanque

T

2

Q

Tubulação

T

1

F

in

e

C

F

-

C

TY

Retroalimentação

com Antecipação

(6)

MIMO

Multi - Input, Multi - Output

Múltiplas entradas múltiplas saídas

Múltiplas entradas, múltiplas saídas

Totalidade dos processos industriais

Minoria dos controladores

Exemplo:

Chuveiro com junker

Novo componente Æ acoplamento

MIMO

ÆTemperatura

ÆVazão

Q

_F

Q

_F

Acoplamento

Quero aumentar a temperatura

ÆTemperatura

ÆVazão

Q

_F

Q

_F

Controle

do Inventário

Consiste no controle dos acúmulos de líquido, gases e sólidos.

Sem o controle automatizado

Sem o controle automatizado destes acúmulos o processo não pode operar.

O controle é feito através de malhas feedback, as quais precisam estar necessariamente p

fechadas para permitir a operação da unidade.

O acúmulo de líquido é medido por

O acúmulo de líquido é medido por medidores de nível e o de gases por medidores de pressão.

Para a coluna temos: controle da pressão, nível do vaso de fundo, nível total do vaso de topo e da

interface.

(7)

Controle

do Inventário

O primeiro passo consiste na escolha das variáveis manipuladas que serão utilizadas para controlar o inventário.

controlar o inventário.

Nível do vaso de fundo pode ser controlado por: (a) vazão de fundo (b) carga térmica da unidade (refervedor)

Nível do vaso de topo e de interface podem ser controlados por: (a) refluxo, (b) destilado orgânico e (c) destilado aquoso

Pressão pode ser controlada pela (a) taxa de resfriamento (condensador) ou (b) taxa de aquecimento (refervedor)

Os graus de liberdade que sobrarem serão

Os graus de liberdade que sobrarem serão utilizados para controlar as composições.

Podem ser utilizadas razões entre vazões, p.ex. (L/D, V/B, L/F etc).

(L/D, V/B, L/F etc).

As razões são feedforward intrínsecos e são altamente recomendáveis de serem utilizados. Necessitam de medidores de vazão para

poderem ser implementados.

25

Descrição Matemática

F nções de Transferência

Descrição Matemática – Funções de Transferência

( )

s F L A in d i s F L A in in _e in V V F s G s T s T and e V F c s G s Q s − ⋅ − ⋅ = = Δ Δ = = Δ ΔΤ 1 1 1

ρ

( )

in in in s F V s T s F V s Q ₊ Δ ₊ Δ ₁ ₁ 26

Ti

Descrição Matemática

Funções de Transferência

Tin

s F L A in in e V F _⋅ −

ç

T

Q

1

T

1 in in e s F V V +1

C

T

2

T

2set

Q

-

s + 1 F V F c in in ρ _s F L A in

e

⋅ −

T

1

T

A

_T

inf

T

Tanque

T

2

Tubulação

T

₁

T

_in

F

in inf

T

2SET

-

C

Q

in

e

(8)

SISO S

t

SISO S

t

SISO Systems

Freq_int.mdl

Deptº. Eng. Química / UFRGS - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 29 Deptº. Eng. Química / UFRGS - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler

Var_zeta.m

30

(9)

Deptº. Eng. Química / UFRGS - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 33 Deptº. Eng. Química / UFRGS - Prof. Dr. Jorge O. Trierweiler 34

U id d d A

i

t

E

l

Unidade de Aquecimento - Exemplo

( )

s

G

s

G

+

=

+

=

2 1

,

1

1 ,

1

1 τ

τ

( )

(

)

(

)

G

( )

s k s s s s 3 2 2 1 2 2 1 1 1 s EL3 TI_301(s) − + + + + + + =

τ

(10)