Home

Lúcio Fábio Dias Passos - Biblioteca Digital de Teses e

1. Teste Baixa frequ ncia baixa para per odos gt 100 Alta frequ ncia alta para per odos 100 Agarramento Fun o de Sentividade M todo 1 M todo 2 M todo 3 E Per odo baixa frequ ncia alta frequ ncia M todo M todo onde Faixa de per odos Per odo da Tempo 4 5 ocorre o amplificados Atenua o Acomoda o Malha SP Pv MV ERRO SP Pv MV ERRO baixa alta baixa alta m ximo s inicio fim seg 20dB s seg FIQ101 Detec o 0 0 0 0 16 0 0 0 0 0 0 0 17 0 70 4 3 5 131 6 1149 4 95 4 Per odo FIQ103 Detec o 0 1667 0 16 0 16 0 0 33 0 0 0 0 0 10 9 0 6 21 7 1402 2 115 9 Per odo FIQ311 Detec o 0 16 0 1667 0 16 0 16 0 0 16 0 0 0 0 0 0 8 9 1 8 19 1 651 4 55 5 Per odo PIC341 Detec o 0 33 0 16 0 33 0 0 0 0 0 0 0 3 3 0 1 5 7 295 5 41 2 Per odo moia Detec o 083 1 1 1 os o 05 1 o0 0880 10 047 o ss 01 507 6761 29 4 Per odo 833 835 839 824 20 5 20 7 20 7 18 1 pic313 Detec o O 016 05 1 o o 066 o 050 100 o6 o o 43 0 1 8 8 1576 9 117 2 Per odo 802 20 7 20 23 5 PIC322 Detec o 0 0 0 1667 0 0 16 0 0 20 0 0 33 0 Per odo Lica02 Detec o 0 16 0 16 6998 2140 9867 2350 2 NaN Per odo 824 833 824 20 5 757 20 1 PIC342 Detec o 0 0 0 0 33 0 66 0 33 0 0 0 0 6 6 0 3 12 7 7271 4 542 2 Per odo PIC323 Detec o 0 0 0 0 16 0 33 0 16 0 0 0 0 Per odo TIc327 Detec
2. 72 Figura 4 9 Exemplo de efeito de fase n o m nima causado por inchamento LIC302 73 Figura 4 10 Mudan a no comportamento do controle de n vel ap s ligamento do regenerador 74 Figura 4 11 Esquema de controle para alimenta o de gua ssssssssseseeeeeeeeneennnennn 75 Figura 4 12 Esquema do controle de alimenta o de GAF ssssessssseeeeeeee nnne enne 75 Figura 4 13 Esquema de controle da alimenta o de alcatr o ssssssseseeeeenne 76 Figura 4 14 Esquema do controle de adi o de GN esssssssssseseeee eene nnnnnnn nnne 77 Figura 4 15 Esquema do controle de vaz o de combust veis e vaz o de ar por limites cruzados 78 Figura 4 16 Estrat gia para controle de combust o com combust vel preferencial 80 Figura 4 17 Perfil t pico das curvas de perdas em fun o do excesso de ar 82 Figura 4 18 Estrat gia de controle de combust o com otimiza o de excesso de ar 83 Figura 4 19 Algoritmo Matlab para c lculo dos ndices de desempenho esses 84 Figura 4 20 Modelo para perturba es nas malhas de controle da caldeira 86 Figura 4 21 An lise de componentes principais durante varia es de carga sseeeeeeeee 87 Figura 4 22 An lise de com
3. 103 Figura 4 35 Ferramenta utilizada para supervis o dos testes 104 Figura 4 36 Interface gr fica para manipula o do algoritmo de identificac o 105 Figura 4 37 PIC313 Sequ ncia de teste em malha aberta seeessseeeeeennenrenennnnnns 107 Figura 4 38 PIC313 Resposta ao degrau no SP e par metros de sintonia 107 Figura 4 39 FIQ313 Sequ ncia de teste em malha aberta sirereeeeeeeeeeererereraeana 108 Figura 4 40 FIQ313 Resposta ao degrau no SP e par metros de sintonia ueseeeeeeeeeeee 108 Figura 4 41 LIC302 Sequ ncia de teste em malha aberta esessseeeeeeneneneeennnnnnns 109 Figura 4 42 LIC302 Resposta ao degrau no SP e par metros de sintonia sesseseeeeeses 110 Figura 4 43 TIC327 Sequ ncia de teste em malha aberta sseessesseeeeeeenenen rennes 111 Figura 4 44 TIC327 Teste em malha aberta do tipo duplo pulso para valida o 111 Figura 4 45 TIC327 Resposta ao degrau no SP e par metros de sintonia 112 Figura 4 46 PIC341 Sequ ncia de teste em malha aberta sseeeessseeeeeeeeennn enne 113 Figura 4 47 FIQ311 Sequ ncia de teste em malha aberta eeesesseeeeeeeeeenenen nennen 113 Figura 4 48 PIC341 Resposta ao degrau no SP e par metros
4. eh ce e e 1 1 i 1 T 1 D i 1 1 1 1 1 i 1 1 1 1 1 1 1 eie TER 0 005 01 015 02 025 03 035 04 045 05 Frequ ncia hertz Figura 3 11 Espectro de pot ncia de uma malha com problema de n o linearidade em v lvula J Choudhury et al 2005 prop em analisar o gr fico de tend ncia da malha ap s realizar um aumento no ganho do controlador Se esta altera o implica num aumento da frequ ncia da oscila o ent o confirmado que a oscila o causada por agarramento do atuador J para a quantifica o do agarramento assim como outros tipos de n o linearidades proposta an lise de gr ficos MV versus CO a medi o da posi o real da v lvula plotada contra os dados da sa da de controle Este gr fico forma uma figura parecida com um paralelogramo cujas dimens es est o relacionadas com o percentual de agarramento e histerese da v lvula No caso de uma planta que possui um grande n mero de malhas ferramentas n o invasivas e capazes de diagnosticar automaticamente oscila o por agarramento s o necess rias Entende se que estas ferramentas podem ser utilizadas como meio para uma triagem de malhas suspeitas ou podem ser embutidas no validador de malhas de controle para diagn stico autom tico de oscila o Horch 1999 prop e um m todo capaz de detectar agarramento em v lvulas de controle por meio da an lise da fun o de correla o cruzada FCC entre a sa
5. i 500 800 1000 1200 1400 1500 1800 2000 2200 Per odo s Figura 4 29 Reconstitui o do sinal de TIC37 no dom nio do tempo a partir dos tr s principais n cleos no espectro de freq ncia Em rela o origem da oscila o tem se que o n cleo em torno de 800 segundos corresponde a mais de 9096 do espectro de LIC302 e FIQ313 soma das intensidades dos n cleos na Figura 4 27 enquanto que corresponde a cerca de 50 do espectro de TIC327 Isso significa que se esta oscila o causada por uma dessas malhas mais prov vel que tenha origem em uma das duas primeiras E levando se em conta que FIQ313 uma malha de vaz o de gua processo que tipicamente Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 99 possui frequ ncia de resson ncia inferior a 100 segundos ent o LIC302 a principal suspeita Para confirmar este diagn stico a malha suspeita deve ser submetida a um teste Conforme discutido uma forma de saber se uma oscila o originada em uma malha chavear seu controlador para modo manual A Figura 4 30 mostra o resultado deste teste em LIC302 A malha n o apresenta a oscila o quando opera em modo manual confirmando que ela a causadora da oscila o N vel do tubul o superior Sa da do Controlador CO 44 i i i 05 1 15 2 tempo horas Figura 4 30 Oscila o de 800 segundos em LIC302 desaparece ap s chavear
6. 3 4 OTIMIZA O E A ES CORRETIVAS FASE III Neste trabalho o termo otimiza o utilizado com um enfoque de redu o da variabilidade de malhas de controle Conforme mencionado a variabilidade de uma malha o resultado da combina o de diversos dist rbios internos e externos e por isso O primeiro passo da otimiza o identificar e eliminar a causa desses dist rbios Os dist rbios internos s o eliminados pela corre o da falha onde eles se originam J as perturba es externas dificilmente podem ser eliminadas mas a es podem ser tomadas para minimizar seu impacto no processo Dist rbios externos e g podem ser atenuados por filtros naturais tais como tanques reservat rios ou bal es de g s Mudan as de refer ncia de controle podem ser suavizadas por meio de rampas ou filtros Outras interven es operacionais tal como o acionamento de um conjunto de equipamentos podem ter seu impacto minimizado se executadas sequencialmente ao inv s de serem executadas de uma nica vez Ainda assim as malhas de controle sempre estar o sujeitas s perturba es e o principal papel de um sistema de controle regulat rio reduzir por meio de a es corretivas o impacto delas para vari veis de menor interesse no caso as vari veis manipuladas A efic cia com que esta tarefa realizada depende da estrat gia de controle utilizada das condi es dos instrumentos e da correta implementa o dos controladores
7. sinal da derivada em cada ponto 17 while sum abs diff sinal gt 4 cada mudan a de sinal tem valor 2 18 setorf filter ones 1 2 2 1 setorf filtro m dia m vel 19 sinal sign diff setorf 20 end 21 if sum abs diff sinal 0 continue end localiza o do v rtice 22 pp find diff sinal 0 23 if length pp 2 vertice pp end pp 1 24 lse vertice pp l end c lculo do ndice ver se o 3 3 3 Se Al A2 gt 1 a malha tem agarramento 26 Al sum setor 1 vertice 1 27 A2 sum setor vertice end 28 if Al A2 gt 1 2 R jj 921 ok lt AGROW gt 29 lse R jj 20 end fok lt AGROW gt 30 end oe se pelo menos metade dos setores forem positivos ent o os dados dessa janela s o considerados como com agarramento 31 if mean R gt 0 5 R Per i 1 40k AGROW 32 else R Per O 33 end Figura 4 26 Algoritmos Matlab para detec o autom tica de agarramento em v lvula de controle A Tabela 4 6 exibe os resultados da aplica o destes m todos nos dados da caldeira Utilizou se 14 horas de dados coletados durante opera o normal da caldeira com intervalo de amostragem de 1 segundo Os algoritmos foram executados repetidamente com janelas de 2 em 2 horas Para o resultado final considerou se a m dia do ndice de oscila o calculado para cada janela Os m todos de detec o de oscila o geralmente s o aplicados ao sinal de ERRO das malhas Por m
8. sussss 90 4 4 3 Detec o de acoplamentos oscilat rios ssesesseeeeeeneeee 96 4 5 Otimiza o e A es Corretivas nnn enne nennen nennen nnne s 100 45 Resultados deste eee i odue eria i du p oda ette tutis Cen 119 Medio Comentat oS FNS regadas A ee o catal e ded ub nv ete 124 Cap tulo 5 Projeto de um Modelo Para Valida o Ampla da Caldeira 125 5 1 Mapeamento das Causas Especiais de Variabilidade 125 5 2 Projeto dos Validadores sessi nh nnns 128 5 3 Exemplos 5 sb aae e e ede ee deus 129 5 3 1 Condi o Anormal na Press o de Bombeamento sssssss 129 5 3 2 Condi o Anormal na Vaz o de Vapor sees 130 b Coment rios Finais cuoio aet er gon Se boo qa i De di S STIR S ANO Dread 132 Cap tulo 6 Conclus o e Direcionamento para Trabalhos Futuros 133 Referencias Biliogr ficas 5 ou crore e Dre ne aids addi cea Cul sedis ovd Dua y idade ie eo du y Rae 136 Anexo A Modelo de Descritivo de Malhas ccce eren 140 Anexo B Planejamento de Experimentos ee eeeeee ee eene e ee eene enne nnn 141 Anexo C M todos Estat sticos suas asd riri ines vacet o dm nte cocina ns R VERUM P e Dese ERda 147 Anexo D M todos de Sintonia Baseados em Modlelo e eene 149 Introdu
9. A efici ncia de uma caldeira de forma simplificada determinada pelo percentual de calor liberado pelos combust veis que transferido para a gua enquanto o vapor gerado No ponto de vista da efici ncia da queima um c lculo mais acurado deve tamb m levar em conta os cr ditos de calor nos flu dos que entram na caldeira gua combust veis e ar de combust o antes desses passarem pelos economizadores ou pr aquecedores A Figura 4 2 mostra a caldeira da UTE do ponto de vista de fluxos de energia segundo modelo de c lculo de efici ncia desenvolvido por Braga et al 2006 esquerda s o mostrados os fluxos de entrada de combust vel 91 92 e 93 abaixo os fluxos de entrada de gua e ar 51 e 52 direita os fluxos de sa da de vapor 11 e 12 e por fim os fluxos de perdas de calor pelo canal de fumos 13 pelos drenos do tubul o 14 e as demais perdas de calor para o ambiente externo 10 Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 63 VAPOR AUXILIAR ARA EJETORES PURGA CONTINUA E DRENO VAPOR PRINCIPAL CR DITOS DE CALOR AGUA PRESSURIZADA Figura 4 2 Fluxos de energia numa caldeira FONTE Braga et al 2006 O c lculo utilizado neste trabalho foi uma adapta o da equa o utilizada no SECE ferramenta desenvolvida pelo LVAS UFMG em parceria com a CEMIG para c lculo da efici ncia energ tica da caldeira em tempo real Caldas 2005 Ara jo 2004 Ele leva
10. Demandade E Press o no Ssa d ecd Filtro V Desligado da guade Ji A 1 gas metro de Comb iltro s L2 x g I Gera o PS Adi o de GN NM Suo 7 TT s alimenta o o d S ya Figura 5 6 Simula o da rvore de falha Condi o anormal detectada em FIQ313 e PIC313 causada por interven o manual na sa da de TIC327 5 3 2 CONDI O ANORMAL NA VAZ O DE VAPOR CAUSADA POR DESLIGAMENTO DE EQUIPAMENTO Neste exemplo mostrado como o impacto de uma interven o externa desligamento de um equipamento propaga se at afetar uma vari vel de qualidade Os gr ficos na Figura 5 7 mostram as tend ncias da vaz o de vapor diretamente relacionada com a qualidade de gera o e das malhas de controle LIC302 e PIC322 durante per odo em que o regenerador esteve desligado primeiras 4 horas Projeto de um Modelo para Validac o Ampla da Caldeira 131 Een Vaz o de vapor FY301 maca Nm3 h tempos horas Figura 5 7 Gr ficos de tend ncia temporal da vaz o de vapor FY301 e das malhas LIC302 e PIC322 As tend ncias revelam um comportamento notavelmente anormal confirmado pelos validadores cujas cartas s o mostradas na Figura 5 8 A causa pode ser rastreada pela rvore de falha simulada na Figura 5 9 No mesmo instante em que uma indica o de falha exibida pelos validadores tamb m existe a indica o de regenerador
11. PV m3 h asl i 0 500 1000 1500 Teste de Agarramento e M EREEREER AAEE EEEE TE ERER AAE E AAE EPAPER E A Teste para Modelagem 0 500 1000 1500 tempo segundos Figura 4 39 FIQ313 Seq ncia de teste em malha aberta Os par metros do modelo de primeira ordem s o mostrados numa tabela na Figura 4 40 juntamente com os par metros de sintonia originais e os novos par metros calculados utilizando o m todo de s ntese direta para fun o de transfer ncia de 12 ordem A figura tamb m mostra uma simula o da resposta mudan a de SP antes e ap s a modifica o nos par metros O tempo de acomoda o praticamente o mesmo em torno de 60 segundos Entretanto a nova sintonia apresenta maior robustez com uma resposta mais sobreamortecida 12 o Resposta id Modelo 1 Par metros PID Par metros ordem Original PID Novos m Iz K 1 76 PB 270 PB 217 E 08 mr cinonia orginal r 9 1s Ti 7s Ti 9 1s 2 Nova Sintonia D5 J 0 2s Td 1s Td 0s a 0i 8 04 Ta is Ta is B Tf 1 44s Tf 1 44s X 02 d K ganho do processo t constante de tempo 0 i 8 tempo morto PB banda proporcional o 10 20 30 20 ED E0 70 ao Ti tempo integral Td tempo derivativo tempo s Ta tempo de amostragem Tf const de tempo do filtro Figura 4 40 FIQ313 Resposta ao degrau no SP e par metros de s
12. D Oscila o devido a malhas interativas A intera o entre malhas pode ser do tipo parcial ou completa No primeiro caso uma malha perturba uma segunda mas essa segunda n o pode perturbar a primeira Num sistema interativo completo a atua o de um controlador gera oscila o em outro e vice versa embora as malhas individualmente sejam est veis quando operando uma de cada vez Shinskey 1998 Em outras palavras as malhas possuem bom desempenho isoladamente mas ao operar juntas come am a interagir uma com a outra podendo provocar oscila o em ambas A raz o para esse fen meno que os dois controladores atuam num mesmo ponto do processo e com frequ ncias de resson ncia coincidentes Por exemplo uma malha de controle de press o e vaz o numa mesma linha com tempos de acomoda o similares Se a intera o n o muito severa a estabilidade pode ser restaurada simplesmente desintonizando um dos controladores de maneira a afastar suas frequ ncias de resson ncia Uma regra pr tica selecionar qual das malhas deve ser mais r pida de acordo com a estrat gia de controle adotada sintoniz la para uma frequ ncia de corte m xima Em seguida dessintonizar a malha mais lenta de maneira que sua frequ ncia de corte seja de 3 a 5 vezes menor que da malha mais r pida Em outros casos no entanto pode ser imposs vel operar com todos os controladores em autom tico ao mesmo tempo Isso indica que a estrutura de
13. o realizada por dois sensores LT302A e LT302B FIQ313 Vaz o de gua Alimenta o Cascata 108000 Placa de Orif cio V lvula PIC313 Press o gua Alimenta o SP Remoto 75 Diafragma Capacitivo Bomba com velocidade controlada por inversor PIC322 Press o no Superaquecedo r Local 80 Diafragma Capacitivo c garrafa de prote o Malha mestre do sistema de combust o Sensor instalado cerca de 10m das tomadas PIC323 Press o C mara de Queima Diafragma Capacitivo Exaustor com velocidade controlada por inversor TIC327 Temperatura no Super Aquecedor Em rela o aos Termopar V lvula sensores destaca se a posi o onde est o instalados A medi o de vaz o de GAF est instalada a 20 metros a montante da v lvula e no caso Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 61 dos medidores de press o existe uma longa dist ncia superior a 10 metros entre o sensor e as tomadas de press o al m de reservat rios protetores instalados neste caminho Estes fatores inserem atrasos din micos na medi o atraso de transfer ncia de fluido o que tamb m ruim para o controle Outras vari veis de processo foram selecionadas para serem monitoradas e avaliadas durante a auditoria Algumas s o usadas para compor o c lculo de efici ncia e qualidade de gera o outras para medi o de dis
14. o 1 CAP TULO 1 INTRODU O Plantas industriais s o not rias por exig ncias rigorosas de desempenho de suas unidades de processamento Para uma empresa sobreviver ela precisa ser de classe mundial world class Isso significa entre outras coisas produzir com alta qualidade e em quantidade suficiente para atender ao mercado mundial Tudo com uso racional de energia com baixo ndice de reprocessamento com seguran a e respeitando restri es impostas pela legisla o ambiental Estes fatores normalmente imp em restri es produ o e qualidade de produtos os quais determinam especifica es para plantas industriais que s podem ser obtidas a contento com a aplica o eficaz de t cnicas avan adas de controle de processo e automa o industrial Clarke 1999 Braga et al 2006 Neste contexto o desafio permanente apresentado aos engenheiros e gerentes consiste na determina o de ndices que indiquem se a produ o est sendo assegurada como esperado Um importante indicador a variabilidade de vari veis ao longo da cadeia produtiva que representam ou impactam as caracter sticas chave do produto final e os custos de produ o Quanto menor a variabilidade ou seja a dispers o de suas medidas em rela o ao valor m dio melhor o desempenho da unidade Isso justifica a grande aplica o de controle autom tico de processos CAP Seu principal papel atuar automaticamente no processo garantindo a
15. s na equa o 2 temos GG E utl 0 K vc4 0 s K T 0 p Obt m se portanto um controlador com a estrutura de um PI com K Tp K Te 0 e Ti Tp 1 2 Modelos de segunda ordem com tempo morto Quando o modelo matem tico do processo de segunda ordem com tempo morto onde K o ganho do processo 7 4 e 15 s o as constantes de tempo ed o tempo morto a equa o 2 torna se tp1S 1 tp2s 1 Tp tTp2 1 Tp Tp2 Gols o K tT 0 s o K tc 0 1 tp1 Tp2 S T TpitTpz 4 Obt m se portanto um controlador com a estrutura de um PID com K Toi Tp2 K Te 0 T tp1 152 e Ta Ee Tp1tTp2 D 2 M todo lambda para processos integradores O m todo lambda tem esse nome pois utiliza um par metro de projeto para sintetizar um controlador PI que resulta em certas caracter sticas na resposta do processo em malha fechada Ele requer um modelo integrador para o processo com fun o de transfer ncia mostrada na equa o 5 K e 95 S G s 5 O valor de lambda definido de acordo com um dos seguintes crit rios de desempenho e T tempo de rea o Tempo requerido ap s uma perturba o em degrau na vari vel controlada para que o controlador a contenha de se afastar do setpoint e inicie o retorno Tj4 Em mudan as de setpoint podemos interpretar T ou lambda como sendo equivalente ao tempo de subida e T tempo de restabelecimento Tempo requerido ap s uma p
16. Em linha pontilhada proposta de controle com compensa o direta Em rela o sintonia o controlador PIC341 deve proporcionar um tempo de acomoda o de 3 a 5 vezes menor que FIQ311 a fim de evitar sobrecarga no ventilador e intera o entre os controladores 4 2 4 CONTROLE DE TEMPERATURA DO VAPOR SUPERAQUECIDO A temperatura do vapor superaquecido n o deve exceder a temperatura m xima aceit vel para opera o da turbina pois temperaturas elevadas comprometem a vida til das p s Uma temperatura muito baixa por outro lado compromete a efici ncia do sistema A estrat gia original mostrada em linhas cont nuas na Figura 4 7 utiliza apenas um elo de realimenta o O controlador TIC327 mede a temperatura do vapor logo ap s o superaquecedor TI327 e adiciona a gua necess ria para resfri lo at um valor seguro por meio da v lvula TCV327 Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 71 Como o controle de temperatura atua diretamente na v lvula se a press o na linha de onde a gua extra da por qualquer motivo variar a vaz o de gua de resfriamento ser fun o da press o atual da linha e n o somente da abertura da v lvula E no caso da caldeira da UTE a press o da linha vari vel sendo fun o da press o no tubul o ver esquema de controle de PIC313 Se esta perturba o significativa recomenda se a adi o de uma malha escrava para o controle de vaz o de
17. Fonte Pinheiro e Valle 1999 importante salientar que para cada combina o de combust vel e carga as curvas s o diferentes e tem se um valor diferente de excesso de ar necess rio para uma queima com efici ncia m xima Por isso para manter a caldeira operando pr ximo deste ponto necess rio o uso de um analisador continuamente medindo a composi o do g s no canal de fumos e ajustando o excesso de ar para que essa composi o corresponda a aquela esperada para uma queima eficiente Essa estrat gia mostrada na Figura 4 18 Prop e se o uso do controlador AIC301 para ajustar automaticamente os fatores de excesso de ar dos combust veis E1 E2 e E3 de acordo com as informa es providas pelo analisador AT301 A sintonia do controlador AIC301 deve resultar num tempo de acomoda o pelo menos 5 vezes superior ao apresentado pela malha mais lenta do sistema de combust o no caso PIC322 Caso contr rio existe o risco de intera o entre essas malhas o que desestabilizaria todo o sistema de controle Devido sua limita o de velocidade o papel de AIC301 de apenas adaptar automaticamente os fatores de excesso de ar para corrigir incertezas no c lculo dos fatores estequiom tricos K1 K2 e K3 ou mudan as na configura o da caldeira desligamento dos regeneradores grandes varia es na carga etc Esta malha n o possui velocidade por exemplo para tratar as flutua es no PCI do GAF Neste caso seu fator est
18. O INICIAL DE DESEMPENHO FASE IIA Antes de iniciar as a es para otimiza o do sistema de controle importante obter um retrato de seu desempenho inicial para possibilitar quantificar os ganhos N o existe no entanto uma regra geral para esta avalia o Braga e Jota 1994 apresentam um m todo que avalia o desempenho de controladores a partir do ponto de vista de diferentes tipos de usu rios Na vis o dos gerentes da planta os crit rios recaem principalmente em desgaste dos atuadores falhas no sistema e custos operacionais J os operadores do sistema est o preocupados principalmente com os erros de resposta do sistema Eles querem que a vari vel controlada atinja a refer ncia de controle rapidamente e permane a com o m nimo de erro O engenheiro de controle por sua vez est interessado na rela o de compromisso entre um bom desempenho regulat rio e o m nimo de varia es no sinal de controle Acrescenta se aqui o ponto de vista do engenheiro de qualidade Este espera que o sistema de controle regulat rio ao longo do processo garanta que a qualidade do produto final esteja dentro de certos limites de toler ncia Portanto o desempenho de uma malha de controle pode ser avaliado sob diferentes pontos de vista Desempenho servo mecanismo refer ncia vari vel Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 23 desempenho regulat rio refer ncia constante esforco de controle robustez e variabilida
19. Somente GAF FCV102 e 103 fechadas GAF Alcatr o FCV102 fechada GAF Alcatr o GN Nenhuma v lvula fechada GAF GN FCV103 fechada GN Alcatr o FCV101 fechada Opera o dos regeneradores N vel vaz o e press o de gua LIC302 FIQ313 e PIC313 Temperatura do vapor TIC327 Nenhum ligado TI323 120 Apenas um ligado TI3232180 Dois ligados TI3232220 N vel de sujeira no filtro de alcatr o Vaz o e press o do alcatr o FIQ103 e PIC137 Press o do ar de atomiza o PIC135 Normal PIC137 CO 60 Alto PIC137 CO 60 N vel de incrustac o no economizador do GAF Vaz o e press o do GAF FIQ101 e PIC342 Normal PCV342 variando Alto PCV342 totalmente aberta Inicialmente para determinada janela de dados calculou se a vari ncia do erro das malhas de controle e do res duo de vari veis de qualidade em amostras tomadas periodicamente A estes dados associaram se vari veis discretas criadas para representar cada modo das condi es de opera o do processo relacionadas na Tabela 5 1 Em seguida aplicou se o ACP a estes dados para identificar as correla es temporais existentes entre eles Um exemplo desta opera o mostrado na Figura 5 1 A tend ncia temporal da vaz o de alcatr o mostrada na figura superior enquanto que a vari ncia do erro de controle mostrada na figura central Observa se qu
20. a de SP nas duas condi es e com a sintonia original e a nova proposta O tempo de acomoda o com a nova sintonia de 35 segundos cerca de 3 vezes menor que o original Com o filtro sujo a resposta torna se oscilat ria e com tempo de acomoda o maior em torno de 200 segundos por m ela ainda cons iderada aceit vel PIC137 Filtro Limpo Filtro Sujo Resposta a mudan a de SP 14r X Modelo 1 Modelo 2 Par metros Par metros 12L Es filtro limpo filtro sujo PID Original PID Novos 4l K 0 7 K 1 45 PB 120 PB 31 E osl t 31s t 150s Ti 15s Ti 31s z 008p 2 08r jl Sintonia Original filtro limpo 9 6s 98 3s Td 1s Td 0s go jl Nova Sintonia filtro limpo Ta 1s Ta 1s amp 04 Sintonia Original filtro sujo a E lt T Nova Sintonia filtro sujo Lia ui To 0 2 K ganho do processo t constantes de tempo 8 tempo morto PB banda proporcional Ti tempo integral Td tempo derivativo 02 1 1 1 1 1 1 1 Ta tempo de amostragem Tf const tempo filtro 0 100 200 300 400 500 600 700 tempo s Figura 4 58 PIC137 Resposta ao degrau no SP e par metros de sintonia Tempo de acomoda o de 35 segundos A seq ncia de testes realizados na malha de vaz o FIQ103 mostrada na Figura 4 59 e a simula o da resposta em malha fechada na Figura 4 60 O controlador foi ajustado para um tempo de acomoda o em torno de 100 segundos
21. cies de transfer ncia de calor at a sua sa da pela chamin S o dois ventiladores centr fugos controlados por inversores de frequ ncia Um de tiragem for ada soprador instalado no in cio da tubula o de ar e outro de tiragem induzida exaustor instalado na base da chamin Este tipo de configura o denominado tiragem balanceada As maiores perdas de calor em caldeiras resultam da sa da de gases quentes pela chamin Assim para melhorar a efici ncia energ tica Economizadores e Pr Aquecedores s o utilizados para recuperar parte deste calor transferindo o para a gua de alimenta o e para os gases de combust o respectivamente O Pr aquecedor de ar de combust o por exemplo consiste num trocador de calor em que os gases provenientes da combust o circulam pelo interior dos tubos e o ar externamente O sistema tamb m conta com um par de Regeneradores para pr aquecimento da gua de alimenta o Neste equipamento um motor faz girar uma superf cie de transfer ncia de calor entre a gua e vapor superaquecido extra do da turbina Diferentemente do Economizador em que o objetivo principal recuperar o calor perdido pela chamin o objetivo do regenerador garantir uma maior temperatura da gua superior a 200 2C para melhorar a estabilidade da caldeira Completando a descri o do sistema tem se o sistema respons vel por tratar e bombear a gua de alimenta o da caldeira um sistema que op
22. gua para a caldeira Durante os testes nesta malha o controle de n vel da caldeira foi mantido em manual enquanto que o controle de press o de bombeamento PIC313 foi mantido em autom tico j com seus novos par metros de sintonia A Figura 4 39 mostra os testes realizados Adotou se uma sequ ncia completa de teste incluindo os testes para modelagem e testes espec ficos para a v lvula de controle FCV313 O teste de histerese utilizado para medi o do percentual de folga mec nica e realizado com uma sequ ncia de tr s degraus dois num sentido e o terceiro em sentido oposto O primeiro utilizado para posicionar a v lvula numa condi o livre de folgas O segundo utilizado para calcular o ganho real do sistema No terceiro realizado em sentido oposto o percentual de deslocamento real do processo Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 108 comparado com aquele te rico que seria obtido com uma v lvula isenta de folgas Este c lculo foi realizado e revelou uma histerese de aproximadamente 0 15 que considerado desprez vel J o teste de agarramento revelou varia o na vaz o apenas ap s o terceiro degrau de 0 196 ou seja um agarramento inferior a 0 396 Pela equa o 7 da se o 3 3 4 este agarramento seria respons vel em produzir uma variabilidade de aproximadamente 0 1896 que tamb m considerado desprez vel para esta malha x 10 Sequ ncia de testes para FIQ313
23. melhora do funcionamento do sistema de combust o rela o ar combust veis Entre as a es citadas a ltima a que pode ser explorada durante um trabalho de otimiza o de malhas de controle Um bom funcionamento do sistema de combust o depende entre outras coisas da manuten o da rela o estequiom trica da queima de um bom ajuste do fator de excesso de ar e de uma estrat gia para compensa o de varia es do PCI Poder Calor fico Inferior dos combust veis Qualidade na gera o da energia A UTE Barreiro opera numa configura o convencional Caldeira Segue Turbina ou seja a turbina o elemento mestre e a caldeira o elemento escravo Nessa configura o estabelecido um valor de refer ncia para gera o de energia e para atender a essa demanda o controle da turbina mant m regula o de velocidade das p s e atende ao torque exigido no eixo do gerador atuando na abertura das v lvulas de alimenta o de vapor do equipamento A mudan a de abertura destas v lvulas causa impacto imediato na press o do tubul o superior que por sua vez regulada pelo controle da caldeira Essa regula o feita automaticamente atuando se na taxa de combust o e na taxa de alimenta o de gua proporcionalmente nova demanda Portanto o tempo necess rio para uma usina atender a uma nova demanda de gera o depende do tempo de resposta da caldeira a uma mudan a de carga Mas mesmo quando esta demanda
24. mes T OBSIAIY 04I2JJeg OP ezu BUIs ep ejduy oe5epi eA ap ojalosd 1 2382 722922 TE w Fore LOrE LE EL OCOLIT TE UTE ruoto DPZ D299 TIMES Sogra wr seuJa1sis ep oe5epi eA ep odnig euequue8u3 ap ej03s3 8002 60 2 e1eq SIBJ39 SPUIJN 3p PJapa J spepisJeAlu ANEXO B EXEMPLO DE PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS CONTINUACAO sqspusd Id epejue v epinjuo3 09 snaeis exieg c IPSN Z sy T Spepuoud eiugpuas v 212 ZTE s 3 amp 13 03 Sa3lu 300403U05 se e3sa sens opue3snfe s3353 SO LUC sepeuo 2e 31 733533 18310q v SISABIJBA se sepo3 ap OJU3LUBJOJIUOUI Jelu o3geuiojny esed Jopejoguo gt JB3ABUD sieuiglJO soJ3auugjed jeuJ032g Bjuein as ap 1o eA uin SIBUIBLJO S3J0 BA SO esed esed AN Jeasnfy jenueia epies ap s yw SO J2UJ0J31 3 eu eui ep oquaueuoDungo DINII SVAD esed jopejog3uo2 jes eu J8eJ03luO A O2ieuj03ne esed z0 2I14J0pe oJ3u02 je3Aeu Bungas og5e1ado 3p exiej euin esed Jopejojuo gt op epies ap salu 4eysnfy za3snqoa eoq wo sew egien ap seSuepnui 5IIN32 SVA5 se epideJ e3sodsa1 eJed TE sp eiuojurs JeuIpolw oe5ipaui sp sopini SIIN32 SVAS 48 0u34 eed AS OU no JossiusueJ op OM Jeysnfy eJed sa1ope oJ3uo2 jeuj0313H eyjew ep oAnIJ3sap 1e3jnsuo e5ueungas ap 50AI5532X3 SOJAS p Opueya eu eui ep usou oe5ejado JO 2A wn eed AJA Jeu4038 ap exiej e seuade JaBueJge 3n3p 2352331 O Jopeisajui SINII SVAD 7915210 J 30qV 05s3 01d ejed jer adsa 23523 ap eDuanbas e Jezijeay PUla3sIs OU
25. n o houve modifica o no tempo de acomoda o Sequ ncia de testes para PIC341 Respostas ao degrau Teste 4 1 50 100 150 200 250 300 350 400 tempo segundos Figura 4 46 PIC341 Seq ncia de teste em malha aberta x 10 Sequ ncia de testes para FIQ311 Respostas ao degrau 96 co 50 100 150 200 250 tempo segundos Figura 4 47 FIQ311 Seq ncia de teste em malha aberta Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 114 PIC341 Resposta a mudan a de SP 12 T T T T T T T T T Modelo 1 Par metros PID Par metros ordem Original PID Novos B K 0 976 PB 350 PB 159 Eosl t 2 4s Ti 10s Ti 2 4s Z EAOa a 8 15s Td 2s Td 0s v 0B ova Sintonia 3 Ta 1s Ta 200 ms E04 E Tf 1 445 Tf 288 ms 02 J K ganho do processo t constantes de tempo i 8 tempo morto PB banda proporcional D i i i i Ti tempo integral Td tempo derivativo 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Ta tempo de amostragem Tf const de tempo do filtro tempo s Figura 4 48 PIC341 Resposta ao degrau no SP e par metros de sintonia Tempo de acomoda o de 10 segundos FIQ311 Resposta a mudan a de SP 12 Modelo 1 Par metros PID Par metros ordem Original PID Novos Io 0l K 2 06 PB 21096 PB 55096 E 0 8 Sintonia Original z Nova Sintonia Td 0
26. o B A onde A e B s o respectivamente as dist ncias determinadas pela profundidade do primeiro m nimo e a altura do segundo m ximo da fun o de autocorrela o incluindo pico no ag zero No caso de um sinal senoidal a taxa de decaimento unit ria enquanto que num sinal n o oscilat rio a taxa de decaimento pr xima de zero A Figura 3 4 mostra tr s exemplos No primeiro caso para um sinal com oscila o n o amortecida a taxa de decaimento R pr xima de 1 No segundo para um sinal ainda oscilat rio mas com decaimento exponencial ela de aproximadamente 2 3 enquanto que no terceiro exemplo sinal n o oscilat rio ela inferior 0 5 Portanto a t cnica capaz de detectar um sinal oscilat rio mesmo aqueles com decaimento exponencial Para o fator R o autor sugere a utiliza o de um limiar de 0 5 Este valor corresponde a um valor de decaimento no dom nio do tempo inferior 0 25 o que aceit vel em muitos problemas de controle Outro m todo de detec o de oscila o que opera sobre a fun o de autocorrela o FAC foi proposto por Thornhill el al 2003 O benef cio do uso da fun o de autocorrela o que o impacto do ru do reduzido porque o ru do branco tem uma FAC teoricamente nula para deslocamentos ags maiores que zero O padr o de cruzamentos por zero da FCA portanto revela a presen a de oscila o de maneira mais clara que os cruzamentos do sinal num gr fico de t
27. o Em cada condi o operacional as Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 22 malhas ir o operar num ponto de opera o diferente e se o processo for n o linear o que comum o comportamento da malha ir naturalmente depender do ponto de opera o Al m disso diferentes condi es operacionais podem determinar diferentes tipos e intensidades das perturba es de carga O mapeamento dessas condi es operacionais essencial durante o ajuste dos controladores e avalia o de desempenho das malhas de controle e Levantamento de indicadores econ micos importante monitorar desde o in cio do trabalho m tricas que possibilitem quantificar o retorno econ mico obtido pelo trabalho de otimiza o do sistema regulat rio Alguns candidatos comuns s o efici ncia energ tica taxa de rejeito e reprocessamento volume de produ o e consumo de reagentes Outros ganhos infelizmente s o dif ceis de ser mensurados tais como aumento da disponibilidade da planta uptime e diminui o de custos de manuten o com um menor desgaste de atuadores e aumento do automatismo da planta e Pol ticas e procedimentos de manuten o Levantamento de necessidades de manuten o insumos e estimativas de confiabilidade de sistemas e equipamentos A robustez e a confiabilidade da planta podem ser afetadas pelo trabalho de auditoria resultando em demandas por manuten o com uma frequ ncia diferente 3 2 AVALIA
28. o de ar ser solicitada a subir antes do combust vel Na demanda t rmica decrescente o comparador menor que garante que a vaz o de g s ser solicitada a descer primeiro garantindo o excesso de ar nas manobras ou dist rbios do sistema Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 78 I iS 9 10 L L I 1 1 I L L 1 1 1 1 1 I L L 1 L 1 1 4 t r 2 Ar combust o l H Ar requeridi total vu E1 E3 E2 sc FT311 Ar GAF Io iO Ar Alc jor f or SP Remoto SPRemoto SPRemoto 4 k Nox 4 4 Z D tg O yz Be AD D D o D m 9 Y Ee Ap Q gt D xnl Ge Y Qe Ap D x 4 4 4 DNE ENO MENT 4 4 1 i GAF Alcatr o M i aA m FCV103 GN LA j FCV102 FT103 Figura 4 15 Esquema do controle de vaz o de combust veis e vaz o de ar por limites cruzados Al m disso o controle de combust o deve garantir para cada combust vel a propor o estequiom trica correta para mistura de ar Por conven o nessa estrat gia a demanda t rmica e os comparadores utilizam a mesma escala de medi o do ar de combust o Por isso os sinais relativos a vaz es de combust vel precisam ser convertidos antes e ap s serem comparados com a demanda t rmica O c lculo das refer ncias de controle de vaz o de combust veis corresponde ao valor da demanda t rmica global descontada a demanda de ar dos
29. round length ACF 2 end 04 aux diff sign ACF 05 zero cross find aux 0 detec o de cruzamento por zero 06 last cross min length zero cross 12 07 intervalo diff zero cross 2 last cross considera se apenas do segundo ao d cimo segundo cruzamento 08 Tp 2 mean intervalo per odo m dio da oscila o Sp std intervalo desvio padr o dos intervalos entre cruzamentos 09 if 1 3 Tp Sp gt 1 ind osc 1 end Metodo 2 Miao e Seborg 1999 o 01 ERRO ERRO mean ERRO remo o do valor m dio 02 ACF xcorr ERRO ERRO coeff c lculo da fun o de autocorrela o 03 ACF ACF round length ACF 2 end considerando apenas segunda metade o c lculo dos par metros do ndice de detec o ver se o 3 3 2 04 maxl 1 instante de tempo onde ocorre o primeiro m ximo 05 ACFr ACF 06 minl find ACFr min ACFr instante onde ocorre o primeiro m nimo 07 ACFr ACF minl end 08 max2 minl 1 find ACFr max ACFr instante onde ocorre o segundo m ximo c lculo do fator R 09 R ACF max2 ACF min1 ACF max1 ACF minl se R gt 0 5 ent o existe oscila o nos dados da janela 10 if R gt 0 5 ind osc 1 end Metodo 3 Forsman Stattin 1999 01 ERRO ERRO mean ERRO remo o do valor m dio 5 identificagc o dos pontos de cruzamento por zero
30. tico A resposta a uma entrada vari vel precedida por um instante de aus ncia de movimento seguida de um pulo e Banda Morta Faixa na qual uma varia o na entrada n o causa nenhuma varia o na sa da Em alguns casos ela intencionalmente programada em controladores e posicionadores ex eletro v lvula para que pequenos erros de controle sejam ignorados e Quantizac o Um sinal digitalizado sa da de um conversor A D possui resolu o m nima determinada pelo arredondamento de seu ltimo d gito bin rio Para um controlador provido de a o integral a quantiza o do sinal de erro resulta num efeito parecido com o de um agarramento e Intera o entre malhas Malhas que possuem bom desempenho isoladamente mas ao operar juntas come am a interagir uma com a outra resultando em oscila es em ambas e Oscila o por carga Oscila o apresentada pela malha causada por um dist rbio oscilat rio Apresenta se a seguir m todos para distin o entre algumas dessas causas A Oscila o causada por agarramento em v lvulas V lvulas de controle t m sido identificadas como a principal fonte de problemas nos sistemas de controle regulat rios str m e H gglund 2006 S o dispositivos sujeitos a desgastes que ap s algum tempo de opera o resultam em problemas mec nicos que comprometem o desempenho Entre os problemas encontrados em v lvulas o respons vel em gerar oscila o sustentada e
31. tico que descreva o comportamento din mico dominante do processo a ser controlado Este pode ser obtido basicamente usando uma abordagem fenomenol gica ou caixa branca ou por meio da an lise da relac o de causa e efeito entre a entrada e a sa da do processo modelo caixa preta Existem t cnicas para obten o de modelos caixa preta tanto em malha fechada como em malha aberta Uma discuss o sobre modelagem matem tica apresentada em Aguirre 1999 e Coelho 2004 Em comum todas as t cnicas de modelagem necessitam da pr via sele o de uma estrutura para o modelo e um bom planejamento para o experimento Deve se garantir que a coleta de dados seja confi vel com uma frequ ncia de amostragem adequada e sem distor es causadas por algoritmos de compress o de dados falseamento ou intervalos entre amostragens irregulares Al m disso os testes devem ser realizados sob o m nimo de influ ncia de perturba es e nos pontos de opera o corretos em que o processo costuma opera Nas subse es seguintes s o apresentadas recomenda es para o planejamento do experimento e para os testes em malha aberta e malha fechada 3 4 1 PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS Antes de iniciar os testes para modelagem matem tica de uma malha de controle visando a sintonia de seu controlar recomenda se as seguintes considera es a Definir mecanismo de aquisi o de dados e ferramentas para supervis o dos testes Nos testes realizado
32. 16 24 Coment rios ANAIS eet co be pedore NS IRE RN ERU RN a RU Da up NN PUE 18 Cap tulo 3 Metodologia para auditoria de malhas de controle 19 3 1 Levantamento de Campo Fase esesssseeeeeeeeeeeene nennen 20 3 2 Avalia o Inicial de Desempenho Fase lla eeeeeeeeeneeenete 22 do Diagn sticos Preliminares Fase Ib saci sionista ei Rena kd aa 26 3 3 1 Identifica o de Acoplamentos n o Oscilat rios en 28 3 3 2 Detec o de oscila o em Malhas de Controle ii 30 3 3 3 Identifica o de Acoplamentos Oscilat rios ires 34 3 3 4 Diagn stico de causa raiz de oscila o sssseeeneeee 37 34 Otimiza o A es Corretivas Fase MI rrr nor rrt rene 49 3 5 Coment rios FINAIS anal A A SR 54 Cap tulo 4 Auditoria das Malhas de Controle de uma Caldeira 56 4 1 A Caldeira e seu Sistema de Controle e Automa o sessssss 56 4 2 Revis o das Estrat gias de Controle c sess 66 4 3 Avalia o Inicial de Desempenho das Malhas de Controle 84 4 4 Diagn sticos Prelrmibal BSsssncieent Sa evanuit u s d quoad 86 4 4 1 Identifica o de Acoplamentos N30o Oscilat rios sssssss 86 4 4 2 Detec o de oscila o e diagn stico de Causa Raiz
33. 1999 Kozub e Garcia 1993 Os indicadores determin sticos por sua vez s o mais informativos como forma de se prever o comportamento no caso de dist rbios de carga ou mudan as na refer ncia de controle Jounela et al 2002 Para controladores PI ndices adimensionais para medi o de tempo de acomoda o e integral do erro absoluto conforme proposto por Swanda e Seborg 1999 s o especialmente teis para comparar o desempenho atual com o melhor alcan vel por este tipo de controlador Atualmente est dispon vel no mercado uma grande variedade de ferramentas comerciais para avalia o de desempenho de malhas Entre as mais comuns pode se citar TriCLPM e BRPerfx da Trisolution Expertune PlantTriage Matrikon Process Doctor ABB Loop Optimizer Suite Honeywell Loop Scout Todas elas utilizam diversos ndices determin sticos e menos freq entemente ndices estoc sticos Torres et al 2004 Belli et al 2006 O Loop Scout se diferencia por ser uma ferramenta offline que utiliza um extenso banco de dados de plantas similares para compara o de desempenho J as outras s o ferramentas para monitoramento online em que geralmente os indicadores de desempenho s o comparados com valores de refer ncia obtidos de uma base de dados hist rica da pr pria planta A seguir apresentam se 1 2 S x C lculos s o realizados em batelada a partir de um conjunto de dados coletados do processo 24 C lculo
34. 2 0 74 1 1460 5 81 70 Per odo 62 0 FIQ311 Detec o 0 0 0 0 3 0 1 0 1 0 1 0 3 0 0 0 1 0 14 3 1 3 41 4 689 2 36 45 Per odo PIC341 Detecc o 0 4 0 3 0 4 0 0 3 0 1 0 0 0 1 0 5 1 0 1 6 8 34 4 NaN Per odo FIQ313 Detec o 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 14 3 1 3 41 4 704 2 37 94 Per odo PIC313 Detec o 0 3 0 3 0 1 0 0 1 0 0 4 0 0 0 0 0 11 2 1 3 25 6 271 1 7 98 Per odo PIC322 Detecc o 0 0 3 0 0 1 0 3 0 1 0 3 0 0 1 0 1 Per odo LIC302 Detecc o 0 3 0 0 3 0 0 0 0 0 3 0 1 0 544 2 53 0 1302 0 5327 7 1187 70 Per odo PIC342 Detec o 0 0 0 0 1 EM 0 1 0 0 0 0 1 6 5 0 3 12 5 6061 0 467 40 Per odo 99 4 PIC323 Detecc o 0 0 0 0 3 0 4 0 3 0 0 0 0 1 Per odo TIC327 Detecc o 0 1 0 1 0 1 0 0 3 0 0 0 0 0 1 297 1 35 4 671 0 7004 2 316 10 Per odo PIC135 Detea o qo 03 10 10 10 07 10 os 10 o o Per odo 18 0 18 0 18 0 21 8 17 7 PIC137 Detecc o 0 0 0 1 0 3 0 3 0 4 0 0 0 4 112 9 2 1 184 7 709 1 214 54 Per odo 98 0 Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 124 4 7 COMENT RIOS FINAIS Realizada a auditoria considera se que o processo passa a operar em suas melhores condi es com exce o da linha de alcatr o que ainda opera sob influ ncia de Causas Especiais oscila o e varia es causadas pelo filtro e da rela o estequiom trica que apresenta varia es causadas por limita es na estrat gia de controle de combust o Iniciam se agora os esfor os para que essas condi es sej
35. 2 2 9 9 22 222 5 find ERROf 0 02 I x Il Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 03 aux2 diff aux 04 aux3 find aux2 1 05 crosspoints 1 1 06 for i l length aux3 07 crosspoints crosspoints aux aux3 i aux aux3 i 1 08 end Ses Selimina o de grupo de cruzamentos de curta dura o 09 if min diff crosspoints lt 0 2 max diff crosspoints 10 yy find diff crosspoints gt 0 2 max diff crosspoints 11 crosspoints crosspoints yy 12 end 292222292 c lculo dos par metros do ndice ver se o 3 3 3 c lculo das reas acima A e abaixo B da linha central e dos respectivos intervalos entre cruzamentos por zero delta A delta B 13 for i 1 floor length crosspoints 2 1 14 delta A i crosspoints 2 i 1 crosspoints 2 1 15 A i sum abs erro crosspoints 2 i crosspoints 2 1 1 16 delta B i crosspoints 2 i 2 crosspoints 2 i 1 17 B i sum abs erro crosspoints 2 i 1 crosspoints 2 i 2 18 end 19 if length A 1 rA 0 end 20 if length B 1 rB 0 end c lculo das rela es bin rias 21 for i l length A 1 22 rA i A i 1 A i a amp amp A i t1 A i 1 a l l 23 delta A i 1 delta A i b amp amp delta A i 1 delta A i lt 1 b 24 end 25 for i l length B 1 26 rB i B i 1 B i a amp amp B it1 B i 1 a l 21 delta B i 1 delta B i b a
36. 8 pp 1009 1014 1998 Refer ncias Bibliogr ficas 138 Horch A 1999 A simple method for detection of stiction in control valves Control Engineering Practice 7 1999 1221 1231 Horch A Cox J W Bonavita N 2007 Peak Performance Root Cause analysis of plant wide disturbance ABB Review 1 2007 Horch A Isaksson A J 1999 A modified index for control performance Assessment Journal of Process Control 9 1999 475 483 Horch A 2000 Condition Monitoring of control loops Tese de Doutorado Royal Institute of Technology Estocolmo Su cia 2000 Ingimundarson A H gglund T Closed Loop Identification of a First Order Plus Deadtime Model with Method of Moments Jatto E Okhamafe A O 2002 An Overview of Pharmaceutical Validation and Process Controls in Drug Development Tropical Journal of Pharmaceutical Research December 2002 1 2 115 122 Ko B S Edgar T F 1998 Assessment of Achievable PI Control Performance for Linear Processes with Dead Time Proceedings of the American Control Conference Philadelphia June 1998 Kozub D Garcia C E 1993 Monitoring and diagnosis of automated controllers in the chemical process industrie Em AIChE Meeting St Louis MO Lipt k B G 1999 Optimization of Industrial Unit Processes 2nd Edition CRC Press LCC Maciel C R F 2004 Modelagem matem tica para c lculo da efici ncia de uma termel trica pelo m todo da disponibi
37. Ampla da Usina T rmica do Barreiro Seq ncia para sinal de teste em malha aberta A Teste completo para processo auto regulat rio ANEXO C M TODOS ESTAT STICOS C 1 Defini es B sicas 1 1 Dado uma amostra de n vari veis aleat rias x temos que a m dia x da amostra dada por n m i 1 SI 4 dns J o desvio padr o o e a vari ncia o2 da amostra s o definidos como E x E x e xy 1 2 A covari ncia de amostras de tamanho n de duas vari veis aleat riasX eY a medida da depend ncia linear entre essas vari veis e dada por cov X Y aQX Y ETC EIXDO EYD X Gs 0i 3 J o coeficiente de correla o entre essas duas vari veis semelhante ao c lculo da covari ncia por m normalizado na faixa 1 1 e definido como cov X Y x1 p X Y o 1 3 Dado um vetor X IR de vari veis aleat rias temos que a matriz de covari ncia tem dimens o n x n e definida como c X4 o X X2 s o0 X Xn cov X o2 nx n X X4 o X2 us 9 X2 Xn AX AX SAX E a matriz de correla o ou matriz de coeficientes de correla o 1 p X X2 ce p X An eix PU X1 1 co pO XS p Xs X1 p Xs X2 Re 1 1 4 A fun o de autocorrela o FAC de x t Tx n t E x t x t 7 Enquanto que a fun o de correla o cruzada FCC entre x t e y t Txy T t E x t y t 1 Tomada uma amostra de tamanho N com intervalo de
38. Entre as a es executadas durante a otimiza o destacam se e Revis o da estrat gia de controle aplica o de t cnicas de controle avan ado ex compensa o direta controle seletivo controle em cascata controle por faixa etc e Revis o de implementa o verificar se a implementa o do controlador no CLP ou SDCD e das telas de opera o das malhas est o corretas e Automatizac o das opera es manuais substitui o de interven es feitas manualmente por operadores por opera es feitas automaticamente pelo sistema de controle Isso facilita a programa o de t cnicas compensat rias para reduzir o impacto dessas interven es e Substitui o e manuten o de sensores e atuadores e Sintonia de controladores revis o da estrutura do controlador e otimiza o dos par metros de sintonia para melhoria de desempenho Em unidades pequenas com at algumas dezenas de malhas interessante considerar a aplica o das a es corretivas a todas as malhas de controle J em unidades grandes com centenas ou milhares de malhas prop e se que as a es sejam Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 50 priorizadas de acordo com sua import ncia para o processo e de acordo com os diagn sticos obtidos na Fase Il A sintonia de controladores uma tarefa fundamental por oferecer ganhos apenas com a atualiza o de par metros No entanto o projeto de controladores requer um modelo matem
39. GAF Figura 4 12 Esquema do controle de alimentac o de GAF Em rela o sintonia dos controladores a raz o entre o tempo de resposta de um controlador em rela o ao outro deve ser superior a 3 a fim de evitar intera o entre os controladores Shinskey 1998 E o controlador de press o especificamente pode ser sintonizado apenas com a o proporcional visto que um deslocamento em rela o a refer ncia de controle n o um fator cr tico Outra considera o diz respeito ao tipo das v lvulas Com o aumento da vaz o tem se um maior valor da press o ap s FCV101 P3 o que torna menor a queda de Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 76 press o sob esta v lvula Se esta varia o superior a duas vezes seu valor com carga m nima ent o uma v lvula igual porcentagem deve ser utilizada 4 2 7 CONTROLE DE ALIMENTA O DE ALCATR O Na caldeira da UTE a adi o de alcatr o feita numa taxa constante de 500 kg hora Portanto o controlador de vaz o FIQ103 opera com refer ncia de controle constante independente da carga de opera o da caldeira O bombeamento feito com press o controlada por PIC137 que atua na velocidade da bomba por meio de um inversor de frequ ncia O esquema de controle mostrado na Figura 4 13 Queimador FCV103 Alcatr o Ar de Atomizac o Figura 4 13 Esquema de controle da alimenta o de alcatr o Em linha pontilhada prop
40. a causa da oscila o Em plantas industriais as oscila es tendem a se espalhar pelo processo por isso a causa da oscila o de uma malha pode ter origem numa malha vizinha O simples conhecimento do layout da planta pode n o ser suficiente pois a oscila o pode propagar se por caminhos complexos principalmente em plantas com grande n mero de recircula o de material e regeneradores energ ticos Harris e Seppala 2001 Um ponto que pode ser explorado o fato das oscila es se propagarem conservando aproximadamente o mesmo per odo original Na etapa 4 s o identificadas os grupos de malhas oscilat rias que possuem ciclos em comum acoplamentos oscilat rios e na etapa 5 testes s o realizados para determinar em qual das malhas a oscila o se origina Dois m todos para detec o de acoplamentos s o apresentados na subse o 3 3 3 e a quest o de como diagnosticar a causa raiz da oscila o discutida na subse o 3 3 4 Estudos com Matriz de Correla o e PCA no dom nio do tempo Oscilat rios Correla o Cruzada 1 Identifica o de Acoplamentos n o Remo o de m dia e tend ncias lineares Transforma o dos dados para o dom nio da frequ ncia Normaliza o e filtragem do espectro de acordo com as faixas determinadas para estudo no dom nio da frequ ncia 2 Pr processamento dos Dados 3 Detec o de oscila o Uso de m todos autom ticos para diagn stico d
41. amostragens e testes em atuadores do tipo v lvula para estimar a variabilidade causada por n o linearidades Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 102 4 5 PREPARATIVOS PARA TESTES Boa parte do trabalho consistiu na realizac o de testes em malha aberta para modelagem matem tica e avaliac o de atuadores Realizou se uma s rie de preparativos de acordo com o que foi proposto na se o 3 4 1 A coleta de dados foi realizada por meio de conex o OPC cujo tempo de amostragem m nimo de 1 segundo ou por meio de aquisi o direta de dados usando um notebook equipado com placa de aquisi o de 12 bits e tempo de amostragem de 10 ms A conex o da placa de aquisi o diretamente aos cart es de E S do SDCD foi viabilizada com o uso de cabos blindados e pin as especiais As pin as fornecidas pela Fusibr s por serem flex veis nas extremidades permitiram a conex o dos cabos nos parafusos dos bornes sem nenhuma interfer ncia nas conex es do painel Uma ilustra o do tipo de pin a utilizada mostrada na Figura 4 29 Figura 4 32 Ponto de prova de pin a utilizada para a conex o com o painel FONTE Fusibr s A decis o pelo uso da placa de aquisi o foi determinante para o projeto de alguns controladores A Figura 4 33 exemplifica a coleta de dados utilizando OPC linha grossa e a aquisi o direta linha fina com per odo de 10 milissegundos durante um teste realizado com uma malh
42. at 20 no caso do GAF Isso significa que um aumento no PCI do g s ir resultar numa queima incompleta o que altamente indesej vel devido forma o de CO fuligem e fuma a al m de possibilitar a acumula o de combust vel n o queimado causando risco de explos o Para considerar essa incerteza a constante K dilatada pelo fator E chamado fator de excesso de ar Esse volume extra de ar necess rio para garantir uma combust o completa por m um valor muito grande indesej vel pois diminui a temperatura da chama e aumenta as perdas do calor que carregado para a chamin pelos gases efluentes A Figura 4 17 mostra a rela o entre a efici ncia n da queima as perdas de calor por gases efluentes Q2 e as perdas de calor por queima incompleta Q3 em fun o do coeficiente de excesso de ar Um coeficiente de 1 1 por exemplo significa um excesso de ar de 10 O resultado da combina o das perdas Q2 e Q3 uma curva de efici ncia que possui um ponto de m ximo global Um processo que opera dessa forma candidato a receber estrat gias de otimiza o que garanta uma opera o pr xima deste ponto Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 82 a pa ue e Efici nci eo c Fa Perda T rmica 2 n2 I io 1 0 1 1 12 1 3 1 4 1 5 Coeficiente de excesso de ar Figura 4 17 Perfil t pico das curvas de perdas em fun o do excesso de ar
43. configura o de um sistema de controle devido a sua complexidade a altera o de um elemento altera o funcionamento de outros E por fim a possibilidade de intervir manualmente no processo para corrigir desvios excessivos caso necess rio Quest o t cnica aus ncia de recursos para medir o desempenho de um sistema de controle e escassez de m o de obra especializada para diagnosticar falhas e realizar ajustes E para dificultar mesmo que uma malha seja ajustada ela tende a apresentar degrada o de desempenho num tempo relativamente curto poucos meses devido a varia es nas caracter sticas est ticas e din micas do processo causada por desgaste de equipamentos ou mudan as nas condi es operacionais Quest o econ mica dificuldade de se obter uma fun o custo capaz de predizer o retorno econ mico decorrente de um trabalho de otimiza o de uma malha de controle Isso dificulta o estudo de viabilidade em emprego de m o de obra especializada com compet ncia ampla em identifica o de sistemas controle de processos e otimiza o Portanto existe uma importante demanda de t cnicas metodologias e procedimentos tanto gerenciais e organizacionais quanto operacionais para viabilizar Introdu o 4 a gest o de malhas de controle Servi os de otimiza o t m sido oferecidos por empresas de engenharia e incluem tarefas desde a simples resintonia dos controladores at um trabalho completo de auditoria q
44. controlador para modo manual Diagn stico de causa raiz para acoplamento de alta frequ ncia A Figura 4 31 mostra a tend ncia das tr s malhas de controle que oscilam com uma frequ ncia em torno de 20 segundos Existem duas hip teses para a causa da oscila o A primeira que existe uma oscila o natural no n vel do tubul o que transmitida pelo controlador de n vel para a malha de vaz o lembrando que a refer ncia de controle de FIQ313 corresponde sa da do controlador LIC302 e a oscila o na vaz o por sua vez provoca a oscila o na press o da linha PIC302 A segundo hip tese que a oscila o causada por uma intera o entre as malhas de press o e vaz o que possuem velocidades de resposta parecidas E esta oscila o na vaz o provoca as flutua es no n vel do tubul o Uma forma de verificar a segunda hip tese seria chavear a malha PIC313 para modo manual e observar se a oscila o desaparece Por m optou se por chavear a malha LIC302 para modo manual o que fez a oscila o desaparecer e confirmou a primeira hip tese De fato o controlador de n vel estava operando com um valor elevado de a o derivativa Esta estava reproduzindo na sa da de controle as oscila es naturais do n vel do tubul o e perturbando as malhas de vaz o e press o de gua Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 100 N vel do tubul o LIC302 e s
45. controle inadequada E Procedimento interativo para diagn stico de causa raiz O diagn stico da causa raiz da oscila o torna se bastante simples se for poss vel observar o sistema ap s chavear uma ou mais malhas para a opera o em modo manual A Figura 3 15 mostra um diagrama adaptado de H gglund 1995 resumindo as etapas do teste de causa raiz Inicialmente o controlador da malha oscilat ria a ser investigada colocado em modo manual Se o comportamento oscilat rio cessar est confirmado que a origem da oscila o interna podendo ser causada por n o linearidade no atuador ou por m sintonia do controlador A distin o entre esses dois poss veis problemas pode ser realizada observando se o gr fico de tend ncia ou o espectro de pot ncia do sinal Um perfil de oscila o aproximadamente senoidal ou com um nico pico no espectro indicativo de oscila o por sintonia Caso haja Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 48 suspeita de que este problema causado por intera o com outra malha ent o uma forma de averiguar retornar o controlador para autom tico ap s chavear essa outra malha para manual Se a oscila o n o voltar ent o prov vel que haja um problema de intera o No caso da malha persistir oscilando mesmo ap s o controlador ter sido chaveado para manual ent o est confirmado que a oscila o causada por um dist rbio oscilat rio que a malha n o consegue
46. controle de velocidade por inversor Tabela 4 1 Rela o das malhas de controle e dados sobre instrumenta o Coment rios Sensor instalado cerca de 10m das tomadas FIQ311 Vaz o do Ar de Combust o Cascata Tipo venturi instalado na suc o de ar do ventilador Ventilador com velocidade controlada por inversor de frequ ncia Tubula o de 60 Necessita revis o no c lculo de compensa o temp press o PIC135 Press o do Ar de Atomiza o Diafragma Capacitivo V lvula esfera PIC137 Press o Bombeamento Alcatr o Diafragma Capacitivo Bomba com velocidade controlada por inversor de frequ ncia FIQ103 Vaz o de Alcatr o Cori lis M ssico V lvula tipo gaiola com retorno de posic o PIC342 Press o do G s de Alto Forno V lvula borboleta com retorno de posic o Sensor instalado cerca de 10m das tomadas FIQ101 Vaz o do G s de Alto Forno Cascata Anubar instalado 20m antes da v lvula V lvula borboleta pneum tica com retorno de posi o Tubula o de 60 FIQ102 Vaz o de G s Natural Cascata V rtex instalado 4m antes da v lvula V lvula esfera Valtek Tubula o de 5 Controle de press o por v lvula auto pilotada entre o sensor e o atuador LIC302 N vel gua no Tubul do Press o diferencial em coluna com filtro natural Malha mestre da alimenta o de gua A medi
47. da ocorr ncia de perturba es ent o a id ia utilizar blocos validadores especializados para cada um desses elementos Estes blocos desempenham parte das funcionalidades citadas na Figura 2 1 e s o descritos a seguir e Valida o de Sensores Um sensor autovalidado utiliza metrologia em tempo real para fornecer uma medida da qualidade dos dados por exemplo uma incerteza quantificando o erro associado medida ou simplesmente um status de seu funcionamento Clarke 1999 Como em processo industriais comum se ter diversos instrumentos cujas medidas s o correlacionadas por exemplo a medi o de vaz o e press o numa mesma linha t cnicas estat sticas multivariadas podem ser usadas para em tempo real detectar padr es faltosos e Valida o de Atuadores Um atuador permite que uma vari vel de processo seja manipulada de acordo com a demanda de um sinal de controle O tipo de atuador mais comum a v lvula proporcional que sofre frequentemente de n o linearidades agarramento histerese etc que degradam seu desempenho Clarke 1999 Uma v lvula autovalidada capaz de compensar ou pelo menos quantificar essas caracter sticas indesej veis de detectar e corrigir condi es faltosas e de reportar seu comportamento para o elemento no n vel imediatamente superior usando uma interface padr o Essa funcionalidade pode ser implementada em hardware chamadas v lvulas inteligentes ou em software desde que se te
48. das malhas Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 20 Levantamento de FASE Campo FASE Ila Diagn sticos Avalia o Inicial de Preliminares Desempenho FASE III Otimiza o A es Corretivas FASE IV Avalia o Final de Desempenho Figura 3 1 Fases propostas para a Auditoria de Malhas de Controle 3 1 LEVANTAMENTO DE CAMPO FASE I Nesta fase a unidade incluindo o processo em si o sistema de controle e a equipe de opera o e manuten o apresentada para an lise Inicia se com o levantamento de informa es utilizando todos os meios acess veis e encerra se com a gera o de alguns documentos de refer ncia para os trabalhos de otimiza o Alguns meios poss veis para obten o de informa o s o Estudo da documenta o de engenharia P amp ID Diagrama de Tubula es e Instrumenta o tamb m chamado de fluxograma de engenharia manuais de opera o manuais de equipamentos especifica o funcional e diagramas de malhas s o alguns dos documentos que trazem informa es sobre o processo como ele deve ser operado e sobre o papel de cada subunidade e equipamentos Al m disso os diagramas de processo trazem uma no o do sentido de circula o dos fluxos de energia e material Visita rea e fotos A inspe o visual do processo importante para se ter uma no o das dimens es dos equipamentos do volume de tubula es e dos locais onde est o instalados os se
49. de sintonia 114 Figura 4 49 FIQ311 Resposta ao degrau no SP e par metros de sintonia esesseeeeees 114 Figura 4 50 PIC342 Sequ ncia de teste em malha aberta ssseseesseeeeeeeeennee eene 115 Figura 4 51 FIQ101 Sequ ncia de teste em malha aberta ireeeeereeeeerererererraneea 115 Figura 4 52 PIC342 Resposta ao degrau no SP e par metros de sintonia 115 Figura 4 53 FIQ101 Resposta ao degrau no SP e par metros de sintonia eeeeeeesseeeeee 116 Figura 4 54 FCV101 Presen a de oscila o no posicionador esee 116 Figura 4 55 Principais per odos de oscila o da vaz o em opera o em regime permanente 116 Figura 4 56 FIQ102 Sequ ncia de teste em malha aberta essesseeeeeeeeeenenee enne 117 Figura 4 57 FIQ102 Resposta ao degrau no SP e par metros de sintonia 117 Figura 4 58 PIC137 Resposta ao degrau no SP e par metros de sintonia 118 Figura 4 59 FIQ103 Sequ ncia de teste em malha aberta sessessseeeeeeeeennen enne 118 Figura 4 60 FIQ103 Resposta ao degrau no SP e par metros de sintonia sesesseseeses 119 Figura 4 61 TIC327 Compara o das tend ncias antes e ap s o trabalho de auditoria 120 Figura 4 62 LIC302 Compara o das tend ncias antes e ap s o trabalho de audi
50. de valida o conforme ilustrado na Figura 2 1 consistem no processo de Avalia o Otimiza o e Notifica o sobre as condi es atuais de opera o do sistema validado Braga et al 2006 Inicia se com a Reconcilia o de Dados de refer ncia a partir de medi es reais do processo A Reconcilia o de Dados pode ser uma simples compara o alg brica de medidas e sinais de refer ncia ou res duos de modelos estat sticos alimentados com dados reais e inferidos de projeto que s o testados para verificar conformidade Tal res duo pode consistir por exemplo no c lculo da diferen a entre uma determinada medida de desempenho e seu valor de refer ncia Se este res duo uma vari vel estoc stica par metros estat sticos podem ser calculados para um determinado conjunto de amostras que em seguida s o testadas para verificar a conformidade com padr es estat sticos pr estabelecidos Se o resultado do teste de conformidade apontar para um sistema com degra o ou com falha ent o se prossegue com as etapas de Avalia o Otimiza o e Notifica o descritas a seguir Validac o Ampla de Malhas de Controle 7 PROCESSO DE VALIDA O Reconcilia o de dados dd A es Refer ncia M i b E Medi es Opera o real Falta Falta Degrada o o Res duo Avalia o Otimiza o e Notificacao D p o tm a s S vum e o Spas
51. desligado Res duo Res duo de FY301 Limites de Controle T 0 05 magnitude do desvio norm Desvio padr o do erro de controle de FIQ101 T 0 2 4 6 8 10 12 tempo horas Figura 5 8 Cartas de controle para amostras do res duo da vaz o de vapor FY301 e do erro de controle das malhas LIC302 e PIC322 Projeto de um Modelo para Valida o Ampla da Caldeira Vari veis de Qualidade da Caldeira rA n D Efici ncia Energ tica 4 r X Css iguu s FIQ103 1 i 1 1 1 wsmemmA ma Mem M 1 y 77 pic137 Rela o L Conc EN por l erro 77 777 Ar Comb 1 i O2 1 5 41 e 7 M monas 0777 Y 1 i T an A 1 X y ua d Ps d AC co 1 044 ON 1 Malhas de OT E i ts ad j plesia O md atas Sib N E a io P PIC341 2 7 p FIQ311 1 FIQ101 Ls PIC342 1 V Y Controle Jnd i E aa VN 4 n REO gl 4 i 1 1 n 1 1 1 H P pog erro erro jero d pony A cor co cor 1 y p 4 x m o nto 1 P 1 HlE rp ir 1 i 1 H 1 FIQ313 1 V PIC313 Z1C311 ZIC101 1 ZIC342 1 i A D 1 1 v D D H I Causas 132 i 1 h EA PPa xdi Marcas ne users J TM ei su d E s ar ss 4 PCLGAF 7 ncia S Externas Regenerador 4 Temperatura Demanda de E Press o no SDN ze 7s i H P ewe E Desligado da guade Gera o IM gas metro 1 je C
52. diagn stico de agarramento mesmo quando este inexistente Al m disso seu funcionamento tamb m depende de um bom trabalho de pr processamento nos dados tanto para a detec o dos pontos de cruzamento quanto para a detec o do momento em que o sinal muda de tend ncia Neste aspecto o m todo de Horsch possui a vantagem de realizar opera es a partir da fun o de correla o cruzada que possui a propriedade de ter maior imunidade a ru dos de medi o Al m disso estes m todos devem ser aplicados somente em malhas em que j foi previamente detectada a presen a de oscila o e tendo essa oscila o uma nica causa Malhas oscilando com m ltiplas causas possuem diferentes ciclos superpostos e necessitam de uma pr filtragem para expor os algoritmos a apenas um tipo dessas causas por vez Outros m todos de implementa o mais complexa tamb m foram propostos Um segundo m todo proposto por Horch 2000 detecta a diferen a entre os perfis de um sinal oscilando por agarramento e controle agressivo utilizando distribui es de probabilidade e Choudhury e Thornhill 2004 prop em um m todo que utiliza bi coer ncia para detectar agarramento identificando componentes n o gaussianos e n o lineares em s ries temporais da vari vel controlada PV e sa da de controle CO B Oscila o causada por sintonia O aspecto negativo na realimenta o negativa que sempre existe uma faixa de frequ ncia em que
53. em conta a raz o entre os cr ditos de calor energia transportada por unidade de tempo que saem da turbina na forma de energia til w11 e w12 e os cr ditos de energia kj h adicionados na caldeira w91 w92 w93 w51 e w52 somados com a energia contida nos combust veis indicada por w9 Este c lculo mostrado na equa o 1 100 w11 wW12 Wo Wo1 t W92 t W93 Wg1 Ws2 n equa o 1 Em que W41 vaz o de vapor x entalpia de vapor Wo vaz o de GAF x temperatura do GAF x calor espec fico do GAF Wo2 vaz o de alcatr o x temperatura do alcatr o x calor espec fico do alcatr o Wo3 vaz o de GN x temperatura do GN x calor espec fico do GN Ws vaz o de gua x temperatura da gua x calor espec fico da gua E vaz o de ar de combust o x temperatura do ar x calor espec fico do ar wo vaz o de GAF x PCI do GAF x densidade do GAF vaz o de GN x PCI do GN x densidade do GN vaz o de ALC x PCI do ALC x densidade do ALC Segundo Dukelow 1991 a efici ncia da caldeira pode ser melhorada com as seguintes a es 1 modifica es estruturais utiliza o de mais pr aquecedores para recuperar o calor perdido pela chamin 2 manuten o dos equipamentos limpeza dos tubos da caldeira veda o contra infiltra es 3 opera o com a caldeira na Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 64 capacidade que corresponde ao seu ponto de efici ncia m xima ou 4
54. em toda sua disponibilidade A Figura 4 16 mostra uma nova estrat gia proposta para o controle de combust o Em rela o estrat gia original foram propostas tr s modifica es 1 um comparador menor que FY101B foi inserido antes de FIQ101 para que a refer ncia de controle n o ultrapasse o valor estabelecido como limite superior para o GAF 2 um comparador maior que FY102B foi inserido antes de FIQ102 para que a refer ncia de controle n o seja inferior ao limite m nimo para a vaz o de GN 3 na composi o das refer ncias de controle de GAF e GN FY101A e FY1024A um fator de desequil brio foi inserido para conduzir as propor es de combust veis para um ponto que privilegie ao m ximo o uso do GAF Nenhuma altera o foi proposta para o controle de alcatr o pois apesar de poder operar em cascata na pr tica ele opera apenas em modo local ou seja a refer ncia de controle determinada pelo operador Esta proposta tem o seguinte funcionamento O fator de desequil brio um valor que varia de O a 1 decrescendo com o aumento da vaz o de GAF seu valor nulo quando a vaz o de GAF for m xima Este fator ent o multiplicado por uma constante de escala a FY322C e o resultado somado em FY101A e subtra do de FY102A Esta opera o faz com que a refer ncia de controle do GAF seja ligeiramente superior demanda proveniente de PIC322 enquanto a refer ncia de controle do GN fica ligeira
55. faixas de frequ ncias se os sinais forem previamente tratados por filtros capazes de evidenciar apenas os efeitos de uma das causas da oscila o Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 55 Conforme foi mostrado as vantagens desses m todos que operam no dom nio da frequ ncia s o not veis na aplica o em s ries oscilat rias No entanto para acoplamentos n o oscilat rios prefer vel a utiliza o das t cnicas no dom nio do tempo tal como fun o de correla o cruzada A raz o que dist rbios dessa natureza normalmente apresentam se como s ries n o estacion rias por exemplo mudan as de patamar No dom nio da frequ ncia tais dist rbios possuem boa parte do espectro concentrado em baixas frequ ncias sem nenhuma associa o com o momento em que eles ocorrem no dom nio do tempo o que torna dif cil a distin o entre eles Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 56 CAP TULO 4 AUDITORIA DAS MALHAS DE CONTROLE DE UMA CALDEIRA ESTUDO DE CASO Apresenta se um estudo de caso de Auditoria das Malhas de Controle aplicado a uma usina termel trica conforme metodologia proposta no cap tulo 3 A aplica o de grande parte das t cnicas discutidas exemplificada utilizando dados reais deste processo industrial Uma termel trica possui malhas de controle distribu das ao longo de praticamente todo o processo por m este trabalho focou na unidade de gera o de va
56. fazendo com que ela aque a e vaporize Maciel 2004 Fabricada pela EQUIPALCOOL modelo V2GAF 60 tem capacidade de produ o de cerca de 60 ton h de vapor de gua a 60 bar superaquecido a 450 9C provida de economizador pr aquecedor de ar e GAF g s de alto forno selos hidr ulicos para GAF e chamin Al m disso a caldeira de circula o natural e trabalha com fornalha balanceada tiragem balanceada do ar e gases de combust o e foi projetada especialmente para queima de combust veis l quidos e gasosos Seus queimadores podem ser alimentados simultaneamente com g s de alto forno GAF g s natural GN e alcatr o Conforme ilustrado na Figura 4 1 os principais componentes da caldeira da UTE Barreiro s o e Tubul o superior ou tambor separador um tanque cil ndrico que recebe a gua de alimenta o Tem como fun o acumular um volume de gua para acomodar varia es de carga e separar o vapor do l quido permitindo que apenas vapor saturado saia para o superaquecedor e Tubul o inferior tanque cil ndrico de a o de menor di metro que o tubul o superior com a fun o de distribuir a gua pelos tubos da caldeira e garantir a pureza do vapor mediante extra es de s lidos purgas e Paredes de gua tubos que interligam os tambores superior e inferior revestindo a parte interior das paredes da fornalha onde ocorrem as trocas de calor e a consequente mudan a de fase da gua l quida par
57. fico C A raz o que esta malha apresenta outros ciclos de oscila o sobrepostos Na Figura 4 29 parte inferior mostrado o espectro de frequ ncia de TIC327 As marca es que indicam a intensidade e posi o dos tr s principais picos no espectro de frequ ncia revelam a exist ncia de um ciclo em torno de 800 segundos J na parte superior a tend ncia de TIC327 reconstitu da no dom nio do tempo transformada inversa de Fourier a partir do espectro contido em torno desses tr s picos Nesta vers o filtrada de TIC327 seu acoplamento com Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 98 LIC302 fica bem mais claro Este caso um bom exemplo da limita o da detec o de acoplamentos usando inspe o visual e mostra a import ncia do uso de ferramentas no dom nio da freq ncia N vel do tubul o LIC302 graus Celcius d i i 0 7 M g k tempo seg 10 Figura 4 28 Acoplamento de baixa freq ncia Oscila o aproximadamente senoidal na PV de LIC302 A e no SP de FIQ313 B Em C mostrada a tend ncia de TIC327 com m ltiplos ciclos Sinal de temperatura reconstitu do pelos ciclos principais N graus Celcius e 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 12 14 15 1 8 2 Tempo s x 10 v Per odo dos ciclos principais o 05 T T T T T T T S p4L m 5 e 03H 2 02H zl E Eve q E a
58. lena PCM ERRO LIC302 MV LIC302 ERRO Me PIC322 MV LIC302 PIC322 ERRO PIC322 MV E PIC322 ERRO PIC313 MV R PIC313_MV 1C313 ERRO PIC313 ERRO FIQ313 MV p FIQ313 MV FIQ313 ERRO E FIQ313 ERRO PIC341 MV o PIC341 MV PIC341 ERRO PIC341_ERRO FIQ311 MV FIQ311 MV FIQ311 ERRO FIQ311_ERRO FIQ101_MV Fla101 MV FIQ101 ERRO FIQ101 ERRO FlQ103 PV i FlQ103 PV FlQ102 PV FlQ102 PV Figura 4 22 An lise de componentes principais durante dist rbio no PCI do GAF esquerda e dist rbio na press o do gas metro direita Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 89 C Dist rbios causados por impurezas no alcatr o TI301 TI331 TI323 PI101 FY301 AIC301 PIC135 MV PIC135 ERRO PIC137 MV PIC137 ERRO TIC327 MV TIC327 ERRO PIC323 MV PIC323 ERRO PIC342 MV PIC342 ERRO LIC302 MV LIC302 ERRO PIC322 MV PIC322 ERRO PIC313 MV PIC313 ERRO FIQ313 MV FIQ313 ERRO PIC341 MV PIC341 ERRO FIQ311 MV FIQ311 ERRO FlQ101 MV FIQ101 ERRO FIQ103 PV FIQ102 PV Figura 4 23 An lise de componentes principais durante varia o na qualidade do Alcatr o Vaz o de Alcatr o 6 2 64 6 6 6 8 7 72 7 4 7 6 7 8 8 tempo horas Figura 4 24 Dist rbios causados por impurezas no alcatr o Por ltimo utilizou se a an lise de correla o cruzada entre os sinais das perturba es e as vari veis correlacionadas para identificar os atrasos de propag
59. m nima variabilidade a despeito de varia es nas demandas nas condi es de opera o e nas caracter sticas da mat ria prima e insumos Al m de permitir tais condi es um dos benef cios econ micos de se operar com uma variabilidade reduzida permitir a opera o do processo mais pr xima de certas restri es que tamb m representam pontos de maior lucratividade Braga et al 2006 A Figura 1 1 mostra o gr fico de tend ncia de uma vari vel de processo cuja variabilidade reduzida ap s melhoria em seu controle Inicialmente a refer ncia setpoint era mantida conservadoramente longe da restri o para evitar que a mesma fosse violada Ap s a redu o da variabilidade a refer ncia pode ser deslocada para um ponto mais pr ximo da restri o e tamb m um ponto de maior lucratividade Se existe uma fun o que relacione o ganho econ mico por unidade de deslocamento no ponto de opera o ent o poss vel quantificar o retorno econ mico ap s esta melhoria Embiru u 2004 Farenzena e Trierweiler 2006 discutem que a redu o da variabilidade numa malha n o pode ser considerada isoladamente ignorando se suas intera es com as outras malhas de controle do processo De fato o ganho econ mico obtido com a redu o de variabilidade numa malha pode ser perdido com o aumento causado em outra Introdu o 2 Vari vel de Processo RESTRI O 4 ATE ATE E TE rs s DV a V U S
60. m ximo de sua disponibilidade enquanto o alcatr o queimado numa vaz o constante de 500 kg h O GN utilizado como complemento quando a disponibilidade dos outros combust veis n o suficiente para atender demanda t rmica ou de maneira arbitr ria quando a ger ncia de opera o da CEMIG julgar ser esta a melhor condi o custo benef cio considerando se as regras de contrato de concess o de energia com a V amp M Tabela 4 3 Combina es t picas de mistura de combust vel utilizadas Modos GAF Nm3 h Alcatr o kg h GN Nm3 h 1 Somente GAF 38000 X X 2 GAF Alcatr o 38000 500 X 3 GAF Alcatr o GN 28000 500 1200 4 GAF GN 20000 X 1500 5 GN Alcatr o X 500 2500 4 1 4 ASPECTOS ECON MICOS E DE QUALIDADE O desempenho de uma caldeira pode ser avaliado basicamente pela qualidade do vapor produzido e pela sua efici ncia na convers o de energia Produzir com qualidade significa atender demanda de carga em tempo h bil gerando um vapor com press o e temperatura dentro de limites toler veis e adequados J a efici ncia de convers o est relacionada com o custo de opera o da caldeira O monitoramento cont nuo desses dois aspectos ser discutido nas subsec es seguintes Outros aspectos importantes s o a disponibilidade de equipamentos e os custos com paradas Este trabalho no entanto n o aborda a an lise dos mesmos Efici ncia energ tica
61. mitigar os efeitos de uma falta Se o sensor autovalidado os par metros do controlador podem ser reconfigurados de acordo com o status do instrumento como por exemplo Tabela 2 1 Reconfigura o de PID para sensor autovalidado Clarke 1999 Status do instrumento de medi o Modo do PID Clear Funcionando Normal Dazzled Emba ado Sa da congelada Blurred Ofuscado Dessintonizado de acordo com o grau de incerteza Blind Sem medi o Chaveado para modo manual Valida o de Equipamentos A degrada o de equipamentos tal como entupimento de filtros e incrusta o em trocadores de calor modificam a din mica do processo degradando o funcionamento da malha de controle Em alguns casos essas condi es podem ser detectadas por algumas medidas realizadas no processo e g pela medida de queda de press o sobre o equipamento Validac o Ampla de Malhas de Controle 10 e Valida o de Vari veis de Qualidade As vari veis de qualidade podem ser monitoradas por meio de alguma ferramenta de controle estat stico Se detectada uma mudan a de comportamento ou seja um padr o estat stico considerado anormal uma notifica o realizada e Detec o de Perturba es Perturba es que possuem potencial para serem Causas Especiais de varia o numa malha de controle devem ser sinalizadas Tais eventos podem ser detectados por meio do controle estat stico de res duos de vari
62. o 05 95 0 16 016 0 16 0 17 0 017 01 1779 6 84 35787 NaN 4209 2 Per odo 829 829 PIC135 Detec o 0 0 0 0 16 0 3333 0 16 0 50 0 33 0 0 3 Per odo Pic1a7 Detec o 0 0 16 0 083 05 083 033 083 o 10 048 o 2482 392 3591 10875 579 0 Per odo 95 8 95 8 66 0 Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 96 4 4 3 DETEC O DE ACOPLAMENTOS OSCILAT RIOS Nesta se o uma nova an lise de acoplamentos oscilat rios realizada por m de maneira alternativa utilizando se os m todos propostos na se o 3 3 1 Nesta abordagem os acoplamentos causados por dist rbio internos no sistema de controle s o identificados utilizando se ferramentas de An lise de Componentes Principais Espectral ACP Espectral e An lise de Ciclos Comuns J a causa da oscila o detectada por meio de testes intrusivos requerendo assim pouca ou nenhuma informa o a priori sobre o processo e sobre o controlador A Tabela 4 7 mostra o resultado da aplica o da ACP Espectral s duas faixas de frequ ncia as mesmas utilizadas na se o anterior numa massa de dados de 14 horas logo no in cio dos trabalhos Dentro de cada faixa o espectro foi subdividido em subfaixas para facilitar a localiza o no espectro de cada componente principal da ACP Na faixa de alta frequ ncia tabela da esquerda identificaram se duas componentes com acoplamentos oscilat rios com per odos em
63. o E a faixa de medi o PVmin e PVmax CO Vetor sa da de controle COf Vetor sa da de controle filtrado rj PAval Per odo de Avalia o segundos Ta Tempo de amostragem segundos 01 PVnorm 100 PV PVmin PVmax PVmin 02 PVnorm AL 100 PV AlarmeL AlarmeH AlarmeL 03 SPnorm 100 SP PVmin PVmax PVmin 04 ERRO SPnorm PVnorm 05 COf low filter CO filtro passa baixa de ordem 1 06 variabilidade 6 std PVnorm AL 07 desvio erro std ERROnorm 08 IE sum ERRO length ERRO 09 excurcaoCO sum abs diff COf PAval length CO Ta 10 auxl find CO 1 05 CO Low 11 aux2 find CO 20 95 CO High 12 saturacao 100 length auxl length aux2 length CO 13 dimensionamento std PVnorm std CO Figura 4 19 Algoritmo Matlab para c lculo dos ndices de desempenho de uma malha durante um per odo de avalia o Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 85 A Tabela 4 4 mostra os alguns ndices calculados numa base de dados de 14 horas de opera o da caldeira num momento em que ela operava de maneira est vel com carga m xima e queimando GAF e Alcatr o Em destaque na tabela aparecem as malhas PIC322 TIC327 e LIC302 Essas tr s malhas possuem uma variabilidade relativamente alta e s o malhas cr ticas com restri es de opera o que quando violadas ocasionam a para
64. o m todo de M nimos Quadrados M ltiplos Modelos Niu e Ljung 1994 Para agilizar a manipula o dos dados uma interface gr fica amig vel foi criada por um estudante do laborat rio para a manipula o do algoritmo Michel 2008 Uma tela desta interface mostrada na Figura 4 36 Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 105 nani Identifica o An lise e Modelagem by Hugo C C Michel Certifique se de que os sinais de entrada e saida foram salvos em u mat e y mat respectivamente Laborat rio de Valida o de Sistemas Sinais de Entrada e Sa da vs Modelo ARX Estimado Dados da Planta n s Menu de Identificac o Valor m ximo da sa da Ymax Dados do Estimador 1 Valor m nimo da saida Ymir 0 Ordem do modelo N 1 Valor m ximo da entrada Umas 1 Fator de esquecimento 8 0 99999 Valor m nimo da entrada Umin 0 Tempo morto r amostras 101 Intervalo de amostagem Ts seg 0 01 Clique para identificar o modelo r Menu B sico Identificar Nova Modelagem Conectar Eixos Plotar Dados Brutos Capture 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Menu de Valida o DecimarDados Aceitar Sele o 1 T T T Vigae pare piotat oe Lda Sinal de Saida i f E IM bro e e PR RD oecl Plotar Modelo ARX Estimado 1 inita Plotar Dados Normalizados A osb pa E Xinicial Xtina i Wil
65. ou seja est vel com carga m xima e queimando GAF e Alcatr o Para facilitar a compara o em destaque na tabela est o os mesmo campos que foram destacados na Tabela 4 4 Entre as tr s malhas mais importante da caldeira foram obtidas importantes redu es na variabilidade relativa em LIC302 de 53 6 para 10 7 e em TIC327 de 62 8 para 19 7 A Figura 4 61 e Figura 4 62 mostram gr ficos de tend ncia dessas duas malhas comparando se a dispers o antes e depois das mudan as realizadas J em PIC322 a redu o de variabilidade foi discreta de 56 para 44 e pode ter sido reflexo da redu o de variabilidade em outras malhas Apesar da redu o nos tempo de resposta das malhas de vaz o e conseq entemente a possibilidade de melhoria no desempenho regulat rio de PIC322 a sintonia do controlador de PIC322 n o foi modificada devido a impossibilidade de se realizar testes para modelagem matem tica Outros benef cios not veis do trabalho foram nas malhas de vaz o e press o de gua de alimenta o FIQ313 e PIC313 Em FIQ313 o novo ajuste do controlador reduziu e desvio padr o do erro de 0 82 para 0 18 e um ajuste na implementa o do controlador eliminou o offset medido pelo ndice IAE n o absoluto O principal ganho por m foi a redu o no esfor o de controle medido pelo percentual di rio de excurs o de sua v lvula de 2263 para 397 ou 22 63 aberturas hora para 3 97 aberturas hora Os gr ficos de te
66. pelo argumento da transformada de Fourier das s ries temporais conforme rela es descritas em Thornhill et al 2002 Observa o comum durante a aplica o dos dois m todos citados para detec o de acoplamentos a ocorr ncia de coincid ncias ou seja malhas de controle com ciclos comuns de oscila o mas que n o t m nenhuma rela o f sica Por isso essa an lise deve ser realizada em conjunto com entendimento sobre processo e conhecimento do layout da planta 3 3 4 DIAGN STICO DE CAUSA RAIZ DE OSCILA O Uma revis o de t cnicas e m todos encontrados na literatura que se mostram adequados para o diagn stico de oscila es em malhas de controle apresentada nesta subse o V rias s o as causas poss veis para estas oscila es quais sejam Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 38 e Ajuste inadequado do controlador Uma malha de controle tem resposta oscilat ria se tiver p los complexos em malha fechada A frequ ncia dessa oscila o est relacionada com caracter sticas do processo mas seu grau de domin ncia pode ser determinado pela sintonia do controlador Se este grau for elevado uma malha sujeita a constantes perturba es tender a apresentar um persistente comportamento oscilat rio e Histerese Backlash Perda de movimento de um instrumento durante revers es devido a folgas existentes entre partes de contato mec nico e Agarramento Stiction Efeito de atrito est
67. sensitividade da malha e a partir dela obter os dados mostrados na Figura 3 14 Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 46 Ho et al 1998 apresentam uma express o para o c lculo direto de we Considerando um modelo para um processo equa o 9 controlado por um controlador PI que implementa a equa o 10 kp tST1 s0 equa o 9 Gy s e Gols ke 1 T a equa o 10 A frequ ncia cr tica w pode ser aproximada pela express o 1 T 2 4WcTi 4Wct1 w 0 0 equa o 11 Thornhill e H gglund 1997 tamb m citam que uma evid ncia de oscila o por sintonia a identifica o de um padr o el ptico no gr fico de espalhamento SP PV Este diagn stico entretanto depende de dados em que h varia es suficientes na refer ncia de controle C Oscila o causada por carga Conforme j mencionado se uma oscila o gerada num ponto do processo ela pode se espalhar afetando diversas malhas de controle Neste caso diz se que a malha oscila por carga e a intensidade com que isso ocorre depende de sua fun o de sensitividade N o existe na literatura um m todo espec fico para diagn stico de uma oscila o por carga A alternativa neste caso pelo m todo da exclus o Se n o foi diagnosticado nenhum problema com o atuador e a sintonia do controlador considerada adequada ent o por exce o a malha diagnosticada como oscilando por carga A dificul
68. temporal implementado em Microsoft Access e manipulado por uma aplica o Elipse9 Este banco registrou com amostragem de 1 segundo os tags de todas as malhas e de diversas outras vari veis de interesse durante os 3 meses de execu o do projeto 52 00 52 00 46 00 PN PES NEM NER MEME Ec cM EN s 57 000 00 57 000 00 51 000 00 51 000 00 61 10 n 60 40 60 40 70 00 68 00 68 00 70 00 65 00 67 00 rac fe AHH 67 00 65 00 1 qua 24 9 2008 11 30 33 057 00 08 10 149 qua 24 9 2008 11 38 43 207 Name Description Scale Range Sample Freq Eng Units Last Value FCS0101 LIC302 PV CONTR NIV TUB SUPM6 00 52 00 00 00 00 001 49 56 FCS0101 FIQ313 PV CONTROL VAZ AGUA 51 000 00 57 000 00 00 00 00 001 KGIH 50 091 71 IFCS0101 PIC313 MV PRESS BBA AGUA 91 00 94 00 00 00 00 001 91 69 FCS0101 PIC313 PV PRESS BBA AGUA 66 00 68 00 00 00 00 001 BAR 66 60 IFCS0101 PIC313 SV PRESS BBA AGUA 60 00 70 00 00 00 00 001 BAR 66 62 FCS0101 PI343 PV PRESSAO TUBULAO 60 40 61 10 00 00 00 001 BAR 60 49 Figura 4 35 Ferramenta utilizada para supervis o dos testes Ap s os testes de modelagem a estrutura do modelo foi definida de acordo com o controlador a ser utilizado com modelo matem tico de primeira ordem com tempo morto para controladores PI e modelos de segunda ordem com tempo morto para controladores PID A identificac o dos par metros de cada modelo foi realizada utilizando
69. torno de 20 segundos Eles incluem as malhas LIC302 FIQ313 e PIC313 J na faixa de baixa frequ ncia as malhas FIQ311 PIC323 LIC302 FIQ313 e PIC313 aparecem acopladas com ciclos em torno de 800 segundos Tabela 4 7 ACP das malhas da caldeira Vari veis Alta Frequ ncia Baixa Frequ ncia CP3 CP2 CP1 CP4 CP3 CP2 CP1 FlQ102 PV 0 2 0 3 0 8 0 9 5 3 9 1 9 FIQIO3 PV 0 3 0 4 3 8 0 1 0 8 3 5 3 0 FIQ101 ERRO 3 0 0 3 3 0 3 0 0 3 7 3 0 FIQ101 MV 0 3 4 2 1 0 0 1 FIQ311 ERRO 3 0 2 1 188 02 FIQ311 MV 1 6 34 0 3 3 2 C341 ERRO 1 0 3 9 12 7 0 3 PIC341 MV 0 2 48 0 3 3 9 FIQ313 ERRO 2 7 24 31 FIQ313 MV 2 9 2 2 2 9 PIC313_ERRO 2 1 2 5 3 0 PIC313 MV 24 41 0 3 E PIC322 ERRO 1 4 1 3 4 3 2 0 13 9 0 6 3 2 PIC322 MV 1 0 1 3 4 0 0 4 2 4 LIC302 ERRO 2 8 R o 2 0 3 2 LIC302 MV 2 6 0 6 2 3 3 0 PIC342 ERRO 0 5 0 9 3 8 1 0 0 3 PIC342 MV 15 2 1 5 6 12 0 1 PIC323 ERRO 54 0 1 4 7 157 05 PIC323 MV 3 9 0 0 5 0 2 7 0 6 TIC327 ERRO 1 8 1 2 3 6 0 9 0 3 TIC327 MV 0 8 14 48 4 0 0 PCI GAF 0 9 0 7 3 7 2 9 5 5 informa o 8 1 18 3 39 1 5 2 8 4 d E amplitude 0 6 0 8 0 8 0 0 3 per odo 21 2 21 2 99 0 _ o 801 7 J na An lise de Ciclos Comuns foram identificadas no espectro de baixa e alta freq ncia das vari
70. veis as tr s regi es ou n cleos com maior participa o no espectro Na ferramenta gr fica mostrada na Figura 4 27 que considera apenas os n cleos com maior representatividade Amp gt 0 2 os resultados s o parecidos com aqueles obtidos com a ACP Espectral com um grupo de acoplamentos em torno de 20 Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 97 segundos FIQ313 PIC313 e LIC302 e outro em torno de 800 segundos LIC302 FIQ313 e TIC327 Acoplamentos de Alta Frequ ncia Setembro Amp 0 30 19 3 24 Amp 0 39 19 3 24 8 Amp 0 19 19 9 25 8 Ampo 011704 1365 2 Bo a 00 Amp 017 1704 1365 2 ese am mp823 7123 862 2 Am6014 1239922 cigana Amp 7446 9104 e Eee J Amen 7S cus LL LS Amp AS 712 3882 2 SN a id E n Amp 0 10 630 1 780 1 DS ues AmpO13 63017801 1 RN 900 1000 per odo em segundos Figura 4 27 Acoplamentos oscilat rios de alta freq ncia A e de baixa freq ncia B O pr ximo passo buscar identificar a causa raiz para as oscila es identificadas realizado por meio de testes intrusivos Diagn stico de causa raiz para acoplamento de baixa freq ncia A Figura 4 28 mostra a tend ncia dos sinais de SP e PV das malhas LIC302 FIQ313 e TIC327 onde ocorre o acoplamento de baixa freq ncia Nas duas primeiras o ciclo de aproximadamente 800 segundos bem vis vel no gr fico de tend ncia gr ficos A e B mas n o em TIC327 gr
71. 2 2 2 222 24 22 22 2 c c c cccRI I ee r 2 2e4e 2 2 05 0 4 ET2LIDMTADTTITII STO fes be Yee Ey T 1 PT e y Amp D 13 849 941 AmpO34 857 884 mesa 70000 65 70 75 80 periodo em segundos 85 90 95 Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 122 Acoplamentos de Baixa Frequ ncia Outubro a got er ance en dm Mr m e J sic ZE SEA A queo ef dad quomm m n eom f n evan er 1 Lr aki ac ee n a t a EN EPUM n Mm SP er e gx gue en mont n rU m peanae i Amp013 8191 10239 rao Amp 0 25 780 1 963 5 reo n qo en am QU E UDIN Pyme dd ec id ARES SP OV SEE ST On dd A Di en gogo ene gogo ocn LRQ PESA a LC iar dd ibid api ras Amp 0 26 7801 9636 16300 Amp 0 30 819 1 40239 D i ana MAP i a PR Ego i E PA Ep aA i A i O aA aA PAR pa e O a i AUREAM E EU RE RSS RN RE FlG103 Amp 0 34 234 0 282 5 E 0 E RERESET r T X al aenesenane auto se PIC137 Amp 0 28 2340 2925 l l L l l 300 400 500 600 700 800 900 1000 per odo em segundos Figura 4 65 Acoplamentos oscilat rios de alta freq ncia A e de baixa freq ncia B A an lise tamb m mostra no entanto que o processo passou a apresentar um novo acoplamento com per odo em torno de 300 segundos nas malhas da linha de alcatr o FIQ103 PIC137 e PIC135 Essa oscila o come ou a existir devido a impurezas presentes no combust vel e apesar de o
72. 212U313413 U ewnyuau 3ANOY ogu 35 JEDJ1J3A BCOE1I12 VZOELI1 JOpIpaul oe Sergeja 5IIN32 SVA5 soqe 1e32au0353qg sepeJjus seu og isinbe ap ezed ep soge gt 1e323u0 o3neuio3ne esed 0 2I14J0pe o3u023 J2U10331 Q3Qs no 1ossiusueg ou 5IIN32 SVA5 Ad 9p ON O WOI JeyoA oy 12 0uaH enueu esed 70 2I1J0pe o4ju02 JesAeu 5IIN32 SVA9 7315310 Jelpv rA wa eJado L o 10pa2ar ou eqea ap og5e353 000 S 2uled og5isinby ap e2ejd Li vl v eujo3 eJrapje ep 3 0431u0 ap Seye sep euoupny esed sajsa sop oe5y ap oueld T Og5si a2H 0JI2JJeg OP PII euis ep ejduy oe5epi eA ap ojafoJd 385 722922 Ue w 29fZ LOrE LE FL tOmOLT ES JSD SST SPT L299 Top Stores wr seulajsis ap og3epi eA ep odnig eueyusgus ap e 0253 8g00z 60 tz eea SIBJ39 SBUIIN sp BJapa J 3DBDISIZAUN ANEXO B EXEMPLO DE PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS CONTINUACAO suspuag 34 epejaue v5 epinpuo 03 snes exieg c SPAN Z ev 1 9 pepuoug epua SIBUIBIJO S3J0 BA snas esed jope o 3uo3 5JIIN32 SVA5 op soJ3auiejed so JeuJ033H seJOU Z souaui ojad Jod epmsisse og5ejado Jelu o3gpuioiny esed Jopejoguo gt JB3ABUD SIBUIBIIO sogjauie jed jeu4033 Bjuein as ap Jojeawn sieulgiJO S3J0 2A so esed esed AIN Jegsnfy enuen epies ap s pw so J2UJ0 313 eyjew ep ojuaueuolDunjo 5JIIN32 SVA5 esed jopejo3uo2 Jeaneyp JBJOJIUO A O33eUu03ne esed 72 51 Jope o43u03 JesAeu Bundas og5ejado ap exiej euin eed j0pejog3u02 op epies ap sa3iuij Jeys
73. C302 Vari ncia PIC322 Vari ncia PIC313 Vari ncia FIQ313 Vari ncia PIC341 Vari ncia FIQ311 Vari ncia FIQ103 Vari ncia FIQ101 Figura 5 2 An lise de Componentes Principais relacionando vari ncia do erro das vari veis e grau de sujeira do filtro de alcatr o Projeto de um Modelo para Valida o Ampla da Caldeira 5 2 PROJETO DOS VALIDADORES Com os resultados do mapeamento realizado na se o anterior em conjunto com as informa es obtidas durante a auditoria das malhas de controle foi poss vel construir uma rvore de falha para a caldeira conforme mostrado na Figura 5 3 PM S Ea 5 cid do s Estabilidade Efici ncia s 1 1 m N Gera o w P M Energ tica A P 2 Vari veis de Qualidade da Caldeira 3 Pos mim mia huma N 1 1 1 I 1 A 1 M 1 TIC327 1 4 PIC322 Rela o Conc FlQ103 PIC137 E E k b r i erro ro erro a Ar Comb oa RP X equepe lacu dama E qosparao JEme des dieses 41 4 Po ua A i us Ap P Mp E M i y CU pp jude DR E S 1 xa Pula postiga ecu f pialat Ata E p 14 4 1 Malhasde 103 tuc3o2i pica41 17 7 V niii i FHQ101 7 Ri PIC342 N Y Controle 1 uf 1 bon Do7 H i 1 1 1 V PEE 7 7 P q p r ER r A 4 1 i r 1 d T H PA 1 LI i H E Loo M ap 1 SP q IM E M E ME P L 1 Y 1 1 1 Py 4 A AR E a MAsces X e e E NS B NOS i 1
74. ETPOINT NOVO SETPOINT ANTIGO CONTROLE MELHORADO ae CONTROLE RUIM Tempo OPERA O NORMAL REDU O DAS VARIA ES OPERA O MAIS PR XIMA DO LIMITE Figura 1 1 Redu o da variabilidade e opera o mais pr xima de restri es Fonte Embiru u 2004 indiscut vel a import ncia dos sistemas autom ticos de controle regulat rio nos custos e na qualidade de produ o Por m em aparente contraponto na maioria das plantas industriais os sistemas de controle n o conseguem desempenhar adequadamente o seu papel ou pelo menos operam com desempenho distante do ideal Um estudo realizado em f bricas de papel e celulose revelou que de todas as malhas de controle 30 s o oscilat rias devido a problemas em v lvulas 30 est o mal sintonizadas 20 t m problemas de projeto e apenas 20 t m um comportamento aceit vel Bialkowski 1992 E embora muitos m todos de sintonia sejam propostos na literatura 25 dos controladores operam com ajustes default de fabricantes e outros 30 operam em modo manual Willis 1998 J outro levantamento detalhado realizado com mais de 700 malhas de controle de 12 diferentes companhias brasileiras constatou que Torres et al 2006 e 14 das malhas operam desgastando excessivamente seus atuadores e 15 das v lvulas possuem problema acentuado de agarramento e histerese e 16 dos controladores operam em modo manual Par metros de controladores PID s o geralment
75. Este um valor intermedi rio 3 vezes maior que o tempo de acomoda o de PIC137 com o filtro limpo e duas vezes menor que o tempo de acomoda o de PIC137 para filtro sujo Sequ ncia de testes para FIQ103 660 640 D 620 amp 600 580 CO 94 Roc o N tempo segundos Figura 4 59 FIQ103 Seq ncia de teste em malha aberta Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 119 FIQ103 Resposta a mudan a de SP Modelo 1 Par metros PID Par metros iL ordem Original PID Novos o ma mem K 1 33 PB 20096 PB 1000 ran a sintonia Onginal t 31s Ti 15s Ti 31s S Nova Sintonia z 9 3s Td 0s Td 0s E 1 Ta 1s Ta 200 ms fu Tf 1 44s Tf 288 ms a K ganho do processo t constantes de tempo 02 8 tempo morto PB banda proporcional i Ti tempo integral Td tempo derivativo Ta tempo de amostragem Tf const de tempo do filtro 0 1 1 1 1 1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 tempo s Figura 4 60 FIQ103 Resposta ao degrau no SP e par metros de sintonia Tempo de acomoda o de 100 segundos 4 6 RESULTADOS A Tabela 4 8 mostra os ndices de desempenho das malhas de controle da caldeira ao final da auditoria das malhas Para possibilitar a compara o com os ndices calculados no in cio do trabalho Tabela 4 4 utilizou se uma base de dados com o mesmo tamanho 14 horas e com a caldeira operando em condi es semelhantes
76. IC302 e TIC327 Acertadamente o evento atribu do a esta ltima conforme indicado pelas cartas de controle das sa das destas vari veis A Figura 5 6 ilustra uma simula o de como seria a indica o do evento na rvore de falha O s mbolo com um ponto de exclama o em FIQ313 e PIC313 indica a detec o de uma Causa Especial para o erro de controle J em TIC327 o s mbolo com uma m o indica que o controlador operou em modo manual Pv SP Controle da press o de bombeamento PIC313 68 T T 71 _ 66 ENS I esl nen tr EA s 0 2 6 8 10 12 14 x 10 Malha de controle de vaz o de gua FIQ313 5E T T T Jd E 5 45H t diu H New nta a EV PAPA V vete ppa une pr Pun 3 5 k 1 l I l 1 1 0 2 4 6 8 10 12 14 Malha de controle de temperatura do vapor TIC327 T T T 3 460 A B f LA dio nah Ms fa AAA A m ads A POA RR TEE n Laa O asoj TATY PA pilar s Pos U MOM UN Ve ers MEVS V Pen Apoia vie m 3 E V UM y V y V V I S moh a ic I li l I 0 2 4 6 8 10 12 14 Malha de controle de n vel do tubul o LIC302 55 Dad n A h A su PM XAR pA ed Tests et NA PAIS ge Pil A 45 l l 0 2 4 6 8 10 12 14 tempos horas Figura 5 4 Gr ficos de tend ncia temporal de PIC313 FIQ313 TIC327 e LIC302 Projeto de um Modelo para Validac o Ampla da Caldeira 130 Re
77. ILAT RIOS Sinais com comportamento oscilat rio n o s o localizados no tempo e a transformada de Fourier e o espectro de pot ncia prov m um caminho natural para sua an lise Segundo Thornhill et al 2002 ferramentas de an lise no dom nio da frequ ncia t m v rias vantagens em rela o s an lises no dom nio do tempo apresentadas na se o 3 3 1 Elas prov m melhoria na rela o sinal ru do se o conte do de frequ ncia de interesse ocupar uma faixa estreita de frequ ncia se comparado com o ru do Al m disso o espectro de frequ ncia invariante a atrasos de transporte ou deslocamentos de fase causados pela din mica do processo E tamb m pouco sens vel a falhas na coleta de dados ou outliers j que a transformada de tais efeitos espalhada por todas as frequ ncias no espectro Ser o apresentados a seguir dois m todos para identifica o de Acoplamentos Oscilat rios baseados no dom nio da frequ ncia a An lise de Ciclos Comuns e a An lise de Componentes Principais Espectral M todo 1 An lise de Ciclos Comuns Este m todo encontrado em ferramentas comerciais de monitoramento de malhas de controle tais como PlanTriage Process Doctor e Protuner consiste em identificar as principais componentes de frequ ncia de um sinal concentra es no espectro de frequ ncia e em seguida agrupar aqueles sinais que possuem componentes com per odos coincidentes Torres et al 2004 e Mitchell et a
78. JSa ojueJnp SOPeJ9 0 saJo eA ap exie4 xew ul menn sopeure amp oJd sapu XEN MN ntn og3enge ep exie4 09 Xe tuna S9 s9 ojueJnp SOpe 9 0 saJo eA ap exiej xew ly mme oxieq suueje op exis xew JUN p oe5ipaui op exie4 Ad to SOUBUSOO epepieno ZL Ll 8 X tJoH eieg tnN So j9PoiN 21521 DpDo ap op5vanp og ung ousa u omno ozjow y ejejsuo 3urod jes op ezeunjeN oIpeiw 9jo3u02 dS 9p quewesmnsey eSueunbes oeSeinDes ejou02 ep oAnefad op uoseq SEET 9p 04DLUSseq assjonno sneiBsp Jopenge op oj59 epezilnn sasa ap ersusnbas Sel very onameg Op eoru euis ep e dury og5epi eA op ojolo1q ogstaoy Seg OP mfuous OLN v S ELS SPUIS SIS ep og3epi EA ep odu QWAN vLrequasu ap e oosq PRA SIBISL SEWN op EJepe 4 epepisieAtur ANEXO B EXEMPLO DE PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS PARA TESTES EM MALHA ABERTA auuapuad Id epejeaue v EpPNpUC 0D SNIS o30euiojne esed 0 2I140pejo43uo J2U1079 o2neuiojne esed ETEDI ap JopejoJ4uoo Jesseg e5ueun83s ap JojeneJed ETEDIS 3p uiodjas jeysnfy 2g00z 60 z eea exieg CIP z ev T 9pepuong epuase ETELId uis epipaui 0gssaJd eu saoSeijeA znpa oge 3sa s Je23J113A enueui eed T DIJ Jopejog3uo2 JesAeu IN v ETEDI LT SIN 52331531 JIA wa 3352 Jezijeay ETEDI ET jenuew eyed z0 211 40pejog3u
79. NAIS Na metodologia para auditoria proposta a identifica o de acoplamentos entre malhas de controle colocada como passo essencial para identificar quais s o as causas ra zes de oscila es que se propagam pelo processo aumentando a variabilidade das malhas de controle Apresentaram se duas metodologias que podem ser utilizadas de maneira complementar Uma delas bem difundida na literatura cient fica prop e detectar as malhas oscilat rias processo que pode ser realizado automaticamente com m todos citados na se o 3 3 2 Em seguida a causa da oscila o diagnosticada utilizando m todos espec ficos para diferentes tipos de problemas conforme citados na se o 3 3 4 Esta metodologia por m fica limitada diante da complexidade de um sistema de controle em que as malhas interagem entre si Diferentes causas de oscila o se sobrep em e os m todos em geral n o est o preparados para lidar com situa es onde as malhas de controle oscilam com m ltiplas causas Da a import ncia da utiliza o em paralelo dos m todos de An lise de Ciclos Comuns e ACP Espectral citados na se o 3 3 3 Estas ferramentas s o capazes de detectar acoplamentos com m ltiplas causas e fornecem informa es sobre em qual faixa de frequ ncia os acoplamentos ocorrem com maior intensidade A partir dessas informa es os m todos para detec o e diagn stico de oscila o podem ser aplicados separadamente para cada uma dessas
80. Plotar Dados Decimados dl PEMPPEEWIA MM pr J oos Volet Xinicial 221 final szar 2h AR T NE REDE TS Uoffset 0 0011111 Yoffset 0 0022624 9H Clique para validar o modelo o DM LIDAR ORA DRA E ER SSB a EA a i l l i 1000 2000 3000 4000 5000 8000 n amostras F T do Modelo em Z ies z Won FT do Modelo em S E Ben Bienne ez G z 0 937 191 EE IB E G s 09370 1 AoT PER T1 0 T2 0 T3 0 T4 0 T5 0 T6 0 T2 0 T8 0 TO 0 T10 0 TH 0 T12 0 T1 1 4839 x Figura 4 36 Interface gr fica para manipula o do algoritmo de identifica o utilizando m nimos quadrados m ltiplos modelos O algoritmo PID do controlador utilizado Yokogawa CS3000 mostrado na equa o 1 onde AT corresponde ao per odo de amostragem TI o tempo integral em segundos TD o tempo derivativo em segundos PB a banda proporcional En corresponde ao erro de controle na atual amostragem e K um fator de normaliza o para que o erro originalmente em escala de engenharia opere numa escala de O a 100 Trata se de um algoritmo incremental onde se computa a cada amostragem um incremento para ser somado na atual a o de controle MV e com uma estrutura dependente ganho proporcional em evid ncia 100 AMV x K AEn En Z2 A AE Equa o 1 Para o ajuste dos par metros de sintonia do controlador PB TI e TD foi desenvolvida uma rotina de c lc
81. Simple Test to Confirm Control Valve Stiction IFAC World Congress 2005 Julho 4 8 Praga Choudhury M A Thornhill N Shah S L 2001 A Data Driven Model for Valve Stiction Choudhury M A Thornhill N Shah S L 2005 Modelling valve stiction Control Engineering Practice 13 2005 641 658 Refer ncias Bibliogr ficas 137 Choudhury M A Thornhill N F 2004 Diagnosis of poor control loop performance using high order statistics Automatica 40 2004 1719 1728 Clarke D W 1999 Sensor Actuator and Loop Validation IEEE Control Systems Magazine 15 4 39 45 1995 Cobas V R M Controle de Usinas Termel tricas Nest material de uso interno Coelho A A R Coelho L S Identifica o de Sistemas Din micos Lineares Editora da UFSC 2004 Dukelow S G 1991 The Control of Boilers 2nd ed Instrument Society of America USA 1991 Embirucu M 2004 Avalia o Econ mica de Projetos de Controle e Automa o Curso de Especializa o em Instrumenta o Automa o Controle e Otimiza o de Processos Cont nuos Escola Polit cnica da UFBA Equipacool Sistemas Manual de Opera o e Manuten o para a Caldeira a G s de Alto Forno da UTE Barreiro Fazenzena M Trierweiler J O 2006 Variability Matrix A New Tool to Improve the Plant Performance Adhem Gramado Brasil Abril de 2006 Forsman K Stattin A A new criterion for detecting oscillating in control loops Eu
82. Thornhill et al 2002 A id ia no caso remover previamente os deslocamentos das vari veis em rela o a uma vari vel eleita como refer ncia antes da aplica o da ACP Outra solu o mais simples aumentar o tamanho da janela de dados at que ela tenha um tamanho muitas vezes maior que o intervalo do deslocamento temporal entre os dados M todo 3 Correla o Cruzada para estima o de deslocamento temporal Considerando novamente os dados da Figura 3 3 sabe se que a vari vel 2 respons vel pelas varia es nas vari veis 3 5 e 7 interessante neste caso conhecer o tempo decorrido at que uma varia o nestas vari veis seja sentida pelas demais Isso auxilia por exemplo no estudo de viabilidade de implementa o de mecanismos de compensa o direta Uma maneira de se determinar esses tempos o c lculo da fun o de correla o cruzada FCC entre a vari vel de refer ncia nesse exemplo a vari vel 2 e as demais vari veis e em seguida identificar em qual deslocamento lag ocorre o valor m ximo absoluto dessa correla o Este deslocamento corresponde ao atraso de tempo entre as vari veis ver Anexo C A Tabela 3 3 mostra os resultados A segunda coluna mostra o coeficiente de correla o m ximo entre a vari vel 2 e as demais na escala de 100 a 100 e a coluna 3 lag mostra o deslocamento no tempo onde ocorre esse m ximo Conclui se que uma varia o na vari vel 2 sentida instantane
83. UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS ESCOLA DE ENGENHARIA PROGRAMA DE P S GRADUA O EM ENGENHARIA EL TRICA Metodologia para Auditoria e Valida o Ampla de Malhas de Controle Estudo de Caso para uma Caldeira Industrial DISSERTA O DE MESTRADO L cio F bio Dias Passos Belo Horizonte MG Abril de 2009 UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS ESCOLA DE ENGENHARIA PROGRAMA DE P S GRADUA O EM ENGENHARIA EL TRICA Metodologia para Auditoria e Valida o Ampla de Malhas de Controle Estudo de Caso para uma Caldeira Industrial Disserta o apresentada ao programa de p s gradua o da Universidade Federal de Minas Gerais como requisito para a obten o de t tulo de Mestre em Engenharia El trica ORIENTADORA Profa Carmela Maria Polito Braga D Sc Banca Examinadora Profa Carmela Maria Polito Braga D Sc UFMG Orientadora Prof Ronaldo Tadeu Pena D Sc UFMG Examinador Interno Prof Jorge Ot vio Trierweiler D Sc UFRGS Examinador Externo Agradecimentos Agrade o primeiramente Prof Carmela minha orientadora pelos ensinamentos pelo entusiasmo pelo exemplo de dedica o e principalmente pela confian a depositada em mim Tamb m agrade o ao Prof An sio pelos ensinamentos e id ias geniais que tanto me inspiraram Em segundo gostaria de agradecer aos meus colegas do LVAS Hugo Laura Rafael Mateus e a Prof 2 Patr cia pela amizade e ajuda durante os testes na usina Gos
84. Uduehi D amp Johnson M A 2007 Process Control Performance Assessment From Theory to Implementation Springer Verlag Pryor C 1982 Autocovariance and power spectrum analysis Control Engineer Oct 1982 103 106 Ruel M 2000 Stiction The Hidden Menace Control Magazine November 2000 Ruel M 2003 Using filtering to improve performance Presented at ISA EXPO 2003 21 23 October 2003 in Houston TX http www isa org S Jamsa Jounela S Polkonen R Georgiev Z Zuehike U Halmevaara K 2002 Evaluation of Control Performance Methods and Applications Proceedings od the 2002 IEEE International Shinskey F G 1998 Process Control Systems Application Design and Tuning Singhal A Salsbury T 2005 A simple method for detecting valve stiction in oscillating control loops Journal of Process Control 15 2005 371 382 Swanda A P e Seborg D E 1999 Controller performance assessment based on setpoint response data Proceedings of the American Control Conference pp 3863 3867 Thornhill N F H gglund T 1997 Detection and Diagnosis of Oscillation in Control Loops Controle Engineering Practice Vol 5 10 pp 1343 1354 1997 Thornhill N F Huang B Zhang 2003 Detection of multiple oscillations in control loops Journal of Process Control 13 2003 91 100 Thornhill N F Shah S L Huang B Vishnubhotla A 2002 Spectral principal component analysis of dynamica proc
85. a es de causa e efeito entre malhas de controle as vari veis de qualidade e as poss veis causas de perturba o e Caracteriza o das condi es operacionais que influenciavam no comportamento do sistema de controle e Realiza o de testes para obten o de modelos matem ticos para as malhas de controle Boa parte desses levantamentos foi obtida por meio da metodologia proposta para Auditoria de Malhas de Controle Para identifica o das Causas Especiais de variabilidade de cada elemento validado tarefa mais dispendiosa do processo o uso de ferramentas computacionais operando numa base hist rica de opera o se mostrou bastante eficaz Conclus o e Direcionamento para Trabalhos Futuros 134 Entre essas ferramentas o uso de An lise de Componentes Principais a partir de uma base hist rica contendo medidas da variabilidade do erro das malhas de controle e dos res duos das vari veis de qualidade foi especialmente importante Esta abordagem permitiu a inclus o de eventos discretos na an lise tais como acionamento de equipamentos grau de obstru o de filtros tipo de combust vel entre outros Tamb m importante ressaltar que um sistema validador ao avaliar desempenho baseado num padr o estat stico de refer ncia n o tem o prop sito de verificar o grau de otimalidade do processo mas sim de averiguar se ele opera em condi es normais e sinalizar a origem do problema em caso de falta Por isso inicialme
86. a o Este estudo til para avaliar a possibilidade do uso de compensa o direta A Tabela 4 5 mostra na coluna Lag os intervalos de tempo entre a ocorr ncia dos dist rbios externos e seu impacto nas vari veis com que eles se correlacionam A an lise mostra por exemplo que a varia o no SP de gera o ir impactar no n vel da caldeira ap s aproximadamente 4 minutos e que varia es no PCI ir o afetar a concentra o de O ap s 7 minutos Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 90 Tabela 4 5 Correla o cruzada entre os principais dist rbios e o sistema regulat rio SP de gera o PCI do GAF Press o GAF PI101 TAGS Coeficiente Lag Coeficiente Lag Coeficiente Lag FIQ101 MV 71 19 FIQ311_MV 81 72 FIQ313 MV 86 249 PIC322 MV 85 110 LIC302 MV 88 235 PIC342 ERRO 86 8 AIC301 79 440 FY301 97 20 PI101 X X TI329 76 210 PCI GAF X X SP GERA O X X 4 4 2 DETEC O DE OSCILA O E DIAGN STICO DE CAUSA RAIZ Al m das perturba es associadas a dist rbios externos e interven es operacionais uma parte da variabilidade das malhas est relacionada com dist rbios internos criados pelo pr prio sistema de controle Conforme discutido no cap tulo 3 uma abordagem para tratar o assunto a aplica o de m todos autom ticos para detec o e diagn stico de causa raiz das oscila es e de m todos para id
87. a Caldeira 91 e M todo 4 Detec o de oscila o por agarramento de v lvula proposto por Horsch 1999 e M todo 5 Detec o de oscila o por agarramento de v lvula proposto por Singhal et al 2005 A Figura 4 25 mostra a implementa o dos m todos 1 2 e 3 usados para detec o de padr o oscilat rio em s ries temporais Os algoritmos seguem exatamente os procedimentos propostos nos artigos e apresentados na se o 3 3 2 Antes da aplica o de cada m todo por m necess rio realizar a pr filtragem dos dados para selecionar a faixa de frequ ncia com ciclos acima ou abaixo de 100 segundos No caso do m todo 3 tamb m foi necess rio a remo o de cruzamentos esp rios de curta dura o e o crit rio utilizado foi eliminar aqueles cujo intervalo menor que 20 do maior intervalo de cruzamento m todo 3 linha 10 A implementa o Matlab dos dois m todos para detec o de oscila o causada por agarramento de v lvula s o mostrados na Figura 4 26 Seguiram se os mesmos procedimentos propostos nos artigos Em ambos por m foi necess rio um pr processamento para minimizar o efeito de ru do de medi o principalmente no m todo 5 que opera diretamente com os dados da s rie temporal Metodo 1 Thornhill at all 2003 01 ERRO ERRO mean ERRO remo o do valor m dio 02 ACF xcorr ERRO ERRO c lculo da FAC considerando apenas a segunda parte da FAC 03 ACF ACF
88. a Figura 4 5 2 Melhoria no controle estequiom trico Na se o 4 2 9 foram identificadas algumas limita es na estrat gia de combust o que causam incoer ncias na raz o estequiom trica O aumento no excesso de ar no caso de satura o do combust vel e o uso de fatores estequiom tricos constantes em contraste com o uso de um combust vel cujo poder calor fico vari vel g s de alto forno As solu es sugeridas na se o 4 2 10 s o altera es na estrat gia de controle com Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 101 o uso parcial de duplo limites cruzados e corre o autom tica de fatores estequiom tricos 3 Sele o autom tica da mistura de combust veis A efici ncia energ tica pode ser melhorada com a uso de uma estrat gia que minimize automaticamente o uso de combust veis mais caros no caso o g s natural 4 Elimina o das oscila es no circuito de gua Boa parte da variabilidade medida nas malhas do circuito de gua LIC302 FIQ313 e PIC313 resultado de oscila es produzidas por ajuste inadequado do controle de n vel LIC302 problema que pode ser corrigido com um ajuste de sintonia do controlador e a filtragem da medi o de n vel para eliminar do sinal as varia es de alta frequ ncia em decorr ncias das ondula es do l quido no tubul o Vale ressaltar que uma melhor regula o dessas malhas pode indiretamente reduzir a variabilidade de outras
89. a ao degrau no SP e par metros de sintonia TIC327 Controle da temperatura do vapor superaquecido A modelagem matem tica desta malha foi a mais desafiadora Mesmo operando o sistema de combust o em modo manual para evitar varia es na temperatura do vapor gerado a malha submetida a constantes perturba es de carga relacionadas com varia es na vaz o do vapor produzidas pelo controle da turbina Al m disso os testes eram demorados devido din mica lenta do processo tempo do transit rio superior a 500 segundos Foram realizadas diversas tentativas com testes ao degrau testes duplo pulso e at mesmo utilizando sinal de teste do tipo PRBS Este ltimo foi realizado com uma seq ncia que durou duas horas mas ficou inadequado para modelagem pois necessitaria de seq ncia bem mais extensa para ser capaz de relevar os efeitos da perturba o A Figura 4 43 mostra uma seq ncia de testes ao degrau realizada num momento em que o processo operava de maneira bastante est vel Nela foram considerados 5 testes como sendo pass veis de modelagem pelo fato da perturba o n o ter sido excessiva Em destaque na figura est o momentos em que notadamente ocorreram perturbac es de carga com amplitude compar veis quelas produzidas pelos testes 3c ia yh te PES Sinal bin rio pseudo aleat rio Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 111 Sequ ncia de testes para TIC327 Resposta ao degr
90. a automaticamente compensando as varia es na temperatura enquanto os operadores ficam respons veis em atuar manualmente no sistema caso o valor medido por TI601 atinja algum limite de alarme Uma alternativa para tornar esse controle totalmente autom tico conforme mostrado na Figura 4 7 em linhas pontilhadas o emprego de um segundo Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 72 controlador TIC601 com o papel de ajustar a temperatura logo antes da turbina atuando como mestre de TIC327 Este ltimo podendo ter apenas ac o proporcional continuaria com o papel de atenuar prontamente as varia es de temperatura provenientes da caldeira 4 2 5 CONTROLES DE ADI O DE GUA NO TUBUL O O n vel de gua do tubul o superior deve ser mantido em torno de 50 da capacidade do reservat rio com uma toler ncia de varia o de 15 segundo manual de opera o do fabricante Uma queda no n vel acima deste valor pode danificar a caldeira pois uma parte dos tubos ficaria descoberta sem gua no interior e seriam sobreaquecidos J um n vel de gua elevado poderia resultar em part culas de gua deixando o tubul o superior e chegando turbina o que traria preju zos para este equipamento Em rela o din mica de varia o de n vel as caldeiras apresentam uma caracter stica de fase n o m nima bem peculiar O n vel de gua aparente e o n vel te rico calculado a partir da massa de g
91. a das Malhas de Controle da Caldeira 81 Al m disso para evitar que a demanda t rmica continue crescendo no caso de limita o nas vaz es necess rio congelar a sa da do controlador mestre Para isso sua sa da PIC322 0UT comparada com a vaz o total de combust veis convertida para a escala de ar e se for maior o limite superior para a sa da igualado ao seu valor corrente evitando se assim que ele cres a O pseudoc digo para este opera o mostrado abaixo PIC322 0UT gt FY311A 0UT ENTAO PIC322 MH PIC322 0UT SENAO PIC322 MH 100 Uo Eri importante esclarecer que uma solu o mais efetiva e elegante para todas as quest es levantadas para o controle de combust o seria a implementa o de um controlador preditivo multivari vel No entanto esse controlador requer um hardware espec fico e uma nova arquitetura de controle 4 2 11 OTIMIZAC O DO EXCESSO DE AR Uma terceira limita o observada na atual estrat gia de controle diz respeito aos valores utilizados para as constantes K e E A constante K chamada fator estequiom trico equivale ao volume de ar necess rio para a queima completa de um metro c bico normalizado de g s ou um quilo de alcatr o obtido a partir dos dados de poder calor fico PCI dos combust veis 0 81 para o GAF 4 12 para o alcatr o e 10 38 para o GN Esses valores s o razoavelmente constantes no caso do GN e Alcatr o por m podem variar
92. a de controle dever ent o requisitar uma menor vaz o de combust veis para que a press o retorne ao valor desejado Em rela o resposta din mica o tempo morto no controle de press o um aspecto chave na controlabilidade do processo Na caldeira ele o resultado da combina o de atrasos de transporte de fluidos atrasos na mistura do combust vel na fornalha e atrasos relacionados com a posi o e tempos de resposta de instrumentos Sendo que o primeiro deles varia em fun o da carga na caldeira A regra usual 1 E ROO na z Se a resposta din mica de um processo for aproximada por um modelo de primeira ordem com constante de tempo t e com um tempo morto 9 sabe se que o sistema t o mais f cil de ser regulado quanto menor for raz o 0 T Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 68 manter o tempo morto abaixo de 1096 do valor da constante de tempo No caso do controle de press o da caldeira onde a constante de tempo geralmente inferior a um minuto o limite aceit vel para o tempo morto de poucos segundos Al m disso como o controle de press o atua como mestre de um sistema de combust o um aspecto importante para sua resposta din mica o tipo de estrat gia que utilizada para a manuten o da rela o estequiom trica e a garantia do excesso de ar Conforme discutido adiante o tempo de resposta do sistema de combust o e consequentemente do contr
93. a de press o Aparentemente elas se diferenciam apenas pela presen a de um ru do de alta frequ ncia presente no sinal de aquisi o direta No entanto ap s a aplica o de t cnicas de identifica o aos dois sinais ver Figura 4 34 modelos completamente distintos foram obtidos A explica o que para capturar a din mica real do processo os dados devem ser amostrados com um per odo com pelo menos uma ordem de grandeza menor que a din mica dominante do processo Como tal processo responde com apenas uns poucos segundos a coleta via OPC foi inadequada Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 103 Comparac o dos testes de modelagem ES PIC31 E com ENS via OPC e coleta via placa de aquisic o T T T T T T T T 0 8 C PV coleta via OPC 0 6 pn WE il I I PV coleta via placa de aquisi o 2 04 ir 4 M n M E 02 i i iW Wi ili TRIN uh j ul ym Wet 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 3 i L i l 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 tempo 10 ms Figura 4 33 Compara o da coleta de dados utilizando OPC linha grossa e a aquisi o direta linha fina 06 ET 1 Sinal de Sa da 0 86e VANS Sinal de Sa da 0 94e 101s 05r Modelo ARX Estimado Lo N G s 08H Modelo ARX Estimado Padi G s 345418 DD Lodi M 1 48s 1 1 i i
94. a do controlador constante Este tipo de problema que pode ser uma falha no posicionador da v lvula pode criar uma oscila o na vaz o A Figura 4 55 entretanto mostra pelo espectro de pot ncia do sinal de vaz o que n o existem ciclos importantes com per odos pr ximos Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 115 ao da oscila o identificada O ciclo mais pr ximo com per odo de 370 segundos corresponde a apenas 3 696 da pot ncia do sinal Sequ ncia de testes para PIC342 Respostas ao degrau 5320 5340 5360 5380 5400 5420 5440 5460 5480 5500 5320 5340 5360 5380 5400 5420 5440 5460 5480 5500 tempo segundos Figura 4 50 PIC342 Segii ncia de teste em malha aberta Sequ ncia de testes para FIQ101 Respostas ao degrau T 7300 7400 7500 7600 7700 7800 7900 8000 tempo segundos Figura 4 51 FIQ101 Seq ncia de teste em malha aberta 12 aiia Resposta a muganga o Ee Modelo 1 Par metros PID Par metros l ordem Original PID Novos AL PB 12096 PB 150096 Eos Ti 35s Ti 1 5s z 9 05 Td 0s Td 0s E Ta 1s Ta 200 ms 2 0 4 E Tf 1 44s Tf 288 ms 02 K ganho do processo t constantes de tempo 8 tempo morto PB banda proporcional Ti tempo integral Td tempo derivativo Ta tempo de amostragem Tf const de tempo do filtro L L ri L 1 E L 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 tempo s Fi
95. a oscila o Como crit rio considerou se que valores maiores que 0 5 representam um diagn stico positivo e como os m todos nem sempre d o o mesmo diagn stico a malha foi considerada oscilat ria quando fosse assim classificada por pelo menos um dos m todos Dessa forma pelos dados da tabela conclui se que FIQ313 PIC313 e LIC302 apresentam oscila o tanto de baixa frequ ncia per odo em torno de 800 segundos como oscila o de alta frequ ncia em torno de 20 segundos sendo que em FIQ313 a oscila o tamb m detectada no SP J em PIC137 detectou se uma oscila o de alta frequ ncia com per odo em torno de 95 segundos Em nenhum dos quatro casos foi diagnosticada oscila o causada por agarramento de v lvula Observando os dados da fun o de sensitividade dos quatro casos de oscila o apenas em LIC302 o per odo da oscila o de baixa frequ ncia pr ximo do valor estimado para o per odo de resson ncia da malha Esta portanto uma malha suspeita de estar oscilando devido a uma sintonia inadequada do controlador enquanto que por exclus o as outras provavelmente est o oscilando por carga Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 95 Tabela 4 6 Resultado da aplica o dos m todos de detec o de oscila o e diagn stico de causa raiz nas malhas de controle da caldeira C lculo baseado em dados de 14 horas de opera o da caldeira no dia 01 de setembro de 2008
96. a se esse comportamento em que o processo responde inicialmente numa dire o invertida de uma resposta de fase n o m nima um fator que dificulta o controle tendendo a deix lo oscilat rio A Figura 4 9 mostra um exemplo extra do da opera o da caldeira da UTE Conforme esperado um s bito aumento na demanda de vaz o terceiro gr fico causa a princ pio um aumento no n vel efeito de inchamento e como conseq ncia a resposta passa por um transit rio longo e oscilat rio at retornar ao regime inicial N vel da caldeira 11 8 12 12 2 124 12 6 12 8 13 A o de controle LIC302 T T T T H 1 i i i i 124 12 6 12 8 13 Vaz o de vapor 6 11 8 12 122 124 12 6 12 8 13 tempo h Figura 4 9 Exemplo de efeito de fase n o m nima causado por inchamento ap s aumento na demanda de vapor N o se observou no entanto um efeito significativo do efeito de t mpera Este fato tamb m era esperado em decorr ncia do uso de regeneradores Estes equipamentos utilizam uma extra o de vapor superaquecido para aumentar a temperatura da gua de alimenta o tornando a mais pr xima da temperatura da gua no interior do tubul o Com isso tem se uma redu o na fase n o m nima do processo Este efeito t o not vel que o desligamento do regenerador pode at mesmo instabilizar o controle de n vel se o controlador n o for reajustado o tempo integral n o pode ser inferio
97. a vapor A troca de calor ocorre por radia o e convec o com os gases de combust o e Fornalha local da caldeira onde acontece a queima do combust vel Possui um conjunto de queimadores que introduzem a mistura de combust vel e ar na c mara de combust o A caldeira possui um queimador projetado com caracol para queima de GAF lan a para queima de alcatr o e anel para queima do g s natural como combust vel reserva e Superaquecedor um trocador de calor localizado ap s a c mara de combust o que tem a fun o de superaquecer o vapor proveniente do tubul o superior Os tubos do superaquecedor trabalham em condi es mais severas que os demais tubos da caldeira uma vez que a capacidade de refrigera o do vapor menor que a da gua Al m disso ele recebe o Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 59 fluido de trabalho o vapor em sua maior temperatura Na UTE Barreiro o superaquecedor possui duas partes sendo uma convectiva e uma radiante A primeira etapa localizada no duto vertical de sa da dos gases em que predomina a troca de calor por convec o e uma etapa final na sa da da fornalha onde os tubos entram em contato direto com as chamas prevalecendo troca por radia o e Ventiladores de ar s o respons veis pelo suprimento de ar necess rio para o processo de combust o Os ventiladores tamb m s o usados para a movimenta o dos produtos da combust o atrav s das superf
98. absoluto IAE4 de forma adimensional equa es 3 e 4 onde 6 o tempo morto aparente do processo Estes valores s o comparados com valores de refer ncia equa es 5 e 6 parametrizados por um fator de agressividade tipicamente igual a 2 que corresponde rela o entre a constante de tempo de malha fechada e o tempo morto Dessa forma poss vel comparar malhas de controle determinando quais s o as mais conservadoras e quais s o as mais agressivas Tag 23 onde t o tempo de acomoda o em segundos 3 a IAE TNR E onde ry o tamanho do degrau no SP 4 olVa Tiu 2354 1 5 IAE 1 6 3 E Vari vel de Processo Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 25 2 ndices para medi o de esfor o de controle e desgaste de atuador e Y Excurs o da CO Somat rio de todos os incrementos da vari vel controlada durante certo per odo de avalia o desconsiderando aqueles incrementos relacionados com ru do no sinal e Desvio padr o da CO 3 ndices para avaliar o dimensionamento do sistema e caracter sticas do processo e Banda de ru do Pode ser estimada pela variabilidade 60 da vari vel de processo durante um per odo em que a malha opera em regime estacion rio e livre de perturba es de carga e Tempo de Satura o Percentual do tempo em que o valor da sa da de controle permanece em um dos limites de m ximo ou m nimo e Dimensionamento Pode ser estim
99. ado pela raz o entre a dispers o da PV e a dispers o da CO Tamb m serve de estimativa para o ganho do processo sendo seu valor ideal pr ximo de 1 Valores muito menores indicam um processo cuja faixa de medi o superdimensionada ou cujo atuador subdimensionado o que mais comum E isso implica numa faixa de controlabilidade limitada J valores muito maiores que a unidade indicam um processo superdimensionado e isso resulta em limita o na resolu o de controle e real a n o linearidades de atuadores tais como agarramentos e histerese 4 Outros ndices teis e Tempo em modo autom tico Tempo em que o controlador opera em modo autom tico normalizado para um dia de opera o e Mudan as de SP por dia N mero de mudan as na refer ncia de controle normalizado para um dia de opera o Outra funcionalidade presente em algumas ferramentas de gerenciamento de malhas de controle a obten o autom tica de um modelo matem tico com a din mica simplificada do processo Em muitos casos a identifica o de um modelo de primeira ordem com tempo morto a partir de uma mudan a na refer ncia de controle suficiente para estimar o grau de robustez e diagnosticar uma sintonia inadequada Sa da de Controle Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 26 do controlador A constante de tempo dominante do processo pode por exemplo ser identificada utilizando uma t cnica baseado no m todo dos moment
100. afirmar sobre as vari veis 1 e 8 e assim temos Grupo 1 2 3 5 7 e Grupo 2 1 8 Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 29 Tabela 3 1 Matriz de coeficientes de correlac o entre as oito vari veis VAR1 ER VAR 2 O VAR 3 X VAR4 0 15 VARS 0 02 0 87 0 85 VAR6 0 04 0 05 005 VAR1 VAR2 VAR3 VAR4 VAR5 VAR6 VAR7 VARS A determina o desses grupos pode ser perfeitamente automatizada tornando essa ferramenta vi vel independente do n mero de vari veis M todo 2 An lise em Componentes Principais ACP A an lise em componentes principais ACP uma ferramenta tamb m baseada em matriz de correla o por m ela capaz de capturar automaticamente em suas componentes principais as varia es comuns entre vari veis ou seja cada componente principal passa a representar um grupo de vari veis correlacionadas Esta ferramenta tem implementa o bastante simples e est descrita no anexo C A Tabela 3 2 mostra o resultado da aplica o do ACP aos dados da Figura 3 3 Cada linha representa uma vari vel e seu percentual de participa o em cada componente principal representada pelas colunas Destacam se as duas primeiras componentes CP1 e CP2 que juntas representam 7196 45 28 25 59 do total de varia o dos dados Observa se que a componente 1 que captura 45 da varia o total dos dados possui importante participa o das vari veis 2 3 5 e 7 enquanto que a
101. am mantidas a etapa de monitoramento cont nuo do processo in process control que ser viabilizado neste trabalho por meio de um modelo de Valida o Ampla apresentado no pr ximo cap tulo Projeto de um Modelo para Valida o Ampla da Caldeira 125 CAP TULO 5 PROJETO DE UM MODELO PARA VALIDA O AMPLA DA CALDEIRA Baseado nas id ias discutidas no cap tulo 2 um modelo de valida o ampla proposto para monitorar em tempo real o desempenho do sistema de controle da Caldeira e auxiliar na localiza o das falhas Primeiramente o mapeamento das Causas Especiais de variabilidade mostrado na subse o 5 1 Estas informa es em conjunto com outras obtidas durante a auditoria s o utilizadas na subse o 5 2 para o projeto dos validadores Na subse o 5 3 alguns exemplos demonstram o funcionamento do sistema de valida o 5 1 MAPEAMENTO DAS CAUSAS ESPECIAIS DE VARIABILIDADE Durante o Levantamento de Campo foram identificadas as condi es operacionais que influenciam no comportamento das malhas de controle e vari veis de qualidade resultando em Causas Especiais para a variabilidade As mudan as no comportamento de algumas malhas tamb m ocorrem em raz o de desgaste ou funcionamento parada de equipamentos do processo As principais rela es observadas foram e Controle da press o de GAF PIC342 e o n vel de incrusta o no trocador de calor de pr aquecimento do GAF e Controle de press o e va
102. amente pela vari vel 5 enquanto que nas vari veis 3 e 7 ela sentido ap s 9 e 6 segundos respectivamente Tabela 3 3 Correla o cruzada entre a vari vel e as demais Correla o Cruzada Referencia Vari vel 2 Coef Vari vel 1 1130 Vari vel 2 o x Vari vel 3 Var vela 38 154 Vari vel 5 Vari vel 6 2093 Vari vel 7 Vari vel 8 52 1158 3 3 2 DETEC O DE OSCILA O EM MALHAS DE CONTROLE Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 31 Uma malha de controle dita oscilat ria quando sua vari vel controlada apresenta um padr o regular de desvios em torno da refer ncia de controle No contexto de controle estat stico de processos diz se que este um comportamento determin stico ou seja uma causa atribu vel para a variabilidade da malha Diversos procedimentos permitem detectar oscilac o em s ries temporais Um caminho procurar por picos na an lise espectral do sinal Outros m todos citados na literatura s o capazes de detectar a presenca de um comportamento oscilat rio de maneira autom tica Tr s deles s o apresentados a seguir O primeiro proposto por Miao e Seborg 1998 tem como princ pio o fato da autocorrela o de um sinal oscilat rio ser tamb m oscilat ria Ele leva em conta a taxa de decaimento dos primeiros ciclos da fun o de autocorrela o da vari vel de processo e ou do erro de controle A taxa de decaimento R medida pela relac
103. amente e produz alguns padr es bem caracter sticos nas tend ncias das vari veis monitoradas A a o integral do controlador na presen a de erros constantes mas com altern ncia de sinal geram um sinal de controle CO com um formato aproximadamente triangular muitas vezes tamb m parecido com um dente de serra A posi o da v lvula MV com suas mudan as bruscas e alternadas produzem uma tend ncia parecida com uma onda quadrada J a vari vel controlada PV respondendo s mudan as na posi o da v lvula possui uma tend ncia tamb m similar a de uma onda quadrada mas combinada com a resposta din mica do processo Esses padr es s o exemplificados na Figura 3 9 com dados obtidos a partir de simula o utilizando uma v lvula com 5 de agarramento Esta simula o foi realizada em Matlab baseada num algoritmo proposto por Choudhury et al 2001 Fatores relacionados com desgaste e falhas em atuadores est o entre os que determinam o limite inferior de variabilidade em uma malha de controle Esta dispers o do erro causada pelo agarramento da v lvula pode ser estimada a partir do conhecimento do ganho do processo e do percentual de agarramento da v lvula Considerando que a amplitude de varia o da vari vel controlada APV igual amplitude de varia o do sinal de controle ACO multiplicado pelo ganho do processo Kp e que o valor de ACO aproximadamente igual ao percentual de agarramento da v lv
104. amostragem k a FAC de x t e a FCC entre x t e y t podem ser estimadas por meio das rela es N 1 ta D xx k i N N 1 f zr 2 x Dy i k i N Obs 1 Se a m dia dos sinais for nula ent o as fun es de autocorrela o e correla o cruzada coincidem com as fun es de autocovari ncia e covari ncia cruzada C 2 An lise em Componentes Principais ACP Dada uma matriz de dados D que representa uma amostra de tamanho n de um conjunto de m s ries temporais e sua matriz de correla o S de tamanho m x m Smxm PD Xi c0 XmCty Xi tq c7 XQ ta Temos que os autovetores V da matriz S fornecem as direc es de um novo sistema coordenado ortogonal Esses novos eixos representam as dire es de variabilidade m xima e definem um novo espa o no qual os dados podem ser projetados A proje o obtida por multiplica o escalar entre as colunas das matrizes e resulta em vari veis transformadas n o correlacionadas chamadas componentes principais CP CP ti CBa ty CP tn m CP ta CP xm DnxmXVaxm Podemos dizer que as novas vari veis capturam os diferentes padr es de varia o presentes no conjunto de dados O percentual de informa o em termos da varia o total dos dados que foi capturada por cada componente indicada pelas magnitudes dos autovetores ou seja pelos autovalores da matriz S A matriz de autovetores tamb m pode ser interpretada como uma m
105. ara o dos ndices com valores threshold para detec o 25 if delta q 0 amp amp delta q 2 sqrt 3 2 sqrt 3 amp amp 26 delta t 0 amp amp delta t 1 3 21 ind osc i 0 Fok lt AGROW gt 28 elseif delta q 1 3 amp amp delta q 1 amp amp 29 delta t gt 2 3 amp amp delta t lt 1 30 ind osc i 1 Zfok lt AGROW gt 31 else 32 ind osc i 0 5 ok lt AGROW gt 33 end Metodo 5 Singhal 2001 pr filtragem para remo o de ru do de alta frequ ncia 01 ERROf low filter ERRO 1ocalizacao dos cruzamentos por zero 02 aux find erroaux gt 0 03 aux2 diff aux 04 aux3 find aux2 1 05 crosspoints abscissa dos pontos de cruzamento 06 for jje1 1length aux3 07 crosspoints crosspoints aux aux3 jj aux aux3 jj 1 08 end elimina o de cruzamentos esp rios 09 if min diff crosspoints lt 0 2 max diff crosspoints 10 yy find diff crosspoints gt 0 2 max diff crosspoints 11 crosspoints crosspoints yy 12 end estudo dos dados entre cruzamentos setor corresponde aos dados contidos entre dois pontos de cruzamento 1 3 for jje1 1length crosspoints 1 14 setor ERROf crosspoints jj crosspoints jj 1 localizag o do v rtice Os dados s o filtrados at que se tenha no m ximo duas mudangas de sinal na derivada diff dos dados 15 setorf setor oo oe 16 sinal sign diff setorf
106. ara cada malha suas tr s principais componentes de frequ ncia colunas 2 4 e 6 e suas intensidades colunas 3 5 e 7 medidas como o percentual de participa o de cada uma na pot ncia espectral total do sinal Reorganizando se estes dados numa nica coluna ordenada pelos per odos ver Tabela 3 5 dois grupos de malhas acopladas podem ser facilmente identificados O primeiro com per odo em torno de 26 segundos inclui FICO1 e PICO1 e o segundo com per odo em torno de 80 segundos inclui TICO1 e FICO1 Tabela 3 4 Per odo e intensidade das principais componentes de freq ncia das malhas Per odo 1 Intensidade 1 Per odo 2 Intensidade 3 Per odo 3 Intensidade 3 6 e 96 arcu COM Espectro a x Eu asl nec mu epi um cor 7522 06 sz ox 95 006 Tabela 3 5 Per odos principais ordenados em ordem ascendente para facilitar visualiza o dos acoplamentos Baseado em relat rio do Expertune PlantTriage Per odo Intensidade seg kil Espectro x 8 63 0 02 9 98 0 06 t s Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 36 Os agrupamentos tamb m podem ser identificados usando periodogramas conforme representa o gr fica proposta na Figura 3 7 O eixo horizontal representa o per odo dos ciclos em segundos e os n cleos ou aglomera o de picos no espectro de pot ncia s o representados por barras horizontais cuja largura coincide com os limites dos n cleos de ca
107. arte da considera o que a energia t rmica requerida por uma caldeira est relacionada com a raiz quadrada da raz o h p onde h a press o diferencial atrav s de um elemento Venturi que tamb m proporcional a vaz o e p press o de vapor Enquanto a medida de press o do tubul o PT322 isoladamente um bom indicador do balan o entre o calor gerado pela queima e a demanda de vapor a resposta dessa press o a uma mudan a de carga ou taxa de queima mais lenta que a resposta da vari vel h Portanto a adi o de um elo feedforward sa da do controlador de press o PIC322 ir diminuir o tempo de resposta da malha s mudan as de carga A estrat gia proposta mostrada em linhas pontilhadas na Figura 4 5 Al m de blocos FY301 de divis o e extra o de raiz quadrada um terceiro Lead Lag pode ser necess rio para simular o atraso de tempo entre uma mudan a na taxa de queima e sua consequente mudan a na taxa de gera o de vapor Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 69 Taxa de 1 aquecimento Am etta PY NX 3 Figura 4 5 Esquema de controle de press o no tubul o Em linha pontilhada proposta para controle com compensa o direta Baseado em Lipt k 1999 Nesse esquema de controle sempre quando ocorre um aumento na carga demanda de vapor ocorre simultaneamente aumento da vaz o h e queda na press o P Ambos os efeitos aumen
108. atriz de pesos onde cada um de seus elementos elevados ao quadrado representa o percentual de participa o de cada vari vel da matriz D em cada componente CP importante salientar que a ACP depende de um pr vio escalonamento das vari veis da matriz de dados D Um escalonamento t pico tornar a m dia dos dados nula subtraindo se o valor m dio e dividir o resultado pelo desvio padr o conforme mostrado na express o abaixo a x X a x ANEXO D M TODOS DE SINTONIA DE CONTROLADOR PID BASEADO EM MODELO D 1 M todo da s ntese direta Neste m todo a fun o de transfer ncia do controlador Gc s sintetizada a partir de um modelo matem tico do processo G s de forma que a fun o de transfer ncia da malha fechada seja equivalente a uma determinada fun o de transfer ncia desejada C R q Essa fun o de transfer ncia pode ser de primeira ordem com tempo morto onde T a constante de tempo desejada para a malha fechada par metro de projeto e o tempo morto 0 igual ou maior ao tempo morto do processo ou seja O qu R d TcS 1 1 GcGp Colocando se G em evid ncia temos 1 e 05 Gp s xc 0 s G s 2 1 1 Modelos de primeira ordem com tempo morto Quando o modelo matem tico do processo G5 s do tipo Primeira Ordem com Tempo Morto onde K o ganho do processo Tp a constante de tempo e 0 o tempo morto Substituindo se a fun o de transfer ncia de G
109. au B e ae Perturba o de carga A pa mn e m ES E i PV graus Celsius 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 tempo segundos Figura 4 43 TIC327 Seq ncia de teste em malha aberta Diferentemente das outras malhas onde o modelo matem tico escolhido aquele que resultaria num controlador mais conservador em TIC327 o modelo considerado foi obtido pela m dia dos par metros de todos os modelos Com isso esperou se que os efeitos das perturba es presentes durante todos os testes fossem minimizados Em seguida um teste em duplo pulso foi realizado na malha para valida o do modelo obtido A Figura 4 44 mostra a compara o dos dados reais com a simula o a partir do modelo m dio O resultado foi considerado satisfat rio e o modelo aprovado Valida o do modelo de ordem 2 utilizando teste duplo pulso Dados reais Modelo de ordem 2 T i V graus Celsius Norm e o ce e s e e w e e B e cn e G c e e Figura 4 44 TIC327 Teste em malha aberta do tipo duplo pulso para valida o Os par metros do modelo de segunda ordem s o mostrados numa tabela na Figura 4 45 juntamente com os par metros de sintonia originais e os novos par metros calculados utilizando o m todo de s ntese direta para fun o de transfer ncia de 2 ordem A figura tamb m mostra uma simula o da resposta mudan a
110. causa de variabilidade em sua malha mestre ao ser incapaz de executar sua fun o Esta intera o indicada com uma seta com o s mbolo E Para a localiza o de condi es anormais detectadas prop e se o uso de marcadores neste caso um sinal de exclama o Vari veis de Vari vel de Vari vel de qualidade Qualidade A Qualidade B D 3 DD cad Ln D 7 ESEE O AP boobs N T E ES E E P Malhas de SP ControleA C UE o e O anne poaa aal Malhas de Controlador Atuador Controlador 4 Atuador Controle B b ela i RD UU po d tM i 2 gen cia ao P ema i PR d m iii ee t Ed E Malhas de Validador Sensor Validador 3 Sensor gt Controle pt uM 2 pev MI Ug ME Ea DRE DIC LUE MERE aco 1 s UM E i Mo rasa LAN i 1 E reae Malhas de 1 p Controlador t Atuador Controle C of le au ME i i Validador amp Sensor Y PR a rroia M dd P Vari veis NIA Que T QUU e perturbadoras Vari vel Vari vel Vari vel s Extena A ExtemaB ExtemaC Figura 2 7 Diagrama relacional do tipo rvore de Falha para visualiza o dos diagn sticos do sistema de valida o Na Figura 2 8 ilustrada uma situa o esquerda em que uma condi o anormal indicada por uma exclama o detectada no validador da Malha de Controle A Este alarme possivelmente causado pe
111. combust o 4 5 2 MALHAS DO CIRCUITO DE GUA A descri o completa das malhas do circuito de gua encontra se nas se es 4 2 4 e 4 2 5 Resumidamente LIC302 controla o n vel de gua do tubul o da caldeira atuando na malha que controla a vaz o de alimenta o de gua FIQ313 A press o da gua que alimenta este sistema controlada por PIC313 que controla a velocidade de bombeamento de gua TIC327 por sua vez controla a vaz o de uma extra o de gua dessa mesma linha para resfriamento do vapor ap s o superaquecedor A estrat gia adotada para a sintonia dessas malhas foi primeiramente ajustar as malhas PIC313 FIQ313 e LIC302 com velocidades diferentes para evitar intera es entre elas A malha PIC313 foi ajustada para ser a mais r pida com o menor tempo de acomoda o FIQ313 foi em seguida ajustada com um tempo de acomoda o pelo menos 4 vezes maior que PIC313 e por ltimo LIC302 com tempo de acomoda o pelos menos 4 vezes maior que FIQ313 Esta sequ ncia necess ria j que LIC302 depende do estabelecimento do controle de vaz o que por sua vez depende do estabelecimento da press o na linha J a malha TIC327 foi sintonizada para ter o menor tempo de acomoda o poss vel PIC313 Controle da Press o de Bombeamento de gua No PIC313 adotou se a sequ ncia de testes simplificada apenas com uma s rie de degraus em sentidos alternados conforme mostrado na Figura 4 37 Durante os te
112. componente 2 CP2 possui participa o importante das vari veis 1 e 8 As demais componentes s o desconsideradas por possu rem baixo poder de representa o Elas s o geralmente reflexos de associa es pontuais entre vari veis ou seja varia es conjuntas que ocorrem em apenas curtos instantes de tempo e que assim n o caracterizam um acoplamento Tabela 3 2 Matriz de auto vetores participa o das vari veis em cada componente principal CP1 cr2 cra cra cps CPe 06 cr7 CP8 var 002 204 055 012 034 000 4977 046 104 033 59 66 14 52 0 09 016 004 000 oos 35 87 3065 847 000 VAR4 082 5 90 5218 3103 184 089 724 010 ooa 5 vare 012 oz 3583 6383 000 000 oc om 00 is 15s 235 as sas 030 324 075 007 oos 02 2535 captura 4528 2539 1299 1212 212 132 039 oas 0 30 379 178 0 Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 30 importante salientar que a efici ncia de m todos baseados em matriz de correla o torna se baixa quando h deslocamento temporal entre os dados Isso comum em processos f sicos devido ao atraso de transporte de material e energia e devido aos atrasos de transfer ncia relacionados com aspectos din micos do processo Um m todo utilizado para lidar com esse problema conhecido como Time Shift PCA
113. constante dist rbios produzidos pelo sistema de combust o ou alimenta o de gua tais como varia es no poder calor fico do combust vel ou problemas de regula o afetam o balan o t rmico da caldeira produzindo varia es na press o e consequentemente varia es na pot ncia gerada Neste trabalho apenas os problemas relacionados com o sistema de controle regulat rio s o considerados A variabilidade da gera o correlacionada com a variabilidade da press o do tubul o superior e da temperatura do vapor 4 1 5 SISTEMA DE AUTOMA O E RECURSOS UTILIZADOS PARA A AUDITORIA O sistema de automa o da usina utiliza equipamentos de diferentes fornecedores O sistema principal respons vel pela supervis o e opera o da planta e pelo controle da caldeira um SDCD Sistema Distribu do de Controle Digital fornecido pela Yokogawa modelo CS3000 Este sistema composto por duas esta es de opera o HIS instalados na sala de controle e interligadas entre si e com os m dulos de aquisi o e controle por uma rede de comunica o propriet ria com redund ncia padr o VL NET da pr pria Yokogawa Os dois m dulos de aquisi o e controle denominados PFCS1 e PFCS2 s o compostos por um controlador com redund ncia hot stand by e m dulos E S anal gicos e digitais para interliga o com os instrumentos de campo Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 65 O controle dos queimador
114. da vaz o de ar por FIQ311 que atua na posi o da v lvula FCV311 J o ventilador de Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 70 tiragem induzida Exaustor usado para controlar a press o no interior da c mara de combust o Essa press o medida de forma manom trica deve ser mantida com um valor levemente negativo de maneira que a exist ncia de orif cios na c mara resultar em ar atmosf rico entrando para o interior da c mara ao inv s de gases escapando por eles para o exterior da caldeira A press o no interior da c mara de queima depende essencialmente da vaz o dos gases combust veis e da vaz o de ar de combust o Como essas vaz es s o escravas do controle de combust o a press o na fornalha constantemente perturbada O papel de PIC323 restabelecer o balan o com uma varia o correspondente na vaz o de sa da ar pela chamin Este controle tamb m pode ser melhorado adicionando se um elo de compensa o direta a sa da de PIC323 conforme proposto na Figura 4 6 em linhas pontilhadas A id ia antecipar varia es na press o da c mara a partir da sa da de FIQ311 que a melhor estimativa para o volume de gases que est o sendo inseridos na fornalha Gases de Esso nsmsasos combust o ti td E exaustor Press o de entrada de ar Ar Duto de ar de combust o atmosf rico Figura 4 6 Esquema de controle da press o no interior da fornalha
115. da do controlador CO e a vari vel de processo PV O princ pio deste m todo vem da observa o de que numa malha oscilando devido a agarramento em v lvula tem se um deslocamento de fase de 90 FCC mpar entre estes sinais enquanto que numa malha oscilando por carga ou sintonia o deslocamento de fase de 180 FCC par Estes dois casos s o ilustrados na Figura 3 12 Na parte superior a tend ncia de uma malha com oscila o por agarramento e de uma malha oscilando devido a uma sintonia agressiva Abaixo suas respectivas FCC s O diagn stico realizado calculando se a FCC de uma s rie de dados e em seguida utilizando se um algoritmo para distinguir se a FCC par ou mpar Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 43 PV CO 1 lag lag Figura 3 12 Fun o de correla o cruzada entre PV e CO numa malha com simula o de agarramento na v lvula esquerda e numa malha com outro tipo de oscilac o direita Fonte Horch 1999 Outro m todo proposto por Singhal e Salsbury 2004 tamb m detecta agarramento baseando se na distin o entre padr es t picos de malhas oscilat rias Ele observa que numa malha com oscila o por agarramento a raz o entre as reas antes e ap s o pico do sinal de erro de controle R entre pontos num mesmo intervalo de cruzamento pelo zero maior do que 1 enquanto que para outros casos este valor bem pr ximo de 1 Estas dua
116. da do processo Tamb m se destaca na tabela indica o de erro de estado estacion rio Integral do Erro nas malhas FIQ313 e PIC342 e um dimensionamento inadequado das malhas FIQ101 PIC342 e TIC327 Essas tr s malhas operam com v lvulas borboletas e deveriam ser dimensionadas para operar apenas na faixa central onde se tem uma maior linearidade Entretanto s o subdimensionadas ganho muito menor que 1 e isso ocasiona opera o nas extremidades e satura o no caso de FIQ101 e PIC342 Tabela 4 4 ndices de desempenho das malhas Desvio Integral Variabilidade Padr o do Erro Excurs o Satura o Descri o relativa 96 Erro 96 96 CO 96 96 tempo Dimensionamento FIQ101 Vaz o GAF 29 53 1 39 0 1 1717 FIQ102 Vaz o GN 46 66 0 68 09 528 0 1 38 FIQ103 Vaz o Alcatr o 14 35 2 39 04 1736 0 8 0 22 FIQ311 Vaz o Ar Comb 21 71 0 75 0 1550 0 1 14 PIC341 Press o Ar Comb 2 45 0 27 0 435 0 0 32 FIQ313 gua Alimenta o 15 75 0 82 0 1 43 PIC313 Press o gua 4 39 0 14 0 424 0 1 07 PIC322 Press o Tubul o 0 7 LIC302 N vel Tubul o PIC342 Press o GAF PIC323 Press o Fornalha 3 15 0 47 0 864 0 0 21 TIC327 Temp Vapor es 0 61 0 1 502 0 048 PIC135 Press o Ar Atom 28 77 0 67 01 1594 0 0 21 PIC137 Press o Alcatr o 22 39 1 31 0 1286 0 0 45 Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Cald
117. da sinal A figura mostra a representa o dos mesmos quatro n cleos destacados na Tabela 3 5 e suas respectivas intensidades percentuais Nesta an lise se duas barras est o uma sobre a outra como o caso de PICO1 FICO1 e FICO1 TICO1 ent o as malhas que elas representam est o acopladas pelo menos nessas faixas de frequ ncia r ga Figure 2 Acoplamentos mmm Acoplamentos prata fd Pera ii ig a ra aa 1 T P Amp 0 45 73 3 82 2 FICO1 E i 1 PIC01 Amp 0 94 22 5 28 6 FICO1 Amp 0 32 22 7 28 8 30 40 50 60 70 80 periodo segundos Figura 3 7 Proposta de representa o gr fica para identifica o de acoplamentos Se paralelamente forem utilizadas ferramentas para detec o de causa raiz de oscila o ser o discutidas na 3 3 4 pode se saber que PICO1 possui oscila o devido a problemas com seu atuador e TICO1 por problema de sintonia enquanto FICO1 teria uma causa externa para sua oscila o Neste caso demonstradamente devido a seu acoplamento com TICO1 e PICO1 Um aspecto interessante do espectro de pot ncia que ele expressa o conte do de energia do sinal em fun o da frequ ncia A Figura 3 8 mostra o espectro de FICO1 A rea total abaixo das curvas igual vari ncia do sinal e o percentual da rea entre duas frequ ncias o mesmo percentual da vari ncia do sinal nesta faixa Pryor 1982 Assim conclui se qu
118. dade por m que quando o dist rbio possui um perfil senoidal ele pode ser confundido com uma oscila o por sintonia Este tipo de dist rbio geralmente originado por falha em alguma outra malha de controle por m tamb m pode ser inerente ao processo tal como em plantas em que um sistema de alimenta o de material opera em bateladas c clicas ou plantas com tanques cujo n vel controlado por um sistema on off Nestes casos uma maneira de se diagnosticar se uma oscila o causada por carga ou por sintonia chavear o controlador para modo manual Se a oscila o persistir ent o est comprovado que ela causada por dist rbio externo J em malhas de controle que n o podem operar em manual uma forma de detectar se a oscila o causada por carga modificar a sintonia e verificar se o per odo da oscila o permanece constante A maneira correta de tratar dist rbios oscilat rios primeiramente tentar descobrir quem o causador da oscila o e se poss vel corrigir o problema Ou seja a Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 47 oscilac o combatida eliminando se sua causa raiz Por m nos casos em que a oscila o inerente ao processo a nica a o poss vel atenu la ao m ximo utilizando compensa o direta ou aumentando a frequ ncia de corte do controle realimentado De fato o que se faz neste caso mover o efeito do dist rbio para uma vari vel de menor interesse
119. de SP antes e ap s a modifica o nos par metros Nota se que a malha operava praticamente em malha aberta com tempo de acomoda o 10 vezes maior que o obtido com o novo ajuste Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 112 TIC327 Resposta ao degrau de SP 12 T T T T T T T T T Modelo 1 Par metros PID Par metros ordem Original PID Novos 1 K 0 105 PB 250 PB 9 E 0 8 Sintonia Original u 70s Ti 50s Ti 130s 08 Nova Sintonia t2 60s Td 250s Td 32s E 9 2s Ta 1s Ta 1s g Tf 1 44s Tf 1 445 Ld e ho t constantes de tempo PB banda proporcional Td tempo derivativo Tf const de tempo do filtro K ganho do processo 8 tempo morto Ti tempo integral Ta tempo de amostragem 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 tempo s Figura 4 45 TIC327 Resposta ao degrau no SP e par metros de sintonia 4 5 3 OTIMIZA O DAS MALHAS DO SISTEMA DE COMBUST O A descri o completa das malhas do sistema de combust o foi apresentada nas se es 4 2 6 4 2 7 e 4 2 8 Resumidamente PIC322 a malha mestre do sistema determinando a demanda t rmica ou seja a refer ncia de controle para a vaz o de ar de combust o FIQ311 e vaz o dos combust veis FIQ101 FIQ102 e FIQ103 As linhas de GAF Alcatr o e Ar de combust o possuem tamb m controladores de press o na alimenta o PIC342 PIC137 e PIC341 respectivame
120. de da vari vel controlada V rios desses aspectos no entanto s o conflitantes Numa malha com um controlador de apenas um grau de liberdade por exemplo preciso optar entre aperfei oar o desempenho servo mecanismo ou o desempenho regulat rio A principal rela o de compromisso por m est entre a minimiza o do erro de controle o benef cio e a minimiza o do esfor o de controle o custo Este ltimo aspecto tamb m est relacionado com o grau de robustez da malha Os indicadores de desempenho podem ser divididos em duas categorias m todos estoc sticos e m todos determin sticos Os ndices estoc sticos mais largamente estudados s o aqueles baseados na vari ncia m nima de controle como um benchmark conforme discutido inicialmente por Harris 1989 Seu princ pio comparar a vari ncia da vari vel controlada com aquela que seria obtida utilizando um controlador de vari ncia m nima Teoricamente um controlador de vari ncia m nima aquele capaz de remover todos os efeitos de um dist rbio ap s o tempo morto do processo deixando apenas ru do branco Com isso obtido um limite inferior de variabilidade ou m ximo desempenho Nos anos seguintes diversas modifica es foram propostas para que esta compara o fosse mais realista levando se em conta por exemplo limita es na varia o da a o de controle e limita es estruturais do controlador utilizado Ko e Edgar 1998 Horch e Isaksson
121. di es operacionais discretas sesesssssss 126 LISTA DE ABREVIAC ES A D Conversor Anal gico Digital ACP An lise em Componentes Principais CAP Controle Autom tico de Processos CEP Controle Estat stico de Processos CLP Controlador L gico Program vel CO Controller Output sa da de controle CUSUM Cumulative Sum FAC Fun o de Auto Correla o FCC Fun o de Correla o Cruzada MV Manipulated Variable vari vel manipulada OPC OLE for Process Control PID Proporcional Integral Derivativo PV Process Variable vari vel de processo SDCD Sistema Digital de Controle Distribu do SP Setpoint refer ncia de controle Capitulo Introdu o assadas ee Ra o LER RE rave YU FUE ERG GEM DUE noen PEAK M PERENNE KRPVEE EU MMEEDEUVEN 1 1 1 Objetivos e Escopo da Disserta o sssssssseseeeeeeeeee nennen 4 Cap tulo 2 Valida o Ampla de Malhas de Controle eese 6 2 1 Controle Estat stico de Processos Aplicado a Valida o 10 2 1 1 Controle Estat stico de Malhas de Controle eese 12 2 1 2 Carta de Controle para Diagn stico de Causas Especiais 13 2 2 Diagramas Relacionais Qualitativos e rirseeererereaererana 14 2 3 Etapas do Processo de Validac amp o erect eterne etna sado
122. do coletados com uma taxa de amostragem adequada para capturar a din mica real do processo sem falseamento na aquisi o de dados Na etapa 1 s o identificados os Acoplamentos N o Oscilat rios com o prop sito de verificar como as perturba es externas e interven es operacionais s o refletidas nas vari veis controladas e manipuladas Ferramentas para auxiliar nesta tarefa s o apresentadas na subse o 3 3 1 A etapa 2 serve de prepara o para o estudo de Acoplamentos Oscilat rios S o removidas caracter sticas n o estacion rias tend ncias lineares e m dias Em seguida os dados relativos as vari veis controladas e manipuladas s o transformados para o dom nio da frequ ncia o espectro normalizado e as faixas de frequ ncias em que ir o se concentrar os estudos s o delimitadas por meio de filtragem mostrado que a fragmenta o do espectro estudo por faixas importante pois pode haver m ltiplas causas para a oscila o cada uma numa faixa de frequ ncia distinta Na etapa 3 Detec o de Oscila o s o identificadas para cada faixa de frequ ncia de estudo as malhas que possuem comportamento oscilat rio Na Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 27 subse o 3 3 2 alguns algoritmos citados na literatura capazes de detectar automaticamente a presen a de um comportamento oscilat rio s o apresentados e testados Identificadas as malhas oscilat rias o pr ximo passo descobrir
123. do sinal de excita o Devido a sua praticidade o teste com degrau na entrada o mais comumente utilizado Em outros casos o teste com pulso ou duplo pulso tamb m s o interessantes A amplitude do sinal de teste deve ser suficientemente grande para obter uma resposta com uma boa rela o sinal ru do e com o m nimo de influ ncia de perturba es de carga N o deve por outro lado ser excessivo para evitar que o processo saia da sua faixa de linearidade O conhecimento pr vio sobre o ganho est tico do processo auxilia nessa defini o Chavear o controlador para manual Remover filtro no transmissor Aguardar at que o processo esteja operando em regime permanente e com o m nimo de influ ncia de perturba es Durante este per odo tamb m poss vel registrar o espectro de pot ncia da vari vel controlada sem a influ ncia da a o do controlador Aplicar a sequ ncia de sinais de excita o para modelagem matem tica Caso a malha opere com v lvula de controle incluir algum teste para quantificar o agarramento e histerese da v lvula por exemplo o teste mostrado na se o 3 3 4 O uso de um sinal de medi o real da posi o da v lvula ou inspe o visual torna o teste mais confi vel No caso do atuador Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 53 se tratar de um motor ou bomba acionado por inversor de freq ncia deve se verificar as limita es de velocidade programadas A Figura 3 16
124. dys et al 2007 Com estas ferramentas poss vel reportar antecipadamente faltas incipientes ou degrada es sinalizando necessidade de manuten o pr ativa ao inv s de preventiva e reparadora como ocorre em sistemas convencionais 2 3 ETAPAS DO PROCESSO DE VALIDA O Baseando se em Jatto e Okhamafe 2002 e no guia para valida o proposta pelo GHTF grupo de estudos sobre gerenciamento de qualidade e adaptando o Validac o Ampla de Malhas de Controle 17 devidamente para o contexto de validac o de malhas de controle o processo de valida o proposto abrange as seguintes fases 1 Qualifica o da Instala o uma etapa de auditoria em que as malhas de controle que ser o validadas s o estudadas com profundidade e testes s o aplicados para averiguar e otimizar o funcionamento de todos os elementos que influenciam o seu desempenho 2 Caracteriza o da Opera o Consiste num levantamento sobre os diferentes cen rios operacionais que podem ocorrer devido a mudan as na opera o da planta e que ir o influenciar decisivamente no comportamento do sistema regulat rio Entre eles pode se citar e Mudan a no ritmo de produ o tipo de produto ou caracter sticas da mat ria prima e Parada de algum equipamento ou rea sem interrup o de produ o e Interven es manuais tais como abertura de v lvulas desligamento de equipamento e Condi es clim ticas ou sazonais tais com
125. e a partir de determinado instante a variabilidade da malha decai bruscamente Observando se em seguida o valor da vari vel discreta que representa o grau de sujeira do filtro de alcatr o fica evidente a rela o entre as vari veis De fato houve a troca do filtro o que explica a queda na variabilidade A Figura 5 2 mostra o resultado da aplica o do ACP aplicado a amostras de vari ncia de todas as malhas de controle nesta mesma janela de dados Ele identificou que a troca do filtro tamb m se refletiu na vari ncia de outras duas malhas de controle PIC135 e PIC137 Projeto de um Modelo para Validac o Ampla da Caldeira 127 Vaz o de Alcatr o FIQ103 antes e ap s a troca do filtro T T ga ar do Filtro 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Vari ncia da vaz o de Alcatr o ai o Vari ncia normalizada E 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Grau de sujeira no filtro 1 Alto 0 Normal o A im Grau de sujeira no filtro e en 0 5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 tempo horas Figura 5 1 Tend ncia temporal da vaz o de alcatr o figura superior e a vari ncia de amostras tomadas periodicamente figura central A figura inferior mostra vari vel discreta que representa o grau de sujeira do filtro Impacto da troca do filtro vari ncia do erro das malhas de controle Estado Filtro Vari ncia PIC137 Vari ncia PIC135 Vari ncia TIC327 Vari ncia PIC323 Vari ncia PIC342 Vari ncia LI
126. e caso os problemas em PICO1 e TICO1 sejam solucionados a variabilidade em FICO1 ser reduzida no valor de 32 e 58 respectivamente sem que nenhuma a o seja realizada sobre essa malha j que a an lise proporcionada pela Figura 3 7 identificando oscila es significativas na mesma faixa de frequ ncia entre as malhas deixa evidenciados os acoplamentos existentes Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 37 Espectro de Pot ncia de FICO1 0 12 0 1 0 08 i Esta rea representa 58 da rea total e o c D T 1 D 1 YWVari ncia 0 04 0 02 0 20 40 60 80 100 120 140 Per odo segundos Figura 3 8 Espectro de pot ncia de FICO1 destacando suas duas principais componentes de freq ncia M todo 2 An lise por Componentes Principais baseado no espectro de pot ncia A ACP Espectral uma ferramenta que realiza a an lise de componentes principais no dom nio da frequ ncia O procedimento o mesmo descrito na se o 3 3 1 com a diferen a que os vetores de dados s o os espectros de frequ ncia das s ries temporais E da mesma forma que os m todos de detec o de oscila o sinais com m ltiplos picos no espectro precisam ser previamente filtrados Sua grande vantagem em rela o ao ACP no dom nio do tempo a capacidade de detectar os acoplamentos de sinais oscilat rios mesmo que entre eles exista deslocamento de fase Al m disso este deslocamento pode ser determinado
127. e auditoria de malhas conforme apresentado no cap tulo seguinte Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 19 CAP TULO 3 METODOLOGIA PARA AUDITORIA DE MALHAS DE CONTROLE Apresenta se uma metodologia para auditoria de um sistema de controle regulat rio correspondendo s fases de Qualifica o da Instala o e Qualifica o da Opera o do procedimento de Valida o As t cnicas descritas neste cap tulo s o adequadas a qualquer tipo de processo industrial cont nuo por m necessita de adapta es no caso de processos em batelada Segundo a American Society of Quality um trabalho de auditoria um exame cuidadoso e sistem tico do funcionamento de um sistema cujo objetivo averiguar se ele opera de acordo com as disposi es planejadas e se ele foi implementado em conformidade com os objetivos propostos Tamb m tem como objetivo quantificar o limite superior de desempenho dos itens que ser o validados No contexto de um sistema de controle regulat rio isso envolve um estudo aprofundado sobre o funcionamento do processo e seus requisitos de qualidade a verifica o do funcionamento de dispositivos atuadores sensores e controladores um estudo sobre as intera es existentes entre as malhas de controle e um levantamento sobre todas as a es que podem interferir no funcionamento das malhas de controle um procedimento em que se avalia as possibilidades mutuamente exclusivas e coletivamente exaus
128. e carga que neste caso corresponde ao tempo gasto pelo controlador para restabelecer o balan o de massa ap s uma varia o na vaz o de sa da de vapor Outra compensa o poss vel para o efeito de inchamento Com o objetivo de evitar que o controlador perceba este efeito somada a refer ncia de controle de LIC302 um termo proporcional varia o na vaz o de vapor em rela o ao seu valor m dio hist rico Se a constante K for bem ajustada um aumento na vaz o por exemplo ir causar um aumento na refer ncia de controle com a mesma amplitude do Li aumento de n vel que causado pelo inchamento Assim o erro de controle menor e o efeito da fase n o m nima minimizado 2 PET id n x Na bibliografia sobre caldeiras este esquema de controle comumente denominado de controle a tr s elementos Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 75 Compensador de efeito inchamento Press o m nima BACO2 Figura 4 11 Esquema de controle para alimentac o de gua Em linha pontilhada propostas de melhoria 4 2 6 CONTROLE DE ALIMENTA O DE GAF A Figura 4 12 mostra o esquema de controle atual da linha de alimenta o de GAF A vaz o de combust vel proveniente do gas metro da sider rgica controlada por FIQ101 enquanto que a press o de entrada da linha controlada pela malha PIC342 P1 P2 P3 Queimador PCV342 FCV101
129. e desvio padr o 00 Um fato importante que a distribui o dos dados da m dia amostral da sa da de um processo aproximadamente normal mesmo quando os dados originais do processo apresentam algum outro tipo de distribui o Na estat stica isto conhecido como Teorema do Limite Central Mamzic 1994 Uma carta de controle para monitorar mudan as nesta distribui o de probabilidade detec o de Causas Especiais opera de acordo com a estrutura mostrada na Figura 2 5 Extrai se uma amostra N do sinal de erro e a distribui o estat stica desta amostra un On submetida a um teste de hip tese para averiguar se est em conformidade com o padr o estat stico de refer ncia uo Oo Esta opera o realizada repetidamente e cada vez que a hip tese for rejeitada um alarme gerado Validac o Ampla de Malhas de Controle 13 Teste de hip tese Ho 9 C lculo Alarme Estat stico Extra o da amostra Erro de Controle Figura 2 5 Diagrama de blocos para controle estat stico O tamanho da amostra N deve ter tamanho suficiente para que as m tricas estat sticas sejam descorrelacionadas no tempo pr requisito essencial em cartas de controle Montgomery 2001 Um crit rio utilizar amostras por um per odo de 10 a 50 vezes a constante de tempo dominante do processo S o obtidas portanto duas cartas de controle uma para monitorar a m dia e outra para monitorar o desvi
130. e pr ajustados com ganho entre 0 5 e 1 tempo integral equivalente a 10 vezes o intervalo de amostragem e tempo derivativo nulo Introdu o 3 e 16 das malhas possuem s rios problemas de sintonia e 24 das malhas encontram se com a sa da de controle saturada em boa parte do tempo e 41 das malhas encontram se oscilando por problemas com sintonia intera o com outra malha ou problemas em atuador Em resumo constata se que embora o controle autom tico regulat rio seja essencial em unidades produtivas parte consider vel das malhas de controle contribui para o aumento da variabilidade do processo ela seria menor se o controle fosse manual comprometem a vida til de atuadores e mobilizam onerosos recursos para o controle do processo v lvulas sensores que n o s o utilizados adequadamente De fato desde a partida da planta usualmente a sintonia dos controladores ajustada quando o apenas para satisfazer condi es m nimas para permitir o in cio da produ o Depois disso o sistema regulat rio opera de maneira deficiente sofrendo interven es corretivas apenas em condi es extremas instabilidade ou viola o de restri es Algumas poss veis raz es para a manuten o desse cen rio s o Quest o cultural falta de conscientiza o sobre o impacto do desempenho do sistema de controle na vida til de equipamentos e consumo de energia e insumos Receio de t cnicos e operadores em alterar a
131. e s ries temporais Aplica o de testes em Malha Aberta 4 Identifica o de Estudos no dom nio da frequ ncia AcoplamentosOscilat rios PCA Espectral An lise de Ciclos Comuns 5 Diagn stico de causa Uso de m todos autom ticos para diagn stico de s ries temporais raiz para a oscila o Aplica o de testes em Malha Aberta Figura 3 2 Metodologia proposta para detec o e diagn stico de acoplamentos Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 28 3 3 1 IDENTIFICA O DE ACOPLAMENTOS N O OSCILAT RIOS Os Acoplamentos N o Oscilat rios s o geralmente produzidos por Dist rbios Externos Mudan as de Carga ou Interven es Operacionais e se caracterizam pela presen a de altera es irregulares na tend ncia normal das vari veis tais como picos vales e mudan as de patamar Essas perturba es tendem a se espalhar pelo processo e o papel do sistema de controle transfer las para vari veis de menor import ncia as vari veis manipuladas mantendo as vari veis controladas o mais imune poss vel a essas perturba es Uma forma de avaliar a efic cia do sistema de controle portanto medindo o grau de depend ncia linear entre as vari veis controladas vari veis manipuladas e vari veis que representem essas perturba es E uma maneira direta de se fazer isso pelo c lculo das correla es temporais entre as vari veis Tr s m todos s o discutidos a seguir M tod
132. eas e intervalos respectivamente Valores pr ximos da unidade proporcionam baixa sensibilidade ou seja para a compara o ser considerada verdadeira as reas ou intervalos precisam ser quase id nticos J valores pr ximos de zero proporcionam alta sensibilidade Na implementa o realizada neste trabalho utilizou se valores de 0 7 com bons resultados pr ticos Uma desvantagem deste m todo em rela o aos demais que ao utilizar dados puros do processo os outros m todos trabalham sobre a ACF dos sinais ele precisa lidar com a presen a de in meros cruzamentos de zero esp rio causados por ru do no sinal Como geralmente esses cruzamentos esp rios s o de curta dura o em contraste com os cruzamentos reais que s o de longa dura o uma Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 34 forma de elimin los determinar um per odo m nimo a ser considerado a partir da an lise do histograma dos cruzamentos Outra forma seria fazendo a filtragem do sinal Ambos os m todos apresentam bons resultados que s o mostrados no cap tulo 4 Entretanto um diagn stico preciso depende de uma criteriosa pr filtragem dos dados Al m disso os m todos pressup em a ocorr ncia de um nico ciclo de oscila o condi o pouco razo vel em processos reais Por isso no caso de m ltiplos picos as an lises foram feitas separadamente em diferentes faixas de frequ ncia 3 3 3 IDENTIFICA O DE ACOPLAMENTOS OSC
133. een e 12 Figura 2 6 Vers o de filtro passa alta de primeira ordem ssssssseeeeeeeeeeeeeenneeennnne 13 Figura 2 7 Diagrama relacional do tipo rvore de Falha ssessseeeeeeeeneretetete trn 15 Figura 2 8 Exemplos de situa o anormais eese nnne nnne nennen 15 Figura 2 9 Diagrama temporal de causa e efeito erre nne 16 Figura 3 1 Fases propostas para a Auditoria de Malhas de Controle erre 20 Figura 3 2 Metodologia proposta para detec o e diagn stico de acoplamentos ssse 27 Figura 3 3 Exemplo de vari veis acopladas devido a uma perturba o externa 28 Figura 3 4 FAC t picas de sinais oscilat rios e n o oscilat rios sese 32 Figura 3 5 M todo de Forsman e Stattin para dete o de oscila o sese 33 Figura 3 6 Processo simulado para ilustrar detec o de oscila o irreais 35 Figura 3 7 Proposta de representa o gr fica para identifica o de acoplamentos 36 Figura 3 8 Espectro de pot ncia de FICO1 s asesesiaissearerssanicrraistarasonscersiirerdraronadiia enn ena ea ona dente cuido 37 Figura 3 9 Simula o pra demonstra o de tend ncia t pica de uma malha com agarramento 40 Figura 3 10 Teste manual para detec o e quantifica o de agarramento s
134. eira 86 4 4 DIAGN STICOS PRELIMINARES Continuando o procedimento de auditoria a pr xima etapa a fase llb Conforme discutido no cap tulo 3 antes de iniciar esfor os para a otimiza o do desempenho das malhas de controle importante identificar e classificar quais s o as principais a es perturbadoras as quais o processo submetido Com o estudo sobre o funcionamento da caldeira e com as informa es obtidas com operadores da planta chegou se a um modelo para as principais perturba es das malhas de controle Interven es Operacionais SELE O DE COMBUST VEIS a o perturbadora mostrado na Figura 4 20 Dist rbios Externos PI101 PCI GAF Impurezas no alcatr o Varia es de Carga SP DE GERA O o perturbadora a o perturbadora a o corretiva realimenta o w Dist rbios Internos de Figura 4 20 Modelo para perturbac es nas malhas de controle da caldeira Devido simplicidade do processo a nica intervenc o operacional identificada foi a escolha da combina o de combust veis a serem queimados Outras a es tais como opera o de controladores em modo manual s o realizadas por m apenas eventualmente para contornar mal desempenho de algumas malhas Em rela o aos dist rbios externos identificaram se principalmente perturba es relacionadas com as caracter sticas dos combust veis Impurezas no alcatr o por exemplo cau
135. el trica UTE tem como finalidade a convers o da energia qu mica de combust veis em energia el trica e ou calor para ser utilizado em diversas opera es do processo Este processo de convers o opera em um ciclo convencional de Rankine em que se emprega uma caldeira para gerar vapor d gua seguida de uma turbina a vapor condensador regeneradores e bombas de circula o de condensado Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 57 A UTE Barreiro especificamente funciona num sistema de co gera o utilizando como combust vel o g s de alto do forno e o alcatr o que s o res duos do processo sider rgico da V amp M e por sua vez fornecendo toda a energia el trica produzida para unidades da pr pria sider rgica Cerca de 30 da demanda da sider rgica suprida pela usina t rmica sendo o restante coberto pela rede da concession ria A Figura 4 1 mostra um fluxograma de engenharia simplificado do processo Na caldeira o calor produzido pela combust o dos gases na fornalha transferido por para o fluido de trabalho gua armazenado no tubul o Como resultado tem se o vapor que ap s ser superaquecido conduzido turbina A turbina funciona como um motor t rmico em que o vapor sofre uma expans o isentr pica exercendo uma for a sobre as p s rotativas Assim esta energia potencial do vapor transformada em energia mec nica de rota o que por sua vez usada para acionar o gerador e
136. end ncia temporal Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 32 Sinal senoidal FAC do sinal senoidal Coef de Correla o 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Sinal senoidal com amortecimento FAC do sinal amortecido Coef de Correla o fi i 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 tempo s lag s Sinal n o oscilat rio FAC do sinal n amp o oscilat rio Coef de Correla o i fi i i 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 tempo s Figura 3 4 FAC t picas de um sinal com oscila o senoidal alto sinal com oscila o amortecida central e sinal n o oscilat rio abaixo O diagn stico de oscila o realizado medindo se a regularidade dos intervalos de cruzamentos por zero da ACF Assim um ndice de oscila o r calculado pela seguinte express o Tp 1 X a Or Onde Tp corresponde ao per odo m dio dos intervalos Tp 2 x intervalo entre cruzamentos e or 2 X Ointervalos Onde o corresponde ao desvio padr o dos intervalos Se r gt 1 ent o se tem a presen a de uma oscila o regular no sinal Este limiar tem uma justificativa com base estat stica conforme discutido pelos autores Outro m todo proposto por Forsman e Statin 1999 consiste na detec o de oscila o pelo estudo comparativo tanto das reas formadas pela curva do sinal com o eix
137. ent fica no cap tulo 3 proposta uma metodologia para auditoria de malhas de controle O segundo objetivo desta disserta o testar e reunir de maneira objetiva diversas t cnicas presentes na literatura para an lise de intera o entre vari veis avalia o de desempenho diagn stico de falhas e otimiza o de controladores PID Estas duas propostas s o ent o exemplificadas a partir de um estudo de caso na rea de caldeira em uma usina termel trica No cap tulo 4 um estudo preliminar do processo e de suas condi es operacionais realizado incluindo a auditoria de todas as malhas de controle do processo No cap tulo 5 um sistema validador para a caldeira proposto com objetivo de monitorar a qualidade de seu produto o vapor superaquecido e a efici ncia energ tica Estes fatores s o correlacionados com o desempenho do sistema regulat rio e com a ocorr ncia de eventos perturbadores mudan as de demanda mudan a de combust vel dist rbios O uso de uma planta real como estudo de caso foi viabilizado pelo fato dessa disserta o ser uma fase de um projeto de parceria estabelecida entre a CEMIG e o GVAS Grupo de Valida o de Sistemas UFMG no escopo de projetos ANEEL com objetivo de desenvolver pesquisa e obter melhorias no processo de gera o de energia No cap tulo 6 s o apresentadas as conclus es do trabalho e os direcionamentos para trabalhos futuros e no cap tulo 7 as refer ncias bibliogr f
138. entificar acoplamentos oscilat rios entre as malhas O procedimento utilizado nesta se o corresponde s etapas 2 a 5 no fluxograma mostrado na figura 3 2 do cap tulo 3 O primeiro passo a sele o das faixas de estudo no dom nio da frequ ncia que foi realizada baseando se no conhecimento do processo A caldeira possui malhas de controle r pidas com ordem de grandeza em segundos vaz es e press o de flu dos e malhas lentas com ordem de grandeza em minutos n vel e press o do tubul o e malhas de temperatura Considerando que malhas de controle produzem oscila es com per odos compat veis com a din mica do processo optou se por dividir o espectro em duas partes frequ ncias altas para per odos inferiores a 100 segundos e uma faixa de frequ ncias baixas com per odos superiores a 100 segundos Para a detec o autom tica de padr o oscilat rio e diagn stico de oscila o causada por agarramento em v lvula implementou se rotinas em Matlab conforme alguns m todos apresentado nas se es 3 3 2 e 3 3 3 sendo e M todo 1 Detec o de oscila o proposto por Thornhill el al 2003 Foi aplicado separadamente aos sinais de SP PV MV e ERRO e M todo 2 Detec o de oscila o proposto por Miao e Seborg 1998 aplicado ao sinal de erro das malhas e M todo 3 Detec o de oscila o proposto por Forsman e Statin e aplicado ao sinal de erro das malhas Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle d
139. ento A inser o da banda morta al m de n o evitar os pulos na vari vel controlada resulta em erro estacion rio J a a o de desintonizar o controlador aumenta o tempo de acomoda o e reduz a frequ ncia da oscila o ver equa o 8 mas sem diminuir sua amplitude pois esta independe dos par metros de controle ver equa o 7 Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 41 A 1 Detec o e Quantifica o do agarramento Entre os diversos m todos propostos para detec o e quantifica o de agarramento o mais simples e preciso o proposto por str m et al 2006 e Ruel 2000 Ele consiste numa sequ ncia de testes em malha aberta A Figura 3 10 mostra um exemplo de sua aplica o Inicialmente aplica se um degrau com amplitude suficiente para causar uma varia o percept vel na vari vel controlada e tamb m para vencer poss veis folgas mec nicas da v lvula Em seguida inicia se a aplica o de uma seq ncia de pequenos incrementos no mesmo sentido do degrau inicial at que seja observada uma nova varia o na vari vel controlada O percentual de agarramento calculado pelo somat rio de incrementos que foram realizados sem que fosse observada qualquer varia o na vari vel controlada Neste exemplo como foram necess rios nove incrementos o percentual de agarramento est entre 0 8 e 0 9 Vari vel Controlada PV momento em que a v lvula se move vec A ds 4
140. equiom trico K1 precisa ser corrigidos a partir de uma estimativa da varia o do PCI conforme tamb m mostrado na Figura 4 18 Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 83 Demanda t rmica Ar requerido sagssoso total G s no canal E1 E3 de fumos 1 1 K1 e K3 pee TO rur mu SP Remoto b SPRemoto P 778 X gt Lousa CA AT301 Edo t A A 4 A 1 1 d UP A e 1 T 1 1 ME NE Vemm X 1 1 1 A 1 1 i GAF v t 1 1 Alcatr o Y E FCV103 1 GN gt FCV102 FT103 Figura 4 18 Estrat gia de controle de combust o com otimiza o de excesso de ar Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 84 4 3 AVALIA O INICIAL DE DESEMPENHO DAS MALHAS DE CONTROLE Depois de realizado o Levantamento de Campo a segunda fase do procedimento de auditoria de malhas a avalia o inicial de desempenho das malhas de controle A Figura 4 19 apresenta a rotina Matlab utilizada para o c lculo dos ndices O primeiro ndice variabilidade relativa linha 6 um indicativo da dispers o total da vari vel de processo 60 em rela o aos limites de alarme Um valor de 100 indica que a vari vel controlada ocupa praticamente toda a faixa de toler ncia entre os limites aceit veis Em seguida aparecem os c lculos do desvio padr o linha 7 e da integral do erro de controle linha 8 Essas medidas repr
141. era em circuito fechado com reposi o de perdas a partir de um tanque reservat rio com gua desmineralizada A raz o da retirada de minerais evitar a forma o de dep sito de s lidos na caldeira e nas tubula es A gua tamb m passa permanentemente por um Desaerador T rmico cujo objetivo retirar o ar da gua e evitar corros o devido presen a de oxig nio com gua pouco alcalina Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 60 4 1 2 LISTA DE MALHAS DE CONTROLE E OUTRAS VARI VEIS DE PROCESSO A Tabela 4 1 relaciona as malhas de controle consideradas para a valida o com informa es sobre seus sensores e atuadores bem como suas faixas de medi o opera o Destaca se que os atuadores s o do tipo v lvula proporcional ou motores acionados por inversores de freq ncia Inversores geralmente possuem limita o de varia o de velocidade rampas de acelera o que podem inserir n o linearidade nas malhas Nas tubula es com di metros grandes caso da linha de GAF e Ar de Combust o s o utilizados v lvulas do tipo borboleta por ser a op o mais vi vel para este di metro Por m esta uma op o ruim para controle por ter uma curva est tica bastante n o linear nas extremidades PIC341 Descri o Press o do Ar de Combust o Modo de opera o Normal Sensor Diafragma Capacitivo c garrafa de prote o Atuador Ventilador com
142. erturba o em degrau para que o controlador atenue totalmente a perturba o trazendo a vari vel controlada de volta ao setpoint T 6 A Em mudan as de setpoint podemos interpretar T gt ou 6 lambda como sendo o tempo de acomoda o Semelhante ao m todo da s ntese direta o controlador obtido ap s igualar a fun o de transfer ncia em malha fechada desejada C R com a fun o de transfer ncia em malha fechada do processo Por m neste caso os dois p los de malha fechada p lo do processo e p lo do controlador s o posicionados num mesmo ponto 1 A sobre o eixo real o que resulta no menor tempo de acomoda o para uma resposta sobreamortecida num processo tipo integrador A fun o de transfer ncia do controlador obtida isolando se G s na seguinte express o 1 GcGp T s 1 e 95 R q As 1 1 GcGp ro Ti6 s ri 6s 1 Colocando se G em evid ncia temos um controlador com a estrutura de um PI onde 24 0 T 2 0 e Ke paro 7
143. es realizado por um equipamento dedicado fornecido pela PILZ enquanto que o controle da turbina e condensador realizado por um CLP da Rockwell modelo SLC500 Estes dois equipamentos se comunicam com o SDCD da Yokogawa via rede serial RS232 A Figura 4 3 mostra um esquema da arquitetura de controle Al m do sistema de controle citado existe uma terceira m quina denominada SECE onde executado o aplicativo para o monitoramento on line da efici ncia energ tica da usina Esta m quina se comunica via Ethernet com a m quina HIS 2 onde foi instalado um servidor OPC que disponibiliza para leitura todas as vari veis do sistema Yokogawa Para o trabalho de auditoria o software Ellipse instalado na m quina do SECE foi utilizado como plataforma para aquisi o de dados via conex o OPC e para historiar todos os dados relativos s malhas de controle Rede Ethernet Monitoramento eregistro de dados Cliente OPC Estac o de Operac o Estac o de Operac o HIS 2 Servidor OPC SDCD Yokogawa Gabinete 1 Controle da Caldeira SDCD Yokogawa Gabinete 2 Ar Comprimido Torre de Resfriamento Rede RS232 Rede RS485 SUM Turbina Condensador Cabeamento para Instrumentos de campo P Notebookcom placa de aquisi o 8 canais 10 ms 8 Instrumentac o Controle do Anal gica Digital Queimador Atuadores Figura 4 3 Arquitetura do Sistema de Automa o da usi
144. es de correla o entre as oito vari veis esseeeeeee 29 Tabela 3 2 Matriz de auto vetores participa o das vari veis em cada componente principal 29 Tabela 3 3 Correla o cruzada entre a vari vel 2 e as demais ieeerereeeeererearareaanaa 30 Tabela 3 4 Per odo e intensidade das principais componentes de frequ ncia das malhas 35 Tabela 3 5 Per odos principais ordenados em ordem ascendente ssessssseeeeeeenes 35 Tabela 4 1 Rela o das malhas de controle e dados sobre instrumenta o 60 Tabela 4 2 Vari veis monitoradas durante a auditoria essent 61 Tabela 4 3 Combina es t picas de mistura de combust vel utilizadas 62 Tabela 4 4 ndices de desempenho das malhas ssssssseeeeeeentetetntr tnter tn tetra 85 Tabela 4 5 Correla o cruzada entre os principais dist rbios e o sistema regulat rio 90 Tabela 4 6 Resultado da aplica o dos m todos de detec o de oscila o antes sss 95 Tabela 4 7 ACP das malhas da caldeira errar nene nnne nnne neret 96 Tabela 4 8 ndices de desempenho das malhas ssseeeeeeeeeennnemnnenenenne nennen 120 Tabela 4 9 Resultado da aplica o dos m todos de detec o de oscila o depois 123 Tabela 5 1 Mapeamento das principais con
145. esentam a dispers o e a m dia do percentual de erro e s o teis para quantificar o erro de estado estacion rio integral do erro e a efic cia com que o controlador consegue rastrear a refer ncia e atenuar perturba es desvio padr o do erro Representando o esfor o de controle ou n vel de desgaste do atuador utilizou se o somat rio de incrementos da sa da de controle durante 1 hora de opera o Excurs o CO linha 9 Se por exemplo o atuador for uma v lvula uma excurs o de 1000 indica que a v lvula se movimentou o equivalente a dez aberturas completas em uma hora Sabe se que parte desses incrementos aqueles de pequena amplitude e alta frequ ncia um efeito do ru do de medi o que se propaga na sa da de controle e n o causa necessariamente a movimenta o do atuador Por isso na linha 5 a sa da de controle CO previamente filtrada eliminando se o conte do de alta frequ ncia Por ltimo inclu do na tabela o percentual de tempo em que a sa da de controle permanece limitada Satura o linha 12 e tamb m uma medida do dimensionamento do processo linha 13 PVnorm Vetor vari vel controlada normalizada de 0 a 100 em rela o a faixa de medi o PVmin e PVmax PVnorm AL Vetor vari vel controlada normalizada de 0 a 100 em rela o 5 aos valores de alarme baixo AlarmeL e alto AlarmeH i SPVnorm Vetor refer ncia de controle normalizada de 0 a 100 em rela
146. esma linha ou em linhas derivadas devem ser mantidas em manual d Definir ac es de conting ncia para cada etapa do teste Considerando a possibilidade de imprevistos recomend vel pensar antecipadamente no procedimento mais adequado caso seja necess rio abortar os testes e Levantamento dos pontos de opera o da malha Essa informa o pode levar em conta as faixa de opera o hist rica da vari vel de processo PV e a sa da do controlador assim como os limites de alarme e limites toler veis durante os testes Recomenda se sumarizar os itens a b c e d no documento Planejamento de Experimentos conforme modelo mostrado no anexo B enquanto que o item e pode ser registrado no Descritivo de Malhas vide Anexo A 3 4 2 TESTE EM MALHA FECHADA Este teste possui a vantagem de ser realizado mantendo se o controlador em autom tico Teste em Malha Fechada com menor risco para o processo que o teste em malha aberta Possui no entanto algumas limita es tais como i Muitos m todos de modelagem que funcionam em malha aberta falham com dados em malha fechada devido correla o entre o ru do n o medido e a entrada Forssell e Ljung 1999 ii O modelo do processo considera conjuntamente a din mica do processo do atuador e do instrumento de medi o Isso dificulta a identifica o de problemas tais como filtro excessivo no transmissor sobresinal no posicionador da v lvula histerese e n o
147. ess data Control Engineering Practice 10 2002 833 846 Torres B S Fonseca M O Passos L F Faria D C 2004 Avalia o de Desempenho diagn stico autom tico e sintonia de malhas de controle auxiliada por software dedicado Revista Controle amp Instrumenta o Ano 10 N mero 98 Novembro P gs 69 75 Torres B S Carvalho F B Fonseca M O amp Seixas C 2006 Performance Assessment of Control Loops Case Studies IFAC 2006 Valle R M Pinheiro P C 1995 Controle de Combust o Otimiza o do Excesso de Ar Congresso de Equipamentos e Automa o da Ind stria Qu mica e Petroqu mica Agosto 1995 Rio de Janeiro Willis M J 1998 Proportional Integral Derivative Control Lecture Notes Dept of Chemical and Process Engineering University of Newcastle ANEXO A MODELO DE DESCRITIVO DE MALHAS FRENTE E VERSO S0 1ejueui0 2 Spe JIN WS erueuossaJ ap bajj Jw oe3epouicoe oduisp s OM Op suosbaij m Wsbensowe ap oduia J E opeouiduiis eueiBeig sojuawejdose seo5equnjyied sepiAjoAue SIAL HLA Jopenye oAnisodsig OB IP9W ep ojuswnasu ogSejueuis dui m m m el a d j9H Souejuauio idis eJou ejea O9 poly Sejuojuig 10 90 so vo co co 8a uL TL aro HT d sene soneugaed did opezijeuoN eueyusBua pium SIN 91593 opeuins3 oyueg Xen e asd S9
148. eu oe5isinbe ap eoejd ep soqe3 Jepauo sajsa JBI2IUI21 3 og5eziliqeysa Jepjenge gr T way eed Jejnd oguas pT T way ETEDI uia 23523 ajuauiejerpauu Jeju Jenueu opoui uis 3A8 0 3u02 enunuo2 0552204d as o3ny eJed Jopejoguo gt JPB3ABUD sIBUIBIO soJ3auie ed jeu4032y e5uejn83s ap Jo BA uin SIBUIBIJO 53J0 BA so esed esed AN 1e3snfy enue epies ap s pw So J2UJ0331 2 eyjew ep ozuaweuouny 9INIJ SYA9 eJed JOPejO QUO Jeaneyp O JeJoyuo ongewone esed ETEIId JOpe oJ3uo2 J23A2UD ejn8as og5ejado ap exiej euin eed jopejog3uo2 op epies ap salu 4eysnfy ETEDI WOOD 085e133u Jeya 23122 ap seSuepnui 5IIN32 SVA9 se epide eysodsa eed ETEIId ap SIUOJUIS Je21IpolA og5ipaui ap sopin Ad ORG SIN3I SVAD 18A0uJ24 esed JQS OU no JOSsIWsUB op oyy Jeysnfy T 2Id o3neuio3ne esed saJopejog3uo2 1eu10313H eujeui ep 0AnIJ353p 1e3 nsuo s0AI5532X8 e3ueun8as ap SOJAS p Opueya eujeui ep jewou oe5ejado ap exiej 40 8 wn eed AN Jeu40334 e seuade JaBuBige 2A3p 23453 O 0552201d op ogjezyzu p 51IN32 SVA9 3152310 JEj 0q V ejed epe3uijduuis 33523 ap ei2uanbas e Jezijeay o3neuiojne esed ZTE 5IN32 SVA9 4ope o43uo5 jJeuJ03a3 genueui eyed 2 511 10pejo uo2 Je3Aeu Ja esuodsay enuaduguo ory O3uatupa304g PI Z Byjos enap eo ep 3j033u0 ap seyje sep euoypny eed sa3sa sop oe5y ap oue d O4i2J4eg OP exw euisn ep ejdury oe5epijeA ap o3afo4d ag opens m s parE SOTI S Ru TOMDLT TE popoa Spasma ops I Tops Desjpoe wy seui33sis 9p o
149. ferencial A estrat gia atual tamb m possui uma limita o que causa problemas sempre que a usina opera com carga m xima e queimando apenas GAF Durante perturba es de carga que causam queda na press o do tubul o o controle de press o aumenta rapidamente a demanda t rmica Como a disponibilidade de GAF limitada isso faz com que a malha de vaz o de GAF sature com 100 de abertura da v lvula A vaz o de ar de combust o por outro lado acompanha essa demanda fazendo com que o excesso de ar fique cada vez maior Este efeito conhecido como integral wind up e ocorre sempre que um controle mestre exige uma demanda que o controle escravo n o capaz de atender Para solucionar este problema foi proposta uma vers o simplificada de uma estrat gia conhecida como Duplo Limites Cruzados A sua utiliza o pressup e que a propor o da mistura fundamental em detrimento da vari vel mestre Assim se ocorre satura o do combust vel por exemplo a vaz o de ar tamb m fica limitada Na Figura 4 16 esta modifica o implementada com a adi o das fun es FY311A e FY311B A demanda de ar que anteriormente tinha apenas que ser superior ao valor Ar Comb Total agora tamb m tem que ser inferior a este mesmo valor acrescido de uma toler ncia de 3 do valor m ximo para a demanda Dessa forma a vaz o de ar ir sempre respeitar a limita o e velocidade das malhas de vaz o de combust veis Estudo de Caso Auditori
150. futuros 6 1 CONCLUS O Apresentou se uma metodologia para valida o ampla do sistema de controle de unidades produtivas incluindo uma metodologia para a auditoria das malhas de controle O estudo de caso mostrou que ela capaz de atingir um n vel realmente efetivo de gest o Isso significa que al m de monitorar o desempenho das malhas de controle tamb m capaz de detectar a ocorr ncia de falhas e de localizar sua origem entre os elementos validados Al m disso a extens o do uso de validadores a n veis mais elevados tais como vari veis de qualidade possibilita verificar se determinada falha tinha impacto econ mico ou operacional no processo Outra vantagem a detec o de falhas iminentes que se caracterizam pela mudan a de comportamento de determinado elemento mas a princ pio sem impacto em outros Este tipo de detec o tamb m importante j que o diagn stico precoce permite que equipes de manuten o corrijam o problema antes que ele se agrave resultando em falha em elementos num n vel mais cr tico para o processo importante ressaltar por outro lado que este tipo de abordagem requer um rigoroso exame sobre o funcionamento do processo de seus equipamentos e de suas condi es operacionais No projeto de valida o ampla da caldeira por exemplo isso significou e Mapeamento das vari veis de qualidade e das poss veis causas de perturba o que fossem mensur veis e Identifica o das rel
151. g3epijeA ep odnig eueuueSug ap ej02s3 e00z 60 z e1eq SIES SEUNA 3p EJapa j IPepisi2AUN 000 8S25 suted LN V IN T1 2Id saysnfe ETEDd ANEXO B EXEMPLO DE PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS CONTINUACAO aquspuad 3d epejaue v PINU 92 snI exieg c IPN Z av T epepuoug SIBUIBLJO S3J0 BA snas esed Jopejojuo gt oujeqea op soJ3auiejed so jeuJ03a8 amp JOU T souaui ojad 10d epmsisse og eJado Jelu ap oe5e3s3 000 S 3uled ETEL 3 ETELId JOPpIp auu oe senne as fog isinby sepeJjua seu oe3isinbe ap eae d ep soge gt Jej23u0252Q ap eae d v N v N 5IIA32 SVA9S 4TEDUL oneuojne eJed Z 9II J0pejo3uo2 Jezneu9 o3npuioiny eJed jopejog3uo2 J23ABUD SIBUIBLIO soJjauugjed jeuJo3aH e5uejn83s sp Jojentwun SIBUIBLJO 53J0 BA SO esed esed AIN je3snfy jenueia epies ap sa3lull SO JeuJ03aJ eyjew ep oquaweuoDuny vV IN 5IIN32 SVA5 esed jopejo3uo2 JesAeu O 18J03luO A O2eu103ne eJed ETEDI Jopejog3uo2 jJe3Aeu ETEDI ejn8as oe5ejado ap exiej ewn esed Jopejo1zuo op epies ap sajlui je3snfvy 0e5e133ur 1e PA eed ET 61d AND 1 31 W0 uia todjas sajsnfe 5IIN32 SVA5 Spojusurea1 sei ouo eled ETEDIS sp eiuojurs Je34IpolA ETEDIS 4TT og5ipau sp sopin4 Ad 04H eJed s3J0pe o43u02 1eu4032H ep 0AnIJ353p Je3 nsuo soAIssa2xa solAssp opueji s e5uejn8as ap eyjew ep JeuiJou og5ejado ap exiej eseuade JaBueige vT t eujo3 eJi3pje ep 3 041u0 3p seyje sep euojipny eed sajsa sop oe5y ap oueld
152. gua n o indicada na Figura 4 7 Fluxo de comb FI311 Hg ie xbv gua para 5 resfriamento TCy327 Vapor Turbina Superaquecedor Superaquecedor 1 est gio 2 est gio Figura 4 7 Esquema de controle da temperatura do vapor Em linha pontilhada a modifica o proposta inclus o de uma malha mestre e de um elo feedforward Outra melhoria no controle de temperatura pode ser alcancada com o emprego de um elo de compensa o direta em linha pontilhada a partir do c lculo da varia o da vaz o de ar de combust o FI311 A an lise de gr ficos de tend ncia hist rica tanto da temperatura do vapor quanto da carga na caldeira revelou que o impacto deste ltimo na temperatura pode ser antecipado em at 3 minutos a partir da varia o na vaz o do ar de combust o Na Figura 4 7 tamb m indicada a posi o de um segundo medidor de temperatura TI601 instalado logo antes da turbina Como o objetivo principal controlar a temperatura que chega turbina a realimenta o deveria de fato ser feita com TI601 Entretanto esta estrat gia teria um pior desempenho pois a longa dist ncia f sica entre este medidor e o ponto de adi o de gua resultaria num atraso de transporte adicional de 29 segundos segundo estimativa realizada pela correla o cruzada entre TI327 e TI601 Por isso na estrat gia atual optou se por um controle semi autom tico em que o controle realimentado com TI327 atu
153. gura 4 52 PIC342 Resposta ao degrau no SP e par metros de sintonia Tempo de acomoda o de 300 segundos Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 116 FIQ101 Resposta a mudanca de SP ho f 1 t f Modelo 1 Par metros PID Par metros ordem Original PID Novos 1 PB 200 PB 6896 0 8 Sintonia Original Ti 10s Ti 15s S ahy z Nova Sintonia Td 0s Td 0s 2 06 S Ta 1s Ta is Eos Tf 1 445 Tf 1 44s Ed K ganho do processo t constantes de tempo 0 2 8 tempo morto PB banda proporcional Ti tempo integral Td tempo derivativo Ta tempo de amostragem Tf const de tempo do filtro 0 10 20 30 40 50 B 7 80 90 100 tempo s Figura 4 53 FIQ101 Resposta ao degrau no SP e par metros de sintonia Tempo de acomodac o de 40 segundos Oscila o no posicionador de FCV 101 50 Sa da do controlador 48 Posi o real da v lvula 46 44 5 96 42 40 38 E overshoot 36 Oscila o per odo de 358 s 34 a 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 tempo s Figura 4 54 FCV101 Presen a de oscila o no posicionador Vaz o de GAF normalizado T T T T T T i i 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 tempo s Ciclos Principais no espectro de pot ncia E o c Es gt Es o k E E 3p 50 100 150 200 250 300 350 400 Per odo s Figura 4 55 Pr
154. i 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 95 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Figura 4 34 Aplica o de t cnicas de identifica o para modelagem dos dados mostrados na figura anterior Outro item importante durante os testes a supervis o das tend ncias de todas as malhas que est o operando em modo manual ou outras vari veis cr ticas que podem ser afetadas ou que podem afetar os testes Esta supervis o foi realizada com uma ferramenta OPC Trend da CanaryLabs que coleta dados em tempo real e registra em tela as tend ncias de diversas vari veis simultaneamente A Figura 4 35 mostra a supervis o dos testes na malha de press o de bombeamento de gua PIC313 Al m dos tags de PIC313 foram inclu dos os tags das malhas que foram chaveadas para opera o em modo manual LIC302 e FIQ313 A press o do tubul o que deve ser sempre menor que a press o de bombeamento tamb m foi inclu da Se qualquer uma dessas vari veis tendesse a sair de uma determinada faixa de seguran a os testes poderiam ser imediatamente abortados sem risco de danos Todos os preparativos dos testes assim como das a es de conting ncia foram previamente determinados e descritos no documento Planejamento de Experimentos mostrado parcialmente no Anexo B Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 104 Outra ferramenta utilizada no trabalho foi um banco de dados
155. i tempo integral Td tempo derivativo e 18 2 36 40 E eo 70 20 90 mo Ta tempo de amostragem Tf const de tempo do filtro tempo s Figura 4 57 FIQ102 Resposta ao degrau no SP e par metros de sintonia Tempo de acomodac o de 40 segundos Linha de alcatr o PIC137 e FIQ103 A modelagem da linha de alcatr o exigiu considera es especiais A linha possui um filtro para o alcatr o que provoca uma queda de press o na linha que cresce a medida que o filtro vai sendo obstru do por detritos contidos no combust vel Quando esta queda de press o atinge um grau que satura a velocidade da bomba ent o o filtro substitu do Isso ocorre periodicamente num per odo entre 5 e 10 dias Como consequ ncia a malha de press o PIC137 possui caracter sticas bastante distintas dependendo da condi o do filtro Foram realizados testes para modelagem nas duas condi es Dois modelos matem ticos de primeira ordem foram obtidos para representar a resposta din mica da malha em cada condi o filtro limpo e filtro sujo Os par metros do modelo s o mostrados na tabela exibida na Figura 4 58 O controlador foi projetado baseando se na condi o de filtro limpo que a mais comum por m a resposta em malha fechada tamb m foi testada na condi o de filtro sujo para assegurar estabilidade nas duas condi es A Figura 4 58 mostra Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 118 simula o da resposta mudan
156. i la r 5 1 J 1 D H 1 r I Lado 1 1 I 1 A 4 FIQ313 gt i PIC313 X Z1C311 Z1C101 i Z1C342 h 1 p og 22d mS mnc Jenan Saia Mere me e poe uw ya e a Causas i Lon ics ee TX d ar gt PCIGAF 47 NU z gt A 4 Combina o 1 Regenerador F4 e vos e Externas phat TS E 5er Hn Tempe 4 Demandade i Presso ME a S A ds Gordo Y o Fit vM Desligado da gua de ub 4 1 gas metro i 1 NU a ai AP LIA 5 Adi o de GN Sujo ai 5 alimenta o o gi T 7 ES Pd ENG Figura 5 3 rvore de Falha para a Caldeira A rvore organizada conforme proposto no cap tulo 2 Os validadores das duas vari veis de qualidade da caldeira s o colocados na primeira linha Estes validadores consistem em cartas de controle que monitoram a distribui o estat stica de amostras do res duo dessas vari veis Dessa forma varia es anormais s o detectadas Na base ficam as poss veis Causas Especiais para a variabilidade do processo Neste grupo incluem se os indicadores discretos relacionados na Tabela 5 1 e os validadores de vari veis que representam perturba es externas do processo s o elas a temperatura da gua de alimenta o a press o no gas metro e o PCI do g s de alto forno Estes tr s validadores tamb m utilizam cartas de controle baseadas no res duo das amostras da vari vel Neste caso a frequ ncia de corte do filtro igualada a frequ nc
157. ia de corte das malhas TIC327 PIC342 e do sistema de combust o respectivamente Na parte central est o posicionados os validadores das malhas de controle Eles consistem em cartas de controle para monitorar a m dia e o desvio padr o do erro das malhas Se uma Causa Especial detectada estes validadores devem notificar outras malhas que dependam de seu funcionamento E se for o caso de uma falha interna originada no sensor atuador ou controlador da malha sua causa deve ser indicada 128 Projeto de um Modelo para Valida o Ampla da Caldeira 129 5 3 EXEMPLOS Tr s exemplos s o extra dos da base de dados de opera o da Caldeira para ilustrar o funcionamento do sistema de valida o proposto 5 3 1 CONDI O ANORMAL NA PRESS O DE BOMBEAMENTO CAUSADA POR INTERVEN O MANUAL Neste primeiro exemplo uma interven o manual realizada na malha TIC327 um degrau realizado na sa da de controle causa especial para variabilidade das malhas PIC313 e FIQ313 A Figura 5 4 mostra gr ficos de tend ncia das malhas de controle do circuito de gua durante esta interven o Nenhuma altera o importante percept vel As cartas de controle dos validadores de PIC313 e FIQ313 no entanto detectam o evento notificando a ocorr ncia de uma Causa Especial de variabilidade no instante pr ximo de 5 horas ver Figura 5 5 De acordo com a rvore de falha essas duas malhas podem ser afetadas pelas sa das de controle de L
158. icas Validac o Ampla de Malhas de Controle 6 CAP TULO 2 VALIDA O AMPLA DE MALHAS DE CONTROLE Valida o consiste num processo sistem tico de avalia o das condi es de opera o de um sistema determinando se ele opera conforme sua qualidade especificada Isto inclui o monitoramento de algum ndice chave que represente sua qualidade a avalia o diagn stica de eventuais mudan as nestas caracter sticas e uma a o voltada para a manuten o da qualidade especificada Este conceito se aplica a diferentes subsistemas em todos os n veis de um processo Pode se validar o desempenho por exemplo de instrumentos de campo sensores e atuadores de equipamentos de processo trocadores de calor bombas motores de controladores de redes de comunica o de uma subunidade ou de toda uma planta industrial At mesmo o desempenho com que funcion rios executam suas tarefas pode ser validado desde que haja uma forma de se quantificar e monitorar consistentemente este desempenho de forma cont nua Tecnicamente uma unidade validada aquela que al m de desempenhar suas fun es corriqueiras possui um mecanismo agregado implementado em hardware ou software que fornece evid ncias documentais de que a unidade atende consistentemente s especifica es Quando este mecanismo incorporado a uma unidade executando as fun es de valida o internamente tem se uma unidade auto validada Clarke 1999 Tais fun es
159. ida o O que se v atualmente em sistemas de automa o o emprego crescente de diversas ferramentas especializadas para gest o de ativos e de instrumentos inteligentes que fornecem diagn sticos de praticamente todos os dispositivos do processo O mais importante por m prover meios de monitoramento da planta como um todo conjugando os diagn sticos num n vel local e global como requerido para a opera o confi vel de sistemas de controle altamente interconectados e complexos Validac o Ampla de Malhas de Controle 8 Bartys et al 2006 Num modelo de Valida o Ampla as t cnicas de avalia o de desempenho e diagn stico de determinado tipo de elemento s o encapsuladas numa classe de maneira similar ao modelo de programa o orientada a objetos Assim a cada elemento pode se aplicar t cnicas distintas de valida o e com uma interface padronizada esses validadores podem interagir trocando informa es Em Braga 2006 encontra se uma proposta metodol gica te rica para este encapsulamento e um modelo de valida o ampla que abrange todos os n veis de informa o e tipos de dispositivos desde o ch o de f brica at o n vel corporativo Neste trabalho considerada uma vers o simplificada deste modelo pois o foco est apenas na valida o de malhas de controle Como o desempenho da malha depende do desempenho de seu sensor de seu atuador de equipamentos que interagem com o processo assim como
160. incipais per odos de oscila o da vaz o em opera o em regime permanente Oscila o em torno de 358 segundos respons vel por apenas 3 6 da vari ncia Linha de g s natural FIQ102 Nesta linha apenas a malha de vaz o foi ajustada o controle de press o realizado por uma v lvula auto pilotada A Figura 4 56 mostra a sequ ncia de testes em malha aberta e a Figura 4 57 mostra a simula o da resposta mudan a de SP antes e ap s o ajuste de sintonia Apesar desta malha ser mais r pida que a malha de Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 117 vaz o de GAF constante de tempo duas vezes menor seu tempo de acomoda o em malha fechada foi ajustado para ser o mesmo da malha de GAF 40 segundos Sequ ncia de testes para FIQ102 1200 1100 1000 900 800 PV Nm3 h 9550 9600 9650 9700 9750 9800 9850 9900 9950 10000 10050 Teste de histerese 9550 9600 9650 9700 9750 9800 9850 9900 9950 10000 10050 tempo segundos Figura 4 56 FIQ102 Seq ncia de teste em malha aberta FIQ102 Resposta a mudan a de SP T T T 12 T T T T T T Modelo 1 Par metros PID Par metros ordem Original PID Novos o TIE K 1 42 PB 190 PB 263 E 08 T 7 7s Ti 13s Ti 7 7s o E 8 25s Td 0s Td 0s g 06 1 E z S Ta 1s Ta is os J Tf 1 44s Tf 1 44s lt K ganho do processo t constantes de tempo 0 2 1 8 tempo morto PB banda proporcional T
161. intonia Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 109 LIC302 Controle de n vel do tubul o Um processo de controle de n vel considerado integrador se a partir de uma diferen a entre as vaz es de entrada e sa da o n vel vari vel controlada varia em rela o ao tempo com uma taxa constante at que um limite seja atingido tanque totalmente cheio ou tanque vazio No caso do tubul o da caldeira al m da caracter stica integradora tamb m pode existir uma din mica de fase n o m nima resultado dos fen menos de t mpera e inchamento conforma discutido na se o 4 2 5 A Figura 4 41 mostra a sequ ncia de testes em malha aberta efetuada em LIC302 Realizou se quatro mudan as na vaz o de alimenta o indicados na figura por D1 D2 D3 e D4 Entre um degrau e outro se nota uma tend ncia aproximadamente linear no n vel do tubul o cujas inclina es s o indicadas por S1 a S5 o que caracteriza este processo como sendo realmente integrador Observa se tamb m que a mudan a na inclina o n o ocorre imediatamente ap s a mudan a na alimenta o Existe um atraso possivelmente relacionado com efeito de inchamento A estrutura escolhida para o modelo o de uma fun o de transfer ncia com ganho K um p lo na origem e um atraso puro de tempo 0 equa o 2 Apesar de ser um modelo matem tico bastante simples para representar este processo ele suficiente para o proje
162. l Para exemplificar considere um sistema composto por uma malha de controle de press o de combust vel PICO1 uma malha de temperatura TICO1 e FICO1 malha escrava para controle de vaz o de combust vel TICO1 possui comportamento oscilat rio com ciclo de 80 segundos devido sintonia inadequada de seu controlador enquanto um problema de agarramento na v lvula PCVO1 respons vel por gerar uma oscila o com per odo em torno de 26 segundos na press o A Figura 3 6 mostra o esquema de controle e direita os gr ficos de tend ncia das malhas Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 35 Bar PICO 55 ne Tem SP rU WS GEH y TT 45 1 1 1 1 L L L 1 1 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Fico pawit FIG S seco 185 01 m3 h 160 P A A pP P s oS Ni 175 a 1 1 1 1 L p L 1 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5 Too Co MISS 45 in f PPS IP Pu a PCVO1 1350 r L 1 L L 1 1 r L 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Figura 3 6 Processo simulado Esquema de controle esquerda e gr ficos de tend ncia das vari veis controladas direita Ap s aplica o da transformada de Fourier dos dados e a identifica o dos tr s principais n cleos ou aglomerados no espectro de pot ncia obteve se os principais ciclos de oscila o das malhas conforme mostrado na Tabela 3 4 Relaciona se p
163. l trico bar 0 C O TR Uu I l bd mx porta MU US inje o O Ei Superior D gua x vient Principal m k gua alimenta o Superaquecedor Tubul o Inferior ES Extra es para alimentar os Regeneradores Continua Desaerador Pr amp 7 D Ventilador Aq Condensado Tiragem UM For ada n TH Tiragem Induzida Figura 4 1 o simplificado da caldeira de uma usina termel trica Baseado em fluxograma Tanque gua Desmineralizada vem do Condensador fornecido pela UTE Barreiro Enquanto isso o vapor de exaust o da turbina passa pelo condensador e torre de resfriamento onde convertido em l quido saturado E o ciclo se fecha quando o condensado acumulado na parte inferior do condensador bombeado para o sistema de aquecimento regenerativo atrav s da bomba de condensado BAC e em seguida este l quido comprimido retorna para a caldeira Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 58 A caldeira da UTE Barreiro do tipo aquatubular ou seja em sua fornalha o vapor produzido dentro de tubos enquanto que os gases de combust o circulam externos a eles Resumidamente a fornalha consiste numa c mara com queimadores em que ar e combust veis s o misturados e queimados Ao entrar em contato com as paredes tubulares de um sistema de gua os gases da queima transferem parte do calor para a gua
164. la Vari vel Externa B tamb m sinalizada como estando em condi o anormal A malha de controle C por outro lado n o sofre efeito dessa perturba o pois possui velocidade suficiente para rejeit la Na mesma figura lado direito ilustrada uma situa o em que um problema detectado no atuador da Malha de Controle C respons vel por um comportamento anormal na Malha de Controle B e que por sua vez uma Causa Especial para a variabilidade da Vari vel de Qualidade B Validac o Ampla de Malhas de Controle 16 Situa o A Situa o B Vari veis de Veri vel de Vari vel de qualidade Qualidade B P Malhas de amp B Malhas de Controle A Malhas de Controle B Malhas de Controle P Vari veis perturbadoras Vari vel M Externa A pa Vari vel Externa B Figura 2 8 Exemplos de situa es anormais Vari vel C Vari vel M ExemaA X Externa M Externa C E Para complementar a an lise e causa efeito no processo de valida o proposto um diagrama temporal tipo espinha de peixe Ordys et al 2007 pode ser usado para analisar o desempenho do sistema ao longo do tempo e registrar a freq ncia com que determinada falha tem ocorrido Um exemplo ilustrado na Figura 2 9 Causa 11 Causa 32 Causa 13 Causa 22 Causa 41 Figura 2 9 Diagrama temporal de causa e efeito Baseado em Or
165. lado esquerdo dist rbios no PCI do GAF refletem se apenas na temperatura dos gases no canal de fumos TI329 e na concentra o de oxig nio dos gases de combust o AIC301 Este resultado mostra o impacto de varia es do PCI na qualidade da queima fato j esperado visto que a estrat gia de combust o utiliza fatores de convers o fixos J o reflexo da varia o na press o do GAF medida na sa da do gas metro PI101 mostrado no lado direito da figura Esta varia o n o absorvida pelo Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 88 controle de press o de entrada do GAF PIC342 MV e acaba refletindo na vari vel manipulada do controle de vaz o de GAF FIQ101 MV Isso ocorre pelo fato da malha de press o n o ter um dimensionamento adequado A Figura 4 23 por sua vez mostra o reflexo de dist rbios causados por impurezas no Alcatr o O impacto ocorre no erro das malhas da linha de alcatr o PIC137 PIC135 e FIQ103 e na linha de ar de combust o FIQ311 Observando a Figura 4 24 observa se que se trata de um dist rbio com componentes de alta frequ ncia e isso explica o fato do sistema regulat rio n o conseguir rejeit lo A Varia o do PCI do GAF B Varia o press o do GAF no gas metro PCI GAF TI301 PCI GAF TI329 i T1301 T1323 j TI331 PI101 f T1323 FY301 P1101 AIC301 FY301 TIC327 MV AIC301 TIC327 ERRO TIC327 MV PIC323 MV TIC327 ERRO PIC323 ERRO PIC323 MV
166. lidade Disserta o de mestrado Engenharia Mec nica PUC Minas Belo Horizonte Mamzic C L 1994 Statistical Process Control Practical Guides for Measurement and Control Instrument Society of America 1995 Mejia R I Coelho A A R Farenzena M Trierweiler J O Nunes G C 2008 Auditoria de Malhas de Controle em Processos Industriais Tutoriais do XVII Congresso Brasileiro de Autom tica Juiz de Fora 2008 Miao T Seborg D 1998 Automatic Detection of Excessively Oscillatory Feedback Control Loops Proceedings of the 1999 IEEE Michel H C 2008 Manual de utiliza o do IAMAuditoria v 1 0 Laborat rio de Valida o de Sistemas UFMG Uso interno Mitchell W Shook D Shah S L A picture worth a thousand control loops An innovative way of visualizing controller performance data Montgomery D C 2001 Introduction to Statistical Quality Control John Wiley Sons Inc Arizona University USA Niu S S e Ljung L 1994 Multiple Model Parameter Estimation Technical Report Department of Electrical Engineering Linkoping University S 581 83 Linkping Sweden Refer ncias Bibliogr ficas 139 Olsen T Bialkowski B 2002 Lambda Tuning as a Promising Controller Tuning Method for the Refinery EnTech Control Prepared for Presentation at 2002 AIChE Spring National Meeting in New Orleans March 2002 Session No 42 Applications of Control to Refining Unpublished Ordys A W
167. linearidades Sugere se por outro lado a utiliza o de dados em malha fechada para a avalia o do desempenho da malha usando ndices determin sticos e para a identifica o do ganho est tico do processo par metro til no planejamento do teste em malha aberta A seguir um procedimento sugerido para este teste em malha fechada Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 52 Realizar mudan a em degrau na refer ncia de controle e ap s estabilizac o novo degrau em sentido oposto para o valor original Caso ndo seja poss vel modificar a refer ncia de controle uma alternativa realizar um teste que simule uma mudanga de carga O controlador chaveado para manual a sa da de controle modificada e logo em seguida o controlador chaveado de volta para o modo autom tico Depois de realizado o teste medir o tempo de acomoda o e o percentual de overshoot em cada degrau Verificar simetria resposta a um degrau equivale resposta ao degrau em sentido oposto Fazer estimativa do ganho est tico e verificar se o processo possui caracter stica integradora ou seja se a vari vel manipulada retorna ao valor original ap s cada degrau 3 4 3 TESTE EM MALHA ABERTA J para o teste em malha aberta usado para a modelagem matem tica das din micas dominantes e para quantifica o da banda de ru do e das limita es do atuador sugere se a seguinte sequ ncia a Definir o tipo e a amplitude
168. m malhas de controle a presen a de atrito O agarramento um tipo de n o linearidade causada principalmente pelo atrito est tico entre a haste e a gaxeta pe a instalada para impedir que haja vazamento de fluxo pela haste Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 39 Tal oscila o explicada pela seguinte sequ ncia de fatos Choudhury et al 2005 Quando a for a ativa Fa que proporcional ao sinal de controle CO menor que a for a de atrito est tico Fe a v lvula agarra Isto causa uma diferen a entre o sinal de controle e a posi o real da v lvula e como consequ ncia causa erro entre a refer ncia de controle e a vari vel controlada PV Este erro persistente com a presen a da componente integral do controlador resulta num sinal de controle e numa for a ativa Fa crescentes Quando Fa torna se maior que Fe a v lvula desagarra movendo se de maneira brusca para uma nova posi o Esta mudan a geralmente maior que o necess rio e a resposta do processo resulta em novo erro SP PV por m com sinal invertido A a o integral do controlador ent o come a a decrementar at que a for a ativa produzida pela mola se a v lvula opera com ar para abrir seja novamente maior que o atrito est tico Nesse momento a v lvula pula bruscamente para uma nova posi o num sentido contr rio ao da mudan a anterior Este ciclo de agarramento repete se indefinid
169. malhas importantes tais como PIC322 e TIC327 5 Estrat gia avan ada para controle de n vel do tubul o Conforme citado na se o 4 2 5 o controle de n vel pode ser melhorado com adi o de elos de compensa o direta para varia o de carga e para compensa o do efeito de inchamento Outra estrat gia interessante seria o uso de ajustes diferentes para o controlador de n vel dependendo da condi o de opera o do regenerador 6 Melhoria no controle de temperatura do vapor Este controle cr tico podendo causar paradas na planta dependendo da amplitude da temperatura e opera com desempenho ruim variabilidade relativa inicial de 62 8 Uma melhoria imediata seria um novo ajuste de sintonia do controlador com objetivo de maximizar seu desempenho regulat rio Outras melhorias dependeriam de altera es na atual estrat gia de controle incluindo o emprego de compensa o direta para varia o de carga adi o de uma malha escrava para controle da vaz o de gua e adi o de um segundo controlador para regula o da temperatura logo antes da turbina Infelizmente neste trabalho a es que demandassem altera es na programa o do SDCD n o foram poss veis Por isso entre as a es acima citadas apenas a primeira e a quarta foram exploradas Assim o trabalho nesta fase consistiu no ajuste de sintonia de quase todos os controladores redimensionamento das constantes de tempo dos filtros e dos tempos de
170. me trocador de calor que transfere energia do sistema de combust o para o circuito de gua Nas subse es seguintes cada malha de controle descrita em detalhes Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 67 Vapor superaquecido E Tubul o 1 Demanda t rmica Controle de Combust o PIC341 FIQ311 PIC135 PIC137 FIQ103 PIC342 FIQ101 FIQ102 EC superior GN GAF Alcatr o Ar Comb queimadores Figura 4 4 Esquema simplificado das malhas de controle da caldeira 4 2 2 PIC322 CONTROLE DE PRESS O DE VAPOR Este controle considerado o principal da caldeira respons vel por regular a press o do vapor produzido respondendo tanto a mudangas de carga demanda de vapor da turbina quanto a mudan as no poder calor fico dos combust veis Usualmente um bom controle de press o de caldeira deve manter a press o entre 1 do valor desejado independente de perturba es ou mudan as de carga Lipt k 1999 A press o regulada atuando se na vaz o de combust vel Se por exemplo a turbina aumentar o consumo de vapor a press o no tubul o ir cair e o controle dever ent o aumentar o volume de combust vel queimado para produzir este acr scimo de vapor Se por outro lado o PCI do GAF aumentar o sistema de combust o tender a liberar mais pot ncia produzindo mais vapor por unidade de tempo isso acarretar um aumento de press o e o sistem
171. mente inferior Este decr scimo na vaz o de GN faz com que a vari vel Ar GN decres a aumentando ainda mais a refer ncia de controle de GAF calculado por FY101A Por sua vez o aumento na vaz o de GAF faz com que Ar GAF aumente o que causa uma redu o ainda maior na refer ncia de controle de GN calculado por FY102A Este processo acontece ent o de maneira interativa at que a vaz o de GAF atinja seu limite superior FY101B e a vaz o GN atinja um valor m nimo necess rio para que a demanda de PIC322 seja atendida Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 80 Demanda t rmica Y p gt SP ar T qoe gt Ar medido FT311 3 Ar m x LU t 1 I 1 I Ar requerido I E3 total 1 H Ar_GAF Ar_Alc L modo cascata X i 1 a K1 K2 K3 Ar G i 20 0 0 GN min i A A A LU 1 LI LU 1 gt ui Q zZ E AD 55 B Oo B ja NS OD EN L p B o B P O B E l D Q z L 1 1 I L L 1 1 1 1 L L L 3 S ta ta Este fator E1 nulo se GN nao estiver em p 2 2 2 22 l 5 5 2 t I I OOO 1 1 1 SPRemoto g 4 i lt FT101 FT102 FT103 lt GAF m x gt i Fator de F M T Me desequilibrio FT101 GAF M x s 3 H o ow m FCV101 FCV102 FCV103 Figura 4 16 Estrat gia para controle de combust o com combust vel pre
172. mes quanto sua total aus ncia durante um longo per odo um ind cio de que a atual condi o operacional muito distinta daquela utilizada como base para o projeto dos validadores Neste caso este novo cen rio operacional deve ser considerado e os validadores reprojetados 2 4 COMENT RIOS FINAIS Validar um equipamento instrumento ou processo uma atividade que requer primeiro a obten o de um sistema que atenda a demandas ou especifica es de projeto consistentemente Isso n o significa necessariamente que uma unidade validada tamb m est otimizada ou seja no melhor desempenho poss vel Entretanto no caso de malhas de controle importante que a estrat gia de controle seja adequada que os instrumentos estejam operando normalmente e que os controladores estejam no m nimo razoavelmente bem sintonizados Al m disso em contraste com as Ferramentas de Gerenciamento de Ativos o projeto de um sistema de valida o ampla requer o m ximo de informa o sobre o processo e sobre como ele operado Para a parametriza o dos validadores e da rvore de falhas imprescind vel o mapeamento das vari veis chave de qualidade a identifica o das principais fontes de variabilidade das intera es entre as vari veis e conhecimento sobre as limita es de velocidade e sobre o dimensionamento do sistema de controle Estas informa es felizmente podem ser obtidas com o uso de uma metodologia adequada d
173. mostra uma sequ ncia sugerida para os testes em processos auto regulat rios Outras seq ncias s o mostradas no Anexo B2 malha aberta teste histerese 4 teste agarramento testes para identifica o r E s DH AEST EU E E EE EEE E E E ENE E S x Faixa opera o Y Figura 3 16 Seq ncia sugerida para testes em malhas aberta Ap s a realiza o dos testes modelos matem ticos para o processo s o obtidos por meio de m todos de identifica o V rios deles s o discutidos em Aguirre 2001 Com os testes realizados nos atuadores poss vel calcular qual a variabilidade m nima causada por defeito no atuador Como forma de validar o modelo matem tico obtido e ao mesmo tempo verificar a estrutura da fun o de transfer ncia do controlador sugere se realizar uma simula o da resposta em malha fechada com os dados obtidos O tempo de acomoda o e percentual de overshoot devem ser compat veis com aqueles observados durante os testes iniciais em malha fechada 3 4 4 REPROJETO DO CONTROLADOR Como nesta etapa considera se a disponibilidade de um modelo matem tico para o processo o reprojeto do controlador pode ser realizado utilizando algum m todo baseado em modelo e que atenda aos requisitos de desempenho tra ados Ap s a escolha do m todo de sintonia sugere se o seguinte procedimento para a atualiza o do controlador a Verificar o tipo de algoritmo do controlador paralelo s rie ou depe
174. mp amp delta B i 1 delta B i 1 Db 28 nd oo LH c lculo do ndice de oscila o 29 if mean rA mean rB 2 gt threshold 30 ind osc 1 34 Tpmedio mean delta A mean delta B 2 32 end Figura 4 25 Algoritmos Matlab para detec o autom tica de oscila o numa s rie temporal Metodo 4 Horch 1999 01 CO CO mean CO remoc o do valor m dio 02 PV PV mean PV remo o do valor m dio pr filtragem para remo o de ru do de alta frequ ncia 03 PVf low filter PV 04 COf low filter CO 05 FCC xcorr PV CO coeff c lculo da fun o de correla o cruzada 06 lag 1 length FCC 07 lag lag round length FCC 2 08 lagzero round length FCC 2 l1ocalizacao dos cruzamentos por zero 09 aux find FCC 0 10 aux2 diff aux 11 aux3 find aux2 1 12 crosspoints 13 for jj 1 1length aux3 14 crosspoints crosspoints aux aux3 jj aux aux3 j3 1 15 end calculo dos crit rios do ndice de detec o 16 aux p find crosspoints lagzero l7 tr crosspoints aux p 1 lagzero 18 aux p find crosspoints lagzero 19 tl lagzero crosspoints aux p end 20 delta t abs tl tr tl 4tr 21 r0 FCC lagzero 22 if sign r0 1 rmax max FCC 23 else rmax min FCC end 24 delta q abs r0 rmax abs r0 rmax Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 93 comp
175. n be identified A methodology for control loops audit is proposed as a preliminary stage of a unit wide validation system project Algorithms already in current engineering practice were used for variables interaction detection performance assessment fault diagnosis and optimization of PID controllers A case study of a boiler unit of a thermoelectric plant illustrates the methodology of validation Initially all control loops are analyzed and scanned for main features and dynamical behavior These preliminary data are used to design and adjust validation functions to supervision main quality variables of the boiler unit such as superheated steam and energy efficiency Disturbance events and different operational modes were used to test the validation methodology proposed Keywords control loop performance assessment asset management control system validation Figura 1 1 Redu o da variabilidade eessssseseseeeseeeeeeeenee nnne nnne nnne 2 Figura 2 1 Fun es associadas ao conceito de valida o de processos es 7 Figura 2 2 Estrutura de um validador para malhas de controle 9 Figura 2 3 Exemplo de carta de controle de Shewhart eeseeeeeeeenen nennen 10 Figura 2 4 Classifica o das perturbag es sessssssssssssssssseseseeeeee neret nnne nnns nne 12 Figura 2 5 Diagrama de blocos para controle estat stico seseeeeenennen
176. na Como a auditoria envolve a modelagem matem tica do processo uma quest o importante a forma como as informa es s o coletadas Acompanhando a Figura 4 3 observa se que uma informa o proveniente de um instrumento de medi o sinal 4 20 mA ap s passar pelo m dulo de aquisi o do CS3000 onde digitalizada precisa ainda passar pela rede VS NET e pela rede Ethernet at chegar a uma aplica o no SECE Neste caminho os dados que j carregam ru dos de transmiss o sofrem efeito de sub amostragem j que existe limita o na taxa de transfer ncia de dados na rede VL NET e na conex o OPC sofrem efeito de falseamento devido presen a de Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 66 componentes de alta freq ncia e ainda sofrem efeito de atrasos de transporte devido ao fato das frequ ncias de amostragens n o serem m ltiplas uma das outras Devido a essas quest es os dados coletados na m quina SECE s o impr prios para tarefas de modelagem principalmente para vari veis relacionadas com processos de din mica r pida Para contornar este problema durante os testes para modelagem de malhas mais cr ticas press o e algumas vaz es a coleta de dados foi realizada com um notebook equipado com placa de aquisi o com conversor A D com resolu o de 12 bits da National Instruments 4 2 REVIS O DAS ESTRAT GIAS DE CONTROLE O sistema de controle de uma caldeira tem como principais
177. nd ncia de antes e depois dos ajustes s o mostrados na Figura 4 63 J em PIC313 a melhoria no desempenho regulat rio da malha fez reduzir o desvio padr o do erro de 0 14 para 0 02 Os gr ficos de tend ncia dessa malha s o mostrados na Figura 4 64 Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 120 Tabela 4 8 ndices de desempenho das malhas Desvio Desvio Satura o Variabilidade Padr o Erro Integraldo Excurs o Padr o CO 96 Descri o relativa 96 96 Erro 96 CO 96 96 tempo Dimensionamento FIQ101 Vaz o GAF 5 66 1 09 0 16 1246 05 9 84 11 47 0 1 FIQ102 Vaz o GN 6 38 1 03 0 584 46 0 7 0 1 51 FIQ103 Vaz o Alcatr o 2 3 0 38 0 1 139 66 1 33 0 0 29 FIQ311 Vaz o Ar Comb 7 44 0 64 0 715 35 0 74 0 1 67 PIC341 Press o Ar Comb 0 65 07 0 533 06 0 41 0 0 18 FIQ313 gua Alimenta o 2 58 0 32 0 1 35 PIC313 Press o gua 3 58 323 68 0 28 0 2 07 PIC322 Press o Tubul o 0 55 02 439 22 1 33 0 0 41 LIC302 N vel Tubul o 0 36 01 483 4 0 42 0 0 85 PIC342 Press o GAF 13 4 1 12 0 329 44 3 64 0 0 31 PIC323 Press o Fornalha 1 77 0 27 01 764 79 1 2 0 0 22 TIC327 Temp Vapor 1974 019 0 1054 73 3 15 0 06 PIC135 Press o Ar Atom 18 61 0 43 0 1362 55 0 43 0 1 02 PIC137 Press o Alcatr o 1 04 06 0 533 34 0 45 0 0 13 Temperatura do Vap
178. ndente as unidades utilizadas e os recursos dispon veis transi o suave filtro de PV etc b A partir da fun o de transfer ncia do processo banda de ru do e espectro do dist rbio definir valores timos para o tempo de amostragem e filtro da PV Crit rios para o dimensionamento de filtros s o apresentados por Ruel 2003 c Definir frequ ncia de corte e tempo de acomoda o desejado verificando restri es de robustez e acoplamento com outras malhas Sugerem se Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 54 sintonias conservadoras por exemplo com uma constante de tempo de malha fechada pr ximo do valor da constante de tempo em malha aberta Olsen e Bialkowski 2002 d Se o objetivo da malha regulac o mas tamb m capacidade de atendimento a eventuais mudan as em degrau na refer ncia de controle ent o considerar o uso de um controlador com dois graus de liberdade Isso pode ser realizado simplificadamente pr processando o sinal da refer ncia de controle para remo o de altas frequ ncias e Ap s a atualiza o dos par metros de sintonia verificar opera o em autom tico Caso a variabilidade do erro ainda seja excessiva verificar a possibilidade do uso de compensa o direta Caso n o seja poss vel reprojetar o controlador com uma frequ ncia de corte menor Se o desempenho ainda n o for satisfat rio uma nova estrat gia de controle dever ser proposta 3 5 COMENT RIOS FI
179. nfy 2312 ap seSuepnui 5IIN32 SVAS se epideJ e3sodsa1 eJed LZEJIL sp eiuo3urs Je PON og5ipaui apsopins Ad 02H 5IIN32 SVAS 13A0W31 eJed q5Qs ou no Jossiusue op 043 jesnfv L7 2IL o3neuiojne eujeui ep ejed s3J0pe o43u02 1euJ038 OAQI12S2P Je3 nsu0 soAISSa2X3 sOlASSp opueji a eyjew e5uejn83s ap ep jgusou oe5e1ado ap exiej e seuade JaBueJge a sp wage 3pow JO 2A wn eed AN JeuJ038 3353 O Jopeme op 3353 2 0553201d op oe5e3unuspi saysal 5IIN32 SVAO 73533 0 00 eJed ea duuo 23523 ap ei2uanbas e Jezijeay LTEDU o3neuiojne esed ZTeoL IN v SIBUJOU saoSipuo2 O3uaue 103Iu Ou omisso omompy van woeisaoossososa asseougpumsmaa wman 1 zem er Opeyn2axa Opuas 124952 33523 uin8 e 1 A Tt Lo ssemse speiiedueae scpmon mens v1 s eujo3 e113pJ e ep 3j0431u0 ap Seyje sep enoypny esed 5331531 sop oe5y ap oueld T OesiASH 0JI2JJeg op ewa euis ep ejduy oe5epijeA ap o3sfo4g eq fa 32955 mi Aes PRI COMTE PL TOBOLI TE TRT Siostro SPa 01199 top Sega wr seuia sisS ap oeSepi eA ep odnig eueyusgdus ap e 0253 8002 60 z eea 5 BJ35 SBUIIN sp BJapa J spepisJaAlu ANEXO B 2 GUIA PARA SEQU NCIA DE TESTES EM MALHA ABERTA Universidade Federal de Minas Gerais Data Escola de Engenharia 01 09 2008 Grupo de Valida o de Sistemas ae Revis o UE Av Ant nio Carlos 6627 Bdo Horizonte MG Brasil 31 270901 A Melhor Energia do Brasil So Tel 31 3409 3468 www gvas cpdee u me br Projeto de Valida o
180. nha pelo menos uma medida de sua posi o real e Valida o de Malhas de Controle Um validador para uma malha de controle possui maior complexidade pois combina diagn sticos de pelo menos tr s elementos um sensor um atuador e um controlador ver Figura 2 2 Seu desempenho pode ser avaliado por exemplo pelo controle estat stico da m dia e dispers o do erro de controle Alarmes devem ser gerados caso algum desses ndices ultrapasse valores de refer ncia para uma opera o normal Tais eventos podem ser causados por falhas internas sintonia inadequada ap s mudan a na Validac o Ampla de Malhas de Controle 9 citar caracter stica do processo n o linearidade no atuador ou causado por perturba es de carga Uma simples mudan a em degrau na refer ncia de controle j pode ser motivo para a ocorr ncia de um alarme No cap tulo 3 s o exploradas t cnicas para a detec o e diagn stico dessas falhas internas e adiante proposto um mecanismo para diagn stico de alarmes causados por perturba o de carga Validador Controlador Figura 2 2 Estrutura de um validador para malhas de controle Diversos mecanismos de compensa o tamb m podem ser utilizados para Reconfigurac o autom tica dos par metros do PID a partir da identifica o de um evento que sabidamente muda alguma caracter stica do processo Se o atuador autovalidado o controlador pode ser reconfigurado para
181. nsores e atuadores O registro fotogr fico ou em v deo evita a necessidade de novas visitas Ambienta o Consiste numa opera o assistida ao lado dos operadores da unidade Esta imers o deve dispor de tempo suficiente para a compreens o de como a rotina de opera o da planta Geralmente conversas informais com operadores s o fontes essenciais de informa es sobre as principais defici ncias e oportunidades de melhoria no sistema de controle Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 21 Estudo do sistema de controle e automa o Um levantamento pr vio sobre a arquitetura de automa o e seus sistemas de aquisi o processamento e registro de informa es e o estudo da programa o do CLP ou SDCD esclarece quais s o os recursos disponibilizados pela plataforma de automa o e busca identificar suas limita es Como o trabalho de auditoria inclui tarefas de modelagem matem tica do processo importante definir a forma como os dados ser o coletados e arquivados levando em conta quest es tais como amostragem e atrasos de comunica o O estudo da programa o do CLP SDCD auxilia no entendimento de como foi projetado o sistema de controle e atesta se a documenta o de engenharia est atualizada Revis o bibliogr fica Pesquisar na literatura t cnica e cient fica as melhores pr ticas e recomenda es para o controle do processo em estudo Verificar conformidade com normas t cnicas e rec
182. nte enquanto que o controle de press o da linha de GN opera com uma v lvula auto pilotada A estrat gia adotada para a sintonia das malhas foi a realiza o de testes em malha aberta em todas as linhas Primeiramente as malhas de press o s o modeladas com as malhas de vaz o operando em manual para evitar que esta ltima provoque perturba es Em seguida as malhas de vaz o s o modeladas com as malhas de press o operando em autom tico e j com os novos par metros de sintonia Em rela o velocidade das malhas medida pelo tempo de acomoda o existem regras importantes a serem seguidas Para evitar intera o entre as malhas de press o e vaz o uma delas deve ser sintonizada para ser em torno de 4 vezes mais r pida que a outra Nas linhas de alcatr o e ar de combust o a malha de press o foi escolhida para ser a mais r pida pois isso elimina a possibilidade do elemento ativo ventilador ou bomba sofrer sobrecarga por conta da atua o da malha de vaz o Al m disso uma press o a montante est vel e independente da vaz o uma condi o desej vel para uma boa opera o da v lvula de controle J na linha de g s de alto forno onde tanto o controle de press o como o de vaz o atuam sobre elementos passivos v lvula a malha de vaz o foi escolhida para ser a mais r pida pois sua velocidade determinante para o desempenho de todo controle de combust o Esta escolha n o traz tanto preju zo malha de p
183. nte o trabalho esteve voltado para a otimiza o do sistema com foco em redu o de variabilidade E neste contexto um aspecto importante observado que trabalhos de auditoria de malhas realizados numa base malha simples SISO podem ser incorretos ou mesmo contra produtivos Se n o for realizado um mapeamento pr vio dos Acoplamentos Oscilat rios h o risco de se desperdi ar recursos na an lise e na modifica o da opera o das malhas que est o oscilando devido a causas externas Por ltimo importante comentar sobre a viabilidade econ mica de um projeto de Valida o Ampla Por ser uma abordagem que leva em conta a complexidade do processo ela n o pode ser implementada como um produto de prateleira que ap s ser instalado e configurado come a imediatamente a produzir os diagn sticos aos quais se prop em A constru o e manuten o dos validadores e da rvore de falha requerem a atua o constante de um profissional qualificado o que agrega um custo permanente a solu o O retorno econ mico deste trabalho por m observado ao longo do tempo A incorpora o gradual de validadores vai agregando intelig ncia ao sistema e seus diagn sticos promovem a otimiza o do processo ao revelarem eventos que seriam desconhecidos numa inspe o visual de gr ficos de tend ncia Al m disso paradas de equipamentos passam a ser menos frequentes j que o sistema capaz de gerar alertar sobre falhas incipientes Outr
184. nualmente por operadores ou automaticamente pelo sistema de automa o J as Mudan as de Carga s o perturba es decorrentes de uma varia o na demanda dos processos subsequentes ou mudan a no tipo de material ou produto a ser processado pela unidade Assim como as Interven es Operacionais s o eventos previs veis e podem ser facilmente mapeados durante o trabalho de auditoria ou a partir de uma base hist rica fornecida por um sistema PIMS Plant Information Management System por exemplo Os Dist rbios Externos por sua vez s o desvios inevit veis causados por mudan a nas caracter sticas de materiais ou insumos e s o geralmente as principais causas de variabilidade Dist rbios Externos tamb m podem ser provenientes de sistemas de utilidades tais como varia o na tens o el trica press o de bombeamento de reagentes ou press o de ar de instrumentos S o geralmente dif ceis de serem previstos e muitos dist rbios s o at mesmo desconhecidos Ocorrem tamb m casos em que o controle realimentado ao inv s de atenuar as perturba es as amplifica ou at mesmo cria varia es na vari vel controlada que n o existiriam na aus ncia de controle realimentado o caso de oscila es na vari vel de processo como resultado de atuadores defeituosos ex v lvulas com agarramento excessivo controladores mal sintonizados e malhas com elevado grau de intera o Essas varia es na vari vel de processo causadas po
185. o Um exemplo de implementa o de um filtro passa alta de primeira ordem mostrado na Figura 2 6 A frequ ncia de corte do filtro relacionada com o par metro por meio da seguinte express o abaixo em que T a constante de tempo do filtro anal gico e h o intervalo de amostragem h dede T Validac o Ampla de Malhas de Controle 14 Em suma a id ia de se implementar validadores para vari veis de qualidade e malhas de controle incluindo seu sensor e atuador obter para cada um deles um status indicando se eles operam em condi es normais No caso de vari veis externas o papel do validador indicar se o comportamento dessa vari vel tem potencial para perturbar alguma malha de controle ou vari vel de qualidade Figura 2 6 Vers o de filtro passa alta de primeira ordem 2 2 DIAGRAMAS RELACIONAIS QUALITATIVOS Numa planta industrial o n mero de validadores tende a ser grande dezenas em plantas de pequeno e m dio porte e centenas ou milhares em plantas de grande porte importante obter uma forma organizada de se visualizar as notifica es Para tanto foram consideradas t cnicas conhecidas por sua simplicidade e efic cia na representa o de poss veis falhas Ordys et al 2007 Prop e se o uso de um diagrama de rvore de Falhas que permite visualizar o status dos validadores assim como suas rela es de causa e efeito conforme exemplificado na Figura 2 7 Os validadores das vari vei
186. o 1 An lise por Matriz de Correla o Considere as oito s ries temporais extra das da base de dados de um processo industrial e mostradas na Figura 3 3 Sabe se que as vari veis 2 3 5 e 7 est o acopladas pois sofrem conjuntamente o efeito de um determinado dist rbio externo enquanto o efeito de outro dist rbio se reflete nas vari veis 1 e 8 var 1 Kg h x 10 var 2 Nm3 h y var 3 Kg h var 4 4 4z 310 465 460 3 8 4 300 455 3 6 3 8 450 34 7 7 3 6 E T 290 i 0 1000 2000 3000 0 1000 2000 3000 0 1000 2000 3000 0 1000 2000 3000 t s var 5 var 6 var 7 var 8 80 Atm 5 ec 30 40 60 450 35 445 a E a 0 1000 2000 3000 0 1000 2000 3000 0 1000 2000 3000 0 1000 2000 3000 t s Figura 3 3 Exemplo de vari veis acopladas devido a uma perturba o externa o 50 A identifica o dessas correla es pode ser feita pelo c lculo da matriz de correla o ver Anexo C correla o ver Anexo C mostrada na Tabela 3 1 Por ser sim trica s o exibidos apenas os dados abaixo da diagonal principal Valores acima de 0 8 est o destacados e s o indicativos de forte correla o Orientando se pelos ndices de linha coluna as principais correla es s o 3 2 5 2 5 3 7 2 7 3 7 5 e 8 1 Os seis primeiros pares equivalem a uma combina o dos elementos 2 3 5 e 7 agrupados de 2 em 2 6 e formam um grupo de vari veis acopladas O mesmo pode se
187. o aspecto desej vel a possibilidade de se incorporar o conhecimento de especialistas ao sistema auxiliando operadores inexperientes durante a tomada de uma decis o 6 2 DIRECIONAMENTO PARA TRABALHOS FUTUROS Apesar das simula es realizadas no cap tulo 5 baseadas em dados hist ricos terem sido suficientes para exemplificar a capacidade do sistema de valida o em detectar e rastrear falhas n o foi poss vel observar a din mica de seu funcionamento Para isso importante que uma vers o seja implementada em tempo real Com esta implementa o estudos podem ser realizados sobre as melhores formas de modelar Conclus o e Direcionamento para Trabalhos Futuros 135 as classes validadoras e sobre como se estabelecer a comunica o entre elas Al m disso formas autom ticas de revalida o e gerenciamento de alarmes falsos poderiam ser exploradas Em rela o ao validador de malhas de controle este trabalho apresentou apenas t cnicas para diagn sticos b sicos de falhas internas tais como detec o de oscila o e diagn stico de agarramento de v lvulas Existem por m muitos outros tipos de falhas Um diagn stico de robustez em tempo real por exemplo depende do desenvolvimento de algoritmos para estima o em tempo real de um modelo matem tico para o processo Al m disso t cnicas de controle adaptativo tamb m podem ser incorporadas ao validador No controle de n vel do tubul o LIC302 por exemplo a sin
188. o do tempo como dos intervalos de tempo em que o erro tem o mesmo sinal Mejia et al 2008 A Figura 3 5 mostra como s o calculados o vetor de reas A e o vetor de intervalos T Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 33 Sinal do Erro 3 T T T T T T T 2 A2 A4 A8 j AO a T3 A6 a O RAH j Its TS j h T7 i i A3 A5 A1 3o 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 tempo s Figura 3 5 O m todo baseado na regularidade de reas e intervalos de cruzamentos consecutivos entre grupos de ndices pares e mpares A compara o realizada entre reas e intervalos consecutivos por m originados por um sinal de erro de mesmo sinal ou seja os dados de reas e intervalos s o divididos em dois conjuntos os de ndice par erro negativo e os de ndice mpar erro positivo Para cada par de elementos calcula se uma rela o bin ria de compara o A rela o da soma dos elementos de ambos os conjuntos dividida pelo n mero total de meios per odos N forma um indicador de oscilac es que pode assumir valores entre O aus ncia de oscila o e 1 oscila o perfeita As rela es bin rias s o calculadas como a seguir A 1 T 1 N Eslas 25 E y lt TE lt onde i 0 7 i a i 2 Ai 1 Tia n N Cs E pondei 1 E fa lt Aa y lt Ly onde i 2 CE ind osc N Os par metros a e y ajustam a sensibilidade da compara o entre r
189. o m todo 1 Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 94 foi selecionado para ser aplicado tamb m ao sinal da PV MV e SP O objetivo fornecer informac es que apontem para casos de malhas com refer ncia de controle oscilat ria ou malhas que oscilam mesmo com a sa da saturada ou operando em modo manual Os m todos 4 e 5 foram aplicados apenas no caso de malhas que operam com v lvulas e onde foi detectada presen a de oscila o Os diagn sticos s o mostrados na linha Detec o com valores de O a 1 Quanto maior o valor maior a certeza sobre a presen a da oscila o E no caso de um diagn stico positivo alguns m todos fornecem uma estimativa sobre o per odo da oscila o que mostrado na linha Per odo As colunas referentes fun o de sensitividade s o estimativas de alguns pontos do m dulo da fun o de sensitividade da malha fechada Identificou se a faixa de per odos que s o amplificados pela malha o per odo em que ocorre a amplifica o m xima e o per odo em que ocorre atenua o de 90 20dB O per odo onde ocorre o pico da fun o de sensitividade serve de estimativa para o per odo de resson ncia da malha Estes dados foram obtidos a partir da fun o de transfer ncia do controlador e do processo conforme ser mostrado adiante Com todo esse conjunto de informa es poss vel determinar quais malhas est o oscilando assim como a causa prov vel d
190. o padr o do sinal de erro A distribui o estat stica de refer ncia obtida a partir de uma base de dados de refer ncia cujas nicas fontes de varia o do processo s o Causas Comuns 2 1 2 CARTA DE CONTROLE PARA DIAGN STICO DE CAUSAS ESPECIAIS Quando uma Causa Especial de variabilidade detectada ou seja um alarme gerado pela carta de controle desej vel um diagn stico localizando o causador desta falha E conforme mencionado esta falha pode ser devida a um Dist rbio Interno ou Externo Um validador espec fico para aqueles Dist rbios Externos que s o mensur veis projetado para monitora o O papel deste validador detectar nessas vari veis componentes de frequ ncia numa faixa que n o seja suficientemente atenuada pela malha de controle resultando em aumento de variabilidade Baseando se num algoritmo para detec o de mudan as apresentado por Gustafsson 2000 uma t cnica bastante simples pr processar a vari vel que representa o Dist rbio Externo utilizando um filtro passa alta A frequ ncia de corte do filtro deve coincidir com a frequ ncia de corte da malha de controle que sofre os efeitos da perturba o A dispers o do res duo deste filtro e monitorada por uma carta de controle do tipo CUSUM ou Shewhart Se um alarme gerado simultaneamente por esta carta e pelo validador da malha de controle ent o prov vel que o aumento na variabilidade seja causado por este dist rbi
191. o temperatura e umidade do ambiente externo A mudan a de um destes elementos pode determinar um novo padr o estat stico para as vari veis de qualidade e deve ser devidamente considerada pelo sistema validador Para isso cada um desses cen rios deve ser identificado e registrado Numa planta automatizada muitas vezes poss vel buscar informa es suficientes no sistema de controle para se determinar as condi es de opera o do processo sobretudo aquelas relacionadas com o estado dos equipamentos e as caracter sticas da produ o 3 Caracteriza o de desempenho Consiste em verificar para cada malha de controle em cada cen rio operacional se ela capaz de operar de maneira aceit vel e principalmente se poss vel determinar os limites nos quais uma eventual queda de desempenho causa impacto em alguma vari vel de qualidade do processo 4 Controle estat stico do processo Monitoramento cont nuo de desempenho com teste de hip tese para verificar se os elementos validados se mant m em estado de controle estat stico Esta fun o executada pelos blocos validadores Validac o Ampla de Malhas de Controle 18 5 Revalida o Uma eventual manuten o de alguns par metros do validador necess ria para o seu funcionamento adequado Essa esp cie de valida o do validador realizada monitorando se a taxa de alarmes gerados pelas cartas de controle Tanto um n mero excessivo de alar
192. o2 Je3Aeu oduis3 ap s33ue3suo2 005 as3uauiepeuurxojde ap opouad wn J0d eyiaqe eujeui wa opuejado Jope o43u02 133ue A EuISjsis ou i2u313j133u euinuuau 3ANOY Ogu as Je2l13A ETEL 3p Waquie aAissod as ETELId Jopipaui oe seage as sepeJjusa seu oe3isinbe ap e2ejd epsoge gt Jeyoauo Das no 1ossnusue ou 0434 J3A0U3Y enueui eed cT 2Id Jopejo guo2 Je3Aeu SIBUUJOU sao3ipuo2 uia eJado 05s3201d 35 SeDU2pua se ad 1e214148A JIN W 533533 Jezi e2 ope3n3aaxa opuss 1240953 31533 uns e oquenbus epeyuedwoJe 185 eJ3A3p sISAPLIEA Sessap ei2uspuai v Z 2LL ET Old ETEDI TOLD 5134130 s yw j 3014104002 seje3sa sens opue3snfe s2353j so WO sepeuo 2e 31 SI2ABLJ2A se sepo3 sp o3usuieJojruoui Jerru el en mr Toe OJUIWIBJOJIUOUI EE ER amp 113pje ep 3j011u0 ap SEYN sep euoypny eed sa33s21 sop oe3y ap oueld 04I2JJEg OP e3iu3 euis ep ejdurv oeSepijeA ap ojafosd aquo onic Ue mam sort BOT IS mL ToDo Trs pepa TtD crumg DD 2198 Lec DoqDy me seuia sis ap og3epijeA ep odnJo5 eueyuaBua ep e 0253 SIBJ20 SEURAN ap eJ2pa 4 apepisja tum ANEXO B EXEMPLO DE PLANEJAMENTO DE EXPERIMENTOS CONTINUACAO aiepuad 3d epejeoue yI epiniuo O SMe exieg e SPAN Z EUY T epepuoud 3A P 3153 O ETEADS e nA gA eu 33533 3 0552204d op sajsaL 2nuapi eJed amp 33jduio3 23523 ap epuanbas e Jezijeay ETEOIS 7043 12A0W2Y ewa OU ei2us431123u BUINQUIU 3 nou OBU a5 Je21L13A ETEL JOPIpau oe seage as sepeJjus s
193. objetivos regular a press o e temperatura do vapor produzido garantir que o n vel de gua no tubul o superior permane a entre limites seguros e garantir que a queima dos combust veis ocorra de maneira segura e eficiente Diversos outros controles s o realizados mas podem ser considerados como suportes a estes controles principais Nesta subse o apresentam se cada um destes controles e baseado numa extensa revis o bibliogr fica e em estudos realizados na pr pria caldeira s o apresentadas alternativas que se mostram bem sucedidas para cada caso importante esclarecer que n o fez parte deste trabalho a implementa o das modifica es sugeridas 4 2 1 DESCRI O GERAL DAS MALHAS DE CONTROLE DE CALDEIRA O sistema de controle regulat rio da caldeira composto por 15 malhas que s o mostradas na Figura 4 4 num esquema simplificado Elas podem ser divididas em dois grupos principais Malhas do circuito de gua Composto por LIC302 n vel do tubul o superior FIQ313 vaz o de alimenta o PIC313 press o de bombeamento de gua e TIC327 temperatura de sa da do vapor superaquecido Malhas do sistema de combust o Composto por PIC323 press o no interior da c mara de combust o AIC302 concentra o de O2 na chamin PIC322 press o no tubul o superior e mais oito malhas de controle de vaz o press o de combust veis e ar de combust o Nesse contexto a caldeira pode ser vista como um enor
194. ole de press o dependem de como essa estrat gia implementada e da sintonia de seus controladores Por isso durante o projeto de uma caldeira a escolha dos instrumentos a posi o onde eles devem ser instalados e o dimensionamento dos demais equipamentos devem ser realizados de maneira a minimizar ao m ximo os atrasos que podem acarretar em tempo morto para o controle No caso de uma caldeira j em opera o os esfor os podem ser direcionados para um adequado ajuste dos controladores e para a escolha de uma estrat gia que consiga reduzir o tempo de resposta at pr ximo do limite m nimo imposto pelo tempo morto natural do processo e pela din mica de transfer ncia de calor Neste contexto uma estrat gia muito utilizada o controle em compensa o direta ou feedforward Esta estrat gia cria um elo que antecipa respostas corretivas as perturba es de carga antes mesmo delas serem percebidas pelo elo de realimenta o Para o controle de press o da caldeira como se trata de uma configura o caldeira segue turbina o ideal utilizar informa es que antecipam uma varia o na demanda de vapor Em ordem decrescente em rela o ao tempo de antecipa o temos refer ncia de pot ncia a ser gerada torque do gerador velocidade da turbina e comando de abertura das v lvulas de admiss o na turbina Shinskey 1998 prop e uma forma de antecipa o com a vantagem de requerer apenas medi es da pr pria caldeira Ele p
195. om X E E Ao gt 088 o X Adi o de GN alimenta o x 40 79 x F mo Pd d s Figura 5 9 Simula o da rvore de falha Condi o anormal na gera o de energia causada por varia es nas malhas PIC322 e LIC302 A causa da anomalia nesta ltima o desligamento do regenerador 5 4 COMENT RIOS FINAIS Neste cap tulo foi apresentado um esbo o de um sistema para valida o ampla do sistema de controle da caldeira Os exemplos utilizaram dados offline por m uma ferramenta para monitoramente em tempo real poderia ser implementada a partir das mesmas id ias E para que os diagn sticos sejam mais precisos importante que sejam incorporados aos validadores das malhas de controle validadores espec ficos para os sensores e atuadores Em rela o confiabilidade natural que esporadicamente um sistema validador gere um alarme falso ou detecte uma condi o anormal mas sem nenhuma causa aparente Por m se esta situa o torna se freq ente preciso realizar uma manuten o nos par metros do validador Pode ocorrer tamb m uma nova causa especial para a variabilidade que n o foi mapeada durante o projeto e ent o ela deve ser inclu da Conclus o e Direcionamento para Trabalhos Futuros 133 CAP TULO 6 CONCLUS O E DIRECIONAMENTO PARA TRABALHOS FUTUROS Este cap tulo mostra quais s o as principais contribui es deste trabalho e tamb m sugest es para trabalhos
196. omenda es de seguran a e opera o Sugere se a partir das informa es levantadas a confec o dos seguintes documentos Memorial descritivo do processo Explica o sobre o princ pio de funcionamento do processo suas etapas a fun o de cada equipamento e como ocorrem as trocas de energia e material entre eles Alguns dados t cnicos tais como dimens o de tubula es dist ncia entre equipamento posi o de sensores devem ser inclu dos Lista de malhas de controle e de vari veis de processo Rela o geral das malhas com informa es sobre seus atuadores e sensores assim como a lista de vari veis que podem ser teis para medi o de dist rbios e como indicadores econ micos Descritivo de malhas Ficha individual com dados t cnicos sobre cada malha de controle incluindo objetivos de controle modos de opera o esquema de controle dados do controlador sensor e atuador poss veis perturba es de carga e intera es n veis de alarme e pontos de opera o t picos para a vari vel controlada e manipulada Inclui tamb m espa o para registro de todos os testes e modifica es realizadas durante trabalho de auditoria Ver modelo no anexo A Identifica o das principais condi es operacionais O desempenho de um sistema regulat rio muito influenciado pelas condi es do processo tais como ritmo de produ o tipo de produto condi o de opera o de equipamentos e linhas de produ
197. on Methodologies for Emerging Technologies in Automation Bialkowski W L 1992 Dream vc reality A view from both sides of the gap Proc Contr Syst 92 Dream vs reality Whistler Canada 283 298 Bjorklund S Ljung L 2003 A Review of Time Delay Estimation Techniques Proceedings of the 42nd IEEE Conference on Decision and Control Mad Hawaii USA December 2003 Bonavita N Bovero J C Martini R 2006 Control Performance Monitoring A data driven approach Presented at Process and Control System Performance Monitoring ANIPLA Workshop Milan 19 September 2006 Braga A R Jota F G 1994 Multiple criteria for on line performance assessment of industrial controllers 109 Congresso Brasileiro de Autom tica CBA Rio de Janeiro 1994 Braga C M P Braga A R Fantini M amp Jota F G 2006 Valida o ampla de plantas industriais Uma abordagem metodol gica Anais do XII Congresso Brasileiro de Autom tica CBA 06 Salvador Brasil pp 288 293 Braga C P Braga A Caldas M Fantini M 2006 Memorial descritivo do Projeto de C lculo de Efici ncia da Usina T rmica do Barreiro GCPI UFMG CEMIG Caldas M 2005 Valida o e Implementa o de um Sistema Especializado para C lculo de Efici ncia SECE para a Usina Termel trica do Barreiro Escola de Engenharia da UFMG Belo Horizonte Choudhury M A Kariwalw V Shah S L Douke H Takada H Thornhill N 2005 A
198. or 01 09 Temperatura do Vapor 18 10 470 T T T T T T T T T 455 T T T T T T T T T T 3 3 H X 480 D 455 O a 7 S E 450 B5 i amp amp 440 435 1 1 fi fi fi fi 1 1 0 5 15 2 25 3 35 4 45 55 80 T T 70 T T T T T T T T 70 E E o 9 n o s 4 50 ul d qur gc d d og Y j ER i id i 0 2 25 3 55 tempo horas 35 4 fi 25 3 tempo horas 1 15 2 35 4 5 5 Figura 4 61 TIC327 Compara o das tend ncias antes e ap s o trabalho de auditoria Grande redu o na variabilidade com uso de controle mais agressivo N vel do tubul o 01 09 96 PV 55 ii 2 25 3 tempo horas N vel do tubul o 18 10 15 2 25 3 tempo horas 45 5 5 Figura 4 62 LIC302 Compara o das tend ncias antes e ap s o trabalho de auditoria Elimina o da oscila o e redu o na variabilidade do n vel Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 121 Vaz o de gua de alimentac o 01 09 x 10 5 6 T T T T T PV m3 h Vaz o de gua de alimenta o 18 10 T 4 55 T jh m 800 1000 T T T 1200 1400 1600 CO 96 800 600 tempo segundos 0 200 400 1000 1 1200 1400 1600 600 800 1000 tempo segundos 1200 1400 1600 Figura 4 63 FIQ313 Compara o da
199. os dist rbios s o amplificados pela malha ao inv s de serem atenuados A Figura 3 14 mostra a curva da fun o de sensitividade t pica de uma malha de controle para um processo com p lo dominante t com tempo morto inferior t 2 e controlada por um PI sintonizado de maneira conservadora constante de tempo em malha fechada com valor pr ximo do valor em malha aberta assinalado no gr fico o per odo cr tico T o per odo em que ocorre atenua o de 20dB aproximado por 50 Tc e a faixa entre o per odo em que os ciclos come am a ser amplificados 0 2T at o per odo em que ocorre atenua o de 3dB 5T 5 HA a A Inverso da frequ ncia de resson ncia ou 271 w Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 45 Fun o de Sensitividade Atenua o DB 0 2 Tc Tc 5 Tc 50 Tc Per odo seg Figura 3 14 Curva t pica de resposta em freq ncia de uma malha de controle PI Os dados podem variar dependendo da ordem do processo e do projeto do controlador Dist rbios de carga de frequ ncia relativamente baixa maiores que 50 Tc s o totalmente eliminados por um controlador com a o integral j que ele possui elevado ganho em baixas frequ ncias J os dist rbios de alta frequ ncia com per odos menores que 0 2 Tc s o normalmente atenuados por filtros passa baixa naturais do pr prio processo tais como tanques capacit ncia de tubula es din mica de sensores e atuadores enquanto que aq
200. os proposto por Ingimundarson e H gglund enquanto diversas t cnicas para identifica o autom tica do tempo morto s o apresentadas por Bjorklund e Ljung 2003 3 3 DIAGN STICOS PRELIMINARES FASE IIB Um conhecimento preliminar sobre as perturba es presentes numa planta bastante til Ele auxilia no planejamento do trabalho de otimiza o e um dos aspectos a ser considerado no projeto das estrat gias de controle Conforme exposto no cap tulo 2 na etapa de valida o al m da identifica o da origem das perturba es a constru o da rvore de falhas tamb m requer conhecimento de como essas perturba es se propagam pelo processo Nas subse es seguintes s o apresentadas algumas ferramentas capazes de extrair de uma base de dados hist rica de um processo diversas informa es sobre a origem e os efeitos das perturba es Essas t cnicas s o conhecidas como T cnicas de An lise de Dist rbios em Plantas ou Plantwide Disturbance Analysis Horch et al 2007 O fluxograma mostrado na Figura 3 2 mostra um resumo da metodologia proposta neste trabalho Ela pressup e a disponibilidade de uma base de dados contendo um hist rico de opera o de todas as vari veis de processo vari veis controladas refer ncias de controle entre outras Para que os diagn sticos sejam precisos os dados n o podem estar comprimidos por algoritmos de compacta o n o lineares com perda de informa o e precisam ter si
201. ossivelmente n o tem velocidade suficiente para rejeitar totalmente as varia es na vaz o de vapor FY301 Nas outras malhas o impacto aparece apenas nas vari veis manipuladas das malhas Por sua vez a atua o reguladora da press o no tubul o PIC322 MV comanda a demanda t rmica e o impacto mostrado na ACP da Figura 4 21B Entre as malhas afetadas apenas a press o do GAF PIC342 sofre reflexos no erro de controle possivelmente por problemas de dimensionamento conforme apontado na avalia o inicial Tabela 4 4 A Varia o no SP de gera o B Varia o na demanda t rmica PCI GAF i PCI_GAF T1301 j T1301 T1329 T1329 T1323 TI323 PI101 f PI101 FY301 FY301 AIC301 AIC301 TIC327 MV TIC327 MV TIC327 ERRO TIC327 ERRO PIC323 MV i PIC323_MV PIC323_ERRO f PIC323_ERRO PIC342_ERRO j PIC342 ERRO LIC302 MV j LIC302 MV LIC302 ERRO LIC302 ERRO PIC322 MV PIC322 MV PIC322 ERRO PIC322 ERRO PIC313 MV PIC313 MV PIC313 ERRO PIC313 ERRO FIQ313 MV j FIQ313 MV FIQ313 ERRO FIQ313_ERRO PIC341_MV PIC341 MV PIC341 ERRO j PIC341_ERRO FIQ311 MV FIQ311 MV FIQ311 ERRO j FIQ311 ERRO FIQ101 MV i FIQ101_MV FIQ101_ERRO FIQ101 ERRO FIQ103 PV f FIQ103 PV FIQ102 PV FIQ102 PV Figura 4 21 An lise de componentes principais durante variac es de carga A Figura 4 22 mostra a ACP durante ocorr ncia de dist rbios externos no sistema regulat rio Conforme resultados mostrados no gr fico do
202. ossuem press o est vel A vaz o do combust vel controlada por FIQ102 que atua na v lvula FCV102 conforme esquema mostrado na Figura 4 14 FCV102 GN l Queimador EI NW FIQ 102 c 102 Figura 4 14 Esquema do controle de adi o de GN 4 2 9 CONTROLE DE COMBUST O Conforme j apresentado o sistema de combust o composto por tr s linhas de alimenta o de combust veis GAF GN e Alcatr o e uma linha de alimenta o de ar para combust o A Figura 4 15 mostra o esquema de limites cruzados utilizado para o c lculo das refer ncias de controle das malhas de vaz o na caldeira da UTE O controle de combust o consiste em se determinar a propor o correta de vaz o de combust vel e de ar para combust o No caso de um desequil brio por m muito mais danosa a falta de ar do que a falta de combust vel Por isso deve se privilegiar o excesso de ar nos dist rbios Na estrat gia de limites cruzados o controlador de vaz o de ar FIQ311 recebe como refer ncia de controle o maior valor entre a soma das vaz es de combust veis Ar Requerido Total e a demanda t rmica Os controladores de vaz o de combust veis FIQ101 FIQ102 e FIQ103 por sua vez recebem como refer ncia de controle o menor valor entre a demanda t rmica e a vaz o de ar Da o nome da estrat gia No caso de uma demanda t rmica ascendente aumento na sa da de PIC322 o comparador maior que de FIQ311 garante que a vaz
203. osta de controle em raz o para ar de atomiza o A fim de garantir uma boa mistura com o ar de combust o o alcatr o que se trata de um combust vel l quido precisa ser atomizado A press o do ar de atomiza o controlada por PIC135 que tamb m opera com refer ncia de controle constante e atua na v lvula de controle PCV135 Como a press o de ar de atomiza o deve ser proporcional a vaz o de alcatr o uma melhoria nesta estrat gia seria utilizar um controle de raz o com a refer ncia para o controlador PIC135 sendo calculada automaticamente a partir da medi o de vaz o conforme proposto em linha pontilhada na Figura 4 13 Isso tamb m evitaria a adi o de ar no queimador em momentos em que o alcatr o estivesse indispon vel Em rela o sintonia dos controladores o controle de press o PIC137 deve ter um tempo de acomoda o pelo menos tr s vezes menor que o controle de vaz o FIQ103 Caso contr rio varia es r pidas na vaz o podem causar sobre eleva o na press o e desarmar o sistema J no caso do controle de press o do ar de atomiza o Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 77 este deve ter a mesma velocidade de FIQ103 para que o controle de raz o fique sincronizado 4 2 8 FIQ102 CONTROLE DE ALIMENTA O DE GN Diferente do alcatr o e GAF a linha de alimenta o de GN n o possui um controle de press o de entrada visto que os cilindros reservat rios p
204. outros combust veis Como estes valores est o quantificados em termos de demanda de ar os fatores K1 K2 e K3 s o ent o utilizados para converter as refer ncias de controle de vaz o de GAF GN e Alcatr o respectivamente para a propor o estequiom trica adequada para cada um deles Outros fatores E1 E2 e E3 s o utilizadas para garantir um excesso de ar em rela o ao valor te rico estequiom trico A mesma convers o aplicada por m de maneira invertida nas medi es de vaz o dos combust veis antes dessas medidas serem somadas e comparadas com a demanda de ar requerida pelo sistema Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 79 4 2 10 PROPOSTA DE MELHORIA PARA O CONTROLE DE COMBUST O Outra importante limita o observada na estrat gia de controle de combust o apresentada diz respeito sele o manual do mix de combust veis Uma sele o autom tica poderia ser usada para dosar os combust veis privilegiando de acordo com a disponibilidade de cada um aqueles que tivessem menor custo ou alguma vantagem para a opera o da planta Esse tipo de estrat gia denominado Controle de Combust o com Combust vel Preferencial No caso da UTE interessante privilegiar o uso do GAF combust vel residual em detrimento do combust vel adquirido externamente GN Esta estrat gia deve no entanto respeitar um limite superior para o uso do GAF j que nem sempre desej vel utiliz lo
205. p 96 PV 50 100 150 200 250 300 350 400 x 10 Vaz o de gua alimenta o FIQ313 50 100 150 200 250 300 350 400 tempo seg Figura 4 31 Gr ficos de tend ncia do acoplamento de alta freq ncia entre LIC302 FIQ313 e PIC313 4 5 OTIMIZA O E A ES CORRETIVAS A partir das conclus es obtidas com o desenvolvimento das fases e Il poss vel pontuar quais s o as principais defici ncias e melhorias potenciais no funcionamento do sistema de controle regulat rio Combinando se as informa es obtidas com o levantamento de campo a avalia o inicial de desempenho e os diagn sticos de acoplamentos oscilat rios chega se a diversas propostas de melhoria para os sistema Resumidamente destacam se 1 Melhoria no controle de press o da caldeira Este controle determinante na qualidade do vapor produzido e opera com desempenho apenas razo vel com variabilidade relativa inicial de 56 Por isso a melhoria de seu desempenho deve ser priorizada Uma forma de aperfei oar lo reduzir ao m ximo os tempos de resposta dos controles de vaz o de combust veis e do ar de combust o e em seguida realizar um ajuste de sintonia do controlador PIC322 para rejeitar ao m ximo as perturba es de carga Outra possibilidade a antecipa o de varia es de carga utilizando um elo de compensa o direta para a demanda do sistema de combust o conforme mostrado n
206. ponentes principais durante dist rbio no PCI do GAF s 88 Figura 4 23 An lise de componentes principais durante varia o na qualidade do Alcatr o 89 Figura 4 24 Dist rbios causados por impurezas no alcatr amp o seessesssseeseeenenene nennen 89 Figura 4 25 Algoritmos Matlab para detec o autom tica de oscila o numa s rie temporal 92 Figura 4 26 Algoritmos Matlab para detec o autom tica de agarramento em v lvula de controle 93 Figura 4 27 Acoplamentos oscilat rios de alta frequ ncia A e de baixa frequ ncia B 97 Figura 4 28 Acoplamento de baixa frequ ncia nas malhas da caldera sssseseeeeeees 98 Figura 4 29 Reconstitui o do sinal de TIC37 no dom nio do tempo a partir dos ciclos principais 98 Figura 4 30 Tend ncia temporal da oscila o de 800 segundos em LIC302 eessssss 99 Figura 4 31 Gr ficos de tend ncia do acoplamento de alta freq ncia ssssussss 100 Figura 4 32 Ponto de prova de pin a utilizada para a conex o com o painel esesss 102 Figura 4 33 Compara o da coleta de dados utilizando OPC e a aquisi o direta 103 Figura 4 34 Aplica o de t cnicas de identifica o para modelagem dos dados
207. por a Caldeira Al m de concentrar boa parte das malhas esta rea pode ser considerada uma unidade aut noma respons vel por suprir a demanda de vapor de seu nico cliente a turbina O cap tulo divido em seis subse es as tr s primeiras correspondem ao estudo do processo e levantamento de campo primeira fase do procedimento de auditoria enquanto que as subse es 4 4 4 5 e 4 6 cobrem as fases Il Ill e IV respectivamente 4 1 A CALDEIRA E SEU SISTEMA DE CONTROLE E AUTOMA O A caracteriza o f sica da caldeira e o levantamento de informa es sobre seu sistema de controle e sua opera o foram realizados a partir de documentos fornecidos pela CEMIG e a partir da consulta a trabalhos de pesquisa realizados anteriormente na usina Entre os documentos consultados pode se citar trabalhos de mestrado e gradua o Maciel 2004 Gomes 2008 Caldas 2005 fluxogramas do processo diagrama de instrumenta o telas de supervis rio programa do SDCD descritivo funcional das malhas e manuais de opera o Al m disso diversas visitas realizadas usina e conversas com operadores foram essenciais para obter informa es adicionais e esclarecimento de d vidas 4 1 1 DESCRI O GERAL DO PROCESSO A caldeira em estudo parte da usina termel trica do Barreiro UTE Barreiro localizada nas depend ncias da sider rgica Vallourec amp Mannesmann Tubes V amp M do Brasil S A e operada pela CEMIG Uma usina term
208. problema n o ter sido solucionado a an lise de ciclos mostra que este ciclo de 300 segundos n o se propaga para malhas importantes da caldeira Outros ciclos em torno de 90 e 900 segundos mostrados na gravura aparecem com amplitudes pequenas menores que 0 25 e s o resultado de varia es de carga naturais do processo Os m todos de detec o de oscila o tamb m foram recalculados com dados ap s a auditoria e os resultados s o mostrados na Tabela 4 9 A detec o de oscila o foi positiva exatamente para as malhas da linha de alcatr o Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 123 Tabela 4 9 Resultado da aplica o dos m todos de detec o de oscila o e diagn stico de causa raiz nas malhas de controle da caldeira C lculo baseado em dados de 14 horas de opera o da caldeira no dia 22 de outubro Baixa frequ ncia low para per odos gt 100 Alta frequ ncia high para per odos lt 100 Teste Agarramento Fun o de Sentividade M todo 1 low M todo 1 high M todo 2 M todo 3 m todo m todo Per odo Limite Limite Atenua o Terno Malha SP PV MV ERRO SP Pv MV ERRO low high low high 1 2 M dulo M x Inferior Superior 20dB Acomoda o FIQ101 Detecc o 0 0 0 1 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 28 2 3 3 65 1 699 1 21 14 Per odo FIQ103 Deteo o 0 1 0 0 E 0 4 0 4 0 0 4 0 0 23 5
209. r ao tempo de revers o da fase n o m nima A Figura 4 10 mostra um per odo em que o controle de n vel que era oscilat rio enquanto o regenerador estava desligado se estabiliza ap s seu religamento Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 74 N vel do tubul o superior Partida do Regenerador 8 10 12 14 tempo horas Figura 4 10 Mudanca no comportamento do controle de n vel ap s ligamento do regenerador A estrat gia atual para o controle do n vel do tubul o assim como das outras malhas do circuito de alimenta o s o mostradas na Figura 4 11 em linhas cont nuas A medi o do n vel do tubul o superior obtida a partir da sele o entre dois sensores LIT302A e LIT302B LIC302 recebe este sinal e controla o n vel atuando sobre a vaz o de alimenta o Por meio de uma estrat gia mestre escravo a sa da de LIC302 refer ncia de controle para a malha FIQ313 respons vel pelo controle da vaz o J a malha PIC313 por sua vez controla a press o de entrada da linha de gua Para garantir um fluxo circulante de gua est vel em toda a usina a refer ncia de controle desta malha deve ser sempre ligeiramente superior em torno de 5 Bar a press o no interior do tubul o medida por PT343 A Figura 4 11 tamb m mostra em linhas pontilhadas dois elos de compensa o direta propostos O primeiro adicionado na sa da de LIC302 busca reduzir o tempo de rea o s mudan as d
210. r falhas originadas dentro do sistema de controle realimentado s o denominadas Dist rbios Internos A Figura 2 4 ilustra os quatro grupos de perturba es conforme proposto neste trabalho Validac o Ampla de Malhas de Controle 12 Interven es Operacionais a o perturbadora Dist rbios Varia es de Carga a o perturbadora a o perturbadora QU TT a o corretiva realimenta o w Dist rbios Internos A Figura 2 4 Classifica o das perturba es Externos importante salientar que somente as perturba es cujas ocorr ncias s o detect veis ou mensur veis podem ser tratadas como Causas Especiais ou Causas Atribu veis Esse o caso da maioria das Interven es Operacionais e Mudan as de Carga Por outro lado se uma causa de variabilidade conhecida mas n o pode ser medida ent o durante o projeto da carta de controle o efeito dessa perturba o deve ser considerado como uma Causa Comum para a variabilidade 2 1 1 CONTROLE ESTAT STICO DE MALHAS DE CONTROLE A primeira fun o de um validador conforme apresentado na Figura 2 1 avaliar se determinada m trica de qualidade est em conformidade com seu padr o estabelecido No caso de uma malha de controle a principal m trica de qualidade o sinal de erro de controle SP PV Em condi es normais de opera o a distribui o de probabilidade do erro pode ser considerada Normal com m dia po
211. ra para an lise de intera o entre vari veis avalia o de desempenho diagn stico de falhas e otimiza o de controladores PID Um estudo de caso na rea de caldeira em uma usina termel trica avalia a aplica o destas propostas Inicialmente realizada a auditoria de todas as malhas de controle e ao final um sistema validador para a caldeira proposto com objetivo de monitorar a qualidade do vapor superaquecido e a efici ncia energ tica da caldeira correlacionando os com o desempenho do sistema regulat rio e com a ocorr ncia de eventos perturbadores Palavras Chave Avalia o de desempenho de malhas de controle gerenciamento de desempenho valida o de sistemas de controle Abstract A methodology for control loop management including performance assessment diagnosis and fault detection with a unit wide validation approach is proposed Using functions named validators the control loop subsystems and exogenous variables with potential to influence its performance are individually assessed Among these subsystems are control valves sensors controllers and pieces of equipment For each subsystem a validation function is designed with a defined standard interface that allow the construction of an organized fault tree hierarchical structure which considers the main cause effect relationships in the plant unit It is assumed that the control loops perform as designed and that the impacting cause effect relationship ca
212. rejeitar Uma exce o apenas quando a sa da de controle refer ncia de controle para uma malha interna que opera de maneira oscilat ria estrat gia cascata Por exemplo uma v lvula de controle com agarramento e com um posicionador com a o integral pode resultar num controle de posi o oscilat rio e como consequ ncia causar oscila o na vaz o controlada pela malha mestre Se a oscila o realmente causada por carga ent o o caminho primeiramente tentar detectar a origem da oscila o realizando testes em outras malhas e tentar eliminar sua causa Caso isso n o seja poss vel a oscila o somente poder ser compensada usando feedforward usando uma sintonia mais agressiva ou ainda por meio da inclus o de uma malha cascata que permita a r pida detec o e compensa o do dist rbio Colocar o controlador em modo manual sim Ainda oscilando Oscila o possuia Verificar fonte da sim oscila o m ltiplos picos nao Testar v lvula Acoplamnento com outra malha sim Poss vel eliminar Eliminar dist rbio n o sim Ajustar velocidade Verificar sintonia sim dos controladores do controlador Poss vel usar feedforward Use feedforward mer Atenuar dist rbio sintonizando controlador Figura 3 15 Diagn stico de oscila o com chaveamento para modo manual Adaptado de H gglund 1995 Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 49
213. ress o pois sua fun o compensar varia es lentas e de grande amplitude na press o do gas metro A outra regra garantir um sincronismo entre as malhas de vaz o de ar e de vaz o de combust veis que operam como escravas do controle de press o da caldeira Se as malhas operam com velocidades semelhantes a raz o estequiom trica ser Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 113 mantida mesmo durante a transi o de um ponto de opera o para outro Como na pr tica apenas as linhas de GAF e GN operam no modo cascata ent o estas malhas foram ajustadas para responder com um tempo de acomoda o semelhante ao da malha de controle de vaz o de ar de combust o Linha de ar de combust o PIC341 e FIQ311 As sequ ncias de testes para modelagem de PIC341 e FIQ311 s o mostradas nas figuras Figura 4 46 e Figura 4 47 A malha de press o PIC341 foi sintonizada para um tempo de acomoda o de 10 segundos e a malha de vaz o FIQ311 para um tempo de acomoda o de 40 segundos Simula es comparando as respostas mudan a de SP antes e ap s a mudan a de sintonia s o mostradas na Figura 4 48 e na Figura 4 49 Observa se que o tempo de acomoda o de PIC341 foi drasticamente reduzido de 160 para 10 segundos Essa altera o al m de garantir maior prote o do ventilador ir uniformizar as condi es de opera o da v lvula FCV311 em diferentes pontos operacionais J na malha de vaz o FIQ311
214. ropean Control Conference ECC Karlsruhe Germany Forssell U Ljung L 1999 Closed loop identication revisited Automatica 35 1999 1215 1241 FUPAI Funda o de Pesquisa e Assessoramento Ind stria Instrumenta o e Controle Aplicado a Caldeiras material de uso interno Gerry J Ruel M 2000 STICTION THE HIDDEN MENACE How to Recognize This Most Difficult Cause of Loop Cycling Control Magazine Novembro de 2000 Gerry J Ruel M 2001 How To Measure And Combat Valve Stiction On Line Apresentado na ISA2001 Houston Texas setembro de 2001 GHTF 2004 Final Document Quality Management Systems Process Validation Guidance The Global Harmonization Task Force GHTF SG3 N99 10 2004 Edition 2 Gomes F A 2008 Trabalho de gradua o auditoria de malhas de controle de caldeira de uma usina termel trica CEFET MG Belo Horizonte Gustafsson F 2000 Adaptive Filtering and Change Detection John Wiley amp Sons Ltd H gglund T 1995 A control loop performance monitor Control Engineering Practice Vol 3 11 pp 1543 1551 1995 Harris T J 1989 Assessments of control loop performance Canadian Journal of Chemistry Engineer 67 10 pp 856 861 Harris T J Seppala C T 2001 Recent Developments in Controller Performance Monitoring and Assessment Techniques CPC 2001 Ho W K Lim K W Xu W 1998 Optimal Gain and Phase Margin Tuning for PID Controllers Automatica vol 34
215. s E S s lt S TR se CUu om S ls AS lt E DX DU u om RE Diagn stico Relat rio Alarme Compensa o Figura 2 1 Fun es associadas ao conceito de valida o de processos Fonte Braga et al 2006 Avalia o e Diagn stico consiste na detec o e classifica o do tipo de falta e na localiza o de sua origem Este procedimento pode ser Passivo quando usa dados de opera o ou Ativo quando usa dados resultantes de sinais de prova aplicados intencionalmente no sistema Otimiza o consiste em determinar as melhores condi es de opera o considerando as restri es presentes Neste caso uma atua o para corrigir ou mitigar faltas identificadas pode ser executada automaticamente para melhorar ou recuperar o desempenho compensa o de falta tipo degrada o Notifica o consiste em repassar aos n veis hier rquicos superiores dados validados por meio de sinaliza es advert ncias ou alarmes ou relat rios Este ltimo pode ser do tipo corrente com vari veis de tend ncia ou global com dados de par metros do sistema As t cnicas de valida o aplicam se a elementos de diferentes tipos tais como m quinas linhas de produ o computadores v lvulas sensores e controladores Os validadores podem ser implementados remotamente num sistema supervis rios ou de maneira aut noma empregando intelig ncia local com m todos de auto val
216. s duo Desvio padr o do erro de controle de PIC313 SE TURO coa en e magnitude do desvio norm o 50 0 tempo horas Figura 5 5 Cartas de controle para o desvio padr o de amostras do erro de controle das malhas PIC313 e FIQ313 e do res duo da sa da de controle de TIC327 e LIC302 Vari veis de 7 Estabilidade s 1 Efici ncia y 1 LU Rai Qualidade da ss Gera o se N Energ tica Caldeira Nd Sam quai gU t reis att ABA Jar i3 Tea x P EN puta UNE oda CA Rdxdel Ll Cx gt FlQ103 1 7 771 PIC137 1 e od i s Rea o pauna CONC OON i PRE 1 7 7 i erro iw Ar Comb 1 1 02 1 granum atari kis Wo eEMeeesa phos M 41 4 v 241 dA A i 1 H aero 4 P m Pa p d 1 no V ico P m Me d dS IS OM x lhas d r Sons Pa TS lr Pa pl i Ada to pone 2M P e kata a 1 gzcio3 LC302 PIC341 Tp FIQ311 1 FIQ101 Lo pi PIC342 1 N Y Controle vo 1 1 1 D 7 1 1 1 4 1 v g 4 de io VR 9555 ir EE d Tr j T po 1 LE erro erro 1 iero 1 E co Co i co Co H H p 1 1 A z VE ps AR pa paia H Yaa H H U 1 B 1 1 4 1 LO S 1 ZIC311 1 P ZIC1011 QZCAQG d 1 1 1 n i QU tasssss Inss 1 daas 1 LU t 1 Li AE N Y 1 A 1 AN s c I Dando ER Causas va eedem pem M77 0T 2 22 7 ecl GAF PP E a a z P Externas p iL Regenerador Temperatura
217. s Td 0s B us 1 Ta 1s Ta 200 ms o4 Tf 1 44s Tf 288 ms X K ganho do processo t constantes de tempo 02 1 6 tempo morto PB banda proporcional Ti tempo integral Td tempo derivativo L 1 L L L Ta tempo de amostragem Tf const de tempo do filtro D 10 20 30 40 50 60 70 80 tempo s Figura 4 49 FIQ311 Resposta ao degrau no SP e par metros de sintonia Tempo de acomoda o de 40 segundos Linha de g s de alto forno PIC342 e FIQ101 As seq ncias de testes para modelagem de PIC342 e FIQ101 s o mostradas na Figura 4 50 e na Figura 4 51 A malha de press o PIC342 foi sintonizada para um tempo de acomoda o de 300 segundos enquanto que a malha de vaz o FIQ101 foi sintonizada para um tempo de acomoda o de 40 segundos equivalente ao projetado para a vaz o de ar FIQ311 Simula es comparando as respostas mudan a de SP antes e ap s a mudan a de sintonia s o mostradas na Figura 4 52 e na Figura 4 53 Observa se que os tempos de acomoda o de FIQ101 e PIC342 foram reduzidos praticamente pela metade Finalmente chama se aten o nesta malha para um problema identificado na v lvula FCV101 A Figura 4 54 mostra os gr ficos de tend ncia da sa da do controlador que a refer ncia de controle de posi o para a v lvula FCV101 e da posi o real desta v lvula O sinal de posi o sugere que a v lvula fica abrindo e fechando com um ciclo de aproximadamente 358 segundos mesmo quando a sa d
218. s de qualidade s o colocados na primeira linha enquanto na base s o posicionados os validadores de todas as poss veis causas de perturba o dist rbios mensur veis Em uma camada intermedi ria encontram se os validadores das malhas de controle cujo papel evitar que o impacto das perturba es chegue s vari veis de qualidade No entanto conforme comentado as malhas de controle tamb m podem ser as causadoras de perturba es em caso de falha dist rbios internos As setas indicam rela es de causalidades entre os validadores Quando uma condi o anormal detectada por um validador tem potencial para ser uma Causa Especial para a variabilidade de outro colocada uma seta entre eles com uma indica o P A Vari vel Externa B por exemplo pode ser respons vel por dist rbios nas malhas de controle A e C Conforme discutido na se o 2 1 2 acima o validador dessa vari vel deve considerar duas cartas de controle uma para cada malha de controle e sua respectiva frequ ncia de corte J entre os Validadores de Malhas de Controle existem duas outras intera es previs veis Num esquema mestre escravo a malha de controle mestre pode ser a causa de condi es anormais na malha escrava ao gerar uma refer ncia de controle que esta ltima incapaz de seguir Esta intera o indicada com uma seta com o Validac o Ampla de Malhas de Controle 15 s mbolo M E de maneira rec proca uma malha escrava pode ser
219. s nesta fase algumas vari veis de processo precisam ser acompanhadas por meio de gr ficos de tend ncia e registradas em arquivo de dados Dados disponibilizados em esta es de opera o ou por meio de plataforma OPC podem ser utilizados para acompanhar o processo por m nem sempre s o adequados para a identifica o pois o per odo de amostragem pode ser insuficiente ou irregular Neste caso a solu o pode ser o uso de um sistema de aquisi o com conversor A D conectado diretamente no painel de instrumenta o ou cart es de E S do CLP b Identificar vari veis para monitoramento Buscar pelos diagn sticos de acoplamentos e correla o cruzada aquelas vari veis que podem afetar ou serem afetadas durante os testes As mais cr ticas dever o ser Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 51 acompanhadas por meio de gr ficos de tend ncia durante os testes interessante ajustar a escala do gr fico de tend ncia de forma que sua faixa corresponda aos limites toler veis da vari vel durante os testes C Identificar controladores que devem ser mantidos em manual Num conjunto de malhas acopladas durante a realiza o de testes em uma malha as demais malhas devem ser mantidas em manual Exemplos num esquema de controle em cascata durante os testes de uma malha interna todas as malhas externas a ela devem permanecer em manual Durante testes em malhas de press o todas as malhas de vaz o instaladas na m
220. s s o realizados com dados coletados em tempo real Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 24 alguns dos ndices mais frequentemente encontrados nessas ferramentas classificados por tipo de aplica o 1 ndices para medi o de desempenho regulat rio e servo mecanismo e Variabilidade relativa da PV Mede a dispers o total da vari vel de processo 60 em rela o aos limites toler veis especificadas para o processo PVmax e PVmin Um valor de 100 indica que a vari vel controlada ocupa praticamente toda a faixa de toler ncia entre os limites aceit veis As equa es para normaliza o e c lculo da variabilidade s o mostradas a seguir PV PVmin WPV 1 PVmax PVmin 9ovariabilidade 6owpy 2 e Desvio padr o do erro de controle Mede a dispers o do erro normalizado entre O e 100 Este ndice ideal para verificar o desempenho do controlador em rejeitar perturba es ao longo do tempo Como utiliza o erro ao inv s da vari vel de processo sofre pouca influ ncia de mudan as na refer ncia de controle e M dia do erro de controle Normalizado entre 100 e 100 Valores diferentes de zero indicam a presen a de deslocamento entre a vari vel controlada e sua refer ncia normalmente indicativo de falta de capacidade de controle e Tempo de acomoda o e IAE normalizados Proposto por Swanda e Seborg em 1999 estes indicadores medem o tempo de acomoda o Tape a integral do erro
221. s situa es s o ilustradas na Figura 3 13 V lvula com agarramento Controle agressivo erro de controle erro de controle tempo tempo Figura 3 13 Rela o entre as reas A1 e A2 numa malha com oscila o devido a agarramento de v lvula esquerda e numa outra com oscila o por outro motivo direita Fonte Singhal e Salsbury 2004 A prova te rica destes m todos encontra se em suas refer ncias Ambos s o de f cil implementa o e foram utilizados no estudo de caso de auditoria desenvolvido neste trabalho e apresentado no cap tulo 4 importante no entanto levar em conta diversas considera es antes de utiliz los O m todo de Horch parte do princ pio que o processo auto regulat rio e que controlado por um controlador Pl E mesmo com essas condi es satisfeitas pode gerar resultado d bio no caso de uma malha oscilando por sintonia agressiva ou carga Em malhas que n o operam em satura o a a o integral introduz deslocamento de fase al m dos 180 devido realimenta o negativa Esse acr scimo Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 44 pode gerar uma FCC parecida com aquela produzida em malha com agarramento de v lvula J o m todo de Shinghal considera que a sa da do controlador n o est oscilando de um limite de satura o a outro e que a oscila o n o causada por um dist rbio externo peri dico A viola o destas considera es pode resultar num
222. s tend ncias antes e ap s o trabalho de auditoria Redu o dr stica no grau de atividade na sa da do controlador CO e elimina o do offset entre o SP e a vaz o controlada Press o da gua de alimenta o 01 09 Press o da gua de PV Bar 65 5 T PV Bar alimenta o 18 10 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 800 1000 1200 tempo segundos 600 1400 1600 1800 2000 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 tempo segundos 600 Figura 4 64 PIC313 Compara o das tend ncias antes e ap s o trabalho de auditoria Melhoria no desempenho servo mecanismo com menores erros no rastreamento do SP Outro benef cio do trabalho foi remo o das causas das oscila es que foram identificadas da FASE IIB A Figura 4 65 mostra os principais ciclos no espectro de pot ncia do processo ap s o trabalho de auditoria A oscila o com per odo em torno de 20 segundos n o mais aparece em nenhuma vari vel e a oscila o em torno de 800 segundos aparece com amplitude bastante reduzida Amp D 1 68 8 78 8 PE e A na e Acoplamentos de Alta Frequ ncia Outubro EO a RR o RSS a a a ARO Da A R DD dm ii Anx014 548745 kir Caii dard oA RE np e E ee ee e e fu uu Dci siat si oi jp Ja io a n Pn a Gnd x Amp 0 14 65 3 74 8 Amp 0 11 83 6 93 1 Amp 0 11 86 2 95 8 2 2 22 2 2 2
223. sam problemas em seu bombeamento e varia es no poder calor fico e press o do GAF causam varia es t rmicas Os outros insumos a gua pot vel e o g s natural t m qualidade garantida pelos fornecedores J o sistema de utilidades ar de instrumento e tens o el trica dos equipamentos n o foi verificado A outra fonte de varia o do processo e a que causa impacto mais amplo o SP de gera o da usina Na pr xima se o ser o estudados os impactos dessas perturba es no sistema de controle regulat rio 4 4 1 IDENTIFICA O DE ACOPLAMENTOS N O OSCILAT RIOS A an lise de componentes principais ACP foi inicialmente utilizada com o objetivo de medir o impacto das perturba es no sistema de controle regulat rio O tamanho das barras indica o percentual de participa o de cada vari vel na componente que captura os efeitos desse dist rbio A fim de verificar a capacidade de regula o das malhas os dist rbios foram correlacionados com os sinais da vari vel Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 87 manipulada MV e o erro de controle mostrados no eixo vertical Dessa forma se o sistema de controle capaz de cumprir bem o seu papel as perturbac es externas ser o refletidas apenas nas vari veis manipuladas A Figura 4 21A mostra o resultado dessa an lise durante mudan a no SP de gera o el trica Um impacto significativo verificado no erro da malha PIC322 que p
224. sssssssss 41 Figura 3 11 Espectro de pot ncia de uma malha com problema de n o linearidade em v lvula 42 Figura 3 12 Fun o de correla o cruzada entre PV e CO numa malha com agarramento 43 Figura 3 13 Ilustra o do m todo de Singhal e Salsbury seen 43 Figura 3 14 Curva t pica de resposta em frequ ncia de uma malha de controle PI 45 Figura 3 15 Diagn stico de oscila o com chaveamento para modo manual sess 48 Figura 3 16 Sequ ncia sugerida para testes em malhas aberta sse 53 Figura 4 1 Fluxograma simplificado de uma usina termel trica eee 57 Figura 4 2 Fluxos de energia numa caldeira isse ranri EE AE E EE E AN rnnn nennen 63 Figura 4 3 Arquitetura do Sistema de Automa o da usina esesesssssseeeeeeenenee eene 65 Figura 4 4 Esquema simplificado das malhas de controle da caldeira esses 67 Figura 4 5 Esquema de controle de press o no tubul o PIC322 sessssseseeeeeeennn 69 Figura 4 6 Esquema de controle da press o no interior da fornalha PIC323 ssuesss 70 Figura 4 7 Esquema de controle da temperatura do vapor TIC327 ienes 71 Figura 4 8 Efeito de fase ndo m nima no controle de n vel da caldeira LIC302
225. stes as malhas FIQ313 e LIC302 foram mantidas em modo manual para evitar perturba es Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 107 Sequ ncia de testes para PIC313 0 50 100 150 200 250 tempo segundos 300 350 Figura 4 37 PIC313 Seq ncia de teste em malha aberta 400 PIC313 Resposta SP 12 P i Modelo 1 Par metros PID Par metros ordem Original PID Novos peu oic A K 0 87 PB 220 PB 250 Eos ge Tempo t 15s Ti 10s Ti 15s 5 ET acomodac o 150 seg Zz T D 2s Td 1s Td 0s goe E u Tempo acomoda o 15 seg Ta 21s Ta 200ms E 04 E Tf 1 44s Tf 288ms Ed Sintonia Original 02 Nova Sintonia K ganho do processo t constante de tempo 0 8 tempo morto PB banda proporcional i Ti tempo integral Td tempo derivativo 50 100 150 Ta tempo de amostragem Tf const de tempo do filtro tempo s Figura 4 38 PIC313 Resposta ao degrau no SP e par metros de sintonia O modelo considerado e os antigos e novos par metros de sintonia s o mostrados na Figura 4 35 juntamente com a simula o mostrando a resposta mudan a de SP antes e depois O tempo de amostragem desta malha tamb m foi reduzido de 1 segundo para 200 milissegundos Observa se que com o novo ajuste o tempo de acomoda o em malha fechada foi reduzido em aproximadamente dez vezes FIQ313 Vaz o de alimenta o de
226. t rbios externos e diagn sticos de atuadores A rela o dessas vari veis mostrada na Tabela 4 2 Tabela 4 2 Vari veis monitoradas durante a auditoria Tag Descric o Utiliza o ZI101 Retorno de posi o da v lvula FCV101 Diagn stico de falha na v lvula ZI103 Retorno de posi o da v lvula FCV103 Diagn stico de falha na v lvula ZI311 Retorno de posi o da v lvula FCV311 Diagn stico de falha na v lvula ZI342 Retorno de posi o da v lvula PCV342 Diagn stico de falha na v lvula AIC301 Medi o de concentra o de oxig nio na chamin Estequiometria FY301 Vaz o de vapor na sa da da caldeira C lculo de efici ncia energ tica e qualidade da gerac o PI101 Press o do GAF na sa da do Gas metro Dist rbios externos T1323 Temperatura da gua ap s regeneradores Condi o operacional T1331 Temperatura da gua na entrada da caldeira C lculo de efici ncia energ tica T1104 Temperatura do GAF C lculo de efici ncia energ tica T1102 Temperatura do GN C lculo de efici ncia energ tica TI601 Temperatura do vapor na entrada da turbina C lculo de efici ncia energ tica e qualidade da gerac o TI329 Temperatura no canal de fumos Perdas T rmicas PCI GN Poder calor fico do GN Dist rbio externo e c lculo de efici ncia energ tica PCI GAF Poder calor fico do GAF Dist rbio externo e c lculo de efici ncia energ tica PCI ALC Poder calor fico do alca
227. tam a raz o h P e o elo de compensa o direta feedforward for a um aumento na taxa de queima J no caso de varia o no poder de queima dos combust veis por exemplo adi o de alcatr o teria um aumento na produ o de vapor e na press o da caldeira Com o aumento em ambos os sinais h e P a a o feedforward seria inexpressiva A corre o desse dist rbio realizada nesse caso pelo controlador PIC322 atuando pelo elo de realimenta o O multiplicador PY322 tamb m possui a utilidade de ajustar o ganho da malha de controle em propor o com a carga h Esta uma caracter stica desej vel j que com uma carga baixa o ganho do processo torna se mais elevado uma grande rea de troca de calor utilizada para uma pequena quantidade de calor e portanto para tornar o ganho da malha mais constante o ganho do controlador deve ser reduzido 4 2 3 CONTROLE DE PRESS O DA C MARA DE QUEIMA E PRESS O DE AR DE COMBUST O Em caldeiras com tiragem balanceada a corrente de ar que circula desde o duto de ar de combust o passando pela fornalha superaquecedores tubul es at ser expelido pela chamin controlada simultaneamente pelos ventiladores de tiragem for ada na entrada de ar e tiragem induzida ventilador na sa da do canal de fumos A Figura 4 6 mostra o esquema atual de controle O ventilador de tiragem for ada VT 002 tem o papel de pressurizar o duto de ar de combust o permitindo o controle
228. taria tamb m de agradecer CEMIG representada pelo Eng Webber que acreditou neste trabalho e o financiou al m dos funcion rios da usina t rmica do Barreiro especialmente o Gustavo e o Bacharel pela disponibilidade e aux lio durante os testes Por ltimo gostaria de agradecer aos meus pais pelo apoio incondicional e irrestrito Resumo Prop e se uma metodologia para gerenciamento de malhas de controle incluindo avalia o de desempenho diagn stico e localiza o de faltas com uma abordagem de Valida o Ampla Por meio de fun es denominadas validadores os elementos que constituem as malhas de controle assim como vari veis externas com potencial para influenciar seu desempenho s o individualmente monitorados e avaliados Entre estes elementos incluem se v lvulas de controle sensores controladores e equipamentos Para cada tipo de elemento um validador projetado e por meio de uma interface padronizada eles s o organizados numa estrutura hier rquica do tipo rvore de falha que leva em conta algumas rela es de causa e efeito identificadas entre estes validadores Considera se nesta an lise que as malhas de controle operam razoavelmente bem e que as rela es de causa e efeito entre as vari veis s o conhecidas Por isso como etapa preliminar ao projeto do sistema de valida o ampla proposta uma metodologia para auditoria das malhas de controle Ela inclui diversas t cnicas presentes na literatu
229. tipo X Numa malha de controle as Causas Comuns para a variabilidade do erro s o uma combina o do ru do de medi o com in meras a es perturbadoras em contraponto com uma ou mais a es corretivas por exemplo a o de um controle realimentado ou antecipat rio Essas a es corretivas n o s o completamente eficientes e parte das perturba es retratada na vari vel controlada em parte devido ao atraso de transporte do processo mas tamb m por causa de limita es de Validac o Ampla de Malhas de Controle 11 velocidade e capacidade instalada de controle Astrom e H gglund 2006 Esse erro residual o respons vel por esta variabilidade natural Por outro lado quando uma carta de controle apresenta uma seq ncia de pontos fora dos limites diz se que sua variabilidade possui Causas Especiais Estas caracterizam um processo como fora de estado de controle estat stico ou seja que possui uma causa atribu vel a algum evento que n o faz parte da opera o normal do processo Neste trabalho as Causas Especiais para a variabilidade de malhas de controle s o classificadas em quatro grupos As Interven es Operacionais as Mudan as de Carga os Dist rbios Externos e os Dist rbios Internos As Interven es Operacionais s o a es intencionais determinadas pela opera o da planta tais como mudan as na refer ncia de controle abertura de v lvula ON OFF desligamento de equipamento etc realizadas ma
230. tivas Prop e se aqui a divis o deste trabalho em quatro etapas Como mostrado na Figura 3 1 a primeira consiste num estudo detalhado sobre as caracter sticas da unidade produtiva fase levantamento de campo Na segunda fase feita uma medi o da condi o inicial de desempenho fase IIA e realizada a detec o de falhas internas an lise dos acoplamentos entre malhas e an lise do impacto de perturba es fase llb Na fase III os resultados obtidos nas fases anteriores s o avaliados em conjunto com testes na planta e a es corretivas s o executadas envolvendo ajustes e manuten o de equipamentos sem requerer a parada do processo O foco portanto n o uma t cnica para a concep o global de um sistema otimizado plant wide design e sim uma t cnica para conduzir um sistema existente sua melhor condi o operacional poss vel Em alguns casos essa melhor condi o final medida na fase IV avalia o final de desempenho pode n o ser suficiente para atender aos requisitos de qualidade da unidade e neste caso o processo precisar sofrer altera es e uma nova abordagem de controle precisar ser concebida A Figura 3 1 resume as etapas propostas para a auditoria de malhas de controle Cada uma delas discutida em detalhes nas se es seguintes revisando as t cnicas encontradas na literatura que se mostram adequadas para uso em cada uma das fases propostas para execu o de um plano de auditoria
231. to de um controlador tipo PI Ke Os Bs equa o 2 Com o valor das inclina es calculadas utilizando regress o linear o ganho K foi obtido utilizando a rela o mostrada na equa o 3 J o tempo morto foi estimado visualmente Sequ ncia de testes para LIC302 i T 35 i i ll i 0 CO 500 1000 1500 2000 2500 tempo segundos Figura 4 41 LIC302 Seq ncia de teste em malha aberta Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 110 Os par metros calculados para o modelo s o mostrados na tabela exibida na Figura 4 39 juntamente com os par metros de sintonia originais e os novos par metros calculados utilizando lambda tuning para processo integrador A figura tamb m mostra uma simula o da resposta mudan a de SP antes e ap s a modifica o nos par metros Destaca se que a resposta original era inst vel com oscila o com per odo pr ximo de 800 segundos confirmando todos os diagn sticos preliminares LIC302 Resposta SP Modelo 1 Par metros PID Par metros ordem Original PID Novos K 0 006 PB 170 PB 95 596 0 76s Ti 45s Ti 475s Td 15s Td 0s Ta 1s Ta is Tf 1 44s Tf 1 44s Amplitude Norm K ganho integrador B tempo morto PB banda proporcional Ti tempo integral Td tempo derivativo Ta tempo de amostragem Tf const de tempo do filtro 0 500 1000 1500 tempo s Figura 4 42 LIC302 Respost
232. tonia do controlador poderia ser automaticamente reajustada dependendo do funcionamento do regenerador E por ltimo qualquer outro ativo industrial pode ser validado e incorporado ao sistema de valida o ampla desde que tenha associado a ele direta ou indiretamente algum tipo de medi o e uma refer ncia para seu desempenho Dessa forma validadores podem ser constru dos para equipamentos tais como bombas motores trocadores de calor regeneradores filtros etc E baseado no conhecimento de especialistas algoritmos podem ser desenvolvidos para diagn sticos espec ficos para cada tipo de equipamento Refer ncias Bibliogr ficas 136 REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS Aguirre L A 1999 Introdu o Identifica o de Sistemas 22 Edi o Editora UFMG American Society for Quality ASQ s Foundations in Quality Certified Quality Engineer Ara jo M L 2004 Desenvolvimento de um sistema de Monitoramento Cont nuo e C lculo de Efici ncia da Caldeira e do Condensador da Usina Termoel trica do Barreiro Trabalho de Conclus o de Curso Engenharia de Controle e Automa o Universidade Federal de Minas Gerais str m K J H gglund T 2006 Advanced PID Control ISA Instrumentation Systems and Automation Society Belli P Bonavita N Rea R 2006 An Integrated Environment for Industrial Control Performance Assessment Diagnosis and Improvement Proceedings of the 2006 ANIPLA International Congress
233. toramento de equipamentos OEE Overall Equipment Effectiveness softwares para monitoramento de vibra es software para diagn stico de v lvulas etc Neste trabalho apresenta se uma metodologia para monitoramento cont nuo de desempenho e para a localiza o de falhas em malhas de controle Seu diferencial est na maneira como as informa es diagn sticas s o integradas e compartilhadas Por meio de fun es denominadas validadores cada vari vel ou equipamento que possa influenciar no desempenho do sistema de controle monitorado Estes validadores s o organizados numa estrutura hier rquica levando em conta as rela es de causa e efeito existentes entre eles Essa abordagem sist mica chamada de Valida o Ampla 1 1 OBJETIVOS E ESCOPO DA DISSERTA O A Validac o Ampla uma proposta metodol gica para gerenciamento de ativos desenvolvido por Braga et al 2006 que abrange todos os n veis de informa o e tipos de dispositivos desde o ch o de f brica at o n vel corporativo O primeiro objetivo desta disserta o aprofundar a proposta para o n vel de ch o de f brica e propor uma metodologia focando apenas na valida o de malhas de controle Esta proposta apresentada no cap tulo 2 Introdu o 5 Como ser visto adiante a implementa o de um sistema validador para malhas de controle requer um trabalho preliminar de auditoria das malhas Baseado na experi ncia pr tica e na literatura ci
234. toria 120 Figura 4 63 FIQ313 Compara o das tend ncias antes e ap s o trabalho de auditoria 121 Figura 4 64 PIC313 Compara o das tend ncias antes e ap s o trabalho de auditoria 121 Figura 4 65 Acoplamentos oscilat rios de alta frequ ncia A e de baixa frequ ncia B 122 Figura 5 1 Tend ncia temporal da vaz o de alcatr o e limpeza do filtro 127 Figura 5 2 ACP relacionando vari ncia do erro das vari veis e grau de sujeira do filtro 127 Figura 5 3 rvore de Falha para a Caldeira esee tnnt 128 Figura 5 4 Gr ficos de tend ncia temporal de PIC313 FIQ313 TIC327 e LIC302 129 Figura 5 5 Cartas de controle para o exemplo 1 ssessseseseeeeeeeeeennnnnnnnn nennen nnns 130 Figura 5 6 Simula o da rvore de falha exemplo 1 sessssessseeeseeeeee eene 130 Figura 5 7 Gr ficos de tend ncia temporal da vaz o de vapor e de LIC302 e PIC322 131 Figura 5 8 Cartas de controle para o exemplo 2 nnne nnne nnns 131 Figura 5 9 Simula o da rvore de falha exemplo 2 sssssssssseeeeeeeeeeeneennnnnn nennen 132 Tabela 2 1 Reconfigura o de PID para sensor autovalidado eesssseeeeeeeeennenennnes 9 Tabela 3 1 Matriz de coeficient
235. tr o Dist rbio externo e c lculo de efici ncia energ tica POT GER Pot ncia gerada pela usina Qualidade de gera o POT GER REF SP para gera o da usina Qualidade de gera o 4 1 3 PRINCIPAIS CONDI ES OPERACIONAIS Foram identificadas na caldeira condi es operacionais relacionadas com sua carga com sua pot ncia gerada com os tipos de combust veis a serem queimados e com o estado de funcionamento de alguns equipamentos O conhecimento dessas condi es importante durante o planejamento dos testes para modelagem matem tica das malhas de controle Uma dessas condi es operacionais determinada pela refer ncia de pot ncia el trica a ser gerada pela usina O valor dessa vari vel determina o ponto de opera o da maioria das malhas de controle da caldeira tais como vaz es de combust veis de ar de combust o e de gua de alimenta o E a varia o nas vaz es por sua vez causa impacto em seus respectivos controles de press o Outra importante condi o operacional a escolha do tipo e das propor es de combust veis a serem queimados O ponto de opera o das malhas do sistema de Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 62 combust o e o controle estequiom trico dependem dessa combina o A Tabela 4 3 relaciona as combina es mais comuns e os n veis de vaz o m dios de combust veis em cada uma delas O modo mais comum o segundo com o GAF sendo consumido no
236. ua presente em seu interior n o coincidem Devido aos fen menos conhecidos como inchamento e t mpera varia es na demanda de vapor provocam quase imediatamente uma varia o no n vel a princ pio invertida ao que corresponderia ao equil brio normal No fen meno de inchamento o vapor em emuls o na interface l quido vapor est diretamente relacionado com a demanda de vapor Uma queda abrupta nessa demanda por exemplo causa uma redu o no volume do vapor em emuls o causando queda no n vel Em resposta a queda no n vel o controlador aumenta a vaz o de gua de alimenta o Como esta gua possui temperatura bem inferior aquela no interior do tubul o sua chegada nos tubos de vaporiza o atrasa a forma o de bolhas de vapor e isso causa uma nova diminui o no n vel fen meno de t mpera A Figura 4 8 exemplifica a sequ ncia desses fen menos ap s um aumento na demanda de vapor num controle de n vel regulado por um controlador PI 1 Aumento na demanda de vapor Qv 2 Aumento no E 3 Diminui o da vaz o de gua Qe a o PI 4 Outro aumento no n vel t mpera 5 Fim do efeito inchamento t mpera queda brusca no n vel 6 Aumento da vaz o Qe e estabiliza o do n vel a o PI Figura 4 8 Efeito de fase n o m nima no controle de n vel da caldeira Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 73 Na nomenclatura de controle cham
237. ue inclui a revis o das estrat gias de controle avalia o de sensores e atuadores estudo das intera es existentes no processo e projeto de t cnicas avan adas de controle Al m disso desde a d cada de 90 tem surgido no mercado uma s rie de softwares com o prop sito de auxiliar nestas tarefas S o basicamente ferramentas de monitoramento em tempo real em que se calcula periodicamente uma s rie de ndices para qualifica o de desempenho e geram se alarmes e notifica es quando este desempenho n o satisfaz determinada condi o Em alguns casos diagn sticos de falhas e a es corretivas tamb m s o disponibilizados automaticamente A maioria destas ferramentas para gest o de malhas de controle no entanto possuem tr s importantes limita es 1 S o ferramentas que se aplicam a qualquer tipo de processo Por terem um formato gen rico requerem treinamento e n o s o facilmente usadas pelo pessoal de opera o 2 As avalia es s o realizadas isoladamente malha por malha Assim a ocorr ncia de falha num elemento que impacta no desempenho de outros pode resultar numa sinaliza o generalizada de mau funcionamento no sistema de controle 3 Malhas de controle s o sens veis a falhas em praticamente qualquer elemento que interaja com o processo Portanto n o poss vel uma avalia o precisa sem uma integra o com diagn sticos gerados por outras ferramentas de gest o de ativos tais como sistema de moni
238. ueles ru dos introduzidos na medi o e transmiss o podem ser removidos por filtros convencionais instalados nos controladores O maior problema s o os dist rbios com per odos na faixa central entre 0 2 T e 10 T que n o s o suficientemente atenuados degradando o desempenho da malhas de controle Sendo que medida que se aproximam do per odo cr tico Tc s o at mesmo amplificados H gglund 1995 Miao e Seborg 1999 Al m disso se houver uma freq ncia em que a soma dos deslocamentos de fase dos elementos que comp em a malha processo atuador sensor controlador for de 180 e o produto do ganho desses elementos for pr ximo da unidade ent o a malha ir apresentar uma oscila o sustentada com um per odo pr ximo de T independente da presen a de perturba es persistentes Isso comum em malhas com sintonia agressiva ou seja com ganhos excessivamente elevados Outra caracter stica deste tipo de oscila o que ela tem sempre um formato de uma onda senoidal No espectro de pot ncia tal sinal caracterizado por um nico pico Tais caracter sticas oscila o do tipo senoidal e com per odo pr ximo a Tc s o ind cios de que a oscila o causada por sintonia Este diagn stico por m depende de uma estimativa da frequ ncia cr tica da malha w Para isso necess rio um modelo aproximado para o processo e dados sobre o controlador Com essas informa es pode se tra ar a fun o de
239. ula A tem se que APV Kp ACO Kp A Como o desvio padr o de uma onda quadrada a metade do valor pico a pico ent o Std PV APV 2 Kp A 2 equa o 7 Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 40 Gr fico de Tend ncia numa Malha com Agarramento em Atuador 60 N T WT CM AME lh i W Uu In 60 70 65 T T T T 60 ped qr Ww 55 aive 50r Percentual de Abertura 45 i i i i 0 10 20 30 40 50 60 70 Figura 3 9 Simula o pra demonstra o de tend ncia t pica de uma malha com agarramento em v lvula Na simula o mostrada na Figura 3 9 a v lvula possui agarramento de 5 e o ganho do processo de 1 5 Utilizando a equa o 7 tem se que o desvio padr o estimado Std PV 1 5 5 2 3 75 Este valor bem pr ximo do desvio padr o real que de 3 13 J o per odo de oscila o m dio tamb m poderia ser estimado a partir do ganho est tico da malha e do tempo integral do controlador conforme rela o mostrada na equa o 8 H gglund 1995 Tose 4Tj cz 1 equa o 8 Como existem diversas outras causas poss veis para a oscila o em uma malha de controle a es para combater oscila o causada por problemas em v lvula s o muitas vezes feitas equivocadamente inserindo se uma banda morta no controlador ou desintonizando o ao inv s de realizar a manuten o no equipam
240. ulo baseada em m todos de sintonia cl ssicos tais como S ntese Direta para modelos de primeira e segunda ordem e Lambda Tuning para processos integradores Uma breve descri o desses dois m todos de sintonia encontra se no anexo D Este m todos tamb m se baseiam num controlador com estrutura dependente assim os resultados podem ser utilizados diretamente ap s as devidas convers es de unidade ou seja unidade de tempo em segundos ganho do processo em escala normalizada e ganho do controlador em banda proporcional Como n o foi realizada uma an lise efetiva de robustez o valor m nimo para o tempo de acomoda o das malhas foi restringido para obten o de respostas aproximadamente sobreamortecidas Outro crit rio utilizado foi escolher entre os modelos obtidos para determinado processo aqueles par metros que representassem o pior caso Isso significa considerar no projeto do controlador o maior tempo morto o maior ganho e a menor constante de tempo entre aqueles identificados Assim Estudo de Caso Auditoria das Malhas de Controle da Caldeira 106 buscou se evitar respostas oscilat rias ou at mesmo inst veis mesmo na ocasi o de varia es no comportamento do processo A seguir s o descritos os procedimentos adotados em todas as malhas de controle O trabalho foi dividido em duas etapas Iniciou se com o ajuste de sintonia das malhas do circuito de gua e foi finalizado com o ajuste das malhas do sistema de
241. veis que os representem conforme ser mostrado na se o 2 1 2 2 1 CONTROLE ESTAT STICO DE PROCESSOS APLICADO A VALIDA O Controle Estat stico de Processo CEP refere se a um conjunto de t cnicas baseadas em estat stica e dados experimentais para monitorar ao longo do tempo a qualidade de um produto determinando se a opera o de um processo normal ou anormal Uma das principais ferramentas de CEP a Carta de Controle Trata se de um gr fico temporal da tend ncia central ou dispers o de uma amostra e seus respectivos limites de controle A Figura 2 3 mostra um exemplo de uma carta de controle X proposta por Shewart para monitorar a tend ncia temporal da m dia das amostras O processo dito estar em estado de controle estat stico quando os par metros estat sticos avaliados permanecem dentro de limites de controle estabelecidos a partir de dados experimentais de refer ncia Nesta condi o a nica fonte de varia o s o Causas Comuns ou seja varia es que afetam o processo por todo o tempo e s o essencialmente inevit veis nas condi es atuais do processo Detalhes de como projetar cartas de controle podem ser vistos em Montgomery 2001 1 7 Limite Superior de Controle LSC 1 6 M dia da 1 5 Linha Central Amostra 1 4 EMEN Sa Ra Limite Inferior de 1 3 F Controle LIC 0 5 10 15 20 25 tempo seg Figura 2 3 Exemplo de carta de controle de Shewhart do
242. z o do alcatr o PIC137 e FIQ103 e o grau de entupimento do filtro de alcatr o e Controle de n vel do tubul o LIC302 e o funcionamento do regenerador Essas rela es em conjunto com as identificadas no cap tulo anterior assim como crit rios de como identific las em tempo real est o sintetizadas na Tabela 5 1 Estes crit rios foram obtidos por meio de conversas com operadores em conjunto com um entendimento sobre o processo e conhecimento do layout da planta Algumas rela es de causa e efeito no entanto n o eram t o bvias principalmente devido complexidade da planta que possui recircula es de material gua e vapor e diversos regeneradores energ ticos para pr aquecer os gases de combust o e gua Este mapeamento foi complementado pelo uso de uma an lise em componentes principais ACP aplicado sobre uma base de dados de opera o da planta Projeto de um Modelo para Valida o Ampla da Caldeira 126 Tabela 5 1 Mapeamento das principais condi es operacionais discretas Pot ncia gerada Malhas Impactadas Vaz o e press o de combust veis FIQ101 FIQ102 PIC342 Vaz o e press o de ar FIQ311 PIC341 e PIC323 N vel vaz o e press o de gua LIC302 FIQ313 e PIC313 Modos M xima Identifica o Acima de 9 5 MW h Moderada Abaixo de 9 5 MW h Mix de combust veis Vaz o e press o do ar de combust o FIQ31 1 PIC341 Press o da fornalha PIC323
243. zi giam 200 250 300 3i 400 A50 500 550 A o de Controle CO degrau inicial incrementos de 0 1 de 4 ends ou e o um 200 250 300 30 400 450 500 550 tempo segundos Figura 3 10 Teste manual para detec o e quantifica o de agarramento Outros m todos possuem a vantagem de n o requerem o chaveamento do controlador para modo manual Gerry e Ruel 2000 e 2001 mostram que a detec o do agarramento pode ser feita por inspe o visual comparando os gr ficos de tend ncia da malha de controle com os padr es t picos de oscila o por agarramento conforme exemplificado na Figura 3 9 Este padr o tamb m pode ser identificado no dom nio da frequ ncia Ciclos gerados por n o linearidades usualmente n o senoidais e harm nicos em frequ ncias m ltiplas da frequ ncia fundamental aparecem no espectro de pot ncia Thornhill e H gglund 1997 A Figura 3 11 mostra o espectro de pot ncia da malha PICO1 citada na se o 3 3 3 que oscila devido a um problema de agarramento Al m da frequ ncia fundamental que de aproximadamente 0 05 Hz tem se outros picos situados pr ximos das frequ ncias 0 1 Hz e 0 2 Hz Metodologia para Auditoria de Malhas de Controle 42 Espectro de Pot ncia de PICO1 400 300 1 1 1 1 1 d 1 1 1 1 1 1 1 200 HM RRMeRRMMRRMMReRMMMRMARRMMMRMMMMEeRR 9o V ari ncia Q4

Lúcio Fábio Dias Passos - Biblioteca Digital de Teses e

Contents

Download Pdf Manuals

Related Search

Related Contents

L&uacute;cio F&aacute;bio Dias Passos - Biblioteca Digital de Teses e

Contents

Download Pdf Manuals

Related Search

Related Contents

Lúcio Fábio Dias Passos - Biblioteca Digital de Teses e