UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA
WAGNER FREITAS CAMPOS
PROJETO DE PLANTA QUÍMICA DIDÁTICA PARA
DESENVOLVIMENTO DE DIFERENTES
ESTRATÉGIAS DE CONTROLE DE PROCESSOS E
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
CAMPINAS
2016
WAGNER FREITAS CAMPOS
PROJETO DE PLANTA QUÍMICA DIDÁTICA PARA
DESENVOLVIMENTO DE DIFERENTES
ESTRATÉGIAS DE CONTROLE DE PROCESSOS E
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
`
CAMPINAS
2016
Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia Química da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Química.
ESSE EXEMPLAR CORRESPONDE À
VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO
DEFENDIDA PELO ALUNO WAGNER
FREITAS CAMPOS E ORIENTADA PELO PROF. DR. FLÁVIO VASCONCELOS DA SILVA.
Dissertação de Mestrado defendida por Wagner Freitas Campos e aprovada em 15 de Setembro de 2016 pela banca examinadora constituída pelos doutores:
________________________________________________ Prof. Dr. Flávio Vasconcelos da Silva
________________________________________________ Prof. Dr. Ivan Carlos Franco
________________________________________________ Prof. Dr. Newton Libânio Ferreira
A ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.
Dedico,
À Deus e à minha família, principalmente meu Pai e minha Mãe por me apoiarem sempre nos meus desafios e por me incentivarem sempre na busca do conhecimento, e esta vitória confirma que a maior riqueza que eu recebi de vocês foi sem dúvida, “A Educação”.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus por estar sempre ao meu lado, principalmente nos momentos difíceis. Aos meus pais Raymundo Campos e Maria José Freitas Campos (Dona Zezé), a minha Vovó Celina e aos meus irmãos e sobrinhos. Agradeço as minhas grandes amigas de Laboratório Manuela (Manú) e Tatiana (Tati), pelos momentos de alegria e descontração durante a realização dos trabalhos e nos intervalos de café. É sempre bom poder conviver com pessoas com o coração tão imenso e com uma bondade enorme como vocês. Sou eternamente grato por estes momentos.
Não posso deixar de lembrar da importante parceria com Thiago Pinelli o qual desejo muito sucesso, e não poderia deixar de lembrar do Cesar uma grande pessoa que tive o privilégio de trabalhar.
Agradeço às minhas grandes amigas Cemália e Deisy por me receberem em suas humildes e confortáveis residências quando em minhas raras visitas à Minas Gerais. Ao prof. Ricardo Naufel, Professor, colega de trabalho e grande amigo que muito me ajudou.
A CAPES por me conceder a bolsa de mestrado, para que eu pudesse realizar este trabalho de pesquisa e desenvolvimento, que é de grande importância para o desenvolvimento educacional dos alunos de graduação e pós-graduação da Universidade Estadual de Campinas, nas disciplinas de controle, instrumentação e automação de processos químicos.
Quero agradecer ao meu orientador Prof. Dr. Flávio Vasconcelos pela oportunidade que me foi dada, ao Prof. Dr. José Vicente e a Prof. Dr. Ana Maria Frattini uma pessoa fantástica e que eu tenho uma enorme admiração.
Quero agradecer à Graziella por tanto ter me ajudado a finalizar e apresentar este trabalho de mestrado.
O apoio de todos vocês sem dúvidas, contribuiu imensamente para o meu sucesso, e é com muito orgulho que divido este momento de alegria e realização com todos vocês.
EPÍGRAFE
"Procure ser um homem de valor, em vez de ser um homem de sucesso."
RESUMO
A incessante busca pela qualidade dos produtos e serviços, com o objetivo de alcançar a competitividade internacional, trouxe ao ambiente industrial a necessidade de controle total sobre os processos, aumentando a aplicabilidade da automação industrial e do controle de processos. Na indústria atual, a teoria e a aplicação de controle de processos têm uma interação profunda com sistemas de informação e processos de fabricação, baseada principalmente na linearização da modelagem matemática dos processos.
Nos últimos anos, uma maior interação entre o ensino de engenharia química e técnicas de controle e automação de processos tem sido indispensável na formação profissional. Assim, pensando-se no atendimento desta necessidade, este trabalho foi baseado, na montagem de uma planta didática experimental, para o desenvolvimento de aulas práticas em controle de processos e automação de sistemas no curso de engenharia química da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP).
O projeto proporcionará ao aluno um conhecimento entre disciplinas diversas, dando-lhe uma maior interação entre os estudos teóricos e práticos como: estimativa de modelos usando técnicas de balanço de massa e balanço de energia, comparação entre simulações computacionais e observações práticas, utilização de diferentes estratégias de controle e algoritmos de controle clássicos e modernos.
Palavras-chave: Processos industriais, Processo de automação, Processos
ABSTRACT
The constant pursue for high quality in products and services linked to the reach for international competitiviness has brought to the industrial environment the need for full control in processes, increansing the applicability of industrial automation and control processess. In the current industry, the theory and application of controlling processess is interacted with information systems and manufacturing process, based mainly on the mathematical modelling linearization of processes.
In recente years, a greater interaction between Chemical Engineering education and techniques of automation and controling processes has been essencial in the vocational training. Therefore, thinking about attending this need, this paper has been based on the assembly of a pedagogical and experimental plan developing practical lessons in control of processes and systems automation for the Chemical Engineering course from Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP).
This Project provides to the student knowledge in different áreas and a greate interaction between theorical and practical lessons as: estimating models using mass balance and energy balance techniques, comparision between comptuer simulations and practical observing, the use of different control strategies and algorithm controlling modern and classical.
KEYWORDS: Industrial processes, Process automation, Chemical
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1: Diagrama do processo da planta didática química...24
Figura 3.2: Planta didática no laboratório de engenharia química...26
Figura 3.3: Painel de controle vista frontal...30
Figura 3.4: Painel de controle vista traseira...31
Figura 3.5: Tela inicial do supervisório...33
Figura 3.6: Tela do sinótico do processo...34
Figura 3.7: Tela do reator químico...35
Figura 3.8: Tela de Trend e configuração do PID de Nível e Temperatura...37
Figura 4.1: Curva de resposta do processo após um distúrbio em degrau em malha aberta...44
Figura 4.2: Curva de resposta do processo com filtro digital...45
Figura 4.3: Resposta do nível do reator com controlador em modo automático...47
Figura 4.4: Resposta do nível do reator com controlador em modo manual...48
Figura 4.5: Resposta do nível do reator para partida em modo automático versus modo manual...49
Figura 4.6: Comportamento da temperatura do reator após um distúrbio...50
Figura 4.7: Comportamento da variável manipulada do PID temperatura após distúrbio...51
LISTA DE ABREVIATURA, SIGLAS E SÍMBOLOS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas AC – Alternate Current (Corrente Alternada)
BA – Bomba
CPVC – Policloreto de Vinila Clorado DC – Direct Currente (Corrente Contínua)
DESQ – Departamento de Sistemas Químicos e Informática EAD – Ensino a Distância
F – Frequência
FT – Flow Transmitter (Transmissor de Vazão) HV – Hand Valve (Válvula Manual)
I/O – Input/Output (Entrada/Saída) kc – Ganho da Planta
kp – Ganho Proporcional do Controlador
LCAP – Laboratório de Controle e Automação de Processos MV – Variável Manipulada
n – velocidade rotacional motor P – Ganho Proporcional
CLP – Controlador Lógico Programável (Programmable Logic Controller) PV – Process Variable (Variável de Processo)
PVC – Policloreto de Vinila
RA – Resistência de Aquecimento R – Reator Químico
SCADA – Supervisory Control And Data Aquisition SP – Set Point
Td – Tempo Derivativo Ti – Tempo Integral TQ – Tanque
TT – Transmissor de Temperatura p – Constante de Tempo da Planta
UNICAMP – Universidade Estadual de Campinas WS – Water Supply (Abastecimento de água) – Tempo Morto
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Tabela de equações do PID baseado no método Ziegler-Nichols...46 Tabela 2: Tabela de equações do PID baseado no método Cohen-Coon...46 Tabela 3: Tabela com valores calculados das variáveis Kc, Ti e Td para sintonia dos
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 16 1.1 MOTIVAÇÃO ... 16 1.2 JUSTIFICATIVA ... 18 1.3 OBJETIVO ... 19 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 20 3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 243.1FLUXOGRAMADAPLANTAQUÍMICADIDÁTICA ... 24
3.2 PLANTA QUÍMICA DIDÁTICA ... 25
3.2.1 Reator Químico RQ-101 ... 27 3.2.2 Tanque de Mistura TQ-101 ... 27 3.2.3 Reservatório de Água TQ-102 ... 27 3.2.4 Resistências Elétricas ... 27 3.2.5 Sensores de Temperatura ... 28 3.2.6 Motor Elétrico ... 28 3.2.7 Inversores de Frequência ... 29
3.2.8 Controlador Lógico Programável – CLP ... 29
3.2.9 Vista Frontal do Sistema Elétrico ... 29
3.2.10 Vista Traseira do Sistema Elétrico ... 31
3.3 SISTEMA DE SUPERVISÃO SCADA (SUPERVISÓRIO) ... 32
3.3.1 Tela Inicial ... 32
3.3.2 Tela do Sinótico do Processo ... 33
3.3.3 Tela do Reator Químico ... 35
3.3.4 Tela de Gráfico - TREND ... 36
3.4 SEGURANÇA DA PLANTA... 38
3.4.1 Nível máximo e nível mínimo no reator ... 38
3.4.2 Temperatura máxima de reação ... 39
3.4.3 Metodologia de Controle sugerido ... 40
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 41
4.1CONFIGURAÇÃODAPLANTADIDÁTICA ... 41
4.2 ATIVIDADETESTESUGERIDANAPLANTADIDÁTICA... 41
4.2.2 Controle de Temperatura com PID Simples ... 42
4.2.3 Curva de resposta da planta didática ... 43
4.3 SINTONIADOSCONTROLADORES ... 47
4.3.1 Partida da Planta em Modo Automático ... 47
4.3.2 Partida da Planta em Modo Manual ... 48
4.3.3 Partida Automática versus Partida manual ... 49
4.4 ENSAIOSDEDESEMPENHODOPIDTEMPERATURA... 50
4.4.1 Comportamento do controlador PID temperatura a um distúrbio em malha fechada. ... 50
5. ACESSO REMOTO ... 52
6. CONCLUSÃO ... 55
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 56
APÊNDICE A1: PROJETO ELÉTRICO DA PLANTA DIDÁTICA ... 58
APÊNDICE A2: LISTA DE I/O ... 78
APÊNDICE A3: LISTA DE MATERIAIS ... 85
APÊNDICE A4: LÓGICA DE CONTROLE DO PLC... 88
1. INTRODUÇÃO
1.1 MOTIVAÇÃO
A planta química desenvolvida na Faculdade de Engenharia Química da Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP, teve como principal característica, a fácil interatividade entre os alunos e os dispositivos da planta, o que permitiu grande facilidade operacional, tanto para visualização do processo, quanto a inserção e obtenção de dados. Outra característica importante deste protótipo é a fácil acessibilidade aos elementos de campo como, por exemplo: inversores de frequência, medidores de vazão e sensores de temperatura, o que permitiu rapidez e segurança na execução de manutenções preventiva e corretiva.
Desta forma, a planta possibilitou trazer para o âmbito educacional, problemas, dificuldades e soluções normalmente encontradas no projeto, operação e manutenção de sistemas industriais. Preencheu-se, desta forma, uma lacuna considerável entre a realidade industrial e acadêmica, permitindo ao aluno de engenharia o desenvolvimento de habilidades direcionadas à área de Automação e Controle de Processos, objetivando estes a lidar com situações reais de controle e sintonia de malhas, utilizando ferramentas existentes no âmbito industrial.
Com a utilização da planta didática, pode-se desenvolver vários estudos práticos e teóricos tais como: desenvolvimento de modelos baseados em balanços de massa e energia, comparações entre diferentes estratégias de controle, utilização de algoritmos clássicos e modernos de controladores, desenvolvimento de controladores inteligentes e comparação entre diferentes métodos de sintonia.
Sabe-se que atualmente um dos principais problemas na implementação industrial de controladores é o desenvolvimento de uma metodologia de sintonia eficaz, frente à dificuldade de se obter parâmetros que se ajustem às necessidades reais da planta envolvida, principalmente relacionado às não linearidades dos sistemas reais. Sendo assim, o protótipo foi projetado para obter dados relevantes do sistema, definir parâmetros de controle e realizar estudos comparativos de sintonia.
O sistema de automação empregado foi baseado na utilização de CLP (Controlador Lógico Programável), que permitiu uma grande diversidade de aplicações. Todo o sistema é monitorado por um software de supervisão SCADA
(Supervisory Control And Data Aquisition), onde as variáveis de processo foram armazenadas em um banco de dados para possíveis consultas, bem como, a realização de cálculos e gráficos em planilhas.
Outra característica importante deste sistema é o controle da planta a utilizando protocolo TCP-IP (via web), isto possibilita o desenvolvimento de aulas práticas em uma planta real, operada remotamente e reforça de forma clara, o ensino denominado (EAD – Ensino a Distância). Esta ferramenta de ensino possibilitará também ao aluno o acesso remoto, para isso o usuário (aluno) necessita simplesmente de um login e uma senha de acesso. Sendo assim, tanto o professor quanto os alunos, podem realizar experimentos estando em sua própria casa, ou em qualquer outro lugar, bastando para isso ter acesso a rede mundial de computadores (internet). Quanto à segurança operacional, foram desenvolvidas rotinas de programação que limitaram algumas variáveis durante a operação da planta em modo manual e em modo automático.
1.2 JUSTIFICATIVA
No ensino de engenharia química, temos diversas áreas nos quais os alunos vislumbram possibilidade de sucesso profissional, dentre elas temos o ensino de engenharia de controle de processos. Nesta disciplina se estuda o controle envolvido em plantas químicas bem como a melhor estratégia de controle a ser aplicada.
Sabe-se que um processo industrial é qualquer operação ou conjunto de operações capazes de atingir objetivos satisfatórios em uma planta química. Assim, todo processo possui várias fases ou etapas, que normalmente são realizadas em unidades de processo.
O controle de processo, visto no curso de engenharia química da universidade estadual de campinas, visa estabelecer meios e ferramentas de controle, capazes de manter a unidade de processo dentro de suas características desejáveis, com o menor custo operacional o que irá proporcionar maior competitividade econômica do produto no mercado, como o aproveitamento melhor da matéria prima e redução do consumo de energia.
Baseado nos comentários anteriores e na necessidade de aplicação destes conceitos no estudo dos sistemas de controle de processos do curso de engenharia química, desenvolveu-se uma planta química didática, onde diversos equipamentos e processos podem ser configurados para análises de comportamentos físicos e químicos. Assim, pode-se estudar e aplicar definições, técnicas de medições e métodos de cálculos das diversas grandezas físicas envolvidas denominadas de variáveis de processo em unidades de processo.
Estudos de novas metodologias e novas ferramentas de controle poderão ser aplicados nesta planta química e contribuirão para uma menor variabilidade do processo químico. Estes estudos serão de grande importância não somente para o meio acadêmico, como também para o meio industrial, já que poderão ser aplicados em processos de grande escala e sem sombra de dúvidas, proporcionar aos alunos uma aproximação com as principais ferramentas de controle de processos.
1.3 OBJETIVO
Com a necessidade cada vez maior de profissionais com conhecimento em tecnologias de controle de processos e automação industrial, percebeu-se que havia uma lacuna enorme entre teorias e aplicações práticas, referentes a estas disciplinas. Com a indústria cada vez mais competitiva e processos cada vez mais complexos, necessitou-se de controles e equipamentos mais avançados tecnologicamente. Com isso, o perfil do profissional para atuar neste segmento, tornou-se mais exigente.
Pensando em aproximar o aluno das principais ferramentas de controle, instrumentação e automação de processos industriais, surgiu-se como objetivo principal, a necessidade de desenvolver um projeto para implementação de uma planta química didática no laboratório de engenharia química da Faculdade de Engenharia Química, para simular processos químicos e aplicar os conceitos envolvidos nas disciplinas de instrumentação, controle de processos e automação industrial.
Com a implantação desta planta didática, os alunos e usuários poderão usufruir de algumas ferramentas aplicadas com grande frequência na indústria. Este contato permitirá uma grande experiência prática em ambiente acadêmico, proporcionando uma confiança ao ingressar no mercado de trabalho. Além de permitir uma gama enorme de testes e simulações, que podem fazer parte da vida prática em ambiente de pesquisa e ou industrial.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Vários trabalhos vêm sendo desenvolvidos em diversas universidades e centros de ensino superior, com o objetivo de melhorar a qualidade do ensino de engenharia, bem como aproximar o aluno cada vez mais da realidade existente. Vários destes trabalhos são aplicados em disciplinas específicas em diversos cursos, voltadas para o ensino de engenharia. Estes trabalhos são baseados em programas computacionais (simuladores) enquanto outros foram montados em protótipos.
Cruz, et. al (2005), desenvolveram um protótipo para ensino de controle de nível em um tanque com acesso remoto via internet. O experimento encontra-se fisicamente implementado no WebLab (laboratório de acesso remoto) do projeto piloto do laboratório didático de Engenharia de Processos Químicos e Bioquímicos da Escola Politécnica da USP – EPUSP. O projeto WebLab de Controle de Nível possui basicamente duas estruturas bem distintas. Uma delas é a planta física, composta por um Controlador Lógico Programável (CLP), um tanque de vidro, medidores de vazão e nível, bombas, compressores, válvulas de controle, dispositivos elétricos de comando, etc. A outra estrutura desenvolvida pelos autores, corresponde às programações e configurações do CLP, do programa de supervisão de processo, da câmera digital (webcam) e do servidor para a Internet, porém os sistemas são interconectados. Neste protótipo foi utilizado o programa VNC Viewer
Free Edition (versão 4.1.1), para acessar a planta via internet. O sistema possui uma
janela onde os alunos podem modificar os valores dos parâmetros do controlador PID, escolher o valor desejado do nível e selecionar entre controle manual e automático. Desta forma, o protótipo desenvolvido possibilitou a investigação de situações que poderiam levar muito tempo, se realizadas em ambiente real.
Lupinacci, et. al (2005), desenvolveram um protótipo didático de um “Pêndulo Rotacional Didático” para aplicar em estudos e pesquisas de engenharia de controle. O equipamento consiste de um pêndulo acoplado à extremidade de um braço que pode girar livremente em torno do eixo de um motor de corrente contínua. Neste protótipo foram desenvolvidas modelagens matemáticas em função das características físicas do sistema, com isso, foi possível aplicar os conceitos de controle no mesmo. Para o desenvolvimento das equações dinâmicas do Pêndulo Rotacional, foi utilizada a ferramenta matemática symbolic – MATLAB, o que facilitou
o processo de análise do sistema. Os autores desenvolveram uma interface de comunicação que permitiu a comunicação entre a eletrônica do sistema e o computador, para que os dados pudessem ser guardados e trabalhados. As informações provenientes da eletrônica, bem como a geração dos dados que devem ser encaminhados para atuação sobre a planta, são acessíveis através de um programa desenvolvido no ambiente da National Instruments, LABVIEW 6.i. Segundo os autores esta ferramenta foi escolhida porque proporciona o desenvolvimento de aplicações de aquisição de forma bastante eficaz, graças à facilidade de uso de seus módulos de acesso ao hardware. Além disso, as funcionalidades do LABVIEW proporcionam diversas possibilidades de modularização do programa, tornando-o organizado e robusto às pequenas manutenções corretivas ou inclusão de novas telas.
Araújo et. al (2005), propuseram um trabalho que envolvessem estudos de teoria de controle e de sistemas em ambiente real, utilizando sistemas embarcados. O sistema trata-se de um secador de grãos, onde o objetivo foi controlar a temperatura do fluxo de ar. Para este trabalho foi desenvolvido um protótipo utilizando uma resistência elétrica de 30 W/220 Vac, um sensor de temperatura designado como LM35, um ventilador, um variador de potência tiristorizado e a estrutura mecânica do protótipo. O sistema utilizou um kit microprocessado para controlar a temperatura do secador de ar, onde o mesmo possui uma interface de comunicação serial RS232, o que permitiu a troca de dados entre o sistema e um computador pessoal. Desta forma, as informações geradas pelo sistema foram armazenadas e trabalhadas no computador pessoal e este sistema pôde ser utilizado com ferramentas computacionais como, MATLAB e LabView. Este trabalho permitiu uma aplicação das ferramentas de controle para auxílio em aulas práticas, e os alunos puderam realizar o modelamento matemático do sistema e em seguida aplicar os conceitos de controle para diversas configurações, como: On/Off, Proporcional Puro (P), Proporcional + Integral (PI) e Proporcional + Integral + Derivativo (PID). Desta forma, este recurso permitiu que os estudantes percebessem a essência das técnicas de controle em estudo, contribuindo de forma significativa para o aprendizado.
Martin e Kassab Jr. (2005), propuseram o uso de um trocador de calor como ferramenta didática de ensino de modelagem de controle no curso de engenharia. O
trocador de calor utilizado é do tipo casco e tubos, que possui vários recursos para o ensino de diversas disciplinas em vários cursos de engenharia. Os sensores envolvidos neste trabalho são do tipo PT100, o vapor gerado é obtido de uma caldeira a querosene, a vazão de fluído frio é determinada por uma bomba acionada por um inversor de frequência e a vazão de vapor é determinada por uma válvula de controle eletropneumática controlada por um sinal elétrico de corrente (4 ~ 20mA). Com este sistema os alunos podem realizar vários tipos de controle dentre eles podemos citar: P, PI, PID, PI.D e I.PD, etc. Outro detalhe interessante neste trabalho, é o fato de poder utilizar tanto a vazão de água fria quanto a vazão de vapor como variável manipulada, com o objetivo de controlar a temperatura do fluido frio na saída do trocador de calor, permitindo ao aluno utilizar-se de várias estratégias de controle, bem como, comparar a eficiência de cada uma delas. Este trabalho possibilita também aplicar os conceitos de controle com e sem bloco preditor de smith, sendo que seus valores podem ser alterados a qualquer momento. Para os autores deste trabalho, o uso de plantas reais mesmo que com tamanhos reduzidos, não seriam possíveis somente com teoria e software de simulação, com isto, as aplicações práticas incentivam os alunos a desenvolverem estudos e novas aplicações em controle, possibilitando adquirir conhecimentos interdisciplinar.
Lupinacci et. al (2005), propuseram e desenvolveram um projeto para desenvolver estudos e aplicações de controle em uma planta didática com características industriais, possui um sistema de tanques duplos acoplados a um trocador de calor, baseada em componentes e equipamentos normalmente encontrados em "chão-de-fábrica". O sistema é provido de dois tanques sendo um para armazenar água fria e outro para armazenar água quente, um trocador de calor casco e tubos, duas bombas, sensores de temperatura tipo PT100, sensores de vazão e controlador lógico programável (CLP). Essa planta foi construída para o laboratório de controle da UFJF com intuito de auxiliar no processo de ensino e aprendizagem, mais especificamente, na área de controle e automação, da engenharia elétrica. A característica diferencial da mesma está na oportunidade que ela oferece aos alunos de lidarem com uma ferramenta de maior porte, e presente em diversos sistemas industriais. Esta opção permitiu aos estudantes aprenderem, de forma prática e dinâmica, a operação de várias malhas de controle, utilizando os
mesmos instrumentos e softwares de configuração desenvolvidos para aplicação em controle industrial.
Melo et. al (2005), demonstraram a aplicação de vários modelos teóricos de controle encontrados na literatura, em um “Sistema real massa-mola-amortecedor e em um levitador magnético”. Segundo os autores, estas aplicações podem ajudar os alunos na fixação de conceitos teóricos de sistemas de controle, como o uso de técnicas de controle como processamento de sinais e uso de controladores digitais. O levitador magnético é composto por duas bobinas, uma inferior e outra superior que geram um campo magnético pela passagem de uma corrente. Essas bobinas interagem através do campo com um ou dois discos magnéticos que se deslocam em uma barra de vidro que serve como guia. Variando-se a magnitude da corrente na bobina inferior, pode-se controlar a posição do magneto inferior fazendo-o levitar através de uma força magnética repulsiva. Similarmente, o magneto superior é posicionado através de uma força magnética de atração, adotando-se um valor adequado de corrente na bobina superior. Com a proximidade dos discos surge também interação magnética (força de repulsão) entre os dois magnetos. Dois sensores ópticos baseados em sensores de laser são utilizados para medir a posição dos magnetos. Com o desenvolvimento deste trabalho, verificou-se que a disciplina de controle apresentou bons resultados verificados pela análise das notas dos alunos e pelos relatórios dos experimentos realizados, onde vários alunos mostraram disposição para realizar as experiências e desenvolver seu próprio sistema de controle. Esta abordagem de ensino assegurou aos alunos um forte conceito da teoria verificado pelas notas e também de vivência prática verificada pelos desenvolvimentos práticos de sistemas de controle.
Diante dos trabalhos anteriormente citados, percebe-se que todos foram desenvolvidos com o objetivo de proporcionar aos alunos e as universidades ferramentas de estudos que pudessem aproximá-los da realidade industrial. Neste sentido, a proposta deste presente trabalho visa atingir o mesmo objetivo frente aos alunos, professores e usuários do sistema a ser desenvolvido.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
A seguir serão apresentados os procedimentos experimentais, bem como a descrição das fases envolvidas no planejamento do projeto, na execução do projeto, montagem e testes.
3.1 FLUXOGRAMA DA PLANTA QUÍMICA DIDÁTICA
O diagrama apresentado na Figura 3.1 deu origem à concepção do projeto, para uso nas aulas práticas das disciplinas de controle de processo, automação e instrumentação da Faculdade de Engenharia Química.
ws . . . . . . Tanque de Mistura Reservatório de Água HV-104 . HV-101 HV-102 HV-103 HV-105 HV-107 HV-109 HV-108 HV-111 HV-110 HV-101 TQ-101 TQ-102 TT 102 FT-101 FT-102 FT-103 Esgoto TT 101 TT 103 TT 104 TT 105 TT 106 LIT 102 LT 101
BA-101 BA-102 BA-103
HV-106 Reator Químico RQ-101 Alim. Água AG 101 AG-101 RA-101 RA-102
Figura 3.1. Diagrama do Processo da Planta Didática.
3.2 PLANTA QUÍMICA DIDÁTICA
A planta desenvolvida para ser utilizado em disciplinas de controle e instrumentação do curso de Engenharia Química da UNICAMP, contribuirá com o desenvolvimento prático dos alunos junto as disciplinas de controle de processos, automação e instrumentação.
Na planta didática podem-se aplicar vários tipos de metodologias e estratégias de controle, como: controle Feedforward, controle cascata, controle de razão, entre outros.
Obs.1: Ao selecionar a estratégia de controle, deve-se observar a posição das válvulas manuais, pois estas são responsáveis pela alteração do processo de acordo com a estratégia definida.
A ideia principal ao determinar a execução do projeto da planta didática foi proporcionar aos alunos envolvidos na atividade prática e aos professores das disciplinas, uma fácil operação do sistema de controle e da planta e rápida identificação dos dispositivos. Pensando nisso, a seguir serão apresentados alguns equipamentos e dispositivos utilizados na planta didática.
A Figura 4.1 mostra a planta didática montado e que se encontra em funcionamento.
3.2.1 Reator Químico RQ-101
Este dispositivo é o elemento principal do processo, já que é o responsável pela simulação da reação química exotérmica. É um reator encamisado feito em aço inoxidável 304 cuja capacidade total é de 7 litros. Este possui uma entrada e saída principal de produto e uma entrada e saída secundária referente a camisa de resfriamento.
Neste reator está instalado um motor agitador com função de homogeneizar o produto em seu interior, possui um transmissor de nível magnético responsável por medir o nível de produto em seu interior e duas (2) resistências elétricas de 3.000 W cada, responsável por simular a temperatura de reação.
3.2.2 Tanque de Mistura TQ-101
O Tanque de mistura é feito em aço inoxidável 304 e possui capacidade de 9 litros, possui 2 (duas) entradas e uma saída de produto, assim, os usuários da planta podem realizar diversos experimentos de controle.
3.2.3 Reservatório de Água TQ-102
O reservatório de água possui capacidade de armazenamento de 100 litros e sua função é armazenar água e distribuir para toda a planta. A reposição de água é realizada por duas (2) boias, mantendo assim, o nível de água dentro do reservatório.
3.2.4 Resistências Elétricas
O sistema possui duas resistências elétricas, definidas como resistências de aquecimento e denominadas de Resistências de Aquecimento (RA-101 e RA-102), cada resistência elétrica possui uma potência elétrica de 3.000 W e funcionam com tensão elétrica de 220 Vac/60 Hz. São elas as responsáveis pelo aquecimento da água simulando uma reação exotérmica.
Estas resistências possuem acionamentos diferenciados, sendo a RA-101 acionada por um módulo controlador de potência eletrônica. A potência controlada
recebe um sinal de 4 ~ 20 mA enviado por uma saída analógica do Controlador Lógico Programável (CLP).
A resistência RA-102 é acionada por um contator, que é uma chave eletromagnética (acionamento direto) e seu acionamento libera a potência máxima (3.000 W). O acionamento da chave eletromagnética é feito por uma saída digital proveniente do Controlador Lógico Programável.
3.2.5 Sensores de Temperatura
Os sensores de temperatura utilizados no sistema são do tipo termoresistência de platina denominada Pt-100. É muito utilizada industrialmente e convencionou-se a chamá-la de Pt-100. A platina possui sua resistência elétrica igual a 100 para uma temperatura de 0 0C. Os sensores de temperatura tipo
Pt-100 aplicados ao sistema, possuem eletrônica incorporada, cuja função é converter a variação de resistência provocada pela variação de temperatura, em sinal de corrente elétrica de 4 ~ 20 mA. A este conjunto denomina-se transmissor de temperatura. O Apêndice 05 fornece uma tabela de valores de resistência à respectiva temperatura aplicada.
3.2.6 Motor Elétrico
Os motores elétricos funcionam baseados no princípio eletromagnético, assim, a velocidade de rotação depende diretamente da frequência do sinal elétrico da rede e do número de pólos por bobina do motor. Têm-se dois valores de frequência adotados no mundo, 50 Hz e 60 Hz, no caso específico do Brasil a frequência do sinal elétrico é definida e equivale a 60 Hz. O número de pólos é definido em função da velocidade rotacional desejada para o devido motor elétrico.
Portanto, no passado a única maneira de se variar à velocidade de um motor elétrico de indução, era variando o seu número de pólos por bobinas ou utilizando o sistema mecânico através de polias e engrenagens (também conhecido como redutores de velocidade). Entretanto, nem sempre era possível atingir velocidades com certo grau de precisão.
Todavia, com o desenvolvimento de novas tecnologias semicondutoras, novos componentes eletroeletrônicos surgiram e com preços mais acessíveis. Assim
novos equipamentos para acionamentos de maquinas AC (Alternative Current) foram desenvolvidos, sendo o inversor de frequência um deles.
3.2.7 Inversores de Frequência
Os inversores de frequência são dispositivos eletroeletrônicos, capazes de converter o sinal elétrico da rede, fornecido pelas concessionárias de energia e padronizado em 60 Hz, em um sinal elétrico de frequência variável. A frequência deste sinal de saída pode variar dentro de faixas de 0 ~ 200 Hz.
A aplicação dos inversores de frequência no acionamento dos motores elétricos de indução, tem crescido bastante nos últimos anos devido a facilidade de controle de velocidade, redução no preço desta tecnologia devido ao baixo custo dos componentes eletrônicos e principalmente na redução no consumo de energia elétrica.
3.2.8 Controlador Lógico Programável – CLP
No passado os controles de plantas industriais eram realizados por painéis elétricos com lógicas realizadas por relé eletromagnético e em casos específicos, algumas placas eletrônicas dedicadas e com tecnologia fechada. O grande inconveniente estava exatamente quando da necessidade de se alterar o processo de produção, neste caso, havia sempre a necessidade de se refazer parte ou todo o sistema elétrico de controle, o que demandaria tempo e investimento.
Com o desenvolvimento dos microprocessadores, houve um salto enorme na aplicação de dispositivos eletrônicos microprocessados em plantas industriais. A grande novidade foi a utilização de linguagens de programação para alterar as funcionalidades dos equipamentos na planta. E neste momento nasceu o CLP (Controlador Lógico Programável). O CLP trouxe uma evolução enorme principalmente na industria automobilística e em seguida em processos químicos contínuos.
3.2.9 Vista Frontal do Sistema Elétrico
Na parte frontal da planta didática mostrado pela Figura 4.2 e localizado na parte superior esquerda, tem-se o Controlador Lógico Programável (CLP), os disjuntores de proteção estão localizados à sua direita, os 03 (três) inversores de frequência estão instalados logo abaixo dos disjuntores de proteção, os bornes de
passagem responsáveis pela conexão entre CLP e dispositivos instalados no processo e sistema elétrico, estão localizados na parte inferior esquerda e por fim, o monitor de 19 polegadas com o sistema de supervisão (supervisório) da planta didática.
Como se pode observar existe uma interatividade entre os alunos e os dispositivos do sistema desenvolvido. Isto possibilita um maior contato com o que realmente é aplicado na vida prática.
3.2.10 Vista Traseira do Sistema Elétrico
Na parte traseira do painel mostrado pela Figura 4.3, tem-se a entrada de alimentação de energia geral, que permite ao aluno rapidez na energização do sistema, sem riscos de conexões elétricas erradas.
Têm-se os fusíveis de proteção ultra-rápidos que fazem parte da proteção dos inversores de frequência. Localizado a direita, tem-se 02 disjuntores e dois contatores para proteção e acionamento das resistências de aquecimento RA-101 e RA-102. Localizado ao lado do plug de entrada de alimentação, tem-se um módulo
Figura 3.4: Painel de controle vista traseira
regulador de potência de 3.000 W, para regular a potência na resistência RA-101 dentro de uma faixa que varia de 0 a 3.000 W.
3.3 SISTEMA DE SUPERVISÃO SCADA (Supervisório)
O sistema de supervisão (SCADA – Supervisory Control And Data Aquisition) tem a função de mostrar no monitor, o processo e as informações referentes as variáveis que fazem parte da planta didática. Além das informações coletadas em tempo real, tem-se gráficos de tendência, cuja função é informar aos alunos e usuários, como está a resposta das variáveis no tempo. Isto permitirá analisarem as informações para tomadas de decisão durante a operação da planta didática. O sistema SCADA tem comunicação direta com o CLP para realizar a aquisição dos dados necessários a serem monitorados e disponibilizados em tela e banco de dados.
Para este projeto foram desenvolvidas 4 telas de navegação, onde os usuários poderão acessar as informações relativas ao trabalho em questão. As telas foram designadas como: Tela Inicial, Tela do Sinótico da Planta, Tela do Reator Químico e Tela de Trend (Gráfico).
3.3.1 Tela Inicial
A Tela Inicial permite ao usuário da planta didática, ter acesso ao sistema de monitoramento através de um botão de Login situado na região central superior da tela. Ao clicar sobre este botão uma janela com “Login e Senha” se abrirá e permitirá o acesso ao sistema apenas após inserir as informações nestes campos. Ao inserir as informações corretas, automaticamente a tela do sinótico do processo abrirá.
Outras informações fazem parte desta tela como um botão com a função sair do sistema de supervisão, além de informações de data e hora. A Figura 4.4, mostra como ficou a tela inicial.
Cada usuário terá a senha e login para acessar o sistema de supervisão, assim, tornou se necessário a criação de níveis de segurança para acesso ao sistema de supervisão da planta didática. Isto permite que os alunos tenham acesso apenas a área de operação do sistema de supervisão. A área referente a alterações de configuração do sistema de supervisão, terá uma senha de acesso que permitirá acesso a toda configuração do sistema SCADA. Este acesso será permitido apenas a pessoas com conhecimento técnico do sistema SCADA.
3.3.2 Tela do Sinótico do Processo
A Tela do sinótico do Processo foi desenvolvida para fornecer ao usuário informações sobre toda a planta. Estas informações vão desde temperaturas, pressões, níveis, como também acionamento de motores e resistências elétricas entre outros.
Todo o sistema de supervisão segue o fluxograma do processo, onde estão presente todos os elementos que fazem parte do sistema real e seus respectivos campos para visualização do valor da referida grandeza e suas unidades de medidas. Assim, o usuário poderá visualizar no monitor todo o processo envolvido na supervisão.
Tem-se nesta mesma tela, um gráfico para visualização das variáveis, que permite ao usuário verificar mudanças e distúrbios ocorridos ao longo do tempo. Portanto, para que cada variável seja mostrada graficamente basta clicar sobre o elemento sensor que a representa e a mesma será visualizada graficamente e numericamente no gráfico. A Figura 4.5 representa a tela do sinótico do processo.
Tem-se localizado abaixo do gráfico, campos para que o usuário defina se há necessidade de legenda e qual legenda ele quer visualizar graficamente em função do que irá medir, sendo elas: temperatura, nível e vazão. Os outros campos referem-se a frequência rotacional das bombas BA-101, BA-102 e BA-103.
3.3.3 Tela do Reator Químico
Após o desenvolvimento da planta química didática, houve a necessidade de se realizar testes e aplicar os conceitos propostos para este protótipo. Assim, desenvolveu-se um controle PID simples para controlar a temperatura no interior do reator, com o propósito de simular uma reação química exotérmica. Como se observa na Figura 4.6, a tela representa somente a unidade de processo referente ao reator químico e as análises realizadas foram baseadas em informações retiradas deste processo.
Devido a alimentação de produtos acontecer na parte superior do reator e o fluído de refrigeração acontecer na parte inferior, a troca térmica acontecerá em contra fluxo. Para o controle e supervisão do processo, foram utilizados sensores de temperatura em vários pontos específicos, considerados como essenciais. Desta forma, podemos destacar os seguintes pontos: entrada produto (alimentação do reator químico), saída de produto, entrada da camisa, saída da camisa, vazão de entrada de produto, vazão da camisa, nível do reator, entre outras variáveis.
Além dos componentes do processo, representa-se nesta tela as malhas de controle envolvidas neste trabalho, que são: controle de nível no reator e controle de temperatura na saída do reator. A representação destas malhas no sinótico contribui de forma positiva na visualização da aplicabilidade do conceito de realimentação em um controle de processo.
Neste trabalho em especial deu-se uma atenção ao controle de temperatura, devido ao grande uso industrial deste tipo de controle em plantas industriais e desperta grande interesse em pesquisas que utiliza controle avançado, com foco em eficiência e desempenho.
Estas informações se referem ao controlador de cada malha de controle, portanto o aluno ao definir os valores de Kc, Ti e Td a partir de cálculos e análise de curva de resposta do processo, dever-se-á aplicá-los nestes referidos campos, onde o controlador deverá atuar em caso de distúrbio obedecendo estes valores. O controle somente acontecerá caso o controlador esteja em modo automático, para isto deve-se selecionar a opção responsável por colocar ou retirar o controle do modo automático/manual. Tem-se ao lado direito desta tela um campo trend para visualização das temperaturas envolvidas no processo, um campo trend para visualização dos níveis e um campo trend para visualização das vazões. Portanto, para indicação destas variáveis nos referidos trend’s, basta clicar sobre a variável desejada. Além disso, tem-se botões com a função de navegação para demais telas do aplicativo.
3.3.4 Tela de Gráfico - TREND
Nesta tela, pode-se visualizar através de gráficos o comportamento das variáveis de processos, bem como alterar parâmetros de controle, como: Set Point, Kc, Ti e Td, a fim de sintonizar o funcionamento da malha de controle. Através de um botão localizado na parte superior esquerda do trend, pode-se selecionar qual a malha de controle será visualizada no gráfico, bastando para isso pressionar o botão Sel. Malha (Seleção da Malha).
Todas as informações acima podem ser visualizadas na Figura 4.7 onde são apresentadas as telas de supervisão do processo, que permitem aos usuários a monitoração de todas as variáveis importantes, através de uma interface amigável.
A programação da lógica de controle foi desenvolvida utilizando a linguagem Ladder ou também conhecida como lógica de relé. Este software permite programar blocos de controle PID, blocos matemáticos, blocos de comparação, blocos de transferência de dados e elementos lógicos.
No apêndice A4 tem-se toda lógica de programação desenvolvida no SPDSW para controlar a planta química, bem como o controle das variáveis envolvidas, nível e temperatura do RQ-101.
Para a comunicação entre o sistema de supervisão SCADA – Supervisory
Control And Data Acquisition e o controlador – CLP, utilizou-se de um driver de
comunicação específico do fabricante do controlador (CLP). Este driver tem a função de converter o padrão de dados do CLP em padrão de dados para o software
Figura 3.8: Tela de Trend e configuração do bloco PID Nível e
SCADA e vice-versa, e permite a comunicação entre equipamentos com padrões de dados diferentes.
3.4 SEGURANÇA DA PLANTA
Durante a concepção e o desenvolvimento da planta didática, a segurança operacional da planta foi tratada como prioridade. Para evitar possíveis erros operacionais dos usuários, foi desenvolvido uma lógica de programação que não permita o acesso dos usuários a parâmetros específicos do sistema. Estes parâmetros foram definidos de acordo com as limitações da planta e dos equipamentos envolvidos. Desta forma, apenas os alunos e professores com conhecimento da planta didática deverão ter acesso a estes ajustes.
3.4.1 Nível máximo e nível mínimo no reator
Para desenvolver qualquer tipo de estratégia de controle é necessário definir os pontos críticos do processo visando garantir a segurança da planta química e dos operadores. Desta forma, foram definidos limites mínimos e máximos para o nível de produto dentro do reator, devendo o controlador desligar automaticamente a bomba de alimentação quando o mesmo atingir esse limite máximo, evitando assim o transbordo por excesso de produto.
O nível máximo poderá ser definido pelo professor ou pelo aluno desde que o aluno tenha a senha de acesso ao campo para alterar esta variável de segurança. Na tela “Sinótico do Processo”, existe um botão “Configurar Limites de Segurança” que abrirá uma tela onde todos os campos referentes a segurança da planta didática.
O limite máximo difere do nível máximo, este foi definido como 95 %, não sendo possível inserir um valor superior ou inferior a este. Esta configuração foi feita no supervisório e só é possível alterá-la com a senha de administrador do sistema. Isto evitará possíveis transbordo de produto (água) e é considerada como uma segurança redundante (segurança da segurança).
Quando o nível ultrapassar o valor ajustado, automaticamente a bomba BA-101 será desligada, esta será religada automaticamente quando o nível alcançar um valor 10 % menor que o nível máximo definido.
Outro ponto de segurança importante deve acontecer quando o nível for mínimo, porém, neste caso as resistências elétricas devem ser desligadas se caso as mesmas estiverem ligadas. Caso as resistências estejam desligadas o sistema não poderá permitir seu acionamento. Isso ocorre pelo simples fato que as resistências elétricas devem estar sempre imersas na água ou produto. O valor mínimo para provocar o desligamento destas resistências está em 60 % do volume total do reator.
Para manter um nível constante e seguro dentro do reator químico, foi utilizada uma malha de controle de nível com PID simples. O sinal de nível do RQ-101 é medido por meio de um transmissor de nível magnético tipo ‘bóia’, instalado no topo do RQ-101, que envia um sinal elétrico de 4 ~ 20mA para o controlador PID-Nível, que o compara com o valor definido no SP. O sinal de resposta do bloco PID atuará na velocidade da bomba BA-101, responsável pela variação da vazão de água de alimentação do reator químico, na qual manterá o nível de 75% conforme SP, suficiente para manter as resistências elétricas imersas no líquido.
3.4.2 Temperatura máxima de reação
Neste trabalho, o controle aplicado visa controlar a temperatura de reação na saída do RQ-101 definidos pelo Set Point, visto que temperaturas elevadas de reação podem influenciar na qualidade do produto final, bem como na segurança do processo. Por questões de segurança, foram desenvolvidas rotinas de proteção para limitar o valor máximo que a temperatura possa atingir na saída do RQ-101. Ao atingir esse limite máximo, as resistências elétricas automaticamente serão desligadas e seu acionamento somente será permitido mediante reset das mesmas, mesmo que a temperatura tenha atingido valores mínimos.
O calor gerado pela reação química ocorrida dentro do reator é simulada por duas resistências elétricas de 3.000 W cada, sendo uma resistência elétrica acionada diretamente por um contator de potência e este associado a uma saída digital do controlador (CLP). A outra resistência de aquecimento é acionada por um variador de potência, que recebe um sinal da saída analógica de corrente em 4 ~ 20 mA provenientes do controlador (CLP).
A temperatura máxima da reação para esta aplicação foi definida em 65 oC,
simulando temperaturas que provoquem um desarme em todo o sistema. Todavia, esta temperatura não deverá ser superior a 70 oC, já que os materiais nos quais
foram feitas as tubulações tem seus limites definidos pelo fabricante em 70 oC.
Todas estas rotinas de segurança foram programadas no Controlador Lógico Programável em linguagem Ladder.
3.4.3 Metodologia de Controle sugerido
Para testar as funcionalidades da planta química didática, foi proposto o método baseado na curva de reação do processo. Para realização dos ensaios de controle na planta química, foram utilizados os métodos de Ziegler-Nichols e Cohen-Coon.
A partir das informações retiradas da curva de resposta da planta didática, foram definidos os valores de PID utilizando as equações de Ziegler-Nichols e Cohen-Coon.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 CONFIGURAÇÃO DA PLANTA DIDÁTICA
A atividade teste definida para testar as funções e performance da planta didática foi baseada no controle de temperatura no interior do reator químico. Desta forma, houve a necessidade de manipular algumas válvulas manuais, a fim de permitir este controle. Como dito anteriormente, as válvulas manuais alteram a configuração física da planta didática, além da sua dinâmica.
Na tela de supervisão do reator químico são visualizadas todas as variáveis controladas e suas respectivas variáveis manipuladas. Nesta tela também é possível o acionamento das bombas BA-101 e BA-102, bastando para isso clicar sobre suas representações na tela. Ao realizar o comando para ligar uma bomba, o sistema de supervisão irá enviar um comando de acionamento ao PLC que por sua vez enviará um comando discreto ao inversor de frequência através de uma saída digital.
Ao usuário também é oferecido o acompanhamento em tempo real das variáveis de processos (temperatura, vazão e nível), através de gráficos localizados na própria tela. O usuário pode escolher qual a variável que deseja monitorar nos gráficos.
Na tela dos controladores PID (Proporcional, Integral e Derivativo) o usuário da planta didática, poderá configurar os parâmetros de sintonia definidos nos métodos aplicados em sala de aula.
4.2 ATIVIDADE TESTE SUGERIDA NA PLANTA DIDÁTICA
4.2.1 Controle de Nível com PID Simples
A atividade proposta para testar a planta didática desenvolvida, foi baseada em controlar a temperatura no interior do reator químico, utilizando-se do método da curva de reação do processo.
O controle de nível nesta atividade, será necessário para garantir um nível constante de produto no interior do reator. Para este controle foi utilizado um PID simples, que tem como elemento de medição (PV) um sensor de nível tipo bóia magnética. O controle PID irá atuar na velocidade da bomba (MV) BA-101 responsável por alimentar o reator.
O valor da variável de processo (PV) é comparado com o valor do Set Point (SP) definido no controlador PID. Este SP é o valor do nível que deve ser controlado dentro do reator e quando ocorrer algum distúrbio no processo, surgirá na saída do CLP um sinal de correção que será em função do erro provocado pela diferença entre PV e SP.
A malha de controle de nível no reator RQ-101 utiliza-se um controlador PID, onde a variável manipulada é a velocidade rotacional da bomba BA-101, responsável por alimentar o reator químico. O nível do reator é medido por um sensor magnético tipo bóia, e seu sinal é enviado para o PLC, responsável por manipular a velocidade da bomba e consequentemente sua vazão.
4.2.2 Controle de Temperatura com PID Simples
Para o controle de temperatura no interior do reator químico da planta didática, foi utilizado um PID simples, onde o elemento sensor responsável por medir a variável de processo (PV) foi o sensor denominado termoresistência (Pt-100). Este elemento sensor é responsável por transformar variação de calor em variação de resistência elétrica.
Entretanto, o bloco de controle PID está configurado no CLP, sendo assim, é necessário enviar a informação do sensor ao controlador. Para isto, faz se necessário um cartão de aquisição de sinal analógico. Devido ao controlador possuir um cartão de aquisição analógico de sinal padrão 4 ~ 20 mA, houve a necessidade do elemento sensor, ter um sinal no mesmo padrão. Desta forma, fez se necessário adquirir os Transmissores de temperatura do tipo Pt-100 com eletrônica incorporada ao cabeçote (Sensor Pt-100 com eletrônica 4 ~ 20 mA). Esta eletrônica, converte o sinal de resistência elétrica em sinal elétrico com padrão utilizado em instrumentação de campo 4 ~ 20 mA.
A malha de controle de temperatura do reator químico RQ-101, irá manipular a velocidade de rotação da bomba BA-102, responsável por realizar o resfriamento do produto no interior do reator químico através da camisa do reator. A esta variável denomina-se de variável manipulada (MV).
4.2.3 Curva de resposta da planta didática
Para se definir os parâmetros do controlador PID de temperatura, foi necessário levantar a curva de resposta do processo frente a um distúrbio. Para isto deve-se levar a temperatura da reação para regime permanente, em seguida provocar um distúrbio em degrau na variável manipulada e observar a resposta do processo aplicando o método da curva de reação do processo. Portanto, um novo regime permanente será estabelecido. Todo método aplicado deve ser realizado com o processo em malha aberta.
Para iniciar o experimento, foi necessário realizar um controle de nível, a fim de manter a resistência completamente imersa no líquido utilizado no experimento.
A carga térmica inicial para iniciar os testes foi definida em 6.000 W, potência dissipada nas resistências elétricas inseridas no interior do reator químico. A bomba BA-102 é responsável por manter a temperatura da reação, constante no interior do reator químico, devido a passagem de líquido refrigerante pela camisa do mesmo. Esta bomba tem seu acionamento feito por um inversor de frequência e será responsável por manter a temperatura constante de reação.
A frequência inicialmente definida foi de 45 Hz (1.325 rpm), onde a temperatura se estabilizou em 40 oC e em seguida foi provocado um distúrbio na
variável manipulada, passando a frequência para o valor de 10 Hz (300 rpm), reduzindo a vazão do liquido refrigerante para valores extremamente baixo.
Com a vazão baixa do liquido refrigerante houve um aumento significativo na temperatura interna do reator químico, onde sua estabilização aconteceu em 45 oC.
A curva de reação do sistema para o controle de temperatura no interior do reator químico é mostrada na figura 4.1.
Obtendo-se a curva de reação do sistema conforme Figura 4.1, aplica-se um filtro digital para obter a curva como se pode observar na Figura 4.2. Ao aplicar o método traça-se uma reta tangente ao ponto de inflexão da curva, obtendo-se graficamente os valores de ganho (kp), constante de tempo (p) e tempo morto (td).
Estes valores serão utilizados na obtenção da função de transferência que aproxima a curva de reação obtida a um sistema de primeira ordem com tempo morto. Assim, pode-se utilizar as fórmulas propostas por Ziegler-Nichols e Cohen-Coon para calcular os parâmetros Ganho do controlador (Kc), Tempo integral (Ti) e Tempo derivativo (Td) dos controladores PID.
Figura 4.1: Curva de resposta do processo após um distúrbio em degrau em
Malha aberta. 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 40 41 42 43 44 45 46 47 Tempo (s) T e m p e ra tu ra ( C ) Temperatura do Reator
Figura 4.2: Curva de resposta com método da reta tangente passando pelo ponto de inflexão. -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 0 50 100 150 200 250 300 Tempo (s) p Temp.
Com a curva mostrada na Figura 4.2, podem-se definir os valores do ganho proporcional da planta (kp), tempo morto (td) e constante de tempo (p).
O ganho da planta foi obtido através da Equação 4.2:
) ( ) ( Freq MV Temp PV Kp (Eq. 4.1)
O valor da variação da temperatura (Temp) é obtida diretamente da Figura 4.2 e da variação da variável manipulada (Freq) é a amplitude do distúrbio provocado no processo. Sendo MV = 35 Hz temos:
Kp = 0,11 p = 78 s = 22 s
Com base nestes resultados, tem-se a seguinte função de transferência da planta (Equação 4.2): 1 78 . 11 , 0 22 S e Gp (Eq. 4.2)
Controlador kc Ti Td P -- -- PI -- PID Controlador Kc I D P -- -- PI -- PID
Usando-se da Tabela 4.1 e 4.2 obteve-se os seguintes valores:
Kc Ti Td
Ziegler-Nichols 38,5 44 s 11 s
Cohen-Coon 45,05 48 s 7,71 s
Tabela 4.1: Tabela de equações do PID baseado no método de Ziegler-Nichols.
Tabela 4.2: Tabela de equações do PID baseado no método de Cohen-Coon.
Tabela 4.3: Tabela com valores calculados das variáveis Kc, Ti e Td para sintonia
Através do sistema de supervisão, todos os dados calculados (Kc,
i e Td), foram inseridos no controlador PID de temperatura, onde se observou o comportamento do sistema frente a perturbações.Observa-se que os valores encontrados para ganhos e tempos nos dois métodos utilizados se aproximam bastante entre si.
4.3 SINTONIA DOS CONTROLADORES
4.3.1 Partida da Planta em Modo Automático
Foram realizados ensaios na planta para se verificar o comportamento do controlador em situações críticas, tais como, a partida da planta. Esta situação é considerada de grande importância dentro do ambiente industrial, pois várias situações de risco estão presentes neste tipo de situação, como, por exemplo: a segurança das pessoas envolvidas, segurança dos equipamentos e cuidados com o meio ambiente. A Figura 4.3 mostra a resposta do controlador de nível quando a planta entra em operação em modo automático.
Observa-se que a planta apresenta grande instabilidade nos primeiros 150 segundos de operação, devido inicialmente a planta possuir um elevado valo de erro
Figura 4.3: Resposta do nível do reator com controlador em modo
Automático. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 0 20 40 60 80 100 120 Tempo (s) N íve l R e a to r (% ) Nível do Reator
em relação ao SP. O controlador provoca grandes variações de resposta através da MV ao elemento final de controle (BA-101), podendo danificá-lo.
4.3.2 Partida da Planta em Modo Manual
Com a partida da planta realizada manualmente observou-se que o nível do reator químico atingiu o regime permanente em aproximadamente 130 segundos após a partida e poucas oscilações. Neste tipo de partida, o operador manipula a velocidade de rotação da bomba de alimentação do reator até que o nível atinja um valor próximo ao valor de SP, em seguida, deve-se passar o controlador para regime automático. Este procedimento permite reduzir o valor do erro a valores pequenos, não permitindo oscilações bruscas no elemento final de controle. Na Figura 4.4 é apresentado o comportamento do nível em partida manual.
Figura 4.4: Resposta do nível do reator com controlador em modo
Manual. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Tempo (s) N íve l R e a to r (% ) Nível do Reator
4.3.3 Partida Automática versus Partida manual
O primeiro ensaio realizado na planta foi para verificar as diferenças entre a partida em modo automático e em modo manual, onde é sabido que em grande parte dos processos químicos a partida da planta é um momento de muita atenção, principalmente relacionado a segurança operacional, patrimonial e meio ambiente. Desta forma, toda atenção envolvida neste momento é fundamental para que acidentes não aconteçam. Na Figura 4.14 tem-se o gráfico demonstrando a diferença entre partir uma planta em regime automático e manual.
Para uma partida automática mais segura seria recomendado diminuir o valor do parâmetro kc do controlador PID, assim a variação da variável manipulada seria menor, aumentando o tempo de resposta (tempo necessário para que o nível alcance o valor final pela primeira vez) e diminuindo a sobre-elevação observada. Entretanto, um ganho baixo poderia em regime permanente provocar instabilidade na planta frente a um distúrbio.
Existem controladores que possuem ferramentas que permitem realizar uma partida em modo automático sem grandes oscilações no processo, porém são pouco utilizadas. O modo mais seguro e utilizado é partir em manual e em seguida passar o controlador para automático.
Figura 4.5: Resposta do nível do reator para partida Automático versus
Partida manual 0 100 200 300 400 500 600 0 20 40 60 80 100 120 Tempo (s) N ive l R e a to r (% )
Nível do Reator - Partida Automático Nível do Reator - Partida Manual
4.4 ENSAIOS DE DESEMPENHO DO PID TEMPERATURA
4.4.1 Comportamento do controlador PID temperatura a um
distúrbio em malha fechada.
Após definido e configurado os parâmetros do controlador PID para a temperatura do fluido de saída do reator RQ-101, o protótipo foi colocado em operação definindo-se um set-point de operação de 40oC. Para avaliar o
comportamento do controlador PID foi provocado um distúrbio na variável de processo (temperatura de reação) através de uma redução na potência das resistências elétricas no interior do reator, o que provocou uma redução na carga térmica.
Na figura 4.6, pode-se observar que a temperatura se estabilizou em aproximadamente 300 segundos após o distúrbio, variando em torno de +/- 0,5 oC
do set-point definido em 40 oC. Assim, conclui-se que os parâmetros de sintonia
obtidos, foram suficientes para um desempenho satisfatório da planta, levando-se em consideração o caráter preliminar do trabalho. Obviamente novos estudos serão desenvolvidos com o objetivo de melhorar a performance de controle na planta.
Na figura 4.7 é apresentado o comportamento da variável manipulada (frequência de rotação da bomba), durante o distúrbio da variável controlada. Esta observação é pertinente, pois no projeto de controladores tem-se uma preocupação unilateral relativa a variável controlada. Entretanto, levando-se em consideração o
Figura 4.6: Comportamento da temperatura do reator após um distúrbio.
0 100 200 300 400 500 600 38 38.5 39 39.5 40 40.5 41 41.5 Tempo (s) T e m p e ra tu ra ( C ) Variável de Processo
consumo energético da planta, uma análise no comportamento da variável manipulada é de fundamental importância.
Todavia, no caso em estudo, observa-se um comportamento atenuado na variável manipulada. Este tipo de comportamento é satisfatório devido a rápida estabilização da variável, proporcionando um menor consumo de energia aumentando o tempo de vida dos elementos finais de controle reduzindo consideravelmente o número de paradas por manutenção.
Figura 4.7: Comportamento da Variável Manipulada do PID temperatura após
um distúrbio. 0 100 200 300 400 500 600 0 10 20 30 40 50 60 Tempo (s) F re q . R o ta çã o B A -1 0 1 ( H z) Variável Manipulada
