CONTROLE DE GASES RESIDUAIS: UM ESTUDO DE CASO EM
UMA CALDEIRA SEMI-INDUSTRIAL DE AUTOMAÇÃO HÍBRIDA
A. P. PARENTE1, A. VALDMAN1, R.O.M. Folly1, M.B. de Souza Jr1
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Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola de Química, Departamento de Engenharia Química E-mail para contato: parente@eq.ufrj.br
RESUMO – As indústrias químicas figuram entre os grandes emissores de gases residuais poluentes. Os sistemas de controle são uma ferramenta valiosa para atender as exigências de desempenho ambiental de plantas de processos. Entretanto, pesquisas reportam que 60% dos controladores industriais têm performances ineficientes. O objetivo deste trabalho é implementar e sintonizar uma estratégia de controle de combustão de uma caldeira semi-industrial. A aplicação experimental envolve uma caldeira flamotubular vertical a óleo diesel, utilizando um sistema de automação híbrida (equipamentos analógicos e digitais fieldbus). A malha de combustão controla alternativamente a concentração de CO2 ou deO2 a partir de um analisador de gases in
situ, manipulando a vazão de ar de combustão. A estratégia implementada faz uso de sistemas de diagnóstico de falhas e reconfiguração online. Os resultados indicam que a estratégia proposta apresenta uma operação com alta flexibilidade e minimiza a produção de gases poluentes.
1. INTRODUÇÃO
Nas indústrias de processos químicos, os controladores de estrutura proporcional-integral-derivativa (PID) são os mais extensivamente usados em razão de sua simplicidade, robustez e ampla gama de aplicabilidade (JENG, TSENG e CHIU, 2014). Miller e Desbourough (2002) reportam que 97% dos reguladores industriais são do tipo PID e Koivo e Tanttu (1991, apud O’Dywer, 2006, p. 1) sugerem que apenas 5-10% das malhas de controle não podem ser reguladas por controladores PI ou PID de única entrada, única saída (SISO). Chen e Seborg (2002) afirmam que embora técnicas de controle avançado possam proporcionar melhorias aos processos, um controlador PID bem projetado e sintonizado é satisfatório para a maioria das malhas de controle industrial. Entretanto, pesquisas industriais reportam que 60% dos controladores apresentam performances ineficientes, levando a produtos de baixa qualidade além de perda de produção. Dados ainda mais alarmantes indicam que 36% das malhas são operadas em manual (DESBOUROGH e MILLER, 2002). Outros estudos indicam que 80% dos controladores de estrutura PID são mal sintonizados e que 25% deles operam com parâmetros sugeridos pelos fabricantes (OVERSCHEE e MOOR, 2000).
Um dos equipamentos mais encontrados em complexos industriais é a caldeira. O vapor gerado é usado em diversos níveis de pressão em diferentes processos físico-químicos. As caldeiras envolvem um processo de combustão e utilizam, tipicamente, combustíveis fósseis. Sobre os processos de combustão, estudos sistemáticos vêm sendo conduzidos com o intuito de aperfeiçoar a eficiência e reduzir os decorrentes níveis de poluição atmosférica, que são legalmente limitados por agências de proteção ao meio-ambiente nacionais (CONAMA, 2007) e internacionais (EPA, 2013).
Este trabalho apresenta um estudo de caso em que uma estratégia de controle PI concernente ao controle da combustão de uma caldeira semi-industrial é implementada. A estratégia proposta faz uso de sistemas de diagnóstico de falhas de sensor e reconfiguração online das malhas de controle. A aplicação experimental deste projeto foi realizada em uma planta piloto que consiste de uma caldeira flamotubular vertical que gera até 500 kg/h de vapor saturado e um sistema de automação híbrido, baseado em equipamentos analógicos e em tecnologia de redes digitais fieldbus. A malha de controle de combustão controla as concentrações de CO2 ou O2
medidas por um analisador de gases in situ e manipula a vazão de ar de combustão. Testes experimentais em malha aberta levaram à identificação de modelos de processo. A estratégia proposta foi implementada e sintonizada por diferentes métodos descritos na literatura: Ziegler-Nichols em malha aberta, critério da mínima integral do erro absoluto ponderada pelo tempo (ITAE) e sintonia online. Os métodos de ajuste foram comparados por meio dos índices de desempenho tempo de subida, tempo de estabilização e magnitude do overshoot.
2. METODOLOGIA
2.1. Unidade Piloto
O presente trabalho foi desenvolvido em uma unidade piloto que é parte da Central de Utilidades do Laboratório de Engenharia Química da UFRJ (LADEQ/EQ/UFRJ). A planta é composta por quatro tanques de armazenamento de combustível, um tanque de mistura de combustível e alimentação à caldeira, um tanque de armazenamento de água e uma caldeira flamotubular vertical de porte semi-industrial geradora de vapor saturado.
O sistema de automação é composto por transmissores Fieldbus Foundation dedicados à medição das variáveis de processo contínuas, um controlador dedicado ao controle da queima e da água de reposição para manutenção do intertravamento de segurança, um CLP para conversão das variáveis discretas ao protocolo de instrumentação padrão fieldbus e uma estação SCADA (Supervision Control and Data Acqusition) para monitoramento e supervisão do processo.
A planta conta ainda com um analisador insitu portátil equipado com seis células eletroquímicas de medição de gases. O sinal de medição oriundo do analisador de gases é do tipo analógico e está integrado à rede digital fieldbus por meio do controlador lógico programável.
A caldeira movida a diesel opera com vazão de combustível fixa de aproximadamente 26kg/h. Para manipular a vazão de ar de combustão foi instalado um inversor de frequência que permite alterações na quantidade de ar fornecida à queima. O inversor de frequência permite o acionamento remoto através de um sinal analógico padrão de corrente (4 a 20mA), o qual é convertido através de um conversor fieldbus/corrente instalado na caldeira, possibilitando assim a integração do acionamento do inversor de frequência à rede FB utilizada. A arquitetura do sistema de automação híbrido, baseado em equipamentos analógicos e em tecnologia de redes digitais fieldbus é mostrada na Figura 1.
Figura 1 Arquitetura do sistema de automação da planta piloto.
2.2. Testes em Malha Aberta
O método usado para identificação dos parâmetros do modelo foi proposto inicialmente por Ziegler e Nichols em 1942 no seu artigo clássico, que utiliza a resposta ao degrau em malha aberta (ZIEGLER e NICHOLS, 1942). Degraus positivos e negativos de amplitude igual a 5% de vazão de ar foram dados na saída de controle do inversor de frequência de modo a perturbar as concentrações de O2 e CO2 nos gases de chaminé, medidas pelo analisador de gases comercial.
As respostas a estas perturbações foram monitoradas por meio da estação SCADA e os dados, tomados segundo a segundo, permitiram a construção das curvas de reação. Da observação das curvas de reação foi possível postular modelos de primeira ordem com tempo morto (FOPT) e estimar os parâmetros concernentes.
A natureza da dinâmica do processo (L) pode ser classificada com base na razão entre o tempo de atraso (θ) e a soma de constante de tempo do processo (τ) e tempo de atraso (θ). Embora não haja limites rígidos descritos na literatura, Garpinger et al. (2014) sugerem que processos com L entre 0 e 0,2 sejam classificados como processos dominados pela constante de tempo; entre 0,2 e 0,7 como processos balanceados e para valores de L entre 0,7 e 1 como processos dominados pelo atraso. A classificação dos processos pode ser usada como uma medida da dificuldade em controlar um processo (ǺSTRÖM, HANG, et al., 1992), indica quando o uso da ação derivativa em controle de estrutura PID é adequado (ǺSTRÖM e HAGGLUND, 2004) e provê algumas percepções sobre concessões entre desempenho e robustez de controladores PID (GARPINGER, HAGGLUND e ǺSTRÖM, 2014).
2.3. Testes em Malha Fechada
Os testes em malha fechada foram realizados com produção de vapor, garantindo uma operação estável e contínua. Os parâmetros do controlador proporcional-integral (PI) foram calculados por métodos de sintonia com base no modelo de processo aproximado obtido em etapas anteriores. Neste trabalho, os métodos de sintonia usados foram: correlações de Ziegler-Nichols em malha aberta, critério da mínima integral do erro absoluto ponderada pelo tempo (ITAE) e sintonia online. A sintonia calculada pelas expressões mostradas na Tabela 1 foi informada ao sistema SCADA e testada para perturbação degrau no set-point. A magnitude da perturbação foi igual a 2% da faixa de saída ou range.
As correlações de Ziegler-Nichols embora tenham sido propostas há mais de 70 anos são ainda hoje largamente utilizadas e tomadas como referência (ASTROM e HAGGLUND, 2004). O critério do ITAE apresenta de maneira intrínseca a sua definição características de otimização de desempenho. Os métodos de sintonia mostram bons valores iniciais para a parametrização do controlador. Entretanto, é comum haver ajustes finos realizados localmente chamados de sintonia online ou de campo (OGUNNAIKE e RAY, 1994).
Tabela 1 Métodos de Ajuste de Controladores
Método de Sintonia Kc τI Ziegler- Nichols 0,9 𝑘𝑝 ∗ 𝜃 𝜏 −1 3,33𝜃 ITAE - servo 0,586 𝑘𝑝 . (𝜏/𝜃)0,916 𝜏 1,03 − 0,165. (𝜃/𝜏)
Características no domínio do tempo foram utilizadas para descrever e avaliar o comportamento de processos em malha fechada: tempo de subida (ts), tempo de estabilização (te)
e magnitude do sobrepasso ou overshoot (OS). Neste trabalho, admitiu-se resposta em malha fechada estável a partir do instante de tempo em que a soma dos erros quadráticos entre valores de regime inicial e final permanece constante dentro de uma faixa de tolerância igual a 0,01.
3. RESULTADOS
3.1. Estratégia Proposta
Ao implementar a malha de controle de emissão de gases residuais optou-se pela estratégia feedback com modo de controle proporcional e integral (PI). A ação derivativa tem como ônus amplificar os ruídos inerentes ao processo e só é recomendada para processos de dinâmica de ordem elevada que são fortemente dominadas pelas constantes de tempo (ǺSTRÖM
e HAGGLUND, 2001). Não obstante, o processo responde de maneira relativamente veloz e não justifica o uso deste artifício.
Uma estrutura auxiliar de controle seletor foi desenvolvida ampliando os recursos da malha de controle padrão. Desta forma, uma única variável manipulada é capaz de atender às demandas ambientais ao controlar seletivamente duas variáveis: concentração residual de O2 e de
CO2. A seleção da malha de controle em operação pode ser feita manualmente pelo operador ou
automaticamente pelos critérios de seleção configurados na própria instrumentação fieldbus e é mostrada esquematicamente na Figura 2. O critério de seleção adotado e implantado é baseado nos protocolos internos de diagnóstico e sistema de detecção de falhas inerentes à rede FB e ampliados em trabalhos anteriores (VALDMAN, 2013). Assim, a escolha entre as variáveis concentração de O2 e de CO2 obedece aos critérios de robustez do sinal da variável medida e de
priorização operacional. A atual configuração apresenta a seguinte ordem de prioridades para as variáveis controladas: CO2 e O2. CONVERSOR ATUADOR SELETOR FB/I CONTROLADOR CONVERSOR CONVERSOR I/FB I/FB O2 CO2
Figura 2 Representação esquemática da malha de controle implementada.
A reconfiguração online ocorre quando o sinal da variável medida passar de “bom” a “ruim” no decorrer da operação. No caso de mudança de status da variável controlada selecionada, o controle muda automaticamente para a seguinte variável medida que apresente sinal de boa qualidade.
3.2. Resultados em Malha Aberta
As funções de transferência para os processos que relacionam concentração de CO2 e de
O2 à vazão de ar de combustão são mostradas na Tabela 2 bem como os valores do parâmetro L,
que relaciona o tempo de atraso à constante de tempo do processo. A identificação do modelo para o processo de CO2 mostrou que o processo responde de maneira reversa. Além disso, ambos
Tabela 2 Resultados de Identificação e Classificação dos Modelos de Processo Método de Sintonia 𝐺 𝑠 L 𝐺 𝑠 = % 𝑣 𝑣 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 % 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑧ã𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑟 −0,1. 𝑒−8𝑠 6𝑠 + 1 0,59 𝐺 𝑠 = % 𝑣 𝑣 𝑑𝑒 𝑂2 % 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑧ã𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑟 0,2 𝑒−6𝑠 8𝑠 + 1 0,44
3.3. Resultados em Malha Fechada
A Tabela 3 mostra as sintonias calculadas para os controladores de CO2 e de O2.
Tabela 3 - Sintonias para as Malha de Gases Residuais
Sintonia Variável Controlada kc (%Vazão de Ar/%v/v) τ i (s)
Ziegler-Nichols CO2 0,30 26
ITAE CO2 0,23 7
Sintonia Online CO2 0,15 44
Ziegler-Nichols O2 0,52 20
ITAE O2 0,33 8
O controlador de CO2 projetado por Z-N levou à resposta oscilatória e instável. O
controlador projetado pelo o critério ITAE teve desempenho aceitável. Todavia, ainda é uma sintonia agressiva considerando a magnitude das oscilações por meio do indicador overshoot (OS) igual a 33%. Swanda e Seborg (1999) sugerem que controladores mal ajustados apresentam valores OS superiores a 10%. A razão de decaimento da oscilação é função direta do ganho do controlador, logo, reduz-se o valor do parâmetro kC. Diminuir a ação integral também favorece a
estabilização da resposta, embora leve a maiores tempos de subida e de estabilização. Uma sintonia com valor de kC igual a 0,15 e τI igual a 44s levou a uma resposta estável e pouco
oscilatória. Os tempos médios de subida e de estabilização foram, respectivamente, 218,5s e 601,5s e a magnitude do sobrepasso igual a 8%.
O controlador de O2 projetado por ITAE levou à resposta instável. O baixo valor de
constante de tempo integral (τI) justifica o comportamento observado. As características
dinâmicas do processo com controle de O2 com razão θ/τ igual a 0,8 fazem com que recaia na
classe de processos que é satisfatoriamente ajustável pelos critérios de Ziegler & Nichols (ǺSTRÖM, HANG, et al., 1992). Conforme pode ser observado na Tabela 4, o processo respondeu de maneira rápida, com tempo de subida igual a 12 s, tempo de estabilização igual a aproximadamente 3 min e sobrepasso de 7%.
A Tabela 4 resume os índices de avaliação de desempenho em malha fechada tanto para o controle de CO2 quanto para o controle de O2. A Figura 3 mostra a verificação da resposta em
malha fechada com as sintonias escolhidas para os processos com controle de O2 e CO2,
respectivamente.
Tabela 4 - Parâmetros de Avaliação do Desempenho da Resposta em Malha Fechada Parâmetros Sintonia Online
para controle de CO2 ZN para controle de O2 ts (s) 241,00 12,00 te (s) 558,00 167,00 OS (%v/v) -0,08 0,07 .
4. CONCLUSÕES
O uso de sistemas de detecção e diagnóstico de falhas associados a mecanismos de reconfiguração online de malhas de controle foi proposto e implementado em uma unidade piloto de porte semi-industrial. Uma malha de controle seletiva, integrando instrumentação industrial híbrida, baseada em tecnologias de transmissão analógicas e digitais foi sintonizada.
As regras de Ziegler-Nichols para sintonizar controladores PID têm sido muito influentes. A maioria dos trabalhos sobre controle SISO ainda usa controladores PID de sintonia Z&N como benchmark. As correlações, no entanto, têm alguns inconvenientes de maneira que são mais adequadas para uma classe de processos que tendem a ser dominados pela constante de tempo. O processo com O2 apresenta características dinâmicas que fazem com que recaia na classe de
processos que é satisfatoriamente ajustável pelos critérios de Ziegler & Nichols, com kC igual a
0,5 e τI igual a 20s. A sintonia baseada no critério ITAE apresenta bons índices de desempenho.
Pode ser usada como a primeira solução quando se trata de problemas de projeto de controladores servo. Entretanto, é comum que haja necessidade de ajustes finos realizados localmente que compreendam as particularidades de cada processo. Para a malha de CO2, o ajuste fino realizado
localmente com kC igual a 0,15 e τI igual a 44s levou a uma resposta em malha fechada estável e
de desempenho satisfatório. 14,05 14,55 15,05 15,55 16,05 16,55 17,05 65 70 75 80 85 90 95 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 V ar iá ve l C o n tr o la d a e Se t-P o in t (% C O 2) Sa íd a d e C o n tr o le ( % ) Tempo (s) 6,5 6,6 6,7 6,8 6,9 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 7,6 7,7 7,8 7,9 8,0 65 70 75 80 85 90 95 0 20 40 60 80 100 120 140 V ar iá ve l C on tr ol ad a e Se t-P oi n t (% O 2) Sa íd a d e C o n tr o le (% ) Tempo(s)
Figura 3 Resposta para O2 com sintonia Z-N (a) N Resposta para CO2 com sintonia online online (b)
As estratégias de controle automático desenvolvidas utilizam uma automação híbrida, atualmente muito comum em ambientes industriais. O trabalho proposto engloba mecanismos de priorização, detecção e diagnóstico de falhas e reconfiguração online, possibilitando uma operação ambientalmente mais segura e com alta flexibilidade, além de permitir adaptações rápidas, garantindo a minimização de emissão de gases residuais poluentes.
6. REFERÊNCIAS
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