controle de nível da mesa de alimentação em silo auto

Transcrição

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA
ESPECIALIZAÇÃO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
ELIEL JOSE DEMETRIO
CONTROLE DE NÍVEL DA MESA DE ALIMENTAÇÃO EM
SILO AUTO FEED DA INDÚSTRIA FUMAGEIRA
MONOGRAFIA - ESPECIALIZAÇÃO
CURITIBA
2011
ELIEL JOSE DEMETRIO
SILO AUTO FEED PARA INDÚSTRIA FUMAGEIRA
Monografia de conclusão do curso de
Especialização em Automação Industrial do
Departamento Acadêmico de Eletrônica da
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
apresentada como requisito parcial para
obtenção do grau de Especialista em
Automação Industrial.
Prof. Guilherme Alceu Schneider M.Sc.
CURITIBA
2011
Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Diretoria do Campus Curitiba
Gerência de Pesquisa e Pós-Graduação
Departamento Acadêmico de Eletrônica
_______________________________________________________________
TERMO DE APROVAÇÃO
Titulo da Monografia
SILO AUTO FEED PARA INDÚSTRIA FUMAGEIRA
Área de conhecimento: Automação Eletrônica de Processos Elétricos e Industriais
por
Eliel Jose Demetrio
A presente monografia, requisito parcial para obtenção do título de ESPECIALISTA
EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL, foi avaliada pela banca examinadora, constituída
pelos docentes abaixo discriminados, que considerou o trabalho Aprovado.
____________________________________
____________________________________
Prof. Dr. Flávio Neves Junior
Prof. Dr. Sergio Leandro Stebel
______________________________________
Prof. M.Sc. Guilherme Alceu Schneider
Orientador
Curitiba, 23 de Março de 2011.
Visto da coordenação
_____________________________________
Prof. Dr. JEAM MARCELO SIMÃO
A Folha de Aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso.
AGRADECIMENTOS
Quero agradecer primeiramente a Deus pela vida, pela saúde, pela perseverança
concedida, meu incentivador e motivador em todos os momentos, por dar-me condições, força
e entusiasmo para concluir mais esta importante etapa de minha vida.
Agradeço também a todas as pessoas que se fizeram presentes, que se preocuparam e me
auxiliaram com atos ou pensamentos, agradeço também aquelas que não estão presentes entre
essas palavras, mas elas podem estar certas que fazem parte do meu pensamento e de minha
gratidão.
Agradeço especialmente a minha família, a qual merece caras palavras. Obrigado pelo
apoio sentimental e material que foi a minha força para concluir mais esta etapa e que me
impulsiona a seguir cada vez mais longe para a realização dos meus sonhos.
Agradeço ao Prof. M.Sc. Guilherme Alceu Schneider pela orientação deste trabalho e
pelo aprendizado adquirido com seus conselhos. Agradeço também ao Prof. Dr. Sergio
Leandro Stebel pelas dicas concedidas em aula para a realização deste projeto. Quero estender
os sinceros agradecimentos a Prof. Dra. Faimara do Rocio Strauhs, pela paciência e
disponibilidade de empregar seu tempo para a revisão deste trabalho, ao coordenador do curso
Prof. Dr. Jean Marcelo Simão pelas sabias palavras no âmbito de motivar a execução deste
projeto.
Agradeço de modo geral todas as pessoas que trabalham na usina de processamento de
fumo que acreditou e proporcionou que este projeto fosse implementado, em especial ao
departamento de manutenção, que esteve motivado, confiante e presente na implementação da
sintonia do controlador no processo real.
RESUMO
DEMETRIO, Jose Eliel. Controle de Fluxo da Mesa de Alimentação no Silo Auto Feed na
Indústria Fumageira. 2010. 66 p. Monografia (Especialização em Automação Industrial) Programa de Pós-Graduação em Automação Industrial, Universidade Tecnológica Federal do
Paraná, Curitiba 2010.
A automação industrial com o passar dos tempos vem trazendo soluções, tecnologia e
inovação ao mercado, e os sistemas de controle estão cada vez mais precisos para aumentar a
qualidade e produtividade das indústrias. Em busca desta qualidade e produtividade este
trabalho será executado por meio de uma pesquisa de campo, aplicada, em uma usina de
processamento de fumo, embasada com levantamento de problemas e equipamentos
instalados na planta. Tendo por objetivo propor a modificação de um controle automático
das mesas de alimentação da indústria fumageira, essa modificação foi originada por avaliar
os efeitos gerados no processamento de fumo, causados por ocasionar intervalos na mesa de
alimentação gerando um fluxo desuniforme do fumo. Trabalhar com grande variação de fluxo
significa gerar instabilidade ao longo do processo causando alterações no condicionamento,
debulhação e secagem do fumo. Quanto maior a variação do fluxo no processo, menor será a
qualidade de processamento. Para a implementação da proposta foi desabilitado o controle
existente, instalado um sensor de nível no silo auto feed, alterado a programação do CLP,
inserido o bloco PID, avaliado sua estrutura e empregado os métodos de sintonia. Os
resultados obtidos proporcionaram um alto desempenho do novo sistema de controle: A mesa
não gera intervalos e o processamento do fumo ao longo do processo ficou estável e uniforme.
Palavras-Chaves: PID. Sintonia. Controle de Fluxo. Silo Auto feed.
ABSTRACT
DEMETRIO, Jose Eliel. Feeding Table flow Controlling for an Auto Feed Bin into the
Tobacco Industry. 2010. 66 p. Monografia (Especialização em Automação Industrial) Programa de Pós-Graduação em Automação Industrial, Universidade Tecnológica Federal do
Paraná, Curitiba 2010.
The Industrial Automation has been bringing throughout the years solutions, technology and
innovation to the market, and the control systems are getting even more accurate in order to
improve the quality e productivity into the industries.
Seeking for quality and productivity of this work will run through an at site research, applied
in a tobacco processing plant, based on a survey of problems and equipment installed in the
plant. Setting as an objective proposing a modification for an automatic control for the
feeding tables into the tobacco industry, this modification was originated to evaluate the
generated effects from the tobacco processing, these effects have been bringing gaps on the
feeding table as a consequence an uneven flow. Working with a big flow variation means
instability throughout the process causing alterations in the stocking, husking and drying of
the tobacco. The bigger is the process flow variation the lower will be the processing quality.
For implementing the offer was unable the current control system, fixing a level sensor in the
auto feed bin, changing the CLP settings, inserting the PID block, it was evaluated its
structure and applied the in line methods. The results have provided a high performance for
the new controlling system. The table is no longer gapping and the tobacco processing is
smooth and stable over the entire process.
Key words: PID. Turning. Flow Controlling. Auto feed bin.
LISTA DE FIGURAS
Figura 01 – Layout silo auto feed e auto feed .......................................................................... 15
Figura 02 – Diagrama em blocos de um sistema em malha aberta .......................................... 20
Figura 03 – Diagrama em blocos de um sistema de controle em malha fechada..................... 21
Figura 04 – Trocador de calor .................................................................................................. 25
Figura 05 – Resposta a um degrau de um processo estável ..................................................... 26
Figura 06 – Exemplo de um processo instável ......................................................................... 27
Figura 07 – Resposta a um degrau de um processo instável .................................................... 28
Figura 08 – Diagrama em blocos do sistema em malha fechada.............................................. 30
Figura 09 – Resposta ao degrau unitário usado no método de Ziegler e Nichols. ................... 31
Figura 10 – Sistema em malha fechada .................................................................................... 32
Figura 11 – Resposta senoidal usado no método Ziegler e Nichols......................................... 32
Figura 12 – Classificação de fumo Virgínia em folha.............................................................. 35
Figura 13 – Folha do Fumo ...................................................................................................... 36
Figura 14 – Fluxograma do processo de debulhação ............................................................... 37
Figura 15 – Fluxograma de equipamentos de uma usina de processamento de fumo.............. 39
Figura 16 – Rendimento de lâmina .......................................................................................... 40
Figura 17 – Mesa de alimentação ............................................................................................. 41
Figura 18 – Corte das pontas .................................................................................................... 42
Figura 19 – Sistema de sensores no silo auto feed ................................................................... 43
Figura 20 – Bloco PID do RS logix 500................................................................................... 43
Figura 21 – Interface de configuração de instalação PID......................................................... 44
Figura 22 – Gráfico que mostra o resultado do processo após a instalação do bloco PID....... 45
Figura 23 – Gráfico que mostra o teste em malha aberta ......................................................... 46
Figura 24 – Gráfico que mostra os pontos de levantamento da função de transferência ......... 47
Figura 25 – Modelo matemático para a simulação em malha aberta da FT tipo 1................... 49
Figura 26 – Resposta do sistema simulado em malha aberta com a FT tipo 1......................... 50
Figura 27 – Modelo matemático para a simulação em malha aberta da FT tipo 2................... 51
Figura 28 – Resposta do sistema simulado em malha aberta com a FT tipo 2......................... 51
Figura 29 – Modelo matemático da função PID do PLC Rockwell Automation..................... 52
Figura 30 – Modelo matemático da função de transferência tipo 1 ......................................... 52
Figura 31 – Modelo matemático da função de transferência tipo 2 ......................................... 52
Figura 32 – Resposta do sistema simulado com a FT tipo 1. ................................................... 53
Figura 33 – Resposta da FT tipo 2 com os parâmetros P método CHR 0% da tabela 7 .......... 54
Figura 34 – Resposta da FT tipo 2 com os parâmetros PI método CHR 0% da tabela 7 ......... 55
Figura 35 – Resposta da FT tipo 2 com os parâmetros PID método CHR 0% da tabela 7 ...... 55
Figura 36 – Resposta da FT tipo 2 com os parâmetros PID da tabela 7 e ajuste fino .............. 56
Figura 37 – Resposta oscilatória do sistema com amplitude constante.................................... 57
Figura 38 – Resposta da FT tipo 2 com os parâmetros P da tabela 10..................................... 58
Figura 38 – Resposta da FT tipo 2 com os parâmetros PI da tabela 10 ................................... 58
Figura 40 – Resposta da FT tipo 2 com os parâmetros PID da tabela 10................................. 59
Figura 41 – Resposta da FT tipo 2 com os parâmetros PID da tabela 10 e ajuste fino ............ 59
Figura 42 – Simulação após ajuste fino.................................................................................... 60
Figura 46 – Gráfico do controle de nível no silo auto feed ...................................................... 61
Figura 47 – Gráfico do fluxo de processo ................................................................................ 62
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Parâmetros de resposta a um degrau de um processo estável................................. 26
Tabela 2 – Parâmetros de resposta a um degrau de um processo instável. .............................. 28
Tabela 3 – Sintonização do PID. Método de Ziegler e Nichols em malha aberta.................... 31
Tabela 4 – Sintonização do PID - Método de Ziegler e Nichols em malha fecha.................... 33
Tabela 5 – Sintonização do PID - Método de CHR a 0%. ....................................................... 33
Tabela 6 – Sintonização do PID - Método de CHR a 20%. ..................................................... 34
Tabela 7 – Parâmetros gerados pelo método CHR 0% ............................................................ 54
Tabela 8 – Parâmetros gerados pelo ajuste fino método CHR ................................................. 56
Tabela 9 – Parâmetros para sintonização por Z&N.................................................................. 57
Tabela 10 – Parâmetros gerados pelo método Ziegler e Nichols ............................................. 57
Tabela 11– Parâmetros colocados no bloco PID ...................................................................... 60
ABREVIATURAS E SIGLAS
CHR
Chien, Hrones e Reswick
CLP
Controlador Lógico Programável;
FT
Função de Transferência
Kd
Ganho derivativo
Ki
Ganho integral
Kp
Ganho proporcional
Ku
Último ganho calculado
P
Proporcional
P0
Polarização inicial
PD
Proporcional Derivativo
PI
Proporcional Integral
PID
Proporcional Integral Derivativo
Pu
Ultimo período observado
PV
Variável Controlada
SP
Set-point
Td
Tempo derivativo
Ti
Tempo integral
Z&N
Zigler e Nichols
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 12
1.1
TEMA
......................................................................................................................... 12
1.2
PROBLEMA E PREMISSAS ......................................................................................... 14
1.3
OBJETIVOS ................................................................................................................... 15
1.3.1 Objetivo geral.................................................................................................................. 15
1.3.2 Objetivo específico.......................................................................................................... 16
1.4
JUSTIFICATIVA............................................................................................................ 16
1.5
PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS .................................................................... 17
1.6
EMBASAMENTO TEÓRICO........................................................................................ 17
1.7
ESTRUTURA DO TRABALHO .................................................................................... 17
2
CONTROLE E SINTONIA DOS CONTROLADORES............................................. 19
2.1
CONTROLE ................................................................................................................... 19
a)
Controle em processo discreto ........................................................................................ 19
b)
Controle em processo contínuo....................................................................................... 20
c)
Sistemas de controles de processos................................................................................. 20
2.1.1 Malha Aberta................................................................................................................... 20
2.1.2 Malha Fechada ................................................................................................................ 21
2.1.3 Controlador PID .............................................................................................................. 22
2.1.4 Ação proporcional........................................................................................................... 22
2.1.5 Ação Integral................................................................................................................... 23
2.1.6 Ação Derivativa .............................................................................................................. 23
2.2
PROCESSO A SER CONTROLADO ............................................................................ 24
2.2.1 Processo estável .............................................................................................................. 24
2.2.2 Processo instável ............................................................................................................. 27
2.3
LEVANTAMENTO DA FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA ........................................ 28
2.3.1 Levantamento da função de transferência de processo instável (FT tipo 1) ................... 28
2.3.2 Levantamento da função de transferência de processo estável (FT tipo 2) .................... 29
2.4
SINTONIA DOS CONTROLADORES PID .................................................................. 30
2.4.1 Primeiro Método de Ziegler e Nichols............................................................................ 30
2.4.2 Segundo Método de Ziegler e Nichols............................................................................ 32
2.4.3 Método de Chien Hrones e Reswick (CHR) ................................................................... 33
2.5
PROCESSAMENTO DE FUMO.................................................................................... 34
2.5.1 O que é fumo................................................................................................................... 34
2.5.2 Classificação do fumo ..................................................................................................... 35
2.5.3 Usina de processamento de fumo.................................................................................... 35
3
3.1
SISTEMA DA MESA DE ALIMENTAÇÃO ............................................................... 41
ESTRUTURA DO PID NO CLP..................................................................................... 43
3.1.1 Estudo do PID instalado.................................................................................................. 44
4
4.1
DESENVOLVIMENTO DO NOVO SISTEMA DE CONTROLE ............................ 45
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL.......................................................................... 45
4.1.1 Levantamento da função de transferência....................................................................... 45
4.1.2 Simulação em malha aberta da equação para FT tipo 1.................................................. 49
4.1.3 Simulação em malha aberta da equação para FT tipo 2.................................................. 50
4.1.4 Sintonia do controlador ................................................................................................... 52
4.2
AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS ............................................................................. 60
4.3
RESULTADOS............................................................................................................... 61
5
5.1
CONSIDERAÇOES FINAIS.......................................................................................... 63
SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS .............................................................................. 64
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 65
12
INTRODUÇÃO
1
1.1
TEMA
O início do século XXI está sendo marcado no mundo empresarial pelas constantes
modificações de mercado, retratadas por uma explosão de comércio e uma competição
internacional, gerando transformações nas economias regional e nacional. Estas mudanças
levaram muitas empresas a investirem em capacidade produtiva, reestruturação e inovação
para obterem maior competitividade em custos, abertura de novos mercados e maior
agilidade, com o objetivo de se tornarem empresas enxutas e eficientes (AFUBRA, 2006).
Neste cenário e de acordo com a Associação Brasileira da Indústria do Fumo
ABIFUMO (ASSOCIAÇÃO..., 2010), a produção de fumo continua sendo uma atividade
agrícola relevante no Brasil.
A Associação dos fumicultores do Brasil (AFUBRA), diz que a produção anual de
todos os tipos de folhas de fumo foi de aproximadamente 744 mil toneladas na safra de
2008/09 (ASSOCIAÇÃO..., 2010). Cerca de 95% da produção de fumo se dá nos estados do
Sul – Rio Grande do Sul, Santa Catarina e Paraná. Os 5% restantes são produzidos nos
estados da Bahia e Alagoas, na região Nordeste. Estima-se que a produção de fumo seja a
fonte de renda de cerca de 220 mil famílias nesses estados, com importante contribuição
social, envolvendo direta e indiretamente mais de 2,4 milhões de pessoas no processo
(ASSOCIAÇÃO..., 2010).
Segundo o ministério da agricultura o Brasil, além de ser o 2º maior produtor de tabaco
do mundo, é o líder na exportação mundial do produto há mais de 15 anos. Cerca de 85% do
fumo produzido no Brasil é destinado à exportação com cerca de 675 mil toneladas de fumo
exportadas em 2009. O volume é 2,5% inferior ao do ano anterior quando os embarques
atingiram 692 mil toneladas. Por outro lado, o faturamento cresceu cerca de 10% tendo
alcançado US$ 3,1 bilhões contra US$ 2,8 bilhões de 2008.
Todo o fumo produzido e comprado dos produtores é processado em uma das formas
abaixo:
• Processo contínuo ou debulhação – onde as lâminas são separadas mecanicamente,
passando por equipamentos denominados de debulhadores e separadores.
13
• Processo de folha solta – as folhas de fumo são misturadas de acordo com níveis de
nicotina e açúcar e passam por um processo de secagem, sem a separação das lâminas e do
talo.
• Processo de destala manual – onde as lâminas são separadas manualmente com um
equipamento denominado faca em V (LIMA, 2007).
O processamento de tabaco aplicado neste projeto trabalha com o processo continuo
para processar o fumo uniformemente sem variações de camadas que afetam diretamente a
qualidade do produto.
Uma boa alimentação de matéria prima na entrada do processo é necessária. Essa
alimentação é feita manualmente de acordo com os especialistas de fumo que fazem à mistura
de varias classes para o blend de processamento. A mesa de alimentação é um transporte de
aproximadamente 20m, que possui intervalos com marcação numérica. O produto é colocado
separado por classe no número correspondente, esse transporte (mesa de alimentação) leva o
fumo para um equipamento chamado de cabine de corte para cortar as pontas do fumo. As
pontas não necessitam serem processadas conforme os corpos que é o restante da folha de
fumo então após o corte das pontas as mesmas seguem outro caminho por transporte de
correias onde após a debulhação e separação talo, lâmina, fines de talo e fines de lâmina, as
mesmas já isenta de talo que é a folha de fumo debulhada voltam a se encontrar com as pontas
e logo segue para a secagem.
Por se tratar de um processo continuo o controle de fluxo é muito importante para
garantir uma camada homogênea ao longo do processo, e para isto, segundo Campos Teixeira
(2006, p. 23), o controlador Proportional Integral derivative (PID) é o algoritmo de controle
mais tradicional na indústria. Tal fato deve-se principalmente à sua disponibilidade e à
facilidade em ajustar seus parâmetros de forma a atingir um bom resultado. De acordo com
Aström e Hägglund (2006, p.1), “em controle de processos, mais de 95% dos controladores
em malha fechada são do tipo PID”.
O presente trabalho pretende propor uma modificação no controle de fluxo do
processamento de fumo retirando o controle discreto e colocando um controlador PID. Desta
forma, o controle da mesa de alimentação com o PID visa deixar o processo estável.
14
1.2
PROBLEMA E PREMISSAS
A usina de processamento de tabaco trabalha com processo continuo para processar o
fumo uniformemente sem variações de camadas que afetam diretamente a qualidade do
produto e dependem de uma boa alimentação. Essa alimentação é feita manualmente de
acordo com os especialistas de fumo que fazem à mistura de varias classes para o blend de
processamento. Neste blend são verificado e levado em consideração os teores de nicotina,
açucares e amostra visual.
Nas mesas de alimentação, o fumo é alimentado manualmente pelas alimentadeiras que
retiram as manocas dos fardos e colocam sobre o transporte da mesa. Essa mesa de
alimentação é um transporte de lonas de aproximadamente 20m, que constitui-se de intervalos
com marcações numéricas de 1 á 9, de modo que cada alimentadeira terá que colocar as
manocas que está alimentando em uma dessas marcações para garantir um blend uniforme.
A mesa de alimentação tem um papel fundamental em todo o processo, pois é ele que
alimenta a linha de processamento de fumo. Para que isso aconteça existe um silo auto feed
onde o sensoriamento é feito por uma régua que possui 4 sensores discretos, esses sensores
enviam sinais para o inversor que controla a velocidade da mesa de alimentação operando em
4 faixas (0Hz, 20Hz, 40Hz e 60Hz), e isso provoca aceleração, desaceleração ou parada da
mesa conforme varia o nível de fumo dentro do silo. Este equipamento chamado auto feed é
que determina a camada na balança dinâmica, o set-point desta balança é o operador que
determina, sendo os parâmetros a unidade (kg/h por classe) e o tipo de fumo a ser processado.
A média destes valores é em torno de 10.000kg/h.
Levando em consideração o tipo de processamento e o controle instalado, observa-se
que os intervalos gerados na mesa de alimentação quando o silo auto feed estava cheio,
reflete-se diretamente no fluxo do processo, pois a mesa de alimentação pára quando o sensor
de nível máximo é atingido, mas o transporte de pontas não pára. As pontas são separadas
para outro transporte que levam as mesmas a se encontrarem após a debulhação e separação
do talo da lâmina.
O processamento de fumo é um processo bem criterioso, pois se trata de um vegetal que
não pode sofrer alterações causadas pelo processo, com isto um fluxo contínuo é a base de
tudo para que as máquinas não tenham variação. Durante esta análise decidiu-se anular o
controle discreto e instalar um sensor ultra sônico e colocar um controle PID.
15
Acredita-se que os intervalos irão diminuir e a camada de fumo será mais constante e
uniforme para o processo, sem que a mesa de alimentação fique parando e gerando intervalos
no fluxo.
Figura 01 – Layout silo auto feed e auto feed
Fonte: Autoria própria
1.3
OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo geral
Propor o desenvolvimento de melhoria no controle de fluxo da mesa de alimentação em
um silo auto feed com controle PID, utilizando um sensor ultra sônico como sensor de nível.
16
1.3.2 Objetivo específico
•
Identificar os componentes de controle existentes;
•
Identificar os fabricantes dos componentes;
•
Avaliar o tipo de controle existente;
•
Propor a mudança dos componentes instalados;
•
Propor a programação do CLP
•
Levantar a função de transferência do controlador;
•
Colocar o processo em malha aberta, gerando degraus no elemento final de controle para
o levantamento da função de transferência do processo.
•
Escolher o modelo mais adequado para este tipo de processo.
•
Simular o sistema no software (MatLab)
•
Testar no sistema real os parâmetros encontrados
•
Verificar o comportamento do processo após a aplicação do controle.
1.4
JUSTIFICATIVA
A busca por maiores rendimentos de lâmina é a palavra chave para as usinas de
processamento de fumo, pois quanto maior o rendimento menos desperdício de matéria prima.
Isso significa maior lucro. Diante disso manter o controle de fluxo significa qualidade
produtividade e acima de tudo maiores rendimentos de lâmina.
Para buscar esse rendimento a proposta é melhorar o controle de fluxo da mesa de
alimentação no silo auto feed, pois um fluxo uniforme e continuo é a base para buscar a maior
produtividade possível. Com isso a eliminação do controle discreto para a instalação de um
sensor ultra sônico e um controle PID e conseqüentemente a sua sintonização é a proposta
inicial.
Com esse projeto instalado e sintonizado o controle de fluxo tende a ser mais uniforme
sem que a mesa de alimentação pare ou gere intervalos na alimentação, mantendo o fluxo
continuo no silo auto feed em todo o processo posterior.
17
1.5
PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Este trabalho será executado por meio de uma pesquisa de campo, aplicada, em uma
usina de processamento de fumo, embasada com levantamento de problemas e equipamentos
instalados na planta. Tendo o objetivo prático especifico de melhorar o controle de fluxo no
silo auto feed, serão levantadas informações importantes dos problemas evidenciados e
aplicação de melhorias no controle da mesa de alimentação em silo auto feed.
Desta forma será analisado e avaliado o comportamento dos equipamentos em relação
ao tipo de processo para a implementação da melhoria proposta e conseqüentemente, ampliar
o conhecimento, contribuindo para que o processamento de fumo desta usina seja mais
uniforme possível.
1.6
EMBASAMENTO TEÓRICO
Neste estudo serão tratados os diversos tipos de controle de malha aberta e fechada,
processos estáveis e instáveis baseados, sobretudo em Campos (2006), Controlador (2010),
Controle (2009) e Stebel (2010). Serão discutidos também os conceitos e tipos de sintonia,
igualmente fundamentados em Abdallh (2005) e Campos (2006). Demonstrado também o
processamento de fumo e suas características fundamentadas em Lima (2007).
1.7
ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho esta dividido em 5 (cinco) capítulos, sendo:
No capítulo 1 introdutório, foi descrito o tema central, objetivo geral e específico, a
justificativa da escolha do projeto e a metodologia de pesquisa adotada.
No capítulo 2 é descrito cada fundamento teórico: Sistema de controle malha aberta,
malha fechada, set point, MV, PV, função de transferência dos controladores. Efetuado a
descrição dos métodos de sintonia dos controladores, estrutura do PID, processo estável e
18
instável, como fazer o levantamento da função de transferência. Processamento de fumo,
equipamentos de uma usina fumageira e suas particularidades.
No capítulo 3 é descrito o processo da mesa de alimentação, seu funcionamento e tipo
de controle existente e citado como se caracteriza o processo produtivo neste equipamento.
Descrito a estrutura do PID no CLP da Rockwell Automation sua equação e configuração do
bloco PID.
No capítulo 4 é apresentado o teste no equipamento em malha aberta para verificação do
comportamento do equipamento e sua resposta. Levantamento da função de transferência de
acordo com os gráficos levantados em malha aberta, efetuados os cálculos de acordo com os
modelos matemáticos de função de transferência de processo estável e instável e simulações
no Matlab/Simulink. Avaliado os resultados obtidos nas simulações e sintonizado o
controlador. Demonstrado graficamente os resultados obtidos no processo real antes e depois
da sintonização.
O capítulo 5 trata das considerações finais a respeito da contribuição deste trabalho e a
importância de um processo bem sintonizado os ganhos de qualidade, produtividade e fluxo
uniforme. No mesmo capítulo fala da ferramenta poderosa que é o Matlab e seu recurso
importante como auxílio às simulações, ajustes dos controladores e sugestão para trabalhos
futuros.
19
2
2.1
CONTROLE E SINTONIA DOS CONTROLADORES
CONTROLE
É manter em um determinado ponto de operação sem que haja variações no processo.
Medir o valor da variável controlada e aplicar o valor conveniente a variável manipulada
(sinal de correção) de modo a limitar o erro ou desvio. Benefícios do controle bem realizado:
diminuição de funções repetitivas melhora de produtividade, diminuição de erros e perdas no
processo.
Hoje o controle automático, entre outras, está presente na indústria manufatureira
(comando de máquinas), na indústria aeroespacial (sistemas automáticos inteligentes), na
indústria automobilística (linha de produção), na indústria química e petroquímica (vazão,
pressão, nível, temperatura, densidade, etc.) (STEBEL, 2010).
Exemplos de sistemas de controle:
•
Sistema de controle de velocidade
•
Sistema de controle de robô
•
Sistema de controle de temperatura
•
Sistema de controle de posição
•
Sistema de controle de seleção de peças
O texto a seguir apresenta as definições de: Controle em processo discreto, Controle em
processo continuo, Sistemas de controle de processo.
a) Controle em processo discreto
Tomada de decisão baseado em eventos. Abertura e fechamento de contatos,
acionamentos, temporizações, sistemas de alarme e proteção. (STEBEL, 2010).
Exemplo: Indústria de fabricação por lote.
20
b) Controle em processo contínuo
Manter os valores dentro do ponto de operação. Envolvem variáveis como temperatura,
pressão, nível e vazão. (STEBEL, 2010).
Exemplo: Indústria química
c) Sistemas de controles de processos
Segundo Campos e Teixeira (2006, p. 03), o termo “controle de processos costumam ser
utilizado para se referir os sistemas que tem por objetivo manter certas variáveis de uma
planta industrial entre os seus limites operacionais desejáveis”.
Os sistemas de controle podem ser de malha aberta ou de malha fechada.
2.1.1 Malha Aberta
Controle de malha aberta é um sistema que não possui realimentação e pode se aplicar
um sinal de controle na entrada do sistema. O diagrama de um sistema de controle em malha
aberta é mostrado na figura 2.
Figura 02 – Diagrama em blocos de um sistema em malha aberta
Fonte: Controle (2010)
O problema de um sistema de controle de malha aberta é que se terá saída desejada se
não ocorrerem perturbações tanto de ordem externa como internas (modificação dos
parâmetros), pois o controlador atuará como se não tivesse ocorrido qualquer perturbação e a
resposta não terá valores para as novas características do sistema (CONTROLE, 2010).
21
De acordo com Campos e Teixeira (2006, p. 04), “os sistemas de controle em malha
aberta são simples e baratos, mas não compensam as possíveis variações internas da planta”.
Contudo são utilizados para levantar, de forma experimental, a função de transferência planta.
2.1.2 Malha Fechada
Segundo Ogata (1998, p. 04), um sistema de controle em malha fechada é “aquele no
qual o sinal de saída possui um efeito direto na ação de controle. Isto é, sistema de controle
em malha-fechada são sistemas de controle realimentados”.
O diagrama de um sistema de controle em malha-fechada é mostrado na figura 3.
Figura 03 – Diagrama em blocos de um sistema de controle em malha fechada
Em geral, a fim de tornar o sistema mais preciso e de fazer com que ele reaja a
perturbações externas, o sinal de saída (PV – variável de processo) é comparado com um sinal
de referência (SP - chamado no jargão industrial de set point) e o desvio (E) entre estes dois
sinais é utilizado para determinar o sinal de controle (MV – Variável Manipulada) que deve
efetivamente ser aplicado ao processo. Assim, o sinal de controle é determinado de forma a
corrigir este desvio entre a saída e o sinal de referência (CONTROLE, 2010).
Segundo Campos e Teixeira (2006, p. 06) com o sistema de malha fechada “surge à
figura do controlador, que compara o valor desejado com o valor medido, e se houver um
desvio entre estes valores, manipula a sua saída de forma a eliminar este desvio ou erro”.
Vários sistemas de controle em malha-fechada podem ser encontrados na indústria e em
residências, a maioria dos sistemas de controle de processos, refrigeradores residenciais,
aquecedores de água automáticos e sistemas de aquecimento residenciais automáticos.
22
2.1.3 Controlador PID
É um algoritmo mais tradicional utilizado nas empresas, segundo pesquisas realizadas
em 1995, seu uso não abrange apenas as empresas, mas também diversos sistemas como CD,
DVDs, pilotos automáticos de automóveis e microscópios atômicos. (ASTRÖM;
HÄGGLUND, 2006)
(1)
u – Sinal de controle
e – erro (PV-SP ou SP-PV)
Kp – Ganho proporcional
Ti – Tempo integral
Td – Tempo derivativo
O sinal de controle é a soma de três termos, o primeiro é o coeficiente proporcional do
erro, o segundo é o coeficiente integral do erro, o terceiro é o coeficiente derivativo do erro
(ASTRÖM; HÄGGLUND, 2006) (CAMPOS; TEIXEIRA, 2006).
2.1.4 Ação proporcional
A ação de controle proporcional é como o próprio nome já diz, proporciona ao valor do
erro (ASTRÖM; HÄGGLUND, 2006). Sendo assim a equação 2 do PID se transforma na XX
(MARIN 2009).
(2)
23
Onde ub é sinal de saída, pois quando o valor do erro for igual à zero, o sinal de saída
do controlador vai manter o componente final de controle na mesma posição (OLIVEIRA,
1999).
2.1.5 Ação Integral
A principal função da ação integral é confirmar que a variável de processo coincide com
o set-point. Somente com a ação proporcional, quase sempre existe um pequeno erro, quando
ocorre um distúrbio aleatório no processo é chamado de off-set. Com a ação integral, esse erro
irá ocasionar um aumento ou uma diminuição na variável manipulada, sem importar qual o
seu tamanho (ASTRÖM; HÄGGLUND, 2006).
A representação matemática entre o sinal de erro e de controle na ação integral é
representada pela equação 3 (MARIN 2009).
(3)
2.1.6 Ação Derivativa
A função da ação derivativa é a melhoria da estabilidade do sistema em malha fechada,
propondo a adição de um sistema antecipativo ou preditivo.. Com isso, o sistema responde de
forma mais rápida às excitações de entrada, minimizando a diferença de tempo entre o
momento que o controlador percebe o erro e o momento que toma uma ação para corrigi-lo
(ASTRÖM; HÄGGLUND, 2006). Na ação derivativa, a relação matemática entre o sinal de
erro e de controle é representada pela equação 4 (MARIN 2009).
(4)
24
2.2
PROCESSO A SER CONTROLADO
Os processos descontínuos são os processos que normalmente são utilizados quando a
produção é menor ou por meio de prevenção, faz com que sejam operados em pequenas
quantidades.
Em processos de grande escala, o processamento contínuo é ideal, pois reduz o custo
por unidade produzida e esta redução representa um fator econômico fundamental. Deve se
verificar também que os processos contínuos necessitam de uma instrumentação de processo
que não apenas registre alguns pontos importantes como temperatura, pressão e volume, mas
que também faça a correção automática dos desvios indesejáveis a partir de um sistema
eficiente de controle (SHEREVE; BRINK, 1977).
A definição de um processo a um determinado estímulo define-o como estável ou
instável (OLIVEIRA, 1999).
2.2.1 Processo estável
Num processo estável, após um degrau na variável manipulada (MV), a variável de
processo (PV) se altera, mas estabiliza após certo tempo. No exemplo da figura 6, a vazão de
saída (Qs) é função do nível (L).
No instante t0 acontece um degrau na válvula (MV). O nível do tanque (PV) sofre um
aumento até a vazão de entrada (Qe) se igualar a vazão de saída (Qs), ponto este em que o
processo estabiliza, estando agora em um novo patamar (OLIVEIRA, 1999).
Para encontrar os parâmetros de retorno de um processo estável, considera-se o exemplo de
um trocador de calor, mostrado na figura 4. Com o controlador em manual, cria-se um degrau
(∆MV) no sinal da variável manipulada (MV) e observa-se a evolução da temperatura Ts.
25
Figura 04 – Trocador de calor
Fonte: Oliveira (1999, p.20)
O gráfico apresentado na figura 5 é um exemplo de um processo estável. O intervalo
entre o tempo de início do degrau (t0) e o instante em que a variável de processo (PV)
estabiliza (t3) é chamado de regime transitório.
26
Figura 05 – Resposta a um degrau de um processo estável
A tabela 1 mostra a relação dos parâmetros de resposta.
Tabela 1 – Parâmetros de resposta a um degrau de um processo estável
Parâmetros
Denominação
Definição
τ
Tempo morto
Intervalo de tempo entre a aplicação do
degrau e o início da evolução da variável
do processo.
τ = t1 – t0
tea
Tempo de resposta ou tempo de
estabilização em malha aberta
degrau até o instante onde a variável do
processo atingir 95% de seu valor final ou
tea = t2 – t0
Gp
Ganho estático do processo
Relação entre a variação de ∆PV e a
variação ∆MV.
Fonte: Oliveira (1999, p. 21)
27
2.2.2 Processo instável
Em um processo instável, após um degrau na variável manipulada (MV), a variável de
processo (PV) continua se alterando por tempo indeterminado. No exemplo da figura 7, a
vazão de saída (Qs) é constante. No instante t0 provoca um degrau na válvula (MV). O nível
do tanque (PV) não atinge a estabilidade (OLIVEIRA, 1999).
Figura 06 – Exemplo de um processo instável
Fonte: Oliveira (1999, p. 20)
28
Figura 07 – Resposta a um degrau de um processo instável
Tabela 2 – Parâmetros de resposta a um degrau de um processo instável.
Parâmetros
Denominação
Definição
τ
Tempo morto
degrau até o início da evolução da PV
τ = t1 – t0
Coeficiente característico do processo.
k
Coeficiente de Integração
2.3
LEVANTAMENTO DA FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA
2.3.1 Levantamento da função de transferência de processo instável (FT tipo 1)
Para melhor compreensão considera-se o controle de nível de um recipiente figura 6.
Este sistema é um integrador, ou sistema instável, ao colocar o controlador em manual e
29
restringindo a saída em, por exemplo, 5%, o nível tende a subir sem limite. Então o ganho
do integrador pode ser calculado pela equação 5, de acordo com o item 2.2.2 (CAMPOS;
TEIXEIRA, 2006).
(5)
Onde:
Kvaso – Ganho do Sistema (s -1)
∆y – Variação do nível (%)
∆u – Variação da variável manipulada (%)
∆t – Variação do tempo (s)
Logo de acordo com a equação (5) e com a utilização da transformada de Laplace, a
função de transferência de um processo instável, representada pela equação (6), (CAMPOS;
TEIXEIRA, 2006).
(6)
2.3.2 Levantamento da função de transferência de processo estável (FT tipo 2)
Segundo Stebel (2010), a função de transferência fornece uma descrição efetiva das
características dinâmicas do processo e pode ser obtida pela modelagem fenomenológica, que
é o uso das leis da física, ou pela identificação do sistema. Sendo assim obtém a função de
transferência de processo estável.
Ainda Stebel (2010), em plantas piloto é bastante utilizado o sistema de 1ª ordem com
tempo morto. E como o projeto trata de uma modificação, utilizar este método como auxilio
para o levantamento da função de transferência do processo. Desta forma pode-se obter as
seguintes informações:
30
(7)
K – Ganho do processo
L – Tempo morto do processo
T – Constante de tempo do processo
2.4
SINTONIA DOS CONTROLADORES PID
Os métodos para a sintonia dos controladores PID são bastante utilizados. Dentre os
métodos os experimentais permitem obter os parâmetros dos controladores de maneira rápida.
Como resultado, estes conduzem às primeiras aproximações dos parâmetros dos
controladores, cujo os valores que podem ser considerados razoáveis, e que os valores podem
necessitar posteriores ajustes para se adequar às especificações de cada sistema.
2.4.1
Primeiro Método de Ziegler e Nichols
Neste primeiro método, o processo que se deseja controlar deve possuir uma resposta ao
degrau unitário em malha aberta, como mostra a figura 8 (ABDALLAH, 2005, p.51).
Figura 08 – Diagrama em blocos do sistema em malha fechada.
Fonte: Controlador (2010)
31
Na figura 9 é mostrada a curva em forma de S onde podem ser identificados o tempo
de retardo L e a constante de tempo T do processo (CONTROLE 2009).
Figura 09 – Resposta ao degrau unitário usado no método de Ziegler e Nichols.
Na curva em forma de S podem ser identificados o tempo de retardo L e a constante de
tempo T. As regras de Ziegler e Nichols procuram obter os parâmetros do controlador de
forma tal que o overshoot máximo não ultrapasse 25% como resposta a um degrau. As regras
para este método determinam o seguinte conjunto de ganhos, logo, Z&N sugerem sintonizar
os controladores conforme a tabela 3 (CAMPOS; TEIXEIRA, 2006, p.26).
Tabela 3 – Sintonização do PID. Método de Ziegler e Nichols em malha aberta
Tipo de Controlador
Kp
Ti
Td
P
T/L
∞
0
PI
0,9(T /L)
L / 0,3
0
PID
1,2(T /L)
2L
0,5L
Fonte: CAMPOS, Teixeira (2006, p.26)
32
2.4.2 Segundo Método de Ziegler e Nichols
Neste método, o sistema é testado em malha fechada, utilizando como controlador
somente o ganho proporcional (Ti = ∞ e Td = 0), como mostrado na figura 10.
Figura 10 – Sistema em malha fechada
Assim, aplica-se na entrada do sistema um pequeno impulso e observa-se o
comportamento da saída. Se a saída não oscilar, aumenta-se o ganho Kp, pelo contrário, se a
saída estiver saturada (oscilando ou não), diminui-se o ganho proporcional. O processo é
repetido até que a saída apresente uma oscilação constante não saturada tomando cuidado para
que o sinal da PV também não apresente saturação (CAMPOS; TEIXEIRA, 2006, p.27). O
valor do ganho encontrado é chamado de ganho crítico. Kcr = Ganho crítico
E o período de oscilação do sinal de saída é chamado de “Pcr”, conforme mostra a
figura 11.
Figura 11 – Resposta senoidal usado no método Ziegler e Nichols.
Fonte: Abdallah (2005, p.53)
33
Para sistemas com comportamento oscilatório, quanto ao aumento de Kp, utiliza-se a
tabela 4 para se determinar os valores dos ganhos dos controladores:
Tabela 4 – Sintonização do PID - Método de Ziegler e Nichols em malha fecha
Tipo de Controlador
Kp
Ti
Td
P
0,5Kcr
∞
0
PI
0,45Kcr
Pcr /1,2
0
PID
0,6Kcr
0,5Pcr
0,125Pcr
Fonte: CAMPOS, Teixeira (2006, p.27).
2.4.3 Método de Chien Hrones e Reswick (CHR)
Existem muitas modificações sobre o método de Ziegler e Nichols, Chien, Hrones e
Reswick modificaram o método da curva de reação de Ziegler e Nichols para que a malha
forneça uma resposta ao degrau com o menor tempo de subida (ABDALLAH, 2005, p.57).
Este método propõe dois critérios de desempenho: a resposta mais rápida possível sem
overshoot conforme tabela 5, e a resposta mais rápida com overshoot máximo de 20%,
conforme tabela 4 (CAMPOS; TEIXEIRA, 2006, p.28).
Tabela 5 – Sintonização do PID - Método de CHR a 0%.
Tipo de Controlador
Kp
Ti
Td
P
0,3(T / L)
∞
0
PI
0,35(T / L)
1,2T
0
PID
0,6(T / L)
T
0,5T
34
Tabela 6 – Sintonização do PID - Método de CHR a 20%.
Tipo de Controlador
Kp
Ti
Td
P
0,7 (T / L)
∞
0
PI
0,6(T / L)
T
0
PID
0,95(T / L)
1,4T
0,47L
2.5
PROCESSAMENTO DE FUMO
2.5.1 O que é fumo
O termo fumo denomina-se ao tabaco preparado para se fumar.
O tabaco é uma planta que pode atingir dois metros de altura, cujas folhas medem até 70
cm de cumprimento e suas flores dispostas em cachos, são brancas, vermelhas ou amarelas;
sendo que algumas espécies destacam-se em belas plantas ornamentais. As espécies mais
comercializadas são as nicotinas, tabacum e a nicotina rústica (LIMA 2007).
Como exemplo a Vuelta Abajo (Cuba) produz folhas aromatizadas de alta qualidade e
valores agregados. No Brasil são produzidos tabacos para cigarros, tabacos e etc. Em quase
todo o mundo cultiva-se o tabaco, onde o mesmo é caracterizado pela presença de um
alcalóide especial, a nicotina.
O seu aspecto e suas qualidades variam de acordo com os lugares que são produzidos
como exemplo, a Vuelta Abajo (Cuba) fornece folhas aromatizadas, sendo o custo da mesma
muito elevado, temos também o Brasil que produz tabacos para cigarros charutos, etc.
No princípio o tabaco era utilizado como adorno ou então, para fins medicinais. Porém,
em 1585 o mesmo foi introduzido como hábito de fumar na Inglaterra e a partir daí se propaga
no mundo (LIMA, 2007).
35
2.5.2 Classificação do fumo
O processo de classificação do fumo consiste na separação, em função do tipo de fumo,
posição da folha no pé, cor e características físicas como textura da folha, maturidade, etc.
Tais aspectos são importantes para definir o valor a ser pago ao produtor bem como a
forma de utilização. Estes aspectos são definidos através de uma normativa ministerial que lhe
confere o artigo 87, Parágrafo único, insiso ll, da Constituição, tendo em vista o disposto na
Lei 9, 972, de 25 de maio de 2000, no Decreto nº 3, 654, 17 de novembro de 2000, e o que
conta no Processo n° 21000014753/2006-76, regulamenta a comercialização do produto.
Figura 12 – Classificação de fumo Virgínia em folha
Fonte: Ministério da agricultura
2.5.3 Usina de processamento de fumo
Uma usina de processamento de fumo possui tratamentos diferenciados em função das
necessidades, tipos, classes de fumo e especificações dos clientes. Em função destas
especificações, o processo de separação da lâmina do talo, pode ser feito mecanicamente,
36
através de um conjunto de equipamentos denominados de debulhadores e separadores
compondo uma linha de debulhação, ou manualmente, através do processo de destala manual.
A folha de fumo é formada por 25% de talo, onde se considera como sendo a nervura
principal e as nervuras secundárias e 75% de lâmina que é o restante da folha, conforme
ilustra a figura 13. São produtos diferentes que necessitam tratamentos específicos na fábrica
de cigarros em função dos teores de alcalóides, nicotina e açúcar.
Figura 13 – Folha do Fumo
Fonte: Usina de processamento de fumo
Para que se possa realizar a separação mecânica da lâmina e do talo, o fumo passa por
processos distintos, conforme apresentado no fluxograma da figura 14.
37
Figura 14 – Fluxograma do processo de debulhação
Fonte: Usina de processamento fumo
Área de mistura (Blend) – local onde são feitas as misturas, de acordo com os
percentuais de nicotina e açúcar requeridos pelo cliente.
Área de mesa de alimentação e corte – é o setor onde são colocados os conjuntos de 25
folhas de fumo, amarradas por uma outra folha de fumo (denominada manocas) em um
transporte de esteira, garantindo a exata proporção das classes internas no blend, bem como a
correta alimentação para que se possam cortar as pontas (quando for o caso) e abrir o atilho
(folha que amarra o conjunto de 25 folhas que compõe a manoca).
Área de mesas de picking – é o setor onde são feitas as retiradas de folhas de fumo que
não pertencem ao blend original, bem como todo e qualquer material que não é fumo,
tecnicamente conhecido como material estranho.
38
Cilindros condicionadores – neste ponto ocorrem a pulverização de vapor e água,
tornando o produto mais maleável, facilitando o processo de separação de lâmina e talo no
estágio seguinte.
Linha de debulhação – é o setor onde o blend é alimentado em debulhadores, que são
rotores de ferro, com pontas (chamadas martelos) que tem a finalidade de rasgar o produto, de
tal forma que se tenha o maior tamanho possível de lâmina isenta de talo (nervura principal da
folha de fumo).
No passo seguinte, este produto, lâmina e talo são encaminhados através de transportes
pneumáticos para separadores gravimétricos, onde por diferença de densidade é feita a
separação mecânica da lâmina e do talo.
Todo este processo de debulhação e separação são realizados em estágios distintos na
linha de debulhação, sendo que usualmente uma linha de debulhação é composta por cinco
estágios de debulhação / separação.
Secagem de lâmina e talo – após a separação mecânica da lâmina e do talo estes
produtos são encaminhados para secadores distintos, onde é realizado o processo de retirada
da umidade, primordiais para a conservação do mesmo. Como são produtos com
características químicas diferentes, sofrem processo de secagem bem distinto.
Embalagem – após o processo de secagem, o produto, lâmina e talos são encaminhados
para a área de embalagens distintas, onde o produto, lâmina e talo, são acondicionados em
caixas de papelão, conhecidas internacionalmente como C – 48. Este tipo de material de
embalagem garante ao produto condições ideais de armazenamento e conservação,
necessárias ao processo de envelhecimento (aging).
Após todo este processo busca se o máximo de rendimento de lâmina e cada vez menos
quebra conforme exemplifica a figura 15.
39
Figura 15 – Fluxograma de equipamentos de uma usina de processamento de fumo
Fonte: Autoria Própria
1 – Mesa de Alimentação
2 – Cabine de Corte
3 – Silo Auto Feed e Auto Feed
4 – Transporte de Corpos
5 – Cilindros Condicionadores
6 – Debulhadores
7 – Separadores
8 – Peneirações Lâmina e Fines de Lamina
9 – Transporte de Lâmina e Fines de Lâmina
10 – Secadores de lâmina e Talo
11 – Transportes
12 – Embalagem do produto
13 – Caixas de fumo 200 kg
40
Figura 16 – Rendimento de lâmina
41
3
SISTEMA DA MESA DE ALIMENTAÇÃO
Na mesa de alimentação começa toda a linha de processamento de fumo. Esta mesa é
composta por uma esteira conforme a figura 17, onde é feita a alimentação manual das
manocas de fumo. A velocidade em que a esteira trabalha depende do kg/h que o operador de
linha coloca através de cada tipo de classe e fumo que esta sendo processado
Este controle é feito por uma régua de 4 sensores que conforme a camada dentro de silo
auto feed aumenta ou diminuía velocidade ou até mesmo para a esteira.
Figura 17 – Mesa de alimentação
Depois da alimentação, o fumo segue para a cabine de corte onde as pontas seguem por
uma esteira separada dos corpos, esta separação é feita por que nas pontas não tem talo sendo
assim não precisam ser debulhadas.
42
Figura 18 – Corte das pontas
O controle da mesa de alimentação trabalhava com controle feito por 4 sensores ou seja
a velocidade da esteira possui velocidades fixas de 0Hz, 20Hz, 30Hz e 60Hz, com esse tipo de
controle a mesa fica gerando intervalos que afetam diretamente no processo.
Após a modificação que foi a instalação do sensor ultra sônico e a modificação na
programação do CLP colocando um bloco PID, a mesa começou a trabalhar sem gerar
intervalos porem a variação ainda era perceptível.
43
Figura 19 – Sistema de sensores no silo auto feed
3.1
ESTRUTURA DO PID NO CLP
No software da Rockwell Automation RS logix 500 versão 7.30 está instalado para as
famílias SCL 500 e micrologix o bloco PID conforme figura 19. É neste bloco que se fazem
as configurações de ganho proporcional, ganho integral, ganho derivativo, tempo de
amostragem entre outras configurações e visualizações.
Figura 20 – Bloco PID do RS logix 500
Fonte: Rockwell Automation Software 2000
44
3.1.1 Estudo do PID instalado
No CLP, conforme figura 21, podem ser configurados, entre outros parâmetros, o tipo
de equação do PID, o modo do controlador (automático ou manual), a sua ação (direta ou
reversa), o set point, os ganhos proporcionais, integral derivativo e o tempo de amostragem.
(8)
Kc - Ganho proporcional do controlador
1/Tl - Tempo Integral de redefinição
TD - Ganho derivativo
t - Tempo de amostragem
E - Erro = (SP – PV)
SP – Set point
PV – Variável de processo
Figura 21 – Interface de configuração de instalação PID
Fonte: Rockwell Automation Software logix 500
45
4
DESENVOLVIMENTO DO NOVO SISTEMA DE CONTROLE
4.1
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Após a conclusão da modificação foram pré-determinados alguns valores de ganho
proporcional, integral derivativo no bloco PID para a verificação do comportamento do
processo.
Foi identificado que a mesa de alimentação obteve uma melhora significativa, a mesa de
alimentação não tem parada constante como no controle anterior, que era com a régua de
sensores e valores fixos de freqüência. Porém conforme mostra o gráfico da figura 22 o nível
ainda necessitava de uma sintonia no controlador.
Figura 22 – Gráfico que mostra o resultado do processo após a instalação do bloco PID
4.1.1 Levantamento da função de transferência
Para a sintonia do controlador, é faz necessário saber como se comporta o sistema e qual
é a resposta do mesmo. Inicialmente é feito o levantamento da função de transferência que
representa o nível da camada de fumo no silo auto feed .
46
Sendo assim para levantar a função de transferência da planta foi colocado o processo
em malha aberta e foram aplicados degraus na MV, como observado na figura 23.
Figura 23 – Gráfico que mostra o teste em malha aberta
Logo, de acordo com os testes realizados foi feito o levantamento da função de
transferência conforme os parâmetros apresentados na figura 24, ∆t, ∆y ∆u. Deste modo foi
utilizando a equação da função de transferência tipo 1.
47
Figura 24 – Gráfico que mostra os pontos de levantamento da função de transferência
1) ∆t – Valores visuais encontrados nos gráficos da figura 23 e figura 24 pela aplicação
do degrau.
∆t = 13:32:01 – 13:31:00
∆t = 61s
2) ∆y – Valores levantados para o calculo da variação do nível do fluxo do silo auto feed
(PV) durante o período considerado.
∆y = 47,01% – 35,39%
∆y = 0,4701 – 0,3539
∆y = 0,1162
∆y = 11,62%
3) ∆u – Valores levantados para o cálculo da variação da velocidade da esteira (MV)
durante o período considerado.
∆u = 40% – 30% = 10%
48
4) KVASO = Valores calculados de acordo com a equação 5.
Logo se obtém a função de transferência do processo de acordo com a equação 5.
Esta é a função de transferência encontrada no processo para o controle de fluxo da
mesa de alimentação em silo auto feed.
Também foi levantada a função de transferência de acordo com a FT tipo 2 (função de
transferência de processo estável) onde são necessários os parâmetros: ganho (K), tempo
morto (L), e constante de tempo (T).
1) Calculo obtido da variável do ganho do processo.
∆PV = (48.83% – 35,39%)
∆PV = 13.44%
∆MV = (40% – 30%)
∆MV = 10%
2) Valores obtidos visual da banda morta (L) do gráfico da figura 22.
L = 13:30:57 – 13:31:19 = 22s
49
3) Na figura 23 são demonstrados os tempos (t1) e (t2) a seguir estão os cálculos para
obter cada uma das constantes.
t1 = 19s
t2 = 40s
t2 = L+T
t1 = L+T/3
40 = 22 + T
19 = 22 +T/3
L= 40 – t
19 = 40 – t + T/3 (x3)
57 =120 – 3T + T
-2T = 120 – 57
T = 63/2
T = 31.5s
4) Logo se obtém a função de transferência do processo de acordo com a equação 7.
4.1.2 Simulação em malha aberta da equação para FT tipo 1
Após obter a função de transferência foi feito a modelagem matemática para a
simulação da mesma, tal simulação feita no Matlab/Simulink, apresentado na figura 25.
Figura 25 – Modelo matemático para a simulação em malha aberta da FT tipo 1
50
O gráfico da figura 26 mostra o resultado da resposta do sistema simulado, pode-se
observar que a resposta simulada é semelhante à resposta esperada para um sistema real de
processo instável.
Figura 26 – Resposta do sistema simulado em malha aberta com a FT tipo 1
4.1.3 Simulação em malha aberta da equação para FT tipo 2
Após obter a função de transferência foi feito a modelagem matemática para a
simulação da mesma, tal simulação feita no Matlab/Simulink, apresentado na figura 27.
51
Figura 27 – Modelo matemático para a simulação em malha aberta da FT tipo 2
O gráfico da figura 28 mostra o resultado da resposta do sistema simulado, pode-se
observar que a resposta simulada é condizente com os parâmetros L, T e K, obtidos a partir
dos testes experimentais para o processo estável.
Figura 28 – Resposta do sistema simulado em malha aberta com a FT tipo 2
52
4.1.4 Sintonia do controlador
Além de construir o modelo matemático da função de transferência é preciso elaborar o
modelo matemático da função PID do CLP da Rockwell, para que as simulações sejam o mais
próximo do processo real, sendo assim a figura 29, mostra o modelo.
Figura 29 – Modelo matemático da função PID do PLC Rockwell Automation
Depois de todas estas informações, é possível realizar um modelo matemático da função
de transferência da planta e da função PID do controlador para que sejam simulados os
métodos de sintonia do controle PID, através do software Simulink. As figuras 30 e 31
mostram os modelos matemáticos construídos no Matlab Simulink.
Figura 30 – Modelo matemático da função de transferência tipo 1
Figura 31 – Modelo matemático da função de transferência tipo 2
53
Foram aplicados os métodos de sintonia de controladores. As respostas geradas nas
simulações com as duas formas da função de transferência (tipo 1 e tipo 2) conforme mostram
as figuras 30 e 31.
Para o processo instável função de transferência tipo 1, não foi aplicado os métodos de
sintonia por que o sistema não oscila. Logo coloca se o Ti (tempo integral) em infinito e zero
o Td (tempo derivativo) alterando o ganho proporcional ate obter um ajuste fino coerente ao
valor máximo do controlador PID no CLP.
Figura 32 – Resposta do sistema simulado com a FT tipo 1.
54
Os valores obtidos a partir da função de transferência tipo 2 foram:
Tabela 7 – Parâmetros gerados pelo método CHR 0%
Tipo de Controlador
Kp
Ti
Td
P
0.42
∞
0
PI
0.50
37.8
0
PID
0.85
31.5
15.75
Figura 33 – Resposta da FT tipo 2 com os parâmetros P método CHR 0% da tabela 7
55
Figura 34 – Resposta da FT tipo 2 com os parâmetros PI método CHR 0% da tabela 7
Figura 35 – Resposta da FT tipo 2 com os parâmetros PID método CHR 0% da tabela 7
Após as tentativas sistemáticas, por ser um processo instável, foram necessário alterar os
valores do PID. O resultado pode ser conferido na figura 36.
56
Figura 36 – Resposta da FT tipo 2 com os parâmetros PID da tabela 7 e ajuste fino
Tabela 8 – Parâmetros gerados pelo ajuste fino método CHR
Kp
0.5
Ti
28
Td
2
Simulação dos valores obtidos e colocados no PID, conforme o modelo matemático da
função de transferência tipo 2 figura 31. Para as simulações foi apresentada às técnicas
descritas em Lima (2010).
Foi aplicado o método de Ziegler e Nichols com o controlador em malha fechada, tempo
integral com valor infinito (99999999...) e o tempo derivado com valor 0 (zero). Foram
testados valores de ganho proporcional até chegar a uma resposta oscilatória com amplitude
constante, figura 37.
57
Figura 37 – Resposta oscilatória do sistema com amplitude constante
Os valores obtidos para o ganho último (KU) e para o período de oscilação (PU) estão
apresentados na tabela 9.
Tabela 9 – Parâmetros para sintonização por Z&N
Ku
2.32
Pu
70
Logo foram simulados todo os valores de Kp, Ti e Td do método ZeN conforme a
tabela 10.
Tabela 10 – Parâmetros gerados pelo método Ziegler e Nichols
Tipo de Controlador
Kp
Ti
Td
P
1.16
∞
0
PI
1.05
58.33
0
PID
1.40
35
8.75
58
Figura 38 – Resposta da FT tipo 2 com os parâmetros P da tabela 10
Figura 39 – Resposta da FT tipo 2 com os parâmetros PI da tabela 10
59
Figura 40 – Resposta da FT tipo 2 com os parâmetros PID da tabela 10
Para tanto, foi aplicado o método da tentativa sistemática e observado que tanto o
método CHR 0% e método de Ziegler e Nichols ambos precisaram de ajuste fino como nos
mostra a figura 41.
Figura 41 – Resposta da FT tipo 2 com os parâmetros PID da tabela 10 e ajuste fino
60
4.2
AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS
Nota-se com os resultados obtidos que por se tratar de um sistema instável a função de
transferência tipo 1, que é de processo instável foi a que obteve melhor resposta. As ações
integral e derivativa estão com pouca influência o que é coerente para o processo tipo
instável.
No entanto foram consultados os valores máximos e mínimos aceitáveis no controlador
PID do PLC da Rockwell Automation e feito o ajuste fino ate obter uma resposta coerente e
aceitável para o controlador PID do CLP. O resultado pode ser conferido na figura 42.
Figura 42 – Simulação após ajuste fino
Após as simulações foram colocados os valores obtidos no controlador PID da Rockwell
Automation no processo real do silo auto feed conforme a tabela 11.
Tabela 11– Parâmetros colocados no bloco PID
Kp
0.6
Ti
17,5
Td
0.6
61
4.3
RESULTADOS
Apartir das 7:49:24 do dia 27 de julho observa-se pelo gráfico da figura 46 (parâmetros
do controlador PID alterados ) que as simulações e de acordo com os métodos de sintonia os
resultados foram muito satisfatórios. Pois o fluxo é sinônimo de produtividade, uniformidade
do blend processado e acima de tudo qualidade.
Controle de Fluxo
MV
PV
SET POINT
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
7:
57
:5
4
8:
07
:5
4
8:
17
:5
4
8:
27
:5
4
8:
37
:5
5
9:
00
:1
3
9:
10
:1
6
9:
20
:1
7
9:
30
:1
8
9:
40
:1
9
9:
50
:2
0
7:
37
:5
4
7:
47
:5
4
0%
Data 27/07/2010
Figura 43 – Gráfico do controle de nível no silo auto feed
62
Por tratar-se de um processo instável e alimentação manual pode-se observar no gráfico
da figura 47, que o mesmo mostra a produtividade em kg/h. Após sintonia, a uniformidade foi
significativamente melhorada a partir do controle sintonizado.
Figura 44 – Gráfico do fluxo de processo
63
5
CONSIDERAÇOES FINAIS
Os objetivos do projeto proposto no início da pesquisa foram atingidos. Conforme se
destacou na apresentação dos resultados, foi observado que o nível de produto dentro do silo
auto feed, esta mais estável. A mesa de alimentação que gerava intervalos agora trabalha
uniformemente e com isso a assertividade do resultado do químico, umidade e granulometria
ficam mais precisas. O resultado se estende para todo o processo tanto na alimentação do
produto, condicionamento, debulhação e secagem, pois com um fluxo contínuo os
equipamentos absorvem a camada de produto garantindo produtividade e qualidade do
produto processado.
Foi verificado também que cada processo tem seu tipo de controle e sintonia, os valores
de ganho, tempo integral e derivativo. Cada processo tem suas particularidades que através
da literatura, estudos e simulações, é possível obter um ótimo desempenho melhorado para
cada equipamento, contribuindo para todo o processo e gerando economia, qualidade e
produtividade.
O maior desafio deste projeto foi “correr contra o relógio”, pois a usina de tabaco
trabalha em período de safra e entressafra, e para cumprir com a proposta foi necessário
agilizar e aproveitar o tempo para implementar a sintonia no processo real. Deste modo alguns
obstáculos tiveram que ser superados. Pode-se citar o levantamento da função de
transferência, pois o supervisório existente (RealFlex) não permite compartilhamento de
dados com a plataforma windows. O mesmo trabalha com uma plataforma específica que é o
QNX Windows, esta roda em uma base UNIX.
A solução foi estudar uma maneira para buscar os dados dentro do CLP sem utilizar o
supervisório RealFlex. A melhor maneira encontrada foi utilizar o software RSLinks da
Rockwell Automation, este software possui uma ferramenta que permite fazer a comunicação
do CLP com o excel. Foi elaboranda uma macro no excel que colhe os dados dentro do
programa gerados no bloco PID. Isso foi muito importante, pois ficou nítida a visualização e
comparação com o supervisório.
Para o levantamento da função de transferência é necessário abrir a malha do processo.
O risco é bastante grande, na usina fumageira pode-se gerar entupimentos no processo
parando toda a linha de produção. O trabalho em equipe fez-se presente para que os degraus
na variável manipulada acontecessem com segurança, um integrante da equipe ficou na sala
de acionamentos e outro observando o processo para que não houvesse entupimento no auto
feed.
64
É importante ressaltar que em um processo continuo a modelagem matemática do
sistema e a simulação é fundamental antes de qualquer ação no processo real. A simulação
Matlab Simulink, traz segurança na hora de implementar os valores que foram calculados e
simulados para a planta real. Evitando danos ao equipamento, perda de qualidade e
produtividade. O conhecimento da planta se torna mais amplo e claro facilitando o
entendimento do controle implementado. Também existe a satisfação pessoal e a
solidificação dos conhecimentos envolvidos ao longo do projeto.
Vale ressaltar que o software Matlab é uma ferramenta poderosa que pode auxiliar o
profissional da área de automação a obter simulações precisas e seguras. Com isto sugere se
que os envolvidos nesta área busquem aprender e se aperfeiçoar, utilizando as ferramentas
deste trabalho para a sintonia dos controladores nos processos reais.
5.1
Sugestões de trabalhos futuros
É possível estender esse tipo de controle para outra linha de processamento, também
pode ser realizado um controle em cascata para que o controle da balança dinâmica se
comunique com o controle o silo auto feed.
Análises aprofundadas do processo podem produzir controles mais precisos,
aprimorando para cada tipo de fumo e classe processada, controle minucioso para situações
específicas à distúrbios comuns ou por alterações de set point. Aprimorar um sistema de
controle pode ir muito além do que definir os parâmetros ótimos para um controlador PID.
Em função dos diversos aspectos que compõe a planta seria importante colocar no
supervisório, os valores das variáveis da balança, do silo auto feed e mesa de alimentação.
Com isso é possível fazer uma receita para cada tipo e classe de fumo processado e o operador
pode ter acesso às informações.
65
REFERÊNCIAS
ABDALLAH, Yasser Mahumud. Sintonia de Controlador PID via Procedimento
Adaptativo para Controle de Atitude de Veículos Lançadores, 2005, p.53. Disponível
em:<http://mtcm16. sid.inpe.br/col/sid.inpe.br/jeferson/2004/04.22.15.55/doc/publicacao.pdf>
Acesso em: 08/04/2010.
AFUBRA , Anuário Brasileiro do Fumo, Associação dos Fumicultores do Brasil, Rio Grande
do Sul , Editora Gazeta Santa Cruz Ltda,2006.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DA INDÚSTRIA
<http://www.abifumo.org.br/> . Acesso em 30/04/2010.
DO
FUMO.
Disponível
em:
ASTRÖM, Karl J.; HÄGGLUND, Tore. Advanced PID control. Research Triangle Park,
North Carolina: Instrument Society of America, 2006.
CAMPOS, Mario César M. Massa de; TEIXEIRA, Herbert C. G. Controles típicos de
equipamentos e processos industriais. São Paulo: Editora Blucher, 2006. 396p
LIMA, Robson Luiz. Avaliação da Destala Mecanizada no Processamento de Fumo. 2007.
80f. Dissertação (Mestrado) – Programa de Pós-Graduação Sistemas e Processos Industriais,
Universidade de Santa Cruz do Sul, Santa Cruz do Sul, 2007.
LIMA, Carlos Raimundo Erig. Fundamentos de Controle. Especialização em Automação
Industrial, Universidade Tecnológica do Paraná, Curitiba: 2010.
MARIN, Bruno. Sintonia do controlador de nível de um silo de dosagem de combustível
em um forno de clínquer. 2009. 42 f. Monografia (Especialização em Automação
Industrial). – Programa de Pós-Graduação em Automação Industrial, UTFPR. Curitiba, 2009.
OGATA, katsuhiko. Engenharia de Controle Moderno. 3ª ed. Rio de Janeiro-RJ: Editora
Prentice-Hall do Brasil Ltda, 1998.
OLIVEIRA, Adalberto Luiz de Lima. Instrumentação: Fundamentos de Controle de
Processos.
Espírito
Santo:
SENAI-CST,
1999.
Disponível
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ROCKWELL AUTOMATION, publicação Controladores Implementados em CLP. São
Paulo, 1999.
SHREVE, R. Norris; BRINK, Joseph A. Indústrias de processos químicos. 4. ed. Rio de
Janeiro: Editora Guanabara Dois S.A., 1977.
66
STEBEL, Sergio Leandro. Notas de aula de Sintonia de controladores e Estratégias de
Controle. Especialização em Automação Industrial, Universidade Tecnológica do Paraná,
Curitiba: 2010.
VAN OVERSCHEE, P.; DE MOOR, B.. RAPID: The end of Heuristic PID Tuning. In: Ifac
Workshop On Digital Control: Past, Present And Future Of Pid Control, 2000, Terrassa,
Espanha. Preprints: CBS S.A., p. 687-692.

controle de nível da mesa de alimentação em silo auto

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