identificação e sintonia do controle de temperatura de um

Transcrição

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA
ESPECIALIZAÇÃO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ADILSON LUIS DE LARA
IDENTIFICAÇÃO E SINTONIA DO CONTROLE DE
TEMPERATURA DE UM TORRADOR DE CAFÉ
MONOGRAFIA - ESPECIALIZAÇÃO
CURITIBA
2009
Monografia
de
Conclusão
Especialização
em
Departamento
Acadêmico
Universidade
do
curso
de
Industrial
do
Eletrônica
da
Automação
Tecnológica
de
Federal
do
Paraná
apresentada como requisito parcial para a obtenção
do título de “Especialista em Automação Industrial”
Orientador: Prof. Dr. Sérgio Leandro Stebel
CURITIBA
2009
Esta Monografia foi julgada e aprovada como requisito parcial para a obtenção do grau de
Especialista em Automação Industrial no Programa de Pós-Graduação do Departamento
Acadêmico de Eletrônica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Curitiba, ...... de ........................... de 2009
........................................................
Coordenador do Curso
Guilherme Alceu Schneider
BANCA EXAMINADORA
.....................................................
.....................................................
Prof. Dr. Sérgio Leandro Stebel
Prof. Mestre Guilherme Alceu Schneider
Universidade
Paraná
Tecnológica
Federal
do
Universidade Tecnológica Federal do
Paraná
Orientador
.....................................................
Prof. Dr. Carlos Raimundo Erig Lima
Universidade Tecnológica Federal do
Paraná
AGRADECIMENTOS
À minha esposa Marilene, à minha filha Jéssica, e
ao meu neto Andrew, por terem compartilhado
todos os esforços necessários para a realização
do curso e deste trabalho.
Aos meus pais, irmãos e familiares que sempre
estão me apoiando.
Aos professores, grandes amigos da UTFPR,
pela responsabilidade em nos conceder seus
conhecimentos.
À empresa Café Damasco pela abertura da
oportunidade de estudo e em especial ao Sr Altair
Lenartowicz.
À empresa Leogap Indústria e Comércio de
Máquinas pela confiança depositada em mim,
com um agradecimento especial ao Sr. João Cruz
e ao Sr. Helmut Nikkel.
E a Deus pela nossa saúde e razão que nos
permite estarmos sempre em busca de novos
desafios.
RESUMO
LARA, Adilson Luis. Identificação e Sintonia do Controle de Temperatura de um
Torrador de Café. 2009, 61 f. Monografia (Especialização em Automação Industrial)
- Programa de Pós-Graduação do Departamento Acadêmico de Eletrônica da
Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2009.
Melhorar a estabilidade de um sistema sempre foi, e provavelmente sempre será, a
busca pelos profissionais da engenharia de controle. Os argumentos motivadores
por esta busca contínua são os mais diversos, partindo das necessidades
econômicas, com sistemas mais otimizados gerando menos perdas, passando pelas
ambientais gerando menos poluentes, chegando às necessidades mais subjetivas
como a própria satisfação profissional. Nestes princípios, procurou-se melhorar a
estabilidade do controle de temperatura da fornalha de um torrador industrial de
café, utilizando as estratégias de sintonia do controlador PID. Os resultados obtidos
foram ótimos e foram evidenciados pela comparação da situação antes e depois da
sintonia.
Palavras-Chaves: Identificação do Sistema. Sintonia do Controlador PID. Torrador
de Café. PID da Fornalha.
ABSTRACT
LARA, Adilson Luis. Identification and Tuning of the Temperature Control of a
Coffee Roaster. 2009, 61 f. Monografia (Especialização em Automação Industrial) Programa de Pós-Graduação do Departamento Acadêmico de Eletrônica da
Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2009.
Improve the stability of a system always has been and probably always will be the
search for professionals of control engineering. Motivating arguments for this
continuous search are the most diverse, beginning on economic needs, with
optimized systems generating less waste, passing through the environmental with
cleaner generation, reaching at more subjective needs as their own professional
satisfaction. In these principles, it tried to improve the stability of temperature control
of the furnace of an industrial coffee roaster, using the strategies of tuning PID
controller. The results were great and were highlighted by comparing the situation
before and after tuning.
Keywords: Identification of the System. Tuning PID Controller. Coffee Roaster.
Furnace PID.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Escala Sensorial do Café ...........................................................................11
Figura 2: Torradores Manuais de Café......................................................................12
Figura 3: (a) Torrador Contínuo (b) Torrador por Bateladas .....................................13
Figura 4: Exemplo da Instalação de um Termopar....................................................17
Figura 5: Termopar com Conexão por Cabo de Cobre .............................................18
Figura 6: Termopar com Conexão por Cabo de Compensação ................................19
Figura 7: Inversão de Polaridade no Bloco de Ligação .............................................20
Figura 8: Dupla Inversão de Polaridade - No Bloco e no Instrumento.......................21
Figura 9: (a) Controle Regulatório (b) Controle Servo..............................................23
Figura 10: Diagrama em Blocos da Malha Fechada .................................................24
Figura 11: Ilustração do Efeito do Controlador PI......................................................26
Figura 12: Ilustração do Efeito do Controlador PD ....................................................27
Figura 13: Ilustração do Efeito do Controlador PID ...................................................28
Figura 14: Visão Geral de uma Planta de Torrefação ...............................................32
Figura 15: Esquema do Torrador Turbo T3600 .........................................................33
Figura 16: Diagrama de Blocos dos Diversos Sub-sistemas do Turbo T3600 ..........37
Figura 17: Instrução de Chamada do PID e seu Algoritmo - CLP Altus ....................39
Figura 18: Tabela de Parâmetros Adicionais da PID.................................................40
Figura 19: Tela de Coleta de Dados..........................................................................42
Figura 20: Exemplo Plotagem dos Dados Pelo Recurso Histórico do Elipse ............43
Figura 21: Curva de Reação Obtida ao Degrau P de 12/09 ......................................44
Figura 22: Curva de Reação Obtida ao Degrau N de 12/09......................................45
Figura 23: Curva de Reação Obtida ao Degrau P de 14/10 ......................................45
Figura 24: Curva de Reação Obtida ao Degrau N de 14/10......................................46
Figura 25: Curva de Reação em Malha Aberta- Método 2 ........................................47
Figura 26: Controlador PID Altus no Simulink ...........................................................50
Figura 27: Respostas ao Degrau no Simulink ...........................................................51
Figura 28: Resposta ao Degrau no Torrador em Malha Fechada .............................52
Figura 29: Desempenho do Controle de Temperatura da Fornalha Antes da
Validação...................................................................................................................55
Figura 30: Desempenho do Controle de Temperatura da Fornalha Depois da
Validação...................................................................................................................55
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 : Dados das Curvas de Respostas para Span de 950 ºC - 2009................47
Tabela 2 : Tempos de Excursão da Válvula Ar/Comb Queimador - 2009 .................48
Tabela 3 : Método CHR Para as Médias dos Degraus – 2009..................................49
Tabela 4 : Método Heurístico Cohen e Coon Para as Médias dos Degraus - 2009 ..49
Tabela 5 : Método Integral do Erro Para as Médias dos Degraus - 2009..................49
Tabela 6 : Cálculo dos Valores Convertidos Para Carga na Tabela de Parâmetros
PID - 2009 .................................................................................................................53
Tabela 7 : Comparação Desempenhos Para Setpoint de 700 ºC - 2009 ..................56
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO ................................................................................................11
1.1
TEMA ........................................................................................................................................ 11
1.1.1 Delimitação do Tema ............................................................................................................... 13
1.2
OBJETIVO GERAL................................................................................................................... 14
1.3
OBJETIVOS ESPECÍFICOS..................................................................................................... 14
1.4
JUSTIFICATIVA........................................................................................................................ 15
1.5
PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ................................................................................. 16
2
PROBLEMAS COMUNS NA INSTALAÇÃO DE TERMOPARES ..................17
2.1
ERROS DE LEITURA DEVIDO A INSTALAÇÃO COM CABO DE COBRE........................... 17
2.2
ERROS DE LEITURA DEVIDO INVERSÕES DE POLARIDADES......................................... 19
3
SISTEMA DE CONTROLE..............................................................................22
3.1
TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROLE................................................................................... 22
3.2
CONTROLE REGULATÓRIO E CONTROLE SERVO ............................................................ 22
3.3
FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA ............................................................................................. 23
3.4
IDENTIFICANDO O SISTEMA ................................................................................................. 25
3.5
CONTROLADOR PID ............................................................................................................... 25
3.5.1
Ação de Controle Proporcional-Integral ................................................................................ 25
3.5.2
Ação de Controle Proporcional-Derivativa ............................................................................ 27
3.5.3
Ação de Controle Proporcional-Integral-Derivativa............................................................... 28
3.6
SINTONIA DE CONTROLADORES PID .................................................................................. 29
4
A TORREFAÇÃO DE CAFÉ ...........................................................................31
4.1
PLANTA DE UMA TORREFAÇÃO .......................................................................................... 31
4.2
FUNCIONAMENTO BÁSICO DO TORRADOR TURBO T3600 .............................................. 32
4.2.1
Partida da Máquina ............................................................................................................... 32
4.2.2
Recepção de Café Cru .......................................................................................................... 33
4.2.3
Operação da Câmara de Secagem/Torra 1.......................................................................... 34
4.2.4
Operação da Câmara de Secagem/Torra 2.......................................................................... 35
4.2.5
Operação das Câmaras de Esfriamento 1 e 2...................................................................... 35
5
IDENTIFICAÇÃO DA FORNALHA .................................................................36
5.1
PLANEJAMENTO PARA A TOMADA DE DADOS................................................................. 36
5.2
PROCEDIMENTOS PARA A TOMADA DE DADOS............................................................... 37
5.2.1
Estudo das documentações e softwares aplicativos do torrador.......................................... 37
5.2.2
Implementações no software aplicativo do CLP ................................................................... 38
5.2.3
Implementações do software aplicativo do Supervisório ...................................................... 41
5.3
DADOS COLETADOS.............................................................................................................. 43
5.3.1
Gráficos do dia 12/09/09 ....................................................................................................... 44
5.3.2
Gráficos do dia 14/10/09 ....................................................................................................... 45
5.3.3
Análise dos Gráficos.............................................................................................................. 46
5.4
SIMULAÇÕES........................................................................................................................... 49
5.5
VALIDAÇÃO ............................................................................................................................. 52
6
5.5.1
Reação ao Degrau do Torrador em Malha Fechada ............................................................ 52
5.5.2
Sintonia Fina dos Ajustes Para a Validação ......................................................................... 53
5.5.3
Comparação do Antes com o Depois.................................................................................... 54
5.5.4
Critérios Para a Comparação do Antes com o Depois ......................................................... 56
CONCLUSÃO .................................................................................................58
APÊNDICE A - Esquema P&I Simplificado das Câmaras Secagem/ Torra T3600 ........................ 61
1 INTRODUÇÃO
1.1 TEMA
O café tem sua qualidade determinada pela avaliação de diversas
características que variam desde o aspecto físico do grão até uma análise sensorial
da bebida. Como auxílio para esta avaliação, a ABIC – Associação Brasileira da
Indústria de Café, definiu uma Escala Sensorial do Café conforme figura 1. As
técnicas de classificação baseiam-se em uma série de avaliações, algumas
subjetivas, que levam em consideração os elementos: Fragrância, Aroma, Amargor,
Acidez, Corpo, Sabor, Sabor Residual, Adstringência e a Qualidade Global. Muitas
destas características variam conforme a espécie, a altitude e o clima de cultivo, o
tipo de solo, a quantidade de insolação, a quantidade de chuva, enfim, de uma série
de influências relativa à região de produção (AFONSO & CIA, 2008).
Figura 1: Escala Sensorial do Café
Fonte: Sítio Associação Brasileira da Indústria de Café (ABIC, 2009)
Contudo, o que se chama de Qualidade Global é a percepção conjunta
dos aromas da bebida, dos sabores característico do café, do amargor, das
sensações de gosto doce, salgado e ácido, que também são influenciados pelo
processo de torra e pelo grau de torrefação do grão do café.
Antes era apenas torrar o café, por um tempo, até uma determinada
temperatura para se chegar a certa cor. Torravam-se em cilindros a manivela ou nos
11
tipo “bola”, conforme figura 2, que são fabricados até hoje pela Indústria Fabrizio em
Orlândia-SP.
Atualmente, sabe-se que o café sofre diversas reações químicas ao
submeter-se ao calor: São os amidos que se transformam em açúcares, são
algumas espécies de ácidos que surgem, enquanto que outras desaparecem, são
proteínas desmembradas transformando-se em peptídeos1 (SOCIETÉ DES
PRODUITS NESTLÉ S.A, 2009), em resumo, é uma mistura complexa porque
possui muitos compostos voláteis.
Figura 2: Torradores Manuais de Café
Fonte: Adaptado de Sítio (INDÚSTRIA FABRIZIO, 2009)
Sobre os equipamentos industriais, destacam-se os chamados torradores
contínuos e os de bateladas, ilustrados esquematicamente na figura 3, que são
utilizados para produção em grandes quantidades. Os contínuos recebem o café
verde de um lado e do outro despejam os grãos já torrados, pois o cilindro de torra é
construído com pás formando uma espécie de rosca-sem-fim. Os torradores por
bateladas torram quantidades menores de cada vez, várias vezes durante a
operação. (SOCIETÉ DES PRODUITS NESTLÉ S.A, 2009).
1
Peptídeo (peptídio) = s.m. quim.. Qualquer substância (por ex. proteínas e certos hormônios)
formada por dois ou mais aminoácidos unidos por ligação peptídica (q.v.).
(NOVO AURÉLIO da Lingua Portuguesa, 4 edição, Editora Positivo, 2009 p.1533)
12
(a)
(b)
Figura 3: (a) Torrador Contínuo (b) Torrador por Bateladas
Fontes: Adaptado de Sítios (NEUHAUS NEOTEC, 2009) e (CIA LILLA, 2009)
Apesar do conceito de torrar café a nível industrial permanecer
semelhante ao cilindro à manivela, as máquinas atuais são implementadas com
equipamentos computadorizados e recursos programáveis, disponibilizando o
controle total do processo de torra, denominado de Profile Roasting. É a capacidade
de se executar diversos perfis de torra.
Profile Roasting traduz-se na possibilidade infinita de experimentos e
descobertas de novos produtos, permitindo a empresa de torrefação explorar
completamente o seu Know How, adequando seu produto final aos diversos
paladares preferenciais de cada região. Trata-se de uma oportunidade para atender
qualquer mercado consumidor.
1.1.1 Delimitação do Tema
Com relação ao rigor dos critérios de avaliação da qualidade da torra, a
responsabilidade fica com o pessoal especializado em degustação, que mantém um
monitoramento constante destas características, coletando amostras dos grãos de
café recém-torrado e levando-os ao laboratório para uma bateria de verificações de
rotina e dentre elas a análise cromática (cor do café em pó).
13
Os padrões e critérios da análise cromática do café moído, que é dada
em valores numéricos e que varia de acordo com o blend2 respectivo para cada tipo
de café, são definidos e diferenciados de empresa para empresa. Comumente todas
elas têm uma faixa aceitável para a variação da cor do café.
Como procedimento padrão o operador do torrador recebe um retorno do
valor numérico, após toda amostra avaliada, para que possa tomar a decisão sobre
a necessidade ou não de ajustes das temperaturas nas câmaras de torra. Assim,
evitando-se antecipadamente a rejeição de lote fora de especificação.
Acontece que se ocorrerem oscilações intensas na temperatura da
fornalha, podem ocorrer oscilações na cor do café. Portanto, o trabalho estará
concentrado na melhoria do controle da temperatura da fornalha por meio da
respectiva Função de Transferência determinada pelas análises dos dados obtidos
de forma experimental. Posteriormente serão aplicadas as estratégias de sintonia de
controladores PID com a respectiva validação.
A base teórica abordará alguns problemas na instalação de termopares,
comentará o controle Servo e Regulatório, a função de transferência e a
identificação de um sistema. Apresentará os efeitos de cada ação do controlador
PID, a instrução F-PID.033 do Controlador Lógico Programável - CLP Altus e
descreverá uma planta de torrefação de café.
1.2 OBJETIVO GERAL
A partir dos dados coletados experimentalmente, identificar a Função de
Transferência do processo e aplicar métodos de sintonia do controlador PID. Validar
e obter como conseqüência a melhora da estabilidade da temperatura da fornalha.
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
¾ Estudar o projeto elétrico e detalhes técnicos inerentes ao Torrador de
Café.
2
Blend = Termo em inglês muito comum no ambiente de torrefação de café, significando a mistura de
diferentes tipos do produto.
14
¾ Desenvolver o esquema P&I simplificado com base na simbologia
ABNT e/ou ISA e inserir como apêndice.
¾ Coletar e armazenar os dados relevantes do processo, utilizando as
próprias ferramentas disponíveis da máquina (supervisório Elipse Scada e o
Controlador Programável). Levantar a curva de resposta em malha aberta.
¾ Estudar e avaliar os dados coletados;
¾ Realizar a identificação da Função de Transferência do sistema com a
ajuda dos softwares de simulação Simulink e Matlab.
¾ Aplicar métodos de sintonia (CHR – Chien, Hrones e Reswick,
Heurístico de Cohen e Coon, Integral do Erro) ao controlador PID para propor os
melhores parâmetros.
¾ Validar a sintonia.
1.4 JUSTIFICATIVA
Numa siderúrgica ou numa cervejaria, numa montadora de automóveis ou
numa petroquímica. Não importa que produto seja produzido, nem tampouco o
segmento. O importante para elas é, além de promover o bem estar de seus
funcionários, reduzir perdas, melhorar a eficiência e garantir a qualidade do produto
final. Reduzir perdas significa reduzir custos e melhorar o lucro. E a empresa que
tiver seu processo mal ajustado, certamente estará perdendo em algum ponto que
refletirá no custo final do seu produto.
Realizar um estudo com objetivo de encontrar parâmetros de sintonia do
controlador PID pela função de transferência identificada será muito valioso,
refletindo no melhor nível de estabilidade da temperatura da fornalha, que poderá
influenciar diretamente em outras características como a uniformização da cor do
grão de café torrado, a redução dos custos com o retrabalho, com as perdas de
embalagens ou perdas no descarte do produto fora da especificação (grão fora da
cor aceitável) e simultaneamente numa diminuição do combustível utilizado pela
torra.
15
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Tendo um objetivo prático específico de encontrar a função de
transferência referente à fornalha do torrador de café Turbo T3600, de propriedade
da Empresa Café Damasco e fabricação da Leogap Indústria e Comércio de
Máquinas, a pesquisa científica classificada como aplicada explicativa, conforme
Manual de Frascati (OECD, 2007, p 106), coletará e registrará dados das entradas e
saídas, relacionando-as para posterior análise e interpretação (MEDEIROS, 2003,
p.42).
Serão
estabelecidas
relações
causais
mais
significantes,
com
apontamento dos problemas encontrados e sugestões para futuras melhorias.
Etapas da pesquisa:
¾ Pesquisa dos conceitos teóricos;
¾ Planejamento e execução experimental;
¾ Seleção da estrutura do modelo;
¾ Estimação dos parâmetros do modelo;
¾ Simulações em software dedicado;
¾ Validação e ajustes finos dos parâmetros encontrados;
¾ Novas simulações em software dedicado se necessário;
¾ Conclusão e apresentação dos resultados.
Procedimentos metodológicos para a identificação da dinâmica da
fornalha.
¾ Programar a disponibilidade da máquina;
¾ Introduzir perturbações em degrau na variável manipulada vazão de
ar/combustível;
¾ Aguardar para que o sistema atinja o regime permanente estável da
variável controlada temperatura;
¾ Registrar os dados de entrada e saídas para plotagem da curva de
reação do sistema;
¾ Obter o ganho (K), a constante de tempo (τ) e o tempo morto (θ) do
processo;
¾ Repetir outras vezes o ciclo, incluindo variações positivas e negativas;
¾ Realizar a validação durante o acompanhamento da produção normal.
16
2 PROBLEMAS COMUNS NA INSTALAÇÃO DE TERMOPARES
Na maioria das aplicações industriais de medição de temperatura por
meio de termopares, o sensor não se encontra junto do instrumento de medida,
exigindo um cabo ou fio para a conexão, que tenha uma curva de força eletromotriz
(fem) similar à do próprio termopar. A figura 4 mostra um exemplo de aplicação onde
o termopar pode estar instalado em campo e o instrumento numa sala de controle e
a conexão necessária por um cabo de extensão.
Figura 4: Exemplo da Instalação de um Termopar
Fonte: Adaptado de Sítio (CONSISTEC, 2009, p.19)
É importante que se saiba que existe diferença entre cabos de extensão e
de compensação: Um cabo de extensão é literalmente uma extensão do termopar
em uso, pois é construído com as mesmas ligas de materiais. Enquanto que um
cabo de compensação é construído com diferentes ligas, porém com curvas de fem
iguais aos do termopar (THOMAZINI; ALBUQUERQUE, 2007, p. 100).
A opção de escolha entre um cabo ou outro está em cima do tipo de liga
utilizada na aplicação, pois caso o elemento seja formado de metais nobres como
Platina/Ródio-Platina, Cobre/Ouro-Cobalto ou Ouro-Ferro/Cromel, o uso de cabo de
extensão elevará muito o custo de instalação. Neste caso recomenda-se o cabo de
compensação apropriado.
2.1 ERROS DE LEITURA DEVIDO A INSTALAÇÃO COM CABO DE COBRE
O cuidado extra a ser tomado é o uso do fio ou cabo correspondente à
especificação do termo-elemento, ou seja, tipo do fio ou cabo correspondente ao
termopar em uso. Não havendo correspondência, haverá erro de leitura. Por
exemplo: considerando uma instalação com termopar tipo K, sendo lido por um
17
módulo de entrada do CLP e uma conexão por cabo de cobre entre o bloco de
ligações e o instrumento de medida, causará erros de leitura conforme ilustra a
figura 5.
Figura 5: Termopar com Conexão por Cabo de Cobre
Fonte: Adaptado de Notas de Aula Prof Simone M. Acosta (2008, p.41)
Como não é característica elétrica do cobre gerar força eletromotriz em
função da temperatura, sendo que o módulo de entrada lê somente este sinal, não
obstante, a tensão a ser apresentada no supervisório será com um erro, pois a
somatória das tensões respectivas a cada trecho não corresponderá ao estabelecido
pela tabela do termopar tipo K, conforme norma NBR 12771/99. Sendo:
+ 20,735mV
+ 0,000mV
+ 0,960mV
+ 21,695mv

Fem entre fornalha e cabeçote

Fem entre o cabeçote e módulo de entrada

Fem junta de compensação temp. ambiente de 24°C

Fem lida pelo módulo de entrada
Verificando a tabela do termopar K encontramos:
¾ +22,265mV
⇒ Corresponde a 538°C;
¾ +1,530mV
¾ +0,960mV
A temperatura esperada seria de 538°C, porém +21,695mV corresponde
a 525°C, gerando um erro de -13°C na temperatura apresentada no supervisório.
18
Já com o cabo de compensação o valor lido corresponderá ao esperado,
conforme ilustra a figura 6.
Figura 6: Termopar com Conexão por Cabo de Compensação
+ 20,735mV
+ 0,570mV
+ 0,960mV
+ 22,265mv

A somatória das fems resultam em +22,265 mV correspondente a 538°C,
que é o valor desejado. (Obviamente existem os erros devido às incertezas
inerentes dos elementos que compõem este sistema, que neste exemplo foram
desconsiderados).
2.2 ERROS DE LEITURA DEVIDO INVERSÕES DE POLARIDADES
Durante a montagem de uma planta é comum ocorrerem inversões de
polaridade no bloco de ligações (cabeçote) do termo-elemento, que normalmente
são detectados ao longo do comissionamento pelo próprio Controlador Lógico
Programável (CLP) ou instrumento de medida, quando este acusa um valor absurdo,
como uma temperatura negativa ou outro estado de diagnóstico que varia de
fabricante para fabricante. A figura 7 demonstra esta inversão.
19
Figura 7: Inversão de Polaridade no Bloco de Ligação
Tensão lida no módulo de entradas analógicas de termopar:
− 20,735mV
+ 0,570mV
+ 0,960mV
− 19,205mv

Neste exemplo de uma inversão simples, a somatória das fems resultou
em um valor negativo, que gerará uma leitura absurda no instrumento de medida.
E se ingenuamente, instintivamente, ou mesmo com a proposta de
“ganhar tempo”, o responsável pela montagem optar por fazer a inversão
diretamente nos terminais do instrumento de medida, como ilustra a figura 8,
acreditando que com a segunda inversão conseguirá anular a primeira, estará
equivocado. A dupla inversão só agravará o problema, pois a medida lida no
instrumento até aparecerá com valor coerente e isto certamente dificultará uma
rápida detecção de que algo está errado. Ou seja, poderá existir um erro de leitura
sem que ninguém saiba o porquê. É uma situação gravíssima. Em campo não tem
problema pior do que aquele que aparentemente está correto.
20
Figura 8: Dupla Inversão de Polaridade - No Bloco e no Instrumento
No exemplo de dupla inversão, a tensão lida no módulo de entradas
analógicas de termopar será:
+ 20,735mV
− 0,570mV
+ 0,960mV
+ 21,125mv

O resultado da somatória das fems dos três trechos será de +21,125mV
correspondente a 511°C, que gerará um erro de -27°C na temperatura apresentada
no supervisório ou no instrumento de medida. E isto representará um acréscimo de
erro de 5%.
21
3 SISTEMA DE CONTROLE
O controle em si tem desempenhado um papel de extrema importância
para a evolução e sobrevivência humana, pois está presente nos equipamentos
simples como um aquecedor doméstico de água, à gás, passando pelos veículos
espaciais, sistemas robotizados, sistemas tele-guiados e até compondo dispositivos
implantados para infusão automática de insulinas em pacientes com diabetes3.
Campos e Teixeira (2006, p.3) descrevem "controle de processos" como
um termo utilizado para aludir a sistemas que tem o objetivo de manter certas
variáveis de uma planta industrial entre os limites operacionais desejáveis,
necessitando uma intervenção humana ou automática. Essas variáveis estão num
grupo essencial nas operações tais como controle de pressão, temperatura,
umidade, viscosidade e vazão nas indústrias de processo.
3.1 TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROLE
Se para LIMA (2008, p.9) “a capacidade de analisar um sistema e
determinar seu desempenho depende de quão facilmente se possa expressar
matematicamente as características de cada um de seus componentes”, é certo que
um sistema dinâmico pode ser completamente representado por meios de equações
diferenciais. Mas na prática, ele geralmente é não-linear ou variante no tempo, tendo
soluções complexas ou até mesmo sem soluções. Entretanto, podemos aproximar
para modelos matemáticos lineares, que, com uma representação bem encontrada
poderá satisfazer as especificações de projeto.
3.2 CONTROLE REGULATÓRIO E CONTROLE SERVO
A condição que determina se o controle é regulatório ou servo está na
característica da variável de referência, ou o setpoint.
Para um controle do tipo regulatório, o principal é compensar as variações
causadas somente pelas perturbações externas, pois a referência permanece
3
NIH - National Instituites of Health encoraja os leitores da publicação INSTRUMENTOS PARA
TOMAR INSULINA a fazerem e distribuírem quantas cópias quiserem (NIH, 2000).
22
constante, figura 9 (a). Como exemplo, no Torrador T3600, a operação da fornalha
em estudo é um controle regulatório.
(a)
(b)
Figura 9: (a) Controle Regulatório (b) Controle Servo
Fonte: Campos e Teixeira (2006, p.8)
Enquanto que para o sistema de controle servo, ou servossistema por
outras literaturas, é além de compensar os desvios causados pelas perturbações,
ainda ter que acompanhar todo novo valor de referência, figura 9 (b).
Outro exemplo está no mesmo Torrador T3600, que para o controle de
temperatura do ar de entrada do cilindro de torra/secagem, o Set-point altera-se
dinamicamente com o avanço da torra, desenvolvendo uma rampa decrescente.
3.3 FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA
Com referência a figura 10, a relação entre o sinal C(s) denominado de
função Resposta e o sinal R(s), Função Excitação, é chamada de Função de
Transferência Global e em teoria de controle, são usadas para caracterizar a relação
entrada-saída de componentes ou sistemas descritos por equações algébricas no
domínio s, obtidas pelas Transformadas de Laplace4 das respectivas equações
diferenciais lineares invariantes no tempo (OGATA, 1998, p.50).
4
Transformada de Laplace – É um recurso matemático de transformações de equações diferenciais
em equações algébricas, para se trabalhar no domínio da freqüência e plano complexo “s”. Maiores
informações poderão ser encontradas em literaturas específicas.
23
Figura 10: Diagrama em Blocos da Malha Fechada
Fonte: Adaptado de Carvalho (2000, p.3) e Ogata (1998, p.54)
Considerando o sistema com G(s):
C ( s ) = G ( s ).E ( s)
(1)
E ( s) = R( s) − B( s)
(2)
B ( s ) = H ( s ).C ( s )
(3)
Substituindo E(s) da equação (1) pelas equações (2) e (3):
C ( s) = G ( s)[ R( s) − H ( s)C ( s)]
(4)
Obtem-se a Função de Transferência Global do sistema em malha
fechada:
C ( s)
G(s)
=
R( s) 1 + G ( s) H ( s)
(5)
A Função de Transferência fornece uma descrição completa das
características relativas à dinâmica do processo e pode ser obtida pela modelagem
fenomenológica, que é o uso das leis da Física, ou pela identificação do sistema.
É conveniente ressaltar que o mesmo conceito para a determinação da
FT global poderia ter sido aplicado em subsistemas e quem sabe até ter gerado
qualquer um dos blocos G1(s), G2(s) e H(s) da figura 10. Este procedimento é
comum e tem o propósito de simplificar o diagrama de blocos e a própria equação
da Função de Transferência.
24
3.4 IDENTIFICANDO O SISTEMA
Identificar o sistema é aplicar sinais conhecidos na entrada de um
processo, registrar e analisar os dados obtidos na saída, sem muito interessar que
fenômenos ocorreram internamente, como por exemplo, qual foi a quantidade de
massa ou energia transformada durante o procedimento.
Comparando-se, a modelagem fenomenológica tem a vantagem de
detalhar por completo o comportamento dinâmico. Por outro lado, num caso mais
real, determinar todos os fenômenos intrínsecos do sistema, pode transformá-la em
alta complexidade para este tipo de análise.
A identificação explorando os recursos de tomada de dados de forma
experimental é o método mais rápido para se obter um modelamento. Em
contrapartida exige uma intervenção durante o funcionamento do processo e
procedimentos repetitivos tanto quantos forem necessários para se atingir um
modelo bem representativo (CAMPOS e TEIXEIRA, 2006, p.13).
3.5 CONTROLADOR PID
Como destacou Aström e Hägglung apud Campos e Teixeira (2006, p.23)
o controlador Proporcional-Integral-Derivativo, PID, é o algorítmo mais tradicional de
controle das plantas industriais, que segundo pesquisa publicada em 1995, apontava
seu uso em 97% das malhas. Onze anos mais tarde, os mesmos Aström e Hägglung
(2006, p.1) confirmaram ainda o uso não só nas plantas industriais, mas em diversos
sistemas como CD e DVDs players, pilotos automáticos de automóveis e
microscópios atômicos, alcançando 95% das malhas de controle.
Obviamente a popularidade do PID se deve à simplicidade de ajuste dos
seus parâmetros e a obtenção de um bom desempenho.
3.5.1 Ação de Controle Proporcional-Integral
Em qualquer controlador com ação proporcional, a parte proporcional age
sempre como um amplificador de ganho ajustável, somando-se com as demais
ações se houverem. No controlador PI, a parte integral visa “memorizar” as
condições do sistema para garantir um sinal de saída diferente de zero mesmo que
na entrada obtenha-se zero de erro e produz uma função de transferência com um
25
pólo na origem, eliminando os erros estacionários com Setpoint fixos. Isto para
qualquer instalação sob controle desde que a retroação seja estável.
Observa-se na figura 11 que, para um erro em degrau entre os tempos 4
e 22, a ação Integral, representada na cor marrom, aumentará indefinitivamente a
saída do controlador, saturando-o. Para o erro em rampa a partir do tempo 22, a
ação integral se intensifica, saturando-o mais rapidamente. O efeito de saturação é
conhecido por “wind-up”. Resumindo, num regime permanente, o controlador I é
intolerável, pois agirá na saída enquanto ocorrer um erro entre a variável de
referência SP e a variável controlada PV ou CV.
Nos PIs atuais há no algoritmo um limitador de saturação chamado de
anti-windup.
Figura 11: Ilustração do Efeito do Controlador PI
Fonte: Autoria Própria
A equação (6) mostra a equação do controlador PI em função do tempo e
a sua função de transferência em s:
u (t ) = k p e(t ) +
kp
t
U ( s)
e(t )dt 
→
=k
Ti ∫
E ( s)
0
L
p
(1 +
1
)
Ti s
(6)
Apesar de se ouvir o termo Ganho Integral (GI), a unidade é o tempo, ou
Tempo Integral (Ti), expresso em segundos ou minutos por repetição. Há quem
26
prefira o termo “Reset-time”, que é expresso em repetições por segundo ou por
minuto da ação integral, ou seja, Reset-time = 1/Ti.
3.5.2 Ação de Controle Proporcional-Derivativa
A ação derivativa tem um caráter antecipatório ou preditivo ao sistema,
mas, somente atua quando ocorre uma variação do sinal do erro. Observando a
figura 12 em função de um sinal de erro em rampa a partir do tempo 22, a parte
derivativa contribui com um valor constante que somado com a contribuição do
ganho proporcional, geram o sinal de saída do controlador.
O caráter antecipatório está evidenciado no gráfico, analisando que no
tempo 23 a saída do controlador PD já está em 5,2 unidades enquanto que se
contássemos apenas com a contribuição do ganho P o mesmo valor seria atingido
somente após o tempo 37.
Figura 12: Ilustração do Efeito do Controlador PD
A equação (7) mostra a equação do controlador PD em função do tempo
e a sua função de transferência em s:
u (t ) = k p e(t ) + k p Td
de(t ) L U ( s )

→
= k p (1 + Td s )
dt
E ( s)
(7)
27
Um benefício importante do termo D no controlador, desde que tenha uma
escolha conveniente dos parâmetros, é poder deslocar o lugar das raízes, que é a
representação geométrica dos pólos e zeros de uma função de transferência, mais
para o semi-plano esquerdo do eixo imaginário do plano complexo. Em outras
palavras, quanto mais afastados para a esquerda da origem, mais estável será o
sistema. O Lugar das Raízes é um método bem prático e bastante útil para análises
de estabilidades de sistemas, entretanto no presente trabalho não será explorado.
3.5.3 Ação de Controle Proporcional-Integral-Derivativa
A saída do controlador PID reúne a ação de controle proporcional ao erro,
mais a ação proporcional à integral do erro e mais a ação proporcionalmente à
derivada do erro. A figura 13 ilustra a soma das três ações:
Figura 13: Ilustração do Efeito do Controlador PID
A equação (8) mostra a equação do controlador PID em função do tempo
e a sua função de transferência em s:
u (t ) = k p e(t ) +
kp
t
e(t )dt +k
Ti ∫
0
p
Td
de(t ) L U ( s )
1

→
= k p (1 +
+ Td s )
dt
E ( s)
Ti s
(8)
28
Na equação (8) percebemos que a ação proporcional interage nos três
controles e o cálculo das três ações se dá de forma paralela, para depois serem
somadas. Então a equação recebe a denominação de um controlador PID Paralelo
Clássico, que por ter ainda os ganhos dependentes é reconhecida por alguns
fabricantes como Formato ISA (ROCKWELL AUTOMATION, 1999, p.26)
Podemos encontrar o formado de ganhos independentes, que é o PID
Paralelo Alternativo, como por exemplo, os controladores dos equipamentos da
Smar, da GE-Fanuc e da Rockwell Automation. Este configurável via software
(CAMPOS e TEIXEIRA, 2006, p.31).
A equação (9) mostra a equação do controlador PID paralelo alternativo
em função do tempo e a sua função de transferência em s:
u (t ) = k p e(t ) +
1 t
1
de(t ) L U ( s)
e(t )dt +Td

→
= kp +
+ Td s
∫
0
Ti
dt
E ( s)
Ti s
(9)
3.6 SINTONIA DE CONTROLADORES PID
Malhas de controles e seus controladores são sempre motivos que
despertam interesses para investigações e estudos. O controlador PID por ser o
mais aplicado é o mais amplamente discutido, por conseguinte, existe uma vasta
referência literária em torno dos métodos científicos, frutos de enormes esforços
desenvolvidos ao longo da própria história dos controladores, que podemos
encontrar com certa facilidade e empregá-los quando necessário. Para tanto,
descrever detalhadamente todos os métodos de sintonia para controladores PID não
seria tão conveniente, sendo oportuno apenas uma citação com breves comentários
dos mais conhecidos.
Importante também é comentar que numa visão bem prática, o principal
critério para ajuste de uma malha é a sua estabilidade, ficando a cargo do
profissional de controle de processos, detectar a melhor estratégia para garantir o
bom funcionamento com a robustez desejada.
Os métodos mais conhecidos são:
¾ Heurístico de Ziegler e Nichols – Foi o primeiro trabalho a propor uma
metodologia objetiva para a sintonia. Um em malha fechada, com a obtenção do
29
ganho crítico e outro em malha aberta calculando-se a taxa de variação e o tempo
morto (CAMPOS e TEIXEIRA, 2006, p.48);
¾ Método CHR – É o trabalho de [Chien, Hrones e Reswick, 1952]
desenvolvido tanto para problemas servos como regulatórios, com a resposta mais
rápida possível, com e sem sobressinal (CAMPOS e TEIXEIRA, 2006, p.53);
¾ Heurístico de Cohen e Coon – Desenvolvido para processos com
tempos mortos elevados (CAMPOS e TEIXEIRA, 2006, p.55);
¾ Método da Integral do Erro (IAE e ITAE) – Também desenvolvido para
problemas servos e regulatórios com a vantagem de considerar toda a curva de
respostas e não somente dois pontos (CAMPOS e TEIXEIRA, 2006, p.56);
¾ Método do Modelo Interno (IMC) – Sua vantagem é que o desempenho
do controlador está associado com a razão da constante de tempo de malha
fechada com a da aberta (CAMPOS e TEIXEIRA, 2006, p.60);
¾ Método dos Relés em Malha Fechada – Semelhante ao método de
Ziegler e Nichols, utilizando “relés” (CAMPOS e TEIXEIRA, 2006, p.63);
30
4 A TORREFAÇÃO DE CAFÉ
Assim como as indústrias de outros segmentos, as de processamento de
café também estão se automatizando. Elas teriam uma classificação de indústria de
processos discretos, porém possuem máquinas para a torra de grãos de cafés que
agregam diversas variáveis analógicas como pressão, nível, vazão, velocidade e
temperatura.
4.1 PLANTA DE UMA TORREFAÇÃO
As matérias-primas chegam até as torrefações em sacas de 60kg, BigBags de até 1.500kg ou em caminhões graneleiros (para o caso das empresas com
plataformas de descargas) e são classificadas e armazenadas em silos no setor de
café cru conforme o tipo do café. Os torradores de café quando iniciam sua
produção, solicitam cargas de café cru conforme receita pré-programada no
supervisório. O setor de café cru, interpreta este pedido e realiza o blend de diversos
tipos de matérias-primas, por exemplo: Se o pedido foi da Receita 1, que
hipoteticamente é composta de 60% da espécie Arábica do silo A e 40% da espécie
de Conilon do silo B, para uma carga de 240kg. Então, o automatismo do setor de
café cru vai carregar a balança com 144kg do silo A e 96kg do silo B e enviar esta
carga para o torrador.
A carga recebida passa pelo processo de torra e antes de ser enviada ao
setor de café torrado ela é novamente pesada. O procedimento de pesagem antes e
depois é importante para a contabilização do rendimento, ou seja, na linguagem
coloquial dentro das torrefações, seria a “quebra do café”, que é dada em
porcentagem de perdas. Naturalmente quando um grão de café é torrado, ocorre
uma diminuição do peso devido a perda de água e óleos aromatizantes, por outro
lado há um aumento de volume.
31
Figura 14: Visão Geral de uma Planta de Torrefação
Fonte: Adaptado de Sítio (CIA LILLA, 2009)
Assim que os grãos de café são torrados eles precisam de um período de
descanso, por isto são armazenados em silos no setor de moagem para somente
depois serem moídos e empacotados. E garantindo um estoque mínimo, para cada
estágio do processamento do café são necessários os respectivos silos de
armazenagem. Figura 14.
4.2 FUNCIONAMENTO BÁSICO DO TORRADOR TURBO T3600
Atualmente, ainda existem alguns fabricantes de máquinas para
torrefação que utilizam o mesmo fundamento de torrar café dos torradorzinhos
portáteis à manivela apresentado no capítulo 1. Mas orgulhosamente comentando,
no torrador Turbo a Leogap aplicou um novo conceito de se torrar café por
turbilhamento de ar quente, de alta vazão, sobre os grãos de café, realizando um
processo mais rápido por bateladas. Em seguida está uma seqüência resumida do
seu funcionamento.
No apêndice A tem um esquema P&I simplificado das câmaras
Secagem/Torra do torrador Turbo T3600.
4.2.1 Partida da Máquina
Após executada a seleção da receita a ser produzida, conferências dos
ajustes iniciais nas telas específicas da aplicação do supervisório e a conclusão de
todo o resto do procedimento de preparação do torrador, o operador pressiona a
32
tecla de inicialização. Automaticamente acontece a liberação do aquecimento da
fornalha e o pedido de café cru aos bojos 1 e 2 acima do torrador.
Figura 15: Esquema do Torrador Turbo T3600
Fonte: Sítio (ALTUS SISTEMAS, 2008)
4.2.2 Recepção de Café Cru
Recebido o pedido, o setor de armazenagem de café cru prepara o blend,
conforme descrito no item 4.1, e o envia ao bojo 1. No interior dos bojos 1 e 2 há um
sensor capacitivo, com a função de garantir que o nível do produto está dentro do
esperado. São os 240kg de café cru. Confirmado esta primeira carga, há a liberação
para o pedido de café cru ao bojo 2, repetindo-se o mesmo procedimento de
preparação do blend para esta segunda carga.
Acompanhando pelo esquema da figura 15, inicia-se o ciclo propriamente
dito quando se tem uma temperatura mínima na fornalha, na câmara 1, na câmara 2
e a presença de produto no bojo 1. Então o registro pneumático5 abre transferindo o
material p/ a câmara 1 de Secagem/Torra. Neste instante o bojo 2 já está carregado
5
Registro Pneumático: É um dispositivo tipo “registro faca” com comando eletropneumático, válvula
5/2 vias retorno a mola e pistão dupla ação.
33
com a segunda carga de café cru. Portanto, o bojo 1 solicita uma nova carga, a
terceira da seqüência, de café cru para o setor de armazenagem;
4.2.3 Operação da Câmara de Secagem/Torra 1
Recebido o produto cru do bojo 1, posicionam-se outros registros
pneumáticos para
injetar um turbilhamento de ar quente vindo da fornalha,
diretamente aos grãos de café em movimento. Nos primeiros minutos é apenas
executado um estágio de secagem, com a temperatura em torno de 125°C. Atingido
o set-point de temperatura de secagem por um determinado tempo, inicia-se o
estágio de torra e simultaneamente permite a transferência do produto do bojo 2
para a câmara de Secagem/Torra 2.
Neste momento estão ocorrendo operações simultâneas:
- O café da câmara 1 está no estágio de torra;
- O café da câmara 2 está no estágio de secagem;
- O bojo 1 está preparado com a terceira carga, apenas aguardando o fim
da torra da câmara 1;
- O bojo 2 está solicitando a quarta carga de café cru.
No estágio de torra tem-se 2 parâmetros de ajuste de temperatura. Um em
torno de 232°C, denominado de "Temperatura de Corte", que tem a função de fechar
parcialmente o registro de ar quente diminuindo a vazão de turbilhamento e
reduzindo a velocidade de aquecimento dos grãos. O outro aproximadamente em
242°C, denominado de "Ponto do Café" ou "Água" ou "Ponto de Aromatização", que
executa o fechamento completo do registro de ar quente para logo em seguida,
liberar a injeção de água fria no produto. É a etapa denominada de aromatização.
Estas temperaturas são medidas por um sensor do tipo PT100 imerso nos grãos de
café dentro da câmara.
A quantidade de água é injetada respeitando o parâmetro pré-ajustado no
supervisório e medida por um instrumento medidor de fluxo com sensor magnético.
Terminado a aromatização, abre-se a comporta e o produto torrado é transferido
para a câmara de esfriamento 1.
34
Na seqüência o bojo 1 transfere a terceira carga para a câmara de
Secagem/Torra 1, fazendo um novo pedido de reposição de café cru, sendo a quinta
carga.
A carga nova recebida entra no estágio de secagem.
4.2.4 Operação da Câmara de Secagem/Torra 2
Assim que a carga da câmara 1 foi transferida para a câmara de
esfriamento 1, o café da câmara 2 sai do estágio de secagem e passa para o estágio
de torra, alternando-se as operações:
- O café da câmara 1 está no estágio de secagem;
- O café da câmara 2 está no estágio de torra;
- O bojo 1 está solicitando a quinta carga de café cru;
- O bojo 2 está preparado com a quarta carga, apenas aguardando o fim da torra
da câmara 2;
- A câmara do esfriador 1 está resfriando o café recém-torrado.
4.2.5 Operação das Câmaras de Esfriamento 1 e 2
O café recém-torrado é resfriado através de dutos e registros
posicionados para tal situação até um valor de temperatura programado no
supervisório. Atingido esta temperatura, que é da ordem de 65°C e medida por
sensor tipo PT100, a comporta se abre descarregando o produto em cima da esteira
transportadora, enviando ao respectivo silo de armazenagem.
A partir deste momento a máquina entra no ciclo normal de trabalho,
alternado-se entre os estágios de torra e secagem nas câmaras 1 e 2 a cada 4
minutos de operação.
35
5 IDENTIFICAÇÃO DA FORNALHA
Como dito no item 1.5 Procedimentos Metodológicos, a identificação da
fornalha foi desenvolvida sobre experimentos práticos, em duas oportunidades de
parada de produção, aplicando-se de sinais conhecidos de entrada com diversas
iterações de degraus positivos e negativos, com coleta e registros dos respectivos
sinais de saída, comparando-se as situações antes e depois dos novos ajustes,
finalizando com a conclusão do trabalho.
5.1 PLANEJAMENTO PARA A TOMADA DE DADOS
Obviamente, por se tratar de uma máquina de extrema importância, teve
a exigência de se estudar cuidadosamente os procedimentos para a intervenção.
Portanto, em um primeiro momento e em conjunto com o Café Damasco, foi traçado
um plano de intervenção descrito abaixo:
¾
Recebimento das documentações do projeto elétrico, do software
aplicativo do CLP e do software aplicativo do sistema supervisório Elipse;
¾
Estudo do projeto elétrico em conjunto com o aplicativo do CLP e do
supervisório;
¾
Criação de uma cópia fiel do aplicativo do CLP (que é composto por
diversos arquivos relativos a cada módulo de programa);
¾
Edições em off-line do aplicativo do CLP para as implementações das
novas linhas de programa e de eventuais alterações nas existentes;
¾
Criação de uma cópia fiel do aplicativo do Elipse;
¾
Edição em off-line do aplicativo do Elipse com as implementações de
novos scripts, tags, telas e de eventuais alterações nos existentes;
¾
Apresentação de um documento impresso, para apreciação ao Café
Damasco, com todas as implementações nos dois aplicativos referente a preparação
para o experimento prático;
¾
Programação da parada de produção para a execução do experimento
¾
Edição on-line diretamente no Torrador Turbo, das novas linhas de
prático;
programa e das eventuais linhas alteradas do aplicativo do CLP usando o
documento impresso apenas como roteiro de implementações;
36
¾
Instalação dos arquivos do aplicativo Elipse com as implementações
no computador do supervisório do Torrador Turbo;
¾
Efetivação dos testes práticos com os registros dos dados.
¾
Edição on-line diretamente no Torrador Turbo, retirando todas as
implementações realizadas. Ou seja, retornando tudo para a forma original.
5.2 PROCEDIMENTOS PARA A TOMADA DE DADOS
5.2.1 Estudo das documentações e softwares aplicativos do torrador
Com os documentos técnicos e respectivos softwares foi possível
conhecer melhor os detalhes da topologia de configuração do CLP, dos
equipamentos eletro-eletrônicos instalados e dos equipamentos mecânicos. Foi
possível também detectar o quão complexo é o sistema, onde na realidade se tem
diversos sub-sistemas que formam o circuito geral que executa o processo de torra
dos grãos de café. Um estudo mais completo seria a identificação da função de
transferência destes sub-sistemas, como do queimador, das câmaras de torra, da
fornalhinha e dos ciclones. Mas isto exigiria muito mais tempo, ficando para uma
próxima oportunidade. No presente trabalho, os esforços foram concentrados no
sub-sistema da fornalha, que é formada pela malha de controle em destaque, como
ilustra na figura 16 o diagrama de blocos abaixo.
Figura 16: Diagrama de Blocos dos Diversos Sub-sistemas do Turbo T3600
37
A malha de controle para o circuito da fornalha, em destaque, é formada
pelos seguintes dispositivos:
¾ - Controlador PID pela função F-PID.033 do software aplicativo do CLP
modelo QK801, série Quark da Altus;
¾ - Sensor de temperatura Termopar tipo K;
¾ - Medidor de temperatura por cartão de entrada QK1109 do CLP Altus;
¾ - Queimador Weishaupt Duo Combustível, modulante com regulagem
de potência lenta. Acoplamento mecânico da válvula borboleta de gás natural e da
palheta do ar comburente por sistema de hastes e alavancas. A abertura e o
fechamento de ambas acontecem simultaneamente e são atuadas por um “servomotor” AC, com comando de rotação direta/inversa com tempo de excursão ± 20s;
¾ - Medidor de vazão de gás Krohne tipo Vortex.
5.2.2 Implementações no software aplicativo do CLP
Foi, obviamente, exigido um estudo de muitas rotinas e linhas de
programa que, na linguagem do equipamento Altus seriam respectivos aos módulos
e
lógicas,
para
serem
projetadas
as
implementações
responsáveis
pelo
armazenamento dos dados desejados. Tomou-se o cuidado para executar as
alterações necessárias em modo off-line com o software de programação
MasterTool, gerando um relatório impresso com as linhas e as instruções a serem
implementadas em modo on-line.
Apesar de ser um método mais trabalhoso o fato de fazer as
implementações no CLP antes dos testes e desfazer tudo após os testes, isto
garantiu a originalidade do aplicativo, não comprometendo uma possível parada de
produção causada por erros do programa após as tomadas de dados. Outro fato
importante é a característica deste modelo de CLP não reter determinados dados na
operação de download de um novo módulo. Esclarecendo: no instante da
comutação do modo de execução para o modo de programação do CLP, algumas
words, bytes, nibbles e bits pararão com um determinado estado de zeros e uns.
Quando se carrega um novo módulo pelo procedimento de download, este entrará
em operação com suas words, bytes, nibbles e bits todos zerados, podendo causar
danos graves na máquina. Obviamente que um programador experiente sempre
38
tomará este cuidado, criando rotinas de inicialização e evitando estas complicações.
De qualquer forma a preferência foi para este procedimento.
As alterações foram:
¾
Permitir uma operação manual da instrução F-PID.033;
¾
Envio dos estados ao supervisório dos bits relativos aos comandos de
abertura e fechamento da válvula do queimador;
¾
Preparado comandos paralelos, via supervisório, para a abertura e
fechamento da válvula do queimador, no caso de falha da operação manual do PID;
¾
Envio dos estados ao supervisório dos bits relativos ao medidor de
vazão do gás;
¾
Cancelamento do zeramento programado de 3 bits dentro do byte de
comandos via teclado do microcomputador do supervisório;
¾
Recebimento da variável, via instrução setpoint do supervisório,
correspondente a posição desejada da válvula do queimador.
O CLP Altus, modelo QK801, tem algumas particularidades interessantes
no que se refere ao PID. Por trás do bloco representado na figura 17 (a), ocorrem os
cálculos das ações proporcional, integral e derivativo, segundo o algoritmo da figura
17 (c).
Figura 17: Instrução de Chamada do PID e seu Algoritmo - CLP Altus
Fonte: Adaptado de MasterTool Manual de Programação (ALTUS..., 2004, p. 191 e 192)
Interessantíssimo é que a instrução já vem com o algoritmo da ação
derivativa calculada em cima da variável medida e não sobre o erro. Trata-se de
39
uma manobra para o controle mais estável quando ocorrem freqüentes mudanças
de setpoint. Por outro lado, não é possível a seleção do cálculo sobre o erro que
permitiria uma resposta mais rápida e menos estável. Alguns fabricantes denominam
este controlador modificado de PI-D, sendo também disponibilizada a seleção do
cálculo via parametrização. A função de transferência no plano s está apresentada
pela função (11):
U ( s ) = GP.(1 +
1
1
).PA( s ) − GP.(1 +
+ GD.s).VM ( s)
GI .s
GI .s
VM ( s )
1
= (1 +
+ GD.s ).
PA( s )
GI .s
(10)
GP.C ( s )
1 + (1 +
1
+ GD.s ).GP.C ( s )
GI .s
(11)
Outra particularidade muito relevante é o procedimento para o cálculo dos
parâmetros que serão carregados na tabela de parâmetros adicionais, apresentado
na figura 18 que foi extraída da página 194 do manual do MasterTool Manual de
Programação.
Figura 18: Tabela de Parâmetros Adicionais da PID
Fonte: MasterTool Manual de Programação (ALTUS..., 2004, p. 194)
40
Uma vez encontrado os valores do ganho proporcional (GP), do tempo
integral (GI) em segundos por repetição e do tempo derivativo (GD) em segundos,
devem ser convertidos levando em consideração as recomendações do próprio
fabricante. Para o carregamento na tabela do ganho proporcional GP na posição 00,
o valor encontrado deve ser multiplicado por 10. Para o tempo integral é necessário
dividir o tempo de amostragem td pelo valor de GI e o resultado fracionário será
carregado na posição 01 e o inteiro na posição 02. Para o tempo derivativo é
necessário dividir o valor de GD pelo tempo de amostragem td e pelo valor 3, e o
resultado fracionário será carregado na posição 03 e o inteiro na posição 04.
O tempo de amostragem td funciona como filtro para ruídos quando a
ação derivativa está intensificada. Significando que quanto maior o ganho derivativo
GD, maior deverá ser o tempo de amostragem td. Senão ocorrerá instabilidade do
sistema, com ações bruscas do controlador causadas pela amplificação de ruídos
apenas.
5.2.3 Implementações do software aplicativo do Supervisório
O software supervisório instalado na planta é o Elipse Scada32, versão
2.24.
No mesmo princípio de preservar a integridade do sistema, foi criada uma
cópia do aplicativo do supervisório original, onde se pôde criar os novos tags, scripts
e telas, para o armazenamento dos dados para a obtenção da curva de resposta da
fornalha. Portanto, durante os testes para a coleta de dados, foi rodado este
aplicativo cópia numa pasta no diretório raiz “D” do computador do supervisório,
diferente da pasta com o aplicativo original. Cuidado importante que garantiu a
preservação de todos os relatórios e históricos originais, pois estes são
constantemente atualizados com supervisório ativado.
As alterações foram:
¾
Criação de uma tela nova para o armazenamento dos dados. Figura
¾
Criação de novas posições no tag tipo “Tag Bloco PLC” respectivo aos
19;
parâmetros do PID da fornalha;
¾
Criação de tag tipo “Tag Ram” para a geração do contator de amostras
para disparo do armazenamento;
41
¾
Criação de tags tipo “Tag Ram” para registros de diversos valores
¾
Exploração dos recursos de histórico do Elipse Scada com registros
auxiliares;
em arquivos dat;
¾
Exploração dos recursos de relatórios do Elipse Scada para
exteriorização dos dados em arquivos txt;
Figura 19: Tela de Coleta de Dados
Seguindo o propósito inicial de aproveitar todos os recursos já
disponíveis, nesta tela provisória de coleta de dados foram concentrados os tags já
existentes com os tags novos. A estratégia usada para registrar alguns dados
importantes com a maior precisão possível, como o início dos comandos, foi
programar alguns scripts e tags que carregavam valores pré-determinados. Assim
seriam facilmente identificáveis na curva impressa. Por exemplo, na figura 19 “Tela
de Dados”, o destaque em vermelho na coluna “Aber” amostra de número 7496,
registrou o valor 100. Logo após, registrou o valor 0, evidenciando que na amostra
de número 7497 o comando de abertura da válvula do queimador foi encerrado. A
42
mesma estratégia também foi utilizada para registrar o comando de fechamento com
o valor 80 e do estado de chama acesa no valor de 50.
Figura 20: Exemplo Plotagem dos Dados Pelo Recurso Histórico do Elipse
5.3 DADOS COLETADOS
Para a coleta de dados seria necessária a disponibilidade da máquina por
um período suficientemente adequado. Pois não seria apenas coletar os dados e
sim realizar as implementações em on-line no aplicativo do CLP, instalar a cópia do
aplicativo do supervisório, criar a pasta para os arquivos .txt que seriam gerados e
no fim dos testes o mais exigente dos procedimentos: apagar todas as
implementações realizadas no aplicativo do CLP para retorná-lo a forma original
para evitar o problema citado no segundo parágrafo do item 5.2.2.
Foi agendada e executada a primeira oportunidade para realização da
coleta de dados, num período de baixo programa de produção. Isto propiciou uma
condição inicial de partida, com a fornalha, dutos, câmaras, ciclones e toda a
estrutura metálica em temperatura ambiente.
Para realizar mais iterações, foi agendada e executada uma segunda
tomada de dados. Agora as condições da máquina foram ao contrário da primeira,
pois a oportunidade aconteceu logo após uma produção normal. Assim, e
obviamente, tanto a fornalha, como os dutos, as câmaras e as demais partes,
43
estavam próximas à temperatura de trabalho. Podemos dizer que a máquina estava
literalmente quente.
Todos os dados relevantes para a pesquisa foram armazenados em
arquivos eletrônicos .dat, formados por milhares de linhas e várias colunas.
Para a exteriorização e disponibilidade dos dados, foi criado um comando
via script no supervisório que realizou a exportação saindo do arquivo .dat para
arquivo tipo texto (.txt), numa pasta previamente criada no diretório raiz. Na
seqüência, este enorme arquivo foi importado para uma planilha de Excel e
convenientemente trabalhado para gerar os gráficos abaixo apresentados pelas
figuras 21 a 24, respectivos aos dias e iterações realizadas.
5.3.1 Gráficos do dia 12/09/09
120
Variação da PV (°C)
100
80
60
40
20
310
370
430
490
550
610
670
730
790
850
910
970
1030
1090
1150
1210
Tempo (s)
Figura 21: Curva de Reação Obtida ao Degrau P de 12/09
44
410
390
Variação d a P V (°C )
370
350
330
310
290
270
250
4253
4313
4373
4433
4493
4553
4613
4673
4733
4793
4853
4913
4973
5033
5093
5153
5213
5273
5333
Tempo (s)
Figura 22: Curva de Reação Obtida ao Degrau N de 12/09
5.3.2 Gráficos do dia 14/10/09
400
350
V ariação d a P V (°C )
300
250
200
Temp. (°C)
Detec Inflexão
Tmin (°C)
Máx. Inclinação
T63,2% (°C)
150
100
50
0
367
587
807
1027
1247
1467
1687
1907
2127
2347
2567
2787
Tempo (s/2)
3007
3227
3447
3667
3887
4107
4327
4547
Figura 23: Curva de Reação Obtida ao Degrau P de 14/10
45
425
400
Variação da PV (°C)
375
350
325
300
Temp. (°C)
Detec Inflexão
Tmax (°C)
Máx. Inclinação
T63,2% (°C)
275
250
225
200
4711
4861
5011
5161
5311
5461
5611
5761
5911
6061
6211
6361
6511
6661
6811
6961
7111
7261
7411
Tempo (s/2)
Figura 24: Curva de Reação Obtida ao Degrau N de 14/10
5.3.3 Análise dos Gráficos
Utilizando dos recursos da planilha eletrônica, para todos os gráficos
plotados foram traçadas algumas retas auxiliares com os valores das temperaturas
mínimas (ou máximas para degraus negativos), das temperaturas correspondentes a
63,2% do estado estacionário alcançado, da reta tangente ao ponto de inflexação e
da reta auxiliar para destacar o ponto de inflexão.
O tempo morto e a constante de tempo do processo, respectivos a cada
iteração, foram obtidos levando-se em consideração os critérios para a
determinação dos parâmetros de sintonia do controlador PID por meio da curva de
resposta em malha aberta, figura 25. Trabalhando-se com sistemas de primeira
ordem, equação (12), para uma aproximação da função de transferência real.
46
FT =
K .eθ .s
τ .s + 1
(12)
Figura 25: Curva de Reação em Malha Aberta- Método 2
Fonte: Notas de Aula Sintonia de Controladores Industriais
(STEBEL, 2009)
Com os dados de temperatura inicial, temperatura final, variação de
temperatura durante o degrau aplicado, magnitude do degrau aplicado, todos
extraídos dos gráficos acima e agrupados na tabela 1, formaram a base de dados
para os cálculos dos valores das variáveis da função de transferência (K, θ, τ).
Quando o queimador está com a válvula borboleta de gás e palheta de ar
em 100%, aplicando toda sua potência, o Span é de 950 ºC para qualquer condição
de máquina (fria ou quente).
Tabela 1 : Dados das Curvas de Respostas para Span de 950 ºC - 2009
Data
Tin (ºC)
12/09 D1
39
12/09 D2
384
14/10 D1
121
14/10 D2
362
Médias dos Degraus
Tfi (ºC)
109
274
362
314
|∆Temp| (ºC)
70
110
241
48
|∆Entr| (%)
13,6
18,1
15,0
10,0
|∆Saída| (%)
7,368
11,579
25,368
5,053
K
0,543
0,640
1,691
0,505
0,845
L[θ]
T[τ]
45
249
12
135
35,5
235,5
17,5
104
27,500 180,875
Onde:
K = Ganho do processo
θ = Tempo morto do processo (L)
τ = Constante de tempo do processo (T)
Tin = Temperatura inicial
Tfi = Temperatura final
|∆Temp| = Módulo da variação de temperatura (inicial menos a final)
|∆Entr| = Módulo da variação sinal de entrada (magnitude do degrau em relação ao
span)
47
|∆Saída| = Módulo da variação sinal de saída
Uma observação de extrema importância é a forma apresentada da
informação do posicionamento da válvula borboleta de gás combustível e da palheta
do ar comburente. O método foi um projeto desenvolvido pelo próprio fabricante da
máquina, que voluntariamente dimensionou para a instalação um queimador com
servo-motor sem retorno de posicionamento. O retorno da posição instantânea é
dado através de cálculos relativos ao tempo de excursão do servo-motor. O método
foi planejado para economizar o sensor de posição e todos os demais acessórios
(conversor de sinais, módulos de entrada no CLP, etc).
A tabela 2 foi gerada para calcular algumas posições relativas ao tempo
de excursão.
Tabela 2 : Tempos de Excursão da Válvula Ar/Comb Queimador - 2009
Texc (s)
Tacc (s)
3
4
4
-4
3
7
11
7
Dacc (%)
13,6
31,7
49,8
31,7
Degrau (%)
13,6
18,1
18,1
-18,1
Onde:
Texc = Tempo excursão da válvula de ar/combustível
Tacc = Tempo acumulado medido
Dacc = Magnitude do degrau acumulado calculado
Degrau = Magnitude do degrau aplicado calculado
Em função dos gráficos 21 a 24 e da tabela 1, considerados quatro
degraus, dois positivos e dois negativos, foram calculados as médias das variáveis
K, θ, τ, para a função de transferência (13) a ser simulada. As tabelas 3, 4 e 5 estão
apresentadas abaixo com o propósito de comparação entre os métodos aplicados e
os respectivos ajustes encontrados.
0,845.e −27 ,50.s
FT = G1( s ) =
180,875.s + 1
(13)
48
Tabela 3 : Método CHR Para as Médias dos Degraus – 2009
Sem Sobressinal (Regulatório)
Controlador
Kp
Ti (s)
Td (s)
P
2,336
99999
0
PI
4,672
110
0
PID
7,40
65,31
11,58
Sem Sobressinal (Servo)
Controlador
Kp
Ti (s)
Td (s)
P
2,336
99999
0
PI
2,725
209,815
0
PID
4,67
180,88
13,75
Com 20% de Sobressinal (Servo)
Controlador
P
PI
PID
Kp
5,450
4,672
7,40
Ti (s)
99999
180,875
245,45
Td (s)
0
0
13,01
Tabela 4 : Método Heurístico Cohen e Coon Para as Médias dos Degraus - 2009
Controlador
P
PI
PID
Kp
8,434
7,106
10,81
Ti (s)
99999
18,437
64,68
Td (s)
0
0
9,91
Tabela 5 : Método Integral do Erro Para as Médias dos Degraus - 2009
Controlador
PI
PI
PID
PID
Critério
IAE
ITAE
IAE
ITAE
A
0,758
0,586
1,086
0,965
Controlador
PI
PI
PID
PID
Critério
IAE
ITAE
IAE
ITAE
A
0,984
0,859
1,435
1,357
Sistema Servo
B
C
D
E
-0,861
1,02
-0,323
-0,916
1,03
-0,165
-0,869
0,74
-0,13 0,348
-0,850 0,796 -0,147 0,308
Sistema Regulatório
B
C
D
E
-0,986 0,608 -0,707
-0,977 0,674
-0,68
-0,921 0,878 -0,749 0,482
-0,947 0,842 -0,738 0,381
F
Kp
4,542
3,895
0,914 6,61
0,929 5,66
Ti (s)
186,298
179,991
251,13
233,79
Td (s)
0
0
11,25
9,68
F
Ti (s)
78,545
74,550
50,25
53,50
Td (s)
0
0
10,24
10,58
Kp
7,462
6,405
1,137 9,63
0,995 9,56
5.4 SIMULAÇÕES
Primeiramente, o algoritmo desenvolvido pelo controlador PID do CLP
QK801 da Altus foi implementado no software de simulação Simulink, destacado
pela figura 26, com o bloco G1(s) preparado com a função de transferência (13).
49
Figura 26: Controlador PID Altus no Simulink
Para que fosse possível simular o comportamento do controlador PID
Altus, foram carregados os ganhos GP, GI e GD dentro do bloco modelado, gerando
os oito gráficos de (a) a (h), apresentados pela figura 27, em respostas ao degrau
unitário.
MÉTODO CHR – Sem sobressinal (Regulatório)
Kp
7,40
Ti (s)
65,31
Td (s)
11,58
MÉTODO CHR – Sem sobressinal (Servo)
Kp
4,67
Ti (s)
180,88
(a)
MÉTODO CHR – 20% de sobressinal (Servo)
Kp
7,40
Ti (s)
245,45
Td (s)
13,01
(c)
Td (s)
13,75
(b)
MÉTODO HEURÍSTICO DE COHEN E COON (CC)
Kp
10,81
Ti (s)
64,68
Td (s)
9,91
(d)
50
MÉTODO INTEGRAL DO ERRO IAE – (Regul)
Kp
9,63
Ti (s)
50,25
Td (s)
10,24
MÉTODO INTEGRAL DO ERRO IAE – (Servo)
Kp
6,61
Ti (s)
251,13
(e)
(f)
MÉTODO INTEGRAL DO ERRO ITAE – (Regul)
Kp
9,56
Ti (s)
53,50
Td (s)
11,25
Td (s)
10,58
MÉTODO INTEGRAL DO ERRO ITAE – (Servo)
Kp
5,66
Ti (s)
233,79
Td (s)
9,68
(h)
(g)
Figura 27: Respostas ao Degrau no Simulink
Normalmente para um sistema a ser controlado, o que se espera de uma
especificação sobre as características de resposta transitória é atingir um projeto
com o menor tempo possível de subida, com um mínimo valor de ultrapassagem no
menor tempo de acomodação. Naturalmente na prática, as especificações mais
rigorosas podem ser difíceis de serem conseguidas, principalmente se o sistema tem
armazenamento de grandes volumes de energia. Daí, tanto os dispositivos
responsáveis pelo controle como a planta, devem ser criteriosamente avaliadas com
relação ao custo/benefício, precisão, qualidade e demais itens, da instalação. Se
bem que de numa forma geral, quem prevalece nesta questão é o quão fino se
necessita e/ou se deseja que o processo aconteça. Pois quanto mais fino, mais
preciso, mais caro.
51
5.5 VALIDAÇÃO
A validação de uma estratégia de controle, de fato, é a uma fase muito
importante, porque sempre poderá agregar questões não encontradas em um
ambiente de simulações. Para a validação da estratégia de controle, foi necessário
mais uma implementação, agora definitiva, no aplicativo do supervisório Elipse
Scada. Como originalmente não era possível alterar os parâmetros relativos à ação
derivativa, foram acrescentados objetos de entrada de dados na tela de
programação, para esta disponibilização. Também houve a necessidade de alterar
uma lógica no aplicativo do CLP, para carregamento de constantes de inicialização
na tabela de parâmetros do PID.
5.5.1 Reação ao Degrau do Torrador em Malha Fechada
Mesmo sabendo que no torrador o controle é do tipo regulatório e com
muitas perturbações de variáveis externas, dentre os oito métodos, foi escolhido o
integral do erro ITAE Servo figura 27(h) para aplicação da primeira simulação.
Então, num pequeno intervalo de produção foi ensaiado o degrau em malha
fechada, com os parâmetros GP=5,66; GI=233,79 e GD=9,68.
Figura 28: Resposta ao Degrau no Torrador em Malha Fechada
Assim que foi liberado a operação do queimador com um setpoint de
250°C, apresentado com o nome “Prog.Fornalha” no histórico, em malha fechada, a
resposta da temperatura da fornalha, apresentado com o nome “Temp. Fornalha”,
52
apresentou-se relativamente lenta, traçando a curva da figura 28. Antes mesmo dela
atingir a referência, ocorreu a interrupção voluntariamente do teste, para a retomada
da produção. Este primeiro teste prático permitiu perceber que os parâmetros não
estavam bem sintonizados, incontestando que o método ITAE Servo figura 27(h) não
respondeu bem com relação a dinâmica do processo, sendo necessário escolha de
outro método de sintonia com ações integral e derivativo mais intensificados.
5.5.2 Sintonia Fina dos Ajustes Para a Validação
No segundo teste prático os parâmetros programados no controlador
partiram dos obtidos na simulação conforme figura 27(a), com GP=7,4 GI=65,31 e
GD=11,58. Como o torrador estava em plena produção, os ajustes finos foram sendo
feitos,
observando-se
as
respectivas
reações.
Ao
fim
do
período
de
acompanhamento, as melhores respostas adquiridas foram com os parâmetros
GP=7,3 GI=31 e GD=16,20.
Retornando à teoria e calculando o tempo morto, a constante de tempo e
o ganho do sistema, chegou-se na função de transferência (14), que mesmo sendo
uma função de primeira ordem conseguiu representar satisfatoriamente a resposta
da fornalha, como será visto logo abaixo.
0,612.e −38, 47.s
FT = G1( s ) =
180,875.s + 1
(14)
Já citado anteriormente, o equipamento Altus tem uma particularidade
que exige a conversão dos valores dos ganhos calculados antes de serem
carregados na tabela de parâmetros do PID. Na tabela 6 seguem os valores
carregados respectivos ao ajuste fino, com o tempo de amostragem td=2,5s.
Tabela 6 : Cálculo dos Valores Convertidos Para Carga na Tabela de Parâmetros PID - 2009
Desejado
Calculado Altus
Programado na Tabela do Altus
GP
GI
GD
P
I
D
P
I-frac
I-int
D-frac
D-int
7,30
31,00
16,20
73
0,08065
2,1600
73
807
0
1600
2
53
5.5.3 Comparação do Antes com o Depois
Para a comparação de desempenho, foi colhido nos registros antigos um
arquivo dat do supervisório com uma situação de operação exatamente um mês
anterior a data da validação. O gráfico da figura 29 ilustra bem como era o controle
naquela ocasião, revelando-se instável mediante os picos de oscilações elevados,
tanto para cima do set-point, como para baixo. O tipo de histórico é o mesmo usado
na obtenção da resposta da figura 28, que é um recurso original do supervisório do
torrador.
Complementando o funcionamento do torrador Turbo, existem algumas
fases no processo de torra que exigem respostas rápidas do controlador da fornalha.
São períodos de perturbações severas que precedem e sucedem a fase de
aromatização, que neste trabalho foram divididos em três estágios. Aromatizar
significa injetar água fria sobre o café, quando este ultrapassa uma temperatura prédeterminada. É o chamado “Ponto do Café”.
Os três estágios causadores das perturbações são:
¾
Exotermia do Café
Quando os grãos de café atingem temperaturas acima de 190ºC, eles
entram na fase exotérmica, que se caracteriza por absorver quantidades menores de
energia, consequentemente, o controlador PID da fornalha deverá agir diminuindo a
intensidade da chama do queimador.
¾
Choque térmico
É a fase mais turbulenta e acontece quando os grãos de café atingem a
temperatura “Ponto do Café”, válvulas solenóides são abertas injetando água, à
temperatura ambiente, sobre o café a mais de 220 ºC. No primeiro instante do
choque térmico, há um aumento de pressão na câmara de secagem/torra e a
produção de uma quantidade de vapor com alta temperatura, que em seguida é
aplicada no circuito de realimentação, elevando bruscamente a temperatura da
fornalha. Em conseqüência, se a resposta do controlador for muito lenta, ocorrerá a
extrapolação do valor máximo de ultrapassagem como destacado na figura 29.
¾
Injeção de Ar úmido
Poucos segundos após os vapores quentes e ainda durante a
aromatização, sucede-se a injeção de ar muito úmido e mais frio na fornalha,
fazendo sua temperatura despencar, apontado como afundamento na figura 29. É
54
porque injetar ±45 litros de água não um procedimento tão rápido, e nem deve,
senão aumentaria demasiadamente a pressão dentro da câmara e isto não é
seguro.
Interessante é observar que para os ajustes antigos do controlador PID o
conjunto da válvula borboleta e palheta de ar do queimador trabalharam mais lentos,
em relação aos novos ajustes. É uma situação esperada, pois o conjunto está sendo
mais exigido para manter a estabilidade devido às perturbações inseridas no
sistema.
Figura 29: Desempenho do Controle de Temperatura da Fornalha Antes da Validação
Figura 30: Desempenho do Controle de Temperatura da Fornalha Depois da Validação
55
5.5.4 Critérios Para a Comparação do Antes com o Depois
Os critérios adotados para mensurar os resultados foram:
¾ Temperatura Média Medida – Todos os dados registrados no
arquivo.dat foram exportados para uma planilha, facilitando o cálculo da média;
¾ Temperatura de Pico Máxima e Mínima – Medida direta;
¾ Variância das amostras – Demonstra o quanto os valores amostrados
estão dispersos em relação ao valor da média;
¾ Desvio Padrão – É a raiz quadrada da variância e que mensura a
dispersão;
¾ Porcentagem de melhora da Variância e Desvio Padrão – Foram
calculadas as porcentagens de melhora da Variância e Desvio Padrão das situações
depois em relação às situações do antes;
¾ Média dos Tempos de Recuperação – Considerado a tolerância de 0,286% do Set-point, ou seja, foram somados os tempos que a temperatura
permanecia abaixo de 698ºC e tirado sua média;
¾ Média dos Tempos de Sobressinal – Considerado a tolerância de
+0,286% do Set-point, ou seja, foram somados os tempos que a temperatura
permanecia acima de 702ºC e tirado sua média;
¾ Porcentagem de Melhora no Tempo de Recuperação – Cálculo em
quantos % foi reduzido o tempo de recuperação (Antes=106s com o Depois=94s);
¾ Porcentagem de Melhora no Tempo de Sobressinal – Cálculo em
quantos % foi reduzido o tempo de sobressinal (Antes=160s com o Depois=60s).
Gerando a tabela seguinte:
Tabela 7 : Comparação Desempenhos Para Setpoint de 700 ºC - 2009
Antes
Depois
705,88
699,81
782
714
665
684
117
30
16,71
4,29
381,94
41,44
89,15
19,54
6,44
67,06
01:46
01:34
02:40
01:00
11,32
62,50
Descrição dos Dados
Temperatura Média medida (ºC)
Temperatura de pico máximo medida (ºC)
Temperatura de pico mínimo medida (ºC)
Variação entre as temperaturas de picos máxima e mínima (∆ºC)
Porcentagem da variação das temperaturas de picos em relação ao SP (%)
Variância das amostras
Porcentagem de melhora na Variância das amostras (%)
Desvio Padrão
Porcentagem de melhora no Desvio Padrão (%)
Média dos tempos de recuperação (mm:ss)
Média dos tempos de sobressinal (mm:ss)
Porcentagem de melhora no tempo de recuperação (%)
Porcentagem de melhora no tempo de sobressinal (%)
56
Considerando estas perturbações severas, ora colaborando para a
elevação, ora para a redução da temperatura, os resultados obtidos após a sintonia
fina podem ser considerados ótimos se comparado com a situação anterior.
57
6 CONCLUSÃO
No ambiente industrial não é raro os processos apresentarem
características complexas. Aliás, pelo contrário, os sistemas não são lineares,
possuem atrasos de transportes, ou se caracterizam por serem multivariáveis ou
variantes no tempo, com variáveis externas muitas vezes não mensuráveis. Alcançar
o ajuste ótimo de um controlador em um sistema somente na tentativa e erro é uma
tarefa dificílima, quase impossível.
Por isto o profissional da automação não pode abrir mão dos métodos
científicos que são ferramentas importantes para o aperfeiçoamento da sintonia de
um controlador.
Neste caso, em que o foco principal do trabalho foi exatamente melhorar
as oscilações de temperatura da fornalha do torrador Turbo T3600, proveniente das
perturbações que precedem e sucedem a aromatização, a aproximação da função
real por uma equação de primeira ordem pelas estratégias de sintonia se mostraram
eficientes se comparadas com o trabalho árduo e demorado que daria para o caso
de um modelamento fenomenológico.
Finalizando, sem dúvida, ainda há margem para aprimoramentos da
estabilidade da temperatura da fornalha, pois há a possibilidade de estudo focando
um refinamento mais completo aplicando da estratégia de controle Feed-Forward
(antecipatório), com base na temperatura de saída das câmaras de torra, sinal em
disponível na máquina, que dinamicamente ajustaria o setpoint do controlador PID
atual. Seria trabalhar com o controlador PID preparado para um sistema Servo.
58
REFERÊNCIAS
ABIC - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DA INDÚSTRIA DE CAFÉ, Qualidade do Café.
Disponível em <http://www.abic.com.br/gar_qualidade_nminimo.html>. Acesso em
07/05/09, às 21:31h.
ACOSTA, Simone Massulini. Notas de aula em Instrumentação Industrial.
Departamento Acadêmico de Eletrônica, 2008.
AFONSO & CIA, Classificação do Café, 2008. Disponível em:
<http://www.cafebrasil.com.br/index//?q=node/5>. Acesso em Acesso em 26/11/08.
ALTUS SISTEMAS DE INFORMÁTICA, Currículo de Aplicações, Alimentação,
1999. Disponível em:
<http://www.altus.com.br/ftp/Public/Portugues/Solucoes%20de%20Engenharia/Curric
ulo_de_Aplicacoes/ALIMENT/METALURGICA_LEOGAP_Torrador_1999.pdf>.
Acesso em 31/10/08.
ALTUS SISTEMAS DE INFORMÁTICA, MasterTool Programing, Manual de
Programação, Rev H 09/2004. Código doc 6399-100.4.
ASTRÖM, Karl J.; HÄGGLUND, Tore. Advanced PID Control. 3ª ed. NC: Research
Triangle Park, 2006.
CAMPOS, Mário César M.; TEIXEIRA, Hebert C. Controles Típicos de
Equipamentos e Processos Industriais. 1ª ed. São Paulo: Editora Edgard Blücher,
2006.
CARVALHO, J. L. Martins de. Sistemas de Controles Automático. Rio de JaneiroRJ: Editora LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2000.
CIA LILLA DE MÁQUINAS IND. E COM.. Torrador de café Lilla Modelo OPUS.
Disponível em: <http://www.lilla.com.br/>. Acesso em 18/05/09 às 21:23h.
CONSISTEC CONTROLES E SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO LTDA, Catálogo
Consitec – Soluções em Temperatura. Disponível em:
<http://www.consistec.com.brf>. Acesso em: 17/05/09 às 22:50h.
INDÚSTRIA FABRIZIO, Produtos, Torradores para Café. Disponível em:
<http://www.fabriziojunqueira.com.br/produtos_torr_cafe.htm>. Acesso em: 17/05/09
às 18:03h.
LIMA, Carlos Raimundo Erig. Notas de aula em Fundamentos de Controle.
Departamento Acadêmico de Eletrônica, 2008.
MEDEIROS, João Bosco. Redação Científica: a prática de fichamentos,
resumos, resenhas. São Paulo: Editora Atlas, 2003.
59
NEUHAUS NEOTEC Maschinen- und Anlagenbau GmbH. Roaster. Disponível em:
<http://www.neuhaus-neotec.de/index2.php?hid=47&id=156>. Acesso em: 17/05/09
às18:58h.
NIH – National Instituites of Health. Publicação: Instrumentos Para Tomar Insulina.
Sítio com Informação Sobre Saúde.
<http://boasaude.uol.com.br/lib/ShowDoc.cfm?LibDocID=3851&ReturnCatID=1764>.
Texto postado em 02/2000. Acesso em: 17/08/09 às 21:43h.
OECD - ORGANISATION FOR ECONOMIC CO-OPERATION AND
DEVELOPMENT, Manual de Frascati, Metodologia proposta para a definição da
investigação e desenvolvimento experimental, Tradução More Than Just Words,
Coimbra, Portugal, Editora F-Iniciativas, 2007. Disponível em:
<http://www.mct.gov.br/index.php/content/view/4639.html>. Acesso em 19/05/09 às
00:23h.
OGATA, Katsuhiko. Engenharia de Controle Moderno. 3ª ed. Rio de Janeiro-RJ:
Editora Prentice-Hall do Brasil Ltda, 1998.
ROCKWELL AUTOMATION, publicação Controladores Implementados em CLP.
São Paulo, 1999.
SOCIETÉ DES PRODUITS NESTLÉ S.A . História do Café. Disponível em:
<http://www.nestle.pt/CmsPage.aspx?Pageindex=86>. Acesso em: 17/05/09 às
18:03h.
STEBEL, Sergio Leandro. Notas de aula em Sintonia de Controladores
Industriais. Departamento Acadêmico de Eletrônica, 2009.
THOMAZINI, Daniel; ALBUQUERQUE, Pedro Urbano Braga. Sensores IndustriaisFundamentos e Aplicações. 4ª ed. São Paulo: Editora Érica, 2007.
60
APÊNDICE A - Esquema P&I Simplificado das Câmaras Secagem/ Torra T3600
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