Malhas de Controle na Indústria de Petróleo e Petroquímica

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Malhas de controle típicas na industria de
processo de petróleo e petroquímico
Carlos Henrique de Morais Bomfim 1
1Departamento de Engenharia Eletrônica − DELT
email: cbomfim@ufmg.br
13 de Agosto de 2019
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 1 de 307
Table of contents I
Introdução
Indústria de processo
Processos
Modelagem e controle
Modelagem
Modelagem - Identificação
Controle: controlador e algoritmo PID
Parametrização do algoritmo PID
Sintonia do PID
Projetando a estrutura de controle
O controle de processo na indústria de petróleo/petroquímica -
malhas típicas
Controle de forno - projeto
Controle de caldeira
Controle de vazão
Controle de surge de compressores
Controle de nívelAutor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 2 de 307
Table of contents II
Controle de pressão
Controle de temperatura
Controle de freqüência de geradores síncronos
Bibliografia
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 3 de 307
Esclarecimento
Forma de elaboração
Este material da disciplina é uma compilação de diversos
materiais, veja bibliografia no final, acrescidos da opinião e
experiência do autor sobre o assunto
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 4 de 307
Introdução:
Curso terá como foco as malhas de controle mais usuais
encontradas na industria de processo de petróleo e
petroquímico. Serão vistos os fundamentos para definição
destas malhas, problemas comuns e sintonia.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 5 de 307
Visão:
Controle de processo = Controle + Processo
(1)
Ter o processo como foco
I como o controle foi inserido no processo
I conhecer o processo
I conhecer controle
I estratégia para união dos dois
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 6 de 307
Controle:
Aurélio
Ter sob o seu domínio, sob a sua vigilância.
Dicionário Informal
Controle é o mecanismo pelo qual é medido o resultado de um
processo comparando com um valor desejado e atuando no
mesmo de forma a alterar o resultado, medindo novamente o
resultado e assim sucessivamente. No controle estão
presentes o processo, a medição (feedback), o valor desejado
(setpoint) a comparação e a ação de controle.
https://www.dicionarioinformal.com.br/controle/
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 7 de 307
Processo:
Dicionário Online de Português
Maneira de se fazer alguma coisa; procedimento: processo de
criação.Ação contínua e prolongada, que expressa
continuidade na realização de determinada atividade.
https://www.dicio.com.br/processo/
Dicionário Informal
Conjunto de atos por que se realiza uma operação qualquer
(química, farmacêutica, industrial etc.): um processo de
fabricação de nitroglicerina. Sequência contínua de fatos que
apresentam certa unidade, ou que se reproduzem com certa
regularidade; andamento, desenvolvimento: o processo de
uma crise econômica. Direito Os autos e todos os documentos
apresentados num litígio: um processo muito volumoso.
https://www.dicionarioinformal.com.br/processo/
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 8 de 307
Controle de Processo:
Ter sob o seu domínio, sob a sua vigilância a maneira de se
fazer alguma coisa de forma contínua e prolongada, que
expressa continuidade na realização de determinada atividade.
Controlar é ter um mecanismo pelo qual é medido o resultado
de um processo comparando com um valor desejado e
atuando no mesmo de forma a alterar o resultado, medindo
novamente o resultado e assim sucessivamente. No controle
estão presentes o processo, a medição (feedback), o valor
desejado (setpoint) a comparação e a ação de controle sobre
uma variável capaz de alterar o resultado medido do processo.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 9 de 307
Controle de Processo:
Manual
I controle da temperatura de cozimento no fogão
I controle da temperatura da água do chuveiro
Automático
I controle da temperatura do forno elétrico na cozinha
I controle da pressão de ar num compressor de borracharia
ou do consultório odontológico
Elementos: medição, comparação e atuação.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 10 de 307
Avaliação :
Exercícos:
I Simulação do nível do tanque para os dois casos: 10
pontos
I Obtenção do modelo dinâmico a partir de resultado de
testes na planta: 15 pontos
I Sintonia do PID por três métodos Z&N+CHR+ITAE: 15
pontos
I Elaboração de um memorial descritivo de controle : 20
pontos
I Detalhamento de uma malha de controle a partir de um
memorial descritivo de controle: 20 pontos
I Teste escrito obrigatório: 20 pontos
I Caso o aluno não faça o teste serão reduzidos 20 pontos
do total de pontos conseguidos nas outras atividades
I Cumprimento de prazo é importante. Atraso não negociado
previamente implica em redução dos pontos em 50% do
previsto para a atividadeAutor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 11 de 307
Definição:
Industria de processo de petróleo e petroquímico é um
conjunto de equipamentos, tais como fornos, torres
fracionadoras, permutadores, vasos, bombas, os quais
arranjados de maneira adequada e usando os recursos
disponíveis fazem a conversão da matéria prima em produtos
desejados de forma mais econômica.
Adaptação da definição de [2]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 12 de 307
Indústria de processo :
Esquema de refino
Esquema de refino - exemploAutor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 13 de 307
Indústria de processo :
REGAP
REGAP
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 14 de 307
Indústria de processo :
Refinaria
Unidades de processo - fornos, torres, etc.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 15 de 307
Indústria de processo :
REGAP
Unidades de processo - fornos, torres, etc.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 16 de 307
Indústria de processo :
REGAP
Unidades de processo - fornos, torres, etc.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 17 de 307
Indústria de processo :
REVAP
Unidades de processo - fornos, torres, etc.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 18 de 307
Indústria de processo :
Refinaria
Unidades de processo - fornos, torres, etc.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 19 de 307
Indústria de processo :
Refinaria
Unidades de processo - fornos, torres, etc.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 20 de 307
Indústria de processo :
Refinaria
Unidades de processo - fornos, torres, etc.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 21 de 307
Indústria de processo :
Refinaria
Unidades de processo - destilação atmosférica.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 22 de 307
Indústria de processo :
Refinaria
Unidades de processo - destilação a vácuo.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 23 de 307
Indústria de processo :
Refinaria
Unidades de processo - prato de torre de destilação.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 24 de 307
Indústria de processo :
Refinaria
Unidades de processo - controle de um forno.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 25 de 307
Indústria de processo :
Refinaria
Unidades de processo - craqueamento catalítico fluído.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 26 de 307
Indústria de processo :
Refinaria
Unidades de processo - Hidrodessulfurizaçã0.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 27 de 307
Indústria de processo :
Refinaria
Unidades de processo - Hidrotratamento.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 28 de 307
Indústria de processo :
Refinaria
Unidades de processo - Unidade de Recuperação de Enxofre.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 29 de 307
Indústria de processo :
Petroquimica
Esquema de uma planta petroquímica - UOP.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 30 de 307
Indústria de processo :
Refinaria - Exemplo de número de PIDs por tipo de
unidade
Destilação 100
FCC 90
HDT 160
UGH 75
1 Caldeira + auxiliares 40
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 31 de 307
Projeto do controle de processo :
Motivação para o foco em sintonia de controladores [21]:
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 32 de 307
Projeto do controle de processo :
Motivação para o foco em sintonia de controladores [21]:
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim1 33 de 307
Projeto do controle de processo :
Motivação para o foco em sintonia de controladores [21]:
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 34 de 307
Projeto do controle de processo :
Motivação para o foco em sintonia de controladores:
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 35 de 307
Objetivos do controle de processo :
I Segurança
I Qualidade
I Meio-ambiente
I Restrições operacionais
I Objetivo econômico
Necessidades atendidas pelo controle
I Rejeição de perturbações externas
I Estabilidade do processo
I Otimização
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 36 de 307
Projeto do controle de processo :
Principais elementos
I Variáveis de entrada
I Variáveis de saída
I Estrutura
Requisitos a serem atendidos pelo controle
Baseado nas necessidades a serem atendidas, veja 36,
especificar o foco da malha de controle
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 37 de 307
Projeto do controle de processo :
Principais elementos
Diagrama em blocos
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 38 de 307
Projeto do controle de processo :
Principais elementos
Diagrama em blocos
Análise dos principais elementos
1. controlador responsável por definir a ação a ser tomada
para manter o resultado do processo no valor desejado
2. elemento final responsável por atuar numa variável do
processo de forma a manter o resultado deste processo
no valor desejado
3. processo é o conjunto de equipamentos que realizam a
transformação do material de forma contínua provendo o
resultado desejadoAutor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 39 de 307
Projeto do controle de processo :
Como entender e estudar o controle no processo?
I conhecer a física ou química do processo para definir qual
variável alterar ou manipular de forma a manter o
resultado deste processo no valor desejado
I conhecer a dinâmica do processo para saber como ele
reage às alterações da variável manipulada de forma a
manter o resultado do processo no valor desejado ao
longo do tempo, rejeitando as perturbações.
I conhecer algoritmos de controle para escolher e ajustar
aquele que melhor mantém o resultado do processo no
valor desejado
Para o estudo do controle e ajuste do algoritmo de controle
normalmente o processo é representado por um modelo
dinâmico
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 40 de 307
Projeto do controle de processo :
Alguns cuidados
I Variáveis de entrada: medição, rangeabilidade
I Variáveis de saída: atuação no processo através de ações
que tenham relevância no processo
I Estrutura: complexidade não é o objetivo. Seja simples.
I Número de parâmetros de ajuste comprometem a
aplicação
I Requisitos : confirme que há um entendimento claro do
que será e não será atendido
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 41 de 307
Voltando ao diagrama de blocos
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 42 de 307
Projeto do controle de processo :
Principais elementos
Diagrama em blocos
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 43 de 307
Projeto do controle de processo :
O bloco do processo:
I Modelo dinâmico
I O que está incluído do ponto de vista do sistema de
controle?
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 44 de 307
Projeto do controle de processo :
O bloco do processo, obtendo o modelo:
I Modelo físico-químico
I Identificação
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 45 de 307
Projeto do controle de processo :
Obtendo o modelo físico-químico do processo:
Sistema de nível
Obtendo o modelo físico-químico do processo:
onde:
H : altura total do tanque
Qe : vazão volumétrica de entrada
Qs : vazão volumétrica de saída
D: diâmetro do tanque
A: área do tanque
e considerando que a massa específica se mantém
constante
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 46 de 307
Projeto do controle de processo :
Obtendo o modelo físico-químico do processo:
Sistema de nível
Obtendo o modelo físico-químico do processo:
A variacão de nível do tanque pode ser expressa por:
A
dh
dt
= Qe −Qs (2)
onde
A =
π × D2
4
(3)
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 47 de 307
Projeto do controle de processo :
Obtendo o modelo físico-químico do processo:
Diagrama em blocos
Obtendo a função de transferência do processo:
AsH(s) = Qe(s)−Qs(s) (4)
onde
H(s) =
1
s
Qe(s)−Qs(s)
A
(5)
Notar que o processo é integrador!
Para qual valor ele irá convergir quando Qe > Qs ?
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 48 de 307
Projeto do controle de processo :
Obtendo o modelo físico-químico do processo:
Diagrama em blocos
Fazendo com que a vazão de saída seja função do nível:
Qs =
h
R
(6)
onde:
R : resistência ao escoamento
e escoamento em regime laminar
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 49 de 307
Projeto do controle de processo :
Obtendo o modelo físico-químico do processo:
Diagrama em blocos
Fazendo com que a vazão de saída seja função do nível:
Obtêm-se as seguintes representações do processo:
A
dh
dt
= Qe −
h
R
(7)
RA(
dh
dt
+ h) = RQe (8)
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 50 de 307
Projeto do controle de processo :
Fazendo com que a vazão de saída seja função do nível:
Obtêm-se as seguintes representações do processo:
A
dh
dt
= Qe −
h
R
(9)
RA(
dh
dt
+ h) = RQe (10)
No domínio de Laplace:
RAsH(s) + H(s) = RQe(s) (11)
H(s)
Qe(s)
=
R
RAs + 1
(12)
Notar que o processo não é mais integrador!
Ele irá convergir para um valor de h que fará Qs = Qe
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 51 de 307
Processo:
Sistema de tanque
Modelo no domínio de Laplace do processo:
Diagrama em blocos
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 52 de 307
Projeto do controle de processo :
Obtendo o modelo físico-químico do processo:
Diagrama em blocos
Comparação com modelo de 1a ordem:
Equação de transferência do processo:
H(s)
Qe(s)
=
R
RAs + 1
(13)
Equação de transferência de um processo de 1a ordem:
H(s)
Qe(s)
=
K
τs + 1
(14)
Logo:
τ = RA, por comparaçãoAutor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 53 de 307
Projeto do controle de processo :
Obtendo o modelo físico-químico do processo:
Comparação com modelo de 1a ordem:
Equação de transferência do processo:
H(s)
Qe(s)
=
R
RAs + 1
(15)
Equação de transferência de um processo de 1a ordem:
H(s)
Qe(s)
=
K
τs + 1
(16)
Logo:
τ = RA
onde τ é a constante de tempo do processo.
Usamos este conhecimento para a identificação do processo.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 54 de 307
Projeto do controle de processo :
Modelo e a Indústria 4.0
I Ao obter o modelo do processo é possível reproduzir o
comportamento do processo com algum grau de precisão.
Isto permite:
I simular partida da unidade
I testar modos de operação diferente
I treinar os técnicos no processo, identificando as relações
de variáveis com o comportamento do processo
I treinar operadores em resposta a emergência
I testar as estratégias de controle
I obter uma avaliação prévia dos parâmetros de controle
No ambiente da Indústria 4.0, revolução digital, estas
funcionalidades são tratadas como gêmeo digital - Digital Twin
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 55 de 307
Projeto do controle de processo :
Identificação do processo: ([1] [12] [3])
I Obtenção do modelo dinâmico a partir de testes na planta
I Modelo deve ser suficiente para a finalidade
I suficiente: conter as informações necessárias ao uso
I Limitações para a realização de testes: amplitude do sinal
de teste
I Presença de ruído nos sinais
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 56 de 307
Projeto do controle de processo :
Principais elementos
Diagrama em blocos
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 57 de 307
Projeto do controle de processo :
Identificação do processo:
I Premissas para a identificação: modelo
I usualmente para processos estáveis adota-se modelo de
primeira ordem com tempo morto
I Sinal para teste
I usual para processos estáveis é teste de resposta ao
degrau em malha aberta
I relé
I outros (?)
I O que está incluído no modelo identificado com dados de
sistemas de controle de processo?
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 58de 307
Projeto do controle de processo :
Identificação do processo:
Resposta de um processo de primeira ordem com tempo morto
Modelo de 1a ordem:
Equação de transferência do processo:
Y (s)
U(s)
=
1e−θs
5s + 1
(17)
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 59 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador - exemplo
Registrador analógico. Além das funções de projeto era usado,
se disponível, nos testes para sintonia dos PIDs.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 60 de 307
Projeto do controle de processo :
Identificação do processo:
Resposta de um processo de primeira ordem com tempo morto
Modelo de 1a ordem:
Equação de transferência do processo:
Y (s)
U(s)
=
1e−θs
5s + 1
(18)
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 61 de 307
Projeto do controle de processo :
Identificação do processo:
Resposta de um processo “real” ao teste do degrau
Modelo de 1a ordem com tempo morto:
Equação de transferência do processo:
Y (s)
U(s)
=
Ganhoe−θs
τs + 1
(19)
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 62 de 307
Projeto do controle de processo :
Identificação do processo:
Resposta de um processo “real” ao teste do degrau
Modelo de 1a ordem com tempo morto:
Equação de transferência do processo:
Y (s)
U(s)
=
Ganhoe−θs
τs + 1
(20)
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 63 de 307
Projeto do controle de processo :
Identificação do processo:
Comportamento de um processo real
Modelo deste processo:
?
Y (s)
U(s)
=
?e−?s
??+?
(21)
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 64 de 307
Projeto do controle de processo :
Identificação do processo: 1a ordem
I Com o controlador em manual aplica-se um degrau na
saída do controlador
I Com a resposta do processo faz-se a identificação dos
parâmetros do modelo escolhido:
I ganho
I constante de tempo
I tempo morto
Modelo deste processo:
Kp =
(Valor_Final−Valor_Inicial)
Amplitude_do_degrau
*Usar valores normalizados
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 65 de 307
Projeto do controle de processo :
Identificação do processo:
Resposta de um processo de primeira ordem com tempo morto
Modelo de 1a ordem:
Equação de transferência do processo:
Y (s)
U(s)
=
1e−θs
5s + 1
(18)
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 66 de 307
Projeto do controle de processo :
Identificação do processo: 1a ordem
I Método da tangente
Modelo deste processo:
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 67 de 307
Projeto do controle de processo :
Identificação do processo: 1a ordem
I Mais próximo do real: efeito do ruído
Modelo deste processo:
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 68 de 307
Projeto do controle de processo :
Identificação do processo: 1a ordem
I Mais próximo do real: identificar com ruído
Modelo deste processo:
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 69 de 307
Projeto do controle de processo :
Identificação do processo: 1a ordem
I Método de Sundaresan-Krishnaswamy
Modelo deste processo:
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 70 de 307
Projeto do controle de processo :
Identificação do processo: 2a ordem
I Com o controlador em manual aplica-se um degrau na saída do
controlador
I A partir da resposta do processo identificar os parâmetros do
modelo escolhido:
I ganho
I constantes de tempo: τ1 e τ2
I tempo morto: θ
Modelo deste processo:
Kp =
(Valor_Final−Valor_Inicial)
Amplitude_do_degrau
*Usar valores normalizadosAutor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 71 de 307
Projeto do controle de processo :
Identificação do processo: 2a ordem
I Método de Harriott modificado
Modelo deste processo:
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 72 de 307
Projeto do controle de processo :
Identificação do processo: 2a ordem
I Identificado como 1a ordem com tempo morto
Modelo deste processo:
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 73 de 307
Projeto do controle de processo :
Identificação do processo: 2a ordem
I Comparação da resposta usando o modelo de 1a ordem
com tempo morto identificado
Modelo deste processo:
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 74 de 307
Projeto do controle de processo :
Exercício: Simular os dois processos
Dados:
I Vazão de entrada: 20m3/h
I Vazão de saída para o caso da vazão de saída
independente: 20m3/h, 15m3/h e 25m3/h
I Diâmetro do tanque: 1,5m
I Resistência ao escoamento: 0,05 unidades
I Altura máxima do tanque: 2m
I Nível inicial : 1m
I Tempo de simulação: até atingir o estado estacionário ou
5 x a constante de tempo, o que for maior
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 75 de 307
Projeto do controle de processo :
Exercício: Simular os dois processos
Simular:
1. No caso 1 simular as situações :
1.1 Vazão de entrada e saída iguais
1.2 Vazão de entrada = 1,2x a vazão de saída
1.3 Vazão de entrada = 0,8x a vazão de saída
2. No caso 2 simular as situações :
2.1 Degrau na vazão de entrada
2.2 Nível inicial = 50%
2.3 Vazão de entrada com oscilação de ±10% com ciclo de 2
vezes o tempo de resposta
2.4 Vazão de entrada: 20m3/h, 15m3/h, 25m3/h e 45m3/h
Algoritmo numérico para simulação e conclusão
Utilizar as referências [4] e [5].
Escreva suas observações quanto ao comportamento. Existe
limite para o sistema no caso 2? Porque?
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 76 de 307
Projeto do controle de processo :
O “controlador” e o algoritmo PID
I Na indústria temos um uso múltiplo para o termo
controlador
I Controlador é o algoritmo P, PI ou PID
I Controlador é um objeto que contém o algoritmo de
controle e provê outras funcionalidades
I Controlador é o hardware onde o algoritmo PID e outras
lógicas são executadas
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 77 de 307
Projeto do controle de processo :
Como construir um controlador de forma heurística
I verificar quão longe o resultado do processo está do valor
desejado e atuar proporcionalmente a esta distância na
variável manipulada e na direção que altere o resultado de
forma a convergir para o resultado desejado
I verificar se a atuação anterior “trouxe” o resultado do
processo para o valor desejado. Caso não trouxer atuar
novamente na variável manipulada. Repetir o
procedimento até que o resultado do processo seja igual
ao valor desejado
I se o resultado do processo alterar muito rapidamente, com
relação à dinâmica do sistema, atuar também rapidamente
na variável manipulada para evitar um grande
distanciamento entre o resultado do processo e o valor
desejado.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 78 de 307
Projeto do controle de processo :
Como construir um algoritmo de controle de forma
heurística
I verificar quão longe o resultado do processo está do valor
desejado e atuar proporcionalmente a esta distância na
variável manipulada e na direção que altere o resultado de
forma a convergir para o resultado desejado =⇒ Modo
Proporcional
I verificar se a atuação anterior “trouxe” o resultado do
processo para o valor desejado. Caso não trouxer atuar
novamente na variável manipulada. Repetir o
procedimento até que o resultado do processo seja igual
ao valor desejado =⇒ Modo Integral
I se o resultado do processo alterar muito rapidamente, com
relação à dinâmica do sistema, atuar também rapidamente
na variável manipulada para evitar um grande
distanciamento entre o resultado do processo e o valor
desejado, antecipando a reação do controle =⇒ Modo
Derivativo
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 79 de 307
Projeto do controle de processo :
Como construir um controlador de forma heurística
I o controle de temperatura de forno elétrico doméstico
utilza qual modo de controle?
I controle do compressor de ar odontológico?
I controle de nível de caixa d’água?
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 80 de 307
Projeto do controle de processo :
Algoritmo PID - representação matemática
=⇒No domínio do tempo:
u(t) = Kc(e(t) + 1Ti
∫ t
0 e(t)dt + Td
d
dt e(t))
=⇒No domínio de Laplace:
U(s) = Gc(s)E(s)
Gc(s) = Kc(1 + 1Ti s + Tds)
onde:
I Kc ganho proporcional
I Ti : constante de tempo integral
I Td : constante de tempo derivativo
Esta estrutura de controle é chamada também decontrolador
não-iterativo, algoritmo ISA ou de paralelo não-iterativo [7]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 81 de 307
Projeto do controle de processo :
O objetos controlador - exemplo
Controladores - uma história
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 82 de 307
Projeto do controle de processo :
Controlador PI pneumático
Controladores - implementação do controlador PI pneumático
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 83 de 307
Projeto do controle de processo :
O algoritmo PID - implementações em sistemas de
controle
Gc(s) = Kc + 1Ti s + Tds
onde:
I Chamado de estrutura de controle paralelo
I Exemplo de sistemas que usam esta estrutura na
implementação do algoritmo PID
I ABB, antiga Bailey, Sistema Harmony - Simphony FC 19
I Fanuc Series 90-30 e 90-70
I GE, antiga Intellution, FIX
I Honeywell TDC3000
I Yokogawa
Conforme [7]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 84 de 307
Projeto do controle de processo :
O algoritmo PID - implementações em sistemas de
controle
Gc(s) = Kc(1 + 1Ti s +
Td s
1+s TdN
)
onde:
I Chamado de controlador com derivativo filtrado
I Exemplo de sistemas que usam esta estrutura na
implementação do algoritmo PID
I ABB, antiga Bailey, Sistema Harmony/Simphony FC 156,
com N = 10
I Schneider, antiga Foxboro, controlador PIDA
I Schneider,Modicon 984, 2 ≤ N ≥ 30
I Siemens Teleperm PSC7, com N = 10
Conforme [7]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 85 de 307
Projeto do controle de processo :
O algoritmo PID - implementações em sistemas de
controle
Gc(s) = Kc(1 + 1Ti s )
Td s
1+s TdN
onde:
I Chamado de controlador clássico, controlador cascata,
iterativo, serie, derivativo-antes-do-reset, analógico ou
controlador comercial
I Exemplo de sistemas que usam esta estrutura na
implementação do algoritmo PID
I Honeywell TDC 3000
I Schneider, antiga Foxboro, controlador PIDA
I Toshiba TOSDIC 200 3,33 ≤ N ≥ 10
I Siemens Teleperm PSC7, com N = 10
Conforme [7]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 86 de 307
Projeto do controle de processo :
O algoritmo PID - implementações em sistemas de
controle
Gc(s) =
Kc((1− α) + 1Ti s +
Td s
1+s (1−β)TdN
)R(s)− Kc(1 + 1Ti s +
Td s
1+s TdN
)Y (s)
onde:
I Chamado de controlador com dois graus de liberdade
I Exemplo de sistemas que usam esta estrutura na
implementação do algoritmo PID
I ABB, antiga Bailey, Sistema Net 90
I Yokogawa
I Rockwell SLC5/02, SLC5/03, Logix5550 e outros (variante)
I Modcomp (variante)
Conforme [7]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 87 de 307
Projeto do controle de processo :
O algoritmo PID - implementações em sistemas de
controle
PID de velocidade
PID posicional
Consultar [1], [8] e[9] para maiores informações.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 88 de 307
Projeto do controle de processo :
O algoritmo PID - implementações em sistemas de
controle, forma digital\discreta [24]
I PID posicional
I U = KcE + ΣKiE∆t + Kd ∆E∆t
I PID de velocidade
I U = Un−1 + Kc∆E + KiE∆t + ∆D)
I onde ∆D = Kd (Dn − Dn−1)
e
Dj =
Ej−2Ej−1+Ej−2
∆t
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 89 de 307
Projeto do controle de processo :
O algoritmo PID - implementações em sistemas de
controle
PID de velocidade versus PID posicional
I implementação mais simples
I alteração de sintonia com a malha em automático sem
causar distúrbios
I transferência sem balanço entre modo manual e
automático requer cuidados na configuração no caso do
PID de posição
I seleção de saída de controle quando usado em conjunto
com outros controladores requer lógicas mais complexa
na configuração no caso do PID de posição
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 90 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador - exemplo
Controlador pneumático PI: algoritmo, estação A/M, “balanço”
e ajuste de SP
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 91 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador - exemplo
Controlador pneumático PI: algoritmo, estação A/M, “balanço”
e ajuste de SP
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 92 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador - exemplo
Como implementar os algoritmos de controle PID?
O algoritmo PID conforme apresentado na IEC61131-3
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 93 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador - exemplo
Como implementar os algoritmos de controle PID?
O algoritmo PID conforme apresentado na IEC61131-3 - Modo
Integral
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 94 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador - exemplo
Como implementar os algoritmos de controle PID?
O algoritmo PID conforme apresentado na IEC61131-3 - Modo
Derivativo
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 95 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador - exemplo
Como implementar os algoritmos de controle PID?
O algoritmo PID conforme apresentado na IEC61131-3 -
Alarme
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 96 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador - exemplo
Como implementar os algoritmos de controle PID?
O algoritmo PID conforme apresentado na IEC61131-3 -
Funções principais
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 97 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador - exemplo
Como implementar os algoritmos de controle PID?
Configuração de controle PID: qual a frequencia de execução
do algorítmo?
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 98 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador - exemplo
Como implementar os algoritmos de controle PID?
Configuração de controle PID no PLC Twido da Schneider
(Telemecanique).
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 99 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador - exemplo
Como implementar os algoritmos de controle PID?
Configuração de controle PID no PLC Twido da Schneider
(Telemecanique).
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 100 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador - exemplo
Como implementar os algoritmos de controle PID?
Configuração de controle PID no PLC Twido da Schneider
(Telemecanique).
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 101 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador - exemplo
Como implementar os algoritmos de controle PID?
Configuração de controle PID no PLC Twido da Schneider
(Telemecanique).
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 102 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador - exemplo
Como implementar os algoritmos de controle PID?
Configuração de controle PID no PLC Twido da Schneider
(Telemecanique).
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 103 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador - exemplo
Como implementar os algoritmos de controle PID?
Configuração de controle PID no PLC Twido da Schneider
(Telemecanique).
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 104 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador - exemplo
Como implementar os algoritmos de controle PID?
Configuração de controle PID no PLC Twido da Schneider
(Telemecanique).
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 105 de 307
Projeto do controle de processo :
O algoritmo PID - implementações em sistemas de
controle
Alguns pontos
I o que deve ser acessado pelo operador?
I o que é acessado para sintonia?
I onde devem ficar as informações: SCADA ou PLC?
Mapear uso
I o que tem de ser preservado: na falta de energia? na
troca de cpu? desastre, incêndio?
I como fazer redundância na IHM?
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 106 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador - exemplo
Como implementar os algoritmos de controle PID?
PID dos PLCs S7 300 e S7 400 da Siemens
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 107 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador - exemplo
Como implementar os algoritmos de controle PID?
Configuração de controle PID no sistema
Harmony/SymphonyPlus da ABB
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 108 de 307
Projeto do controlede processo :
O objeto controlador - exemplo
Como implementar os algoritmos de controle PID?
Configuração de controle PID no sistema 800xA da ABB
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 109 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador - exemplo
Como implementar os algoritmos de controle PID?
PID do sistema Harmony/SymphonyPlus da ABB
PID do sistema Harmony/SymphonyPlus da ABB
PID do sistema Harmony/SymphonyPlus da ABB
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 110 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador - exemplo
Como implementar os algoritmos de controle PID?
Exemplo no iFix 5.8
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 111 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador implementado em sistemas digitais -
exemplos
PID Rockwell [8]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 112 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador implementado em sistemas digitais -
exemplos
PID Rockwell [8]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 113 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador implementado em sistemas digitais -
exemplos
PID Rockwell [8]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 114 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador implementado em sistemas digitais -
exemplos
PID ABB [10]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 115 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador implementado em sistemas digitais -
exemplos
3BTG811792-3032 / A Page 7 
Section 2 - Function Block & Data Types 
Function Block 
Name Data Type Attributes 
Directi
on
FD
Port 
Initial value Description 
Name string coldretain in yes 'PID01' Object name
Description string coldretain in yes 'Descr' Object description
Enable bool coldretain in yes true Enable object
TrackA dint coldretain in yes 1 Selection of tracking reference
TrackB dint coldretain in yes 1 Selection of how to track
TrackC dint coldretain in yes 0 Selection of tracking reference for 
external setpoint 
RevAct dint coldretain in yes 1 Reverse control action
Deriv dint coldretain in yes 0 Selection of derivation
FeedFwd real retain in yes Added output value for feedforward
MV real retain in yes Measured Value
AIErr dword retain in yes 16#C0 MV status
Speed1 real coldretain in yes 2.0 Max setpoint change rate in Auto mode 
(unit/s) 
Speed4 real coldretain in yes 20.0 Max output change rate (unit/s)
ManEnbl bool coldretain in yes true Enable Man mode
AutoEnbl bool coldretain in yes true Enable Auto mode
E1Enbl bool coldretain in yes Enable E1 mode
E2Enbl bool coldretain in yes Enable E2 mode
E3Enbl bool coldretain in yes Enable E3 mode
ExtRef1 real retain in yes External reference setpoint in E1 mode
ExtRef2 real retain in yes External reference setpoint in E2 mode
ExtRef3 real retain in yes External reference setpoint in E3 mode
Speed2 real coldretain in yes 2.0 Max setpoint change rate in E1 mode 
(unit/s) 
Speed3 real coldretain in yes 2.0 Max setpoint change rate in E2 mode 
(unit/s) 
SeqE1 bool retain in yes Order mode to E1
SeqE2 bool retain in yes Order mode to E2
SeqE3 bool retain in yes Order mode to E3
Local bool retain in yes Order mode to Local
BalIn bool retain in yes Order mode to Balance
SeqMan bool retain in yes Order mode to Man
SeqAuto bool retain in yes Order mode to Auto
BalRef real coldretain in yes 0.0 Balance Reference
Clamp bool retain in yes Order mode to Clamp
ClampRef real coldretain in yes 0.0 Clamp Reference
EOLim bool retain in yes Enable external output limit
EOLL real coldretain in yes 0.0 External Output Low Limit
EOHL real coldretain in yes 100.0 External Output High Limit
IB1 bool retain in yes true Process Interlock 1
IB2 bool retain in yes true Process Interlock 2
IB3 bool retain in yes true Process Interlock 3
IB4 bool retain in yes true Process Interlock 4
IB1Ref real coldretain in yes 0.0 Reference for Process Interlock 1
PID ABB [10]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 116 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador implementado em sistemas digitais -
exemplos
3BTG811792-3032 / A Page 8 
Name Data Type Attributes 
Directi
on
FD
Port 
Initial value Description 
IB2Ref real coldretain in yes 0.0 Reference for Process Interlock 2
IB3Ref real coldretain in yes 0.0 Reference for Process Interlock 3
IB4Ref real coldretain in yes 0.0 Reference for Process Interlock 4
ActPos real retain in yes Actuator position
AlcBlk bool retain in yes Block alarm
AlarmAck bool retain in yes Acknowledge alarm
ExtResetFB real retain in yes External reset feedback
ExtResetFBEn bool retain in yes Enable external reset feedback
ExtCtrl Ext_Control by_ref in yes External control
MVAlarms Alarm4Limit by_ref in yes MV alarm configuration
DevAlarms Alarm2Limit by_ref in yes Deviation alarm configuration
InPar PID01_InPar by_ref in yes In Parameter
EventName string coldretain in yes '||PID01_' Event name
AutoSP real retain out yes Auto setpoint
WSP real retain out yes Working setpoint
Dev real retain out yes Deviation
OutP real retain out yes Output
Sim bool retain out yes Simulation mode
Bal bool retain out yes Balance mode
Man bool retain out yes Man mode
ManFd bool retain out yes Man Forced mode
Auto bool retain out yes Auto mode
E1 bool retain out yes E1 mode
E2 bool retain out yes E2 mode
E3 bool retain out yes E3 mode
BalOut bool retain out yes Balance Out
OutEqLL bool retain out yes Output less than or equal to Low Limit
OutEqHL bool retain out yes Output greater than or equal to High Limit
SpEqLL bool retain out yes SP less than or equal to Low Limit
SpEqHL bool retain out yes SP greater than or equal to High Limit
MV_GT_H2 bool retain out yes MV greater than or equal to High High 
Limit (H2) 
MV_GT_H1 bool retain out yes MV greater than or equal to High Limit 
(H1) 
MV_LT_L1 bool retain out yes MV less than or equal to Low Limit (L1)
MV_LT_L2 bool retain out yes MV less than or equal to Low Low Limit 
(L2) 
Dev_GT_H bool retain out yes Deviation greater than or equal to High 
Limit 
Dev_LT_L bool retain out yes Deviation less than or equal to Low Limit
OLimErr bool retain out yes Output Low Limit is greater than Output 
High Limit 
NoInt bool retain out yes No Interlocks
Err bool retain out yes Error
ExtParOut Ctrl_Data by_ref out yes Control data for supervisory control
OutPar PID01_OutPar by_ref out yes Out Parameter
Opr PID01_Opr by_ref out yes Operator order
PID ABB [10]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 117 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador implementado em sistemas digitais -
exemplos
PID ABB [10]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 118 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador implementado em sistemas digitais -
exemplos
PID ABB [10]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 119 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador implementado em sistemas digitais -
exemplos
3BTG811792-3032 / A Page 15 
Dev = (MV - WSP) * (OUTmax - OUTmin) / (MVmax - MVmin)
where: 
Dev = control deviation 
MV = measured value (internally limited to the range of the MV signal) 
WSP = working setpoint 
Transfer Function 
The transfer function for a PID controller consists of the sum of the different transfer functions 
for PI-controller and derivation. 
TFs
TDs
Ts
MVWSPGainsG
11
1
)(
where: 
Gain = gain constant * (OUTmax - OUTmin) / (MVmax - MVmin)
TI = integration time constant 
TD = derivation time constant 
TF = filter time constant 
= beta factor (setpoint factor) 
The PID algorithm in the function block performs the following tests: 
 If TI < Ts, then TI = Ts
 If Abs(Dev) < IntegralDeadband, then no integration change. 
 If TD and TF 2 x Ts, then TD and TF = 2 x Ts
where: Ts = the sampling time for the controller. 
The beta factor appearing in the P part makes the formula differs from the most common form 
of a PID controller (in which case the beta factor hasthe fixed value = 1, the P part thus operating 
on the deviation Dev). The inclusion of beta factor allows the loop to be made faster without 
causing big overshoots at setpoint changes. To get an ordinary P or PD controller without a 
reduced beta factor, then beta factor should be set to 1. 
The beta factor allows two-degree-of-freedom control in the PID controller. This means that 
the response to a setpoint step of a certain size differs from a disturbance step in the measured 
value of the same size. Using a value of beta factor less than one can be used to avoid excessive 
overshoot in the setpoint step response (controller is slower for setpoint changes compared to 
measurement disturbances). But this factor can also be used to increase the setpoint gain (thereby 
speeding up the setpoint step response) in cases where the controller proportional gain has to be 
kept low due to a high disturbance level (i.e. measurement noise). 
Reverse Action 
The input RevAct defines the selection of function in term of PI and D control. 
 0 = Direct action in PI and D
 1 = Reverse action in PI and D
 2 = Direct action in PI and Reverse action in D
 3 = Reverse action in PI and Direct action in D
PID ABB [10]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 120 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador implementado em sistemas digitais -
exemplos
PID ABB [10]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 121 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador implementado em sistemas digitais -
exemplos
PID ABB [10]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 122 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador implementado em sistemas digitais -
exemplos
PID ABB [10]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 123 de 307
Projeto do controle de processo :
Como construir um controlador de forma heurística
I verificar quão longe o resultado do processo está do valor
desejado e atuar proporcionalmente a esta distância na
variável manipulada e na direção que altere o resultado de
forma a convergir para o resultado desejado
I verificar se a atuação anterior “trouxe” o resultado do
processo para o valor desejado. Caso não trouxer atuar
novamente na variável manipulada. Repetir o
procedimento até que o resultado do processo seja igual
ao valor desejado
I se o resultado do processo alterar muito rapidamente, com
relação à dinâmica do sistema, atuar também rapidamente
na variável manipulada para evitar um grande
distanciamento entre o resultado do processo e o valor
desejado.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 124 de 307
Projeto do controle de processo :
Parametrização do controlador: do PID e demais
funcionalidades - considerações
I ter uma base para configuração, ou seja, um objeto
padronizado e testado
I verificar as especificações de controle⇒ Memorial
Descritivo de Controle
I obter dados dos medidores
I obter dados dos atuadores
I verificar limitações do processo
I verificar performance
I verificar iteração com outras malhas para definir alocação
⇒ OPA
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 125 de 307
Projeto do controle de processo :
Parametrização do controlador: do PID e demais
funcionalidades - exemplo
PID ABB [?]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 126 de 307
Projeto do controle de processo :
Parametrização do controlador - objeto padronizado:
funcionalidades
I maioria dos controladores deve ter modo manual (?)
I a transferência entre os modos manual, automático,
cascata/remoto, supervisório e DDC deve ser sem balanço
⇒ sem distúrbio no processo
I apresentação das principais informações; SP, PV, saída e
modo
I alarmes : como são apresentados. Projeto do sistema de
alarmes⇒ EEMUA Publication 191 Alarm systems
I comportamento do objeto controlador em caso de falha
detectável. Quais falhas?
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 127 de 307
Projeto do controle de processo :
Parametrização do controlador - objeto padronizado:
funcionalidades
I verificar iteração com outras malhas para definir alocação
⇒ OPA
I padronização da interface com sistemas externos ao
sistema de controle ou uma visão mais moderna de
interoperabilidade
I segurança de acesso aos vários níveis do objeto:
operação, sintonia e configuração
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 128 de 307
Projeto do controle de processo :
Parametrização do controlador - parâmetros do algoritmo
PID
I para início de operação é necessário definir os parâmetros
do algoritmo - fase de “construção”
I valores devem assegurar um controle sem “trancos” na
unidade
I usar controlador PI
I usar ganho pequeno, < 1, e tempo integral grande, é uma
boa regra empírica
I ajuste feito por vários métodos: tentativa e erro e métodos
de identificação/sintonia
I quantidade de malhas demandando sintonia na partida é
grande
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 129 de 307
Sintonia - cálculo dos ajustes PID
Sintonia do controlador PID
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 130 de 307
Sintonia - cálculo dos ajustes PID
Parametrização do controlador: do PID e demais
funcionalidades - exemplo
Desempenho do controle
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 131 de 307
Sintonia - cálculo dos ajustes PID
Critérios
I menor “overshoot”, relação A/B
I Tempo de subida Ts menor
I Tempo de assentamento Ta menor. Critério
|Erro| < 5%∀t > Ta
I Minimização de atuação na variável manipulada
I Utilizar índice de desempenho
Critérios - visão mais recente [14]
Resposta de 1a ordem, sem ultrapassagem
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 132 de 307
Sintonia - cálculo dos ajustes PID
Índice de desempenho
Índice Significado Cálculo
IAE Integral do módulo do erro
∫
|e(t)|dt
ISE Integral do erro ao quadrado
∫
|e(t)2|dt
ITAE Integral do módulo do erro vezes o tempo
∫
t |e(t)|dt
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 133 de 307
Sintonia - cálculo dos ajustes PID
Parametrização do controlador: do PID e demais
funcionalidades - exemplo
Desempenho do controle de acordo com desempenho
escolhido/requeridoAutor Carlos Henrique de Morais Bomfim
1 134 de 307
Projeto do controle de processo :
Sintonia do controlador PID
I vários métodos
I maioria dos métodos demandam modelo/identificação
I mais frequente uso de teste do degrau e modelo de 1
ordem com tempo morto
I vários critérios para sintonia: depende da premissa usada
I critérios/métodos: Ziegler e Nichols, IAE, ITAE, IMC, etc
I importante: entenda o critério e escolha o que usar.
Normalmente usamos dois, sendo um deles mais
frequente
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 135 de 307
Sintonia - cálculo dos ajustes PID
Parametrização do controlador: do PID e demais
funcionalidades - exemplo
Testar e obter os parâmetros
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 136 de 307
Sintonia - cálculo dos ajustes PID
Parametrização do controlador: do PID e demais
funcionalidades - exemplo
Testar e obter os parâmetros
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 137 de 307
Sintonia - cálculo dos ajustes PID
Parametrização do controlador: do PID e demais
funcionalidades - exemplo
Testar e obter os parâmetros - simulação
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 138 de 307
Sintonia - cálculo dos ajustes PID
Sintonia proposta por Ziegler e Nichols
Controlador Kp Ti TD
P τKθ −−−− −−−−
PI 0.9 τKθ 3.33θ −−−−
PID 1.2 τKθ 2θ 0.5θ
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 139 de 307
Sintonia - cálculo dos ajustes PID
Sintonia proposta por Lopez et al,1967
Kp Ti TD
1
K (A(
θ
τ )
B) τ
(C( θ
τ
)D)
τ(E( θτ )
F )
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 140 de 307
Sintonia - cálculo dos ajustes PID
Sintonia proposta por Lopez et al,1967 - Coeficientes
Controlador Critério A B C D E F
PI IAE 0.984 -0.986 0.608 -0.707 - -
PI ITAE 0.859 -0.977 0.674 -0.68 - -
PID IAE 1.435 -0.921 0.878 -0.749 0.482 1.137
PI ITAE 1.357 -0.947 0.842 -0.738 0.381 0.995
Notas:
- IAE :
∫
|e(t)|dt
- ITAE :
∫
t|e(t)|dt
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 141 de 307
Sintonia - cálculo dos ajustes PID
Sintoniaproposta por Rivera, Morari e Skogestad, 1986
Método do Modelo Interno (IMC)
Controlador Kp Ti TD Desempenho sugerido
PID 2τ+θK (2λ+θ τ +
θ
2
τθ
2τ+θ
λ
θ > 0.8
PI 2τ+θK (2λ τ +
θ
2 -
λ
θ > 1.7
Nota: consultar a referencia [1] para premissas e detalhes
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 142 de 307
Sintonia - cálculo dos ajustes PID
Sintonia proposta por Rivera, Morari e Skogestad, 1986
Método do Modelo Interno (IMC)
Processo Kp Ti TD
K
τs+1
τ
Kλ τ -
K
(τ1s+1)(τ2s+1)
τ1+τ2
Kλ τ1 + τ2
τ1τ2
τ1+τ2
K
s
1
Kλ − -
K
s(τs+1)
1
Kλ − τ
Nota:
Consultar a referencia [1] para premissas e detalhes
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 143 de 307
Implementação do Projeto do controle de processo :
O projeto básico de controle
O que é especificado e onde - Caso do tanque
O que pode ser controlado - graus de liberdade
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 144 de 307
Implementação do Projeto do controle de processo :
O projeto básico de controle
O que é especificado e onde - Caso do tanque
I fluxograma define, no mínimo, o controle regulatório
I malhas mais complexas requerem uma descrição
I definição de estruturas, mesmo básicas, normaliza o
vocabulário
I deve ser dada atenção nos procedimentos de partida e de
parada e sua influencia na malha
I rangeabilidade de medição e de válvulas
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 145 de 307
Implementação do Projeto do controle de processo :
O projeto básico de controle
O que é especificado e onde
PFD - Fluxograma de processo
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 146 de 307
Implementação do Projeto do controle de processo :
O projeto básico de controle
O que é especificado e onde
Diagrama P&ID - Fluxograma de Engenharia
DiagramadeTubulaoeInstrumentao
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 147 de 307
Implementação do Projeto do controle de processo :
O projeto básico de controle
O que é especificado e onde
PFD - Fluxograma de processo e Diagrama P&ID - Fluxograma
de Engenharia
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 148 de 307
Implementação do Projeto do controle de processo :
O projeto básico de controle
O que é especificado e onde
Diagrama P&ID
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 149 de 307
Implementação do Projeto do controle de processo :
O projeto básico de controle
O que é especificado e onde
Diagrama P&IDAutor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 150 de 307
Implementação do Projeto do controle de processo :
O projeto básico de controle
O que é especificado e onde
Detalhamento de uma malha de controle
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 151 de 307
Implementação do Projeto do controle de processo :
O projeto básico de controle
O que é especificado e onde
Detalhamento de uma malha de controle
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 152 de 307
Implementação do Projeto do controle de processo :
O projeto detalhado de controle
Onde os algoritmos de controle e monitoração serão
executados?
I necessário definir arquitetura
I sistemas de controle básico de processo e sistemas de
segurança, distinção entre eles
I tamanho do “problema de controle” versus tamanho do
sistema
Alocação de sinais e lógicas
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 153 de 307
Implementação do Projeto do controle de processo :
O projeto detalhado de controle
Onde os algoritmos de controle e monitoração serão
executados?
I tempo requerido para amostragem de sinais, intervalo
entre processamento de lógicas, tempo de execução da
lógica
Respondendo a estas questões na fase de projeto
I o problema de sincronismo: sistema de E/S, algoritmo de
controle executado de forma distribuída, exemplo
Foundation Fieldbus
I ação em caso de falha.
O que é falha para o sistema e para o usuário do sistema
de controle?
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 154 de 307
Implementação do Projeto do controle de processo :
O projeto detalhado de controle - Arquitetura
Onde os algoritmos de controle e monitoração serão
executados?
Exemplo de arquitetura de um sistema - várias possibilidades
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 155 de 307
Implementação do Projeto do controle de processo :
O projeto detalhado de controle - Arquitetura
Onde os algoritmos de controle e monitoração serão
executados?
Exemplo de painel de controle de um sistema
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 156 de 307
Implementação do Projeto do controle de processo :
O projeto detalhado de controle - Arquitetura
Onde os algoritmos de controle e monitoração serão
executados?
CPUs de sistema de controle: SDCD e PLC (convergência de
solução?)
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 157 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador implementado em sistemas digitais -
exemplos
PID Rockwell [8]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 158 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador implementado em sistemas digitais -
exemplos
PID Rockwell [8]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 159 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador implementado em sistemas digitais -
exemplos
3BTG811792-3032 / A Page 7 
Section 2 - Function Block & Data Types 
Function Block 
Name Data Type Attributes 
Directi
on
FD
Port 
Initial value Description 
Name string coldretain in yes 'PID01' Object name
Description string coldretain in yes 'Descr' Object description
Enable bool coldretain in yes true Enable object
TrackA dint coldretain in yes 1 Selection of tracking reference
TrackB dint coldretain in yes 1 Selection of how to track
TrackC dint coldretain in yes 0 Selection of tracking reference for 
external setpoint 
RevAct dint coldretain in yes 1 Reverse control action
Deriv dint coldretain in yes 0 Selection of derivation
FeedFwd real retain in yes Added output value for feedforward
MV real retain in yes Measured Value
AIErr dword retain in yes 16#C0 MV status
Speed1 real coldretain in yes 2.0 Max setpoint change rate in Auto mode 
(unit/s) 
Speed4 real coldretain in yes 20.0 Max output change rate (unit/s)
ManEnbl bool coldretain in yes true Enable Man mode
AutoEnbl bool coldretain in yes true Enable Auto mode
E1Enbl bool coldretain in yes Enable E1 mode
E2Enbl bool coldretain in yes Enable E2 mode
E3Enbl bool coldretain in yes Enable E3 mode
ExtRef1 real retain in yes External reference setpoint in E1 mode
ExtRef2 real retain in yes External reference setpoint in E2 mode
ExtRef3 real retain in yes External reference setpoint in E3 mode
Speed2 real coldretain in yes 2.0 Max setpoint change rate in E1 mode 
(unit/s) 
Speed3 real coldretain in yes 2.0 Max setpoint change rate in E2 mode 
(unit/s) 
SeqE1 bool retain in yes Order mode to E1
SeqE2 bool retain in yes Order mode to E2
SeqE3 bool retain in yes Order mode to E3
Local bool retain in yes Order mode to Local
BalIn bool retain in yes Order mode to Balance
SeqMan bool retain in yes Order mode to Man
SeqAuto bool retain in yes Order mode to Auto
BalRef real coldretain in yes 0.0 Balance Reference
Clamp bool retain in yes Order mode to Clamp
ClampRef real coldretain in yes 0.0 Clamp Reference
EOLim bool retain in yes Enable external output limit
EOLL real coldretain in yes 0.0 External Output Low Limit
EOHL real coldretain in yes 100.0 External Output High Limit
IB1 bool retain in yes true Process Interlock 1
IB2 bool retain in yes true Process Interlock 2
IB3 bool retain in yes true Process Interlock 3
IB4 bool retain in yes true Process Interlock 4
IB1Ref real coldretain in yes 0.0 Reference for Process Interlock 1
PID ABB [10]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 160 de 307
Projeto do controle de processo :
O objeto controlador implementado em sistemas digitais -
exemplos
3BTG811792-3032 / A Page 8 
Name Data Type Attributes 
Directi
on
FD
Port 
Initial value Description 
IB2Ref real coldretain in yes 0.0 Reference for Process Interlock 2
IB3Ref real coldretain in yes 0.0 Reference for Process Interlock 3
IB4Ref real coldretain in yes 0.0 Referencefor Process Interlock 4
ActPos real retain in yes Actuator position
AlcBlk bool retain in yes Block alarm
AlarmAck bool retain in yes Acknowledge alarm
ExtResetFB real retain in yes External reset feedback
ExtResetFBEn bool retain in yes Enable external reset feedback
ExtCtrl Ext_Control by_ref in yes External control
MVAlarms Alarm4Limit by_ref in yes MV alarm configuration
DevAlarms Alarm2Limit by_ref in yes Deviation alarm configuration
InPar PID01_InPar by_ref in yes In Parameter
EventName string coldretain in yes '||PID01_' Event name
AutoSP real retain out yes Auto setpoint
WSP real retain out yes Working setpoint
Dev real retain out yes Deviation
OutP real retain out yes Output
Sim bool retain out yes Simulation mode
Bal bool retain out yes Balance mode
Man bool retain out yes Man mode
ManFd bool retain out yes Man Forced mode
Auto bool retain out yes Auto mode
E1 bool retain out yes E1 mode
E2 bool retain out yes E2 mode
E3 bool retain out yes E3 mode
BalOut bool retain out yes Balance Out
OutEqLL bool retain out yes Output less than or equal to Low Limit
OutEqHL bool retain out yes Output greater than or equal to High Limit
SpEqLL bool retain out yes SP less than or equal to Low Limit
SpEqHL bool retain out yes SP greater than or equal to High Limit
MV_GT_H2 bool retain out yes MV greater than or equal to High High 
Limit (H2) 
MV_GT_H1 bool retain out yes MV greater than or equal to High Limit 
(H1) 
MV_LT_L1 bool retain out yes MV less than or equal to Low Limit (L1)
MV_LT_L2 bool retain out yes MV less than or equal to Low Low Limit 
(L2) 
Dev_GT_H bool retain out yes Deviation greater than or equal to High 
Limit 
Dev_LT_L bool retain out yes Deviation less than or equal to Low Limit
OLimErr bool retain out yes Output Low Limit is greater than Output 
High Limit 
NoInt bool retain out yes No Interlocks
Err bool retain out yes Error
ExtParOut Ctrl_Data by_ref out yes Control data for supervisory control
OutPar PID01_OutPar by_ref out yes Out Parameter
Opr PID01_Opr by_ref out yes Operator order
PID ABB [10]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 161 de 307
O controle de processo na indústria de
petróleo/petroquímica :
A implementação do controle e sua sintonia
Com as informações vistas até aqui podemos separar o
assunto em duas grandes áreas
I qualidade do controle, que inclui identificação, sintonia e
acompanhamento de desempenho
I malhas de controle típicas utilizadas
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 162 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno - conhecendo o processo
Controle de forno de processo
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 163 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno - conhecendo o processo
Descrição do processo:
O forno da unidade deverá aquecer a carga da unidade após sua
passagem pelo sistema de pré-aquecimento constituído de uma
bateria de trocadores. A carga, em passo único, deverá ser mantida
estável.
Para fornecimento de energia no forno será utilizado gas de
processo, oriundo do sistema de recuperação de gas combustível da
unidade. a disponibilidade deste gas varia com as condições de
operação. Este gas pode carrear líquido havendo necessidade de
separar estas frações líquidas de forma a não causar danos aos
queimadores. O forno é um forno de tiragem natural e opera com
pressões entre −10 e −5 mmH2O, não podendo esta pressão ser
superior a +5 mmH2O devido aos riscos de segurança.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 164 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno - conhecendo o processo
Descrição do processo: (continuação)
O forno possui um total de 8 queimadores podendo operar com um
mínimo de 5 queimadores acesos dependo da carga da unidade.
Para assegurar a qualidade da queima é recomendada a operação
com um excesso de 4% de O2, cerco de 20% de excesso de ar. As
malhas de controle implementadas devem prever recursos para o
operador ajustar o forno de forma a prevenir paradas por violação
dos limites aqui citados e otimizar a operação minimizando o
excesso de ar.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 165 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno - conhecendo o processo
Normas aplicáveis:
I NR 14 - NORMA REGULAMENTADORA 14 FORNOS do
Ministério do Trabalho (lei)
I ABNT NBR 12313 Sistema de combustão - Controle e
segurança para utilização de gases combustíveis em
processos de baixa e alta temperatura
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 166 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno - conhecendo o processo
Normas aplicáveis:
NR-14 FORNOS 
 
Publicação D.O.U. 
Portaria GM n.º 3.214, de 08 de junho de 1978 06/07/78 
 
Alterações/Atualizações D.O.U. 
Portaria SSMT n.º 12, de 06 de junho de 1983 14/06/83 
 
(Redação dada pela Portaria SSMT n.º 12, de 06 de junho de 1983) 
14.1 Os fornos, para qualquer utilização, devem ser construídos solidamente, revestidos com material 
refratário, de forma que o calor radiante não ultrapasse os limites de tolerância estabelecidos pela Norma 
Regulamentadora – NR 15. 
 
14.2 Os fornos devem ser instalados em locais adequados, oferecendo o máximo de segurança e conforto aos 
trabalhadores. 
 
14.2.1 Os fornos devem ser instalados de forma a evitar acúmulo de gases nocivos e altas temperaturas em 
áreas vizinhas. 
 
14.2.2 As escadas e plataformas dos fornos devem ser feitas de modo a garantir aos trabalhadores a execução 
segura de suas tarefas. 
 
14.3 Os fornos que utilizarem combustíveis gasosos ou líquidos devem ter sistemas de proteção para: 
a) não ocorrer explosão por falha da chama de aquecimento ou no acionamento do queimador; 
b) evitar retrocesso da chama. 
 
14.3.1 Os fornos devem ser dotados de chaminé, suficientemente dimensionada para a livre saída dos gases 
queimados, de acordo com normas técnicas oficiais sobre poluição do ar. 
NR 14 - NORMA REGULAMENTADORA 14 FORNOS
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 167 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno - conhecendo o processo
Queimador
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 168 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno - conhecendo o processo
Queimadores em operação
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 169 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno - conhecendo o processo
Distância entre queimadores múltiplos - visão filosóficaAutor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 170 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno - conhecendo o processo
Queimadores em operação
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 171 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno - conhecendo o processo
Queimadores - instalação
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 172 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno - malha básica
Malha de controle básica de um forno
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 173 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno - malha básica
Malha de controle básica de um forno
Ajuste manual de tiragem (Pressão da câmara de combustão)
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 174 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno - malha básica
Malha de controle básica de um forno
Pressão da câmara de combustão com atuação na proteção
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 175 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno
Malha de controle de um forno
Controle de limite operacional de pressão da câmara de
combustão para prevenção da atuação naproteção
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 176 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno
Malha de controle de um forno
Cascata do controle de temperatura de saída com vazão de
combustível para aumento de estabilidade
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 177 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno - conhecendo o processo
Queimadores - curva de capacidade
Limites operacionais do queimador
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 178 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno - conhecendo o processo
Queimadores - curva de capacidade
Limites operacionais do queimador
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 179 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno
Malha de controle de um forno
Supervisão de limites operacionais do queimador com atuação
na proteção
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 180 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno
Malha de controle de um forno
Controle de limite operacional do queimador para prevenção
da atuação na proteção
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 181 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno
Malha de controle de um forno
O que significa o sinal adicional chegando no PID?
Realimentação externa!
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 182 de 307
Projeto do controle de processo :
O algoritmo PI - realimentação externa
=⇒No domínio do tempo:
u(t) = Kc(e(t) + 1Ti
∫ t
0 e(t)dt
=⇒No domínio de Laplace:
U(s) = Gc(s)E(s)
Gc(s) = Kc(1 + 1Ti s )
A realimentação externa substitui o termo integral por um filtro
de primeira ordem. Assim a saída do PI fica:
u(t) = Kce(t) + RealimentacaoExterna
Caso o sinal selecionado seja o do controlador com
realimentação a ação do modo integral opera na forma
tradicional:
u(t) = Kce(t) + RealimentacaoExterna
onde (visão simplificada):
RealimentaoExterna = f (u(t)), sendo f () a
implementação de um filtro de primeira ordem.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 183 de 307
Projeto do controle de processo :
O algoritmo PI - realimentação externa
=⇒Sistema amostrado - visão conceitual:
saidaPI = Kcerro + RealimentacaoExterna
saidaPI = Kcerro + 1Ti s+1Realimentacao
Esta implementação previne a saturação do controlador e é
usada em controles “override”.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 184 de 307
Projeto do controle de processo :
O algoritmo PI - realimentação externa
Malha de controle - “override” e reset externo
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 185 de 307
Projeto do controle de processo :
O algoritmo PI - realimentação externa
Malha de controle - “override” e reset externo
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 186 de 307
Projeto do controle de processo :
O algoritmo PI - realimentação externa
Malha de controle - “override” e reset externo
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 187 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de forno - Trabalho 3 e 4
Malha de controle de um forno
Completar o controle de limite de pressão de combustível,
malha de controle de excesso de ar e pressão da câmara e
fazer descritivo
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 188 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de caldeira - conhecendo o processo
Controle de caldeira
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 189 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de caldeira - conhecendo o processo
Descrição do processo:
Caldeiras são equipamentos com a função de produzir vapor para as
empresas. Na verdade fazem parte do sistema de geração de vapor
e, de fato, é o equipaemnto no qual a água é vaporizada através do
fornecimento de energia na forma de calor.
O vapor d’água produzido tem várias aplicações, desde o uso em
acionamento, fornecimento de energia para o processo e outras
aplicações.
Para usinas térmicas a geração de vapor é um dos principais
processos.
Usinas a gas de ciclo combinado utilizam caldeiras de recuperação
de calor e geradores acionados a turbina a vapor para aumento de
eficiência.
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 190 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de caldeira - conhecendo o processo
Tipos de caldeiras:
I caldeira flamotubular:
I nesta os gases de combustão passam pelo interior dos
tubos do sistema de evaporação que são circundados
externamente pela água a ser vaporizada
I caldeira aquatubular:
I nesta os gases de combustão passam pelo exterior dos
tubos do sistema de evaporação. No interior circula a água
a ser vaporizada
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 191 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de caldeira - conhecendo o processo
Caldeira flamotubular
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 192 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de caldeira - conhecendo o processo
Caldeira flamotubular
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 193 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de caldeira - conhecendo o processo
Queimadores para caldeiras flamotubulares
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 194 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de caldeira - conhecendo o processo
Caldeira aquatubular
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 195 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de caldeira - conhecendo o processo
Caldeira aquatubular
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 196 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de caldeira - conhecendo o processo
Caldeira aquatubular
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 197 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de nível de caldeira
Malha de controle de nível a 1 elemento de uma caldeira -
Limitações
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 198 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de nível de caldeira
Malha de controle de nível a 2 elementos de uma caldeira
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 199 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de nível de caldeira
Malha de controle de nível a 3 elementos de uma caldeira
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 200 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de nível a 3 elementos de uma caldeira
I controle antecipatório baseado na demanda de vapor.
I Faça o balanço de massa simplificado e verá a estrutura da
malha
I controlador de nível corrigi erros de medição e “consumos”
não medidos
I aumenta a estabilidade do nível
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 201 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de nível - medição versus transitórios de
pressão [19]
I expansão de nível em transientes de aumento de carga
I ao aumentar a demanda de vapor a pressão sofre uma
redução. ⇒ Fenômeno mais nítido com variações maiores
e rápidas.
I com a redução da pressão a água no interior da caldeira
vaporiza
I com a vaporização o nível no tubulão expande
I com o aumento aparente de nível a malha de controle
reduz a vazão de água de alimentação
I com a resposta da malha de combustão o sistema volta a
operação estável se não houver atuação do sistema de
proteção
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 202 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de nível - medição versus transitórios de
pressão [19]
I contração de nível em transientes de redução de carga. ⇒
Fenômeno mais nítido com variações maiores e rápidas.
I ao reduzir a demanda de vapora pressão sofre um
aumento
I com o aumento da pressão as bolhas de vapor d’água no
interior da caldeira entram em colapso
I com o colapso das bolhas o nível no tubulão contrai
I com a redução aparente de nível a malha de controle
aumenta a vazão de água de alimentação
I com a resposta da malha de combustão o sistema volta a
operação estável se não houver atuação do sistema de
proteção
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 203 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de nível - medição versus transitórios de
pressão
I Os dois fenômenos descritos tem tempos de resposta
diferentes e são um problema de difícil solução no controle
de caldeiras.
I Pode-se usar compensadores no sinal antecipatório, de
acordo com a literatura, porém o ajuste de parametros é
difícil pela necessidade e tipo de testes a serem feitos
I uma atuação rápida da malha de combustão minimiza o
efeito
I atuação manual do operador é outro item a ser
considerado
I eventualmente atuação na pressão do sistema de vapor
ajuda a minimizar o efeito, em especial nas situações de
rejeição de carga
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 204 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de caldeira - malha de combustão
Malha de controle de combustão - gas combustível ou natural
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 205 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de caldeira - malha de combustão
Malha de controle de combustão - gas combustível ou natural
Controle de limite operacional do queimador para prevenção
da atuação na proteção
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 206 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de vazão
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 207 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de vazão
Malhas de controle de vazão representadas em um fluxograma
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 208 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de vazão
I Medição
I tipo de elemento primário
I rangeabilidade
I instalação
I medição para controle versus medição para balanço e
outras necessidades
I Atuador
I válvula de controle e outros. Foco em válvula por ser mais
usual
I característica inerente versus característica instalada
I desempenho: histerese, partida, agarramento
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 209 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de vazão - bomba
Bomba Sulzer
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 210 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de vazão - limitações de bomba
Bombas Centrífugas – curva de performance
Imagens cedidas pela Sulzer do Brasil
Curva de performance da bomba
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 211 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo \petroquímica :
Controle de vazão - característica instalada
I característica inerente da válvula de controle
I comportamento do sistema
I performance da bomba
I perda de carga do sistema
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 212 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de vazão - característica instalada
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 213 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Seleção da característica inerente fase de projeto [13]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 214 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Seleção da característica inerente fase de projeto [13]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 215 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Seleção da característica inerente fase de projeto [13]
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 216 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Seleção da característica inerente fase de projeto
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 217 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de vazão - (vazão mínima/vazão máxima)
pequeno
I Alguns casos o processo tem condições de operação
muito distantes entre si
I Há interesse em medir a vazão nas distintas situações
com precisão razoável
I Elemento primário tipo placa de orifício ou semelhante
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 218 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de vazão - (vazão mínima/vazão máxima)
pequeno
DOC. No.
REQ. No.
SHEET
APPD BY
CHKD BY
PRPD BY
DATE
ISSUE
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
Base Press. Base Tem .
Allowable Perm. Press. Loss
Operating Viscosity
Quality % or Superheat
Supercomp. Factor
Mol. Weight C p/Cv
Density at Base Condn.
Density at @ Oper. Condn.
Pressure (MIN / NOR / MAX)
Temp. (MIN / NOR / MAX)
Maximum Flow
800/160
Normal Flow
650/80
Fluid
Fluid State
PID No.
Permanent Pressure Loss
Service
Line Number & Line Spec.
Supplier :
ORIFICE PLATES ORIFICE FLANGES
1. Concentric Other : 7. Taps : Flange Vena Contracta 
Pipe 
Other : 
2. ISA Standard Other : 8. Tap Size : 1/2" Other : 
3. Bore : Max Rate Nearest 1/8" 9. Type : Weldneck Slip On 
Threaded
4. Material : 304SS 316SS Other : 10. Material : Steel Other : 
5. Ring Material & Type : 11. Flanges included By others
6. MFR. & Model No. : 12. Flange Rating : See Below
GENERAL
Item no.
Tag Number
Quantity
Location
Plant
Client
STANDARD INSTRUMENT DATA SHEET ORIFICE PLATES 
AND FLANGES
OF
Project No.
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
NOTES :
Bolts & Nuts Material
Gasket Material
Pair of Jack Screws
Studs
Flange Size & rating
IBR Certificate
Carrier Ring
Meter Run
Vent or Drain Hole
Line : Size Sch. I .D.
Plate Type
Plate Thickness
PLATE
& FLANGE
Beta = d/D
Orifice Bore Diameter
Chart Multiplier
Static Press Range
Chart or Scale RangeMETER
Type of Meter
Diff. Range - Dry
2500/100
Allowable Perm. Press. Loss
PROCESS DATA
FD com dados de vazão para dimensionamento do elemento
primário
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 219 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de vazão - (vazão mínima/vazão máxima)
pequeno
I Soluções possíveis: alterar o tipo de medição⇔ custo
I Uso de um único elemento primário para a medição
Porque não usar dois elementos primários?
I Solução com uso de duas faixas de calibração do(s)
transmissor(es)
Autor Carlos Henrique de Morais Bomfim 1 220 de 307
O controle de processo na indústria de petróleo
\petroquímica :
Controle de vazão - (vazão mínima/vazão máxima)
pequeno
DOC. No.
REQ. No.
SHEET
APPD BY
CHKD BY
PRPD BY
DATE
ISSUE
13
14
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