Nos últimos anos a tecnologia de controle digital tem evoluído rapidamente no mundo. Os fabricantes de sistemas oferecem soluções de hardware e software com maior capacidade e menor custo. As tecnologias de controle avançado saíram das universidades e estão disponíveis sob forma de ferramentas a custos relativamente baixos.
Apesar desta evolução, verificamos na prática um quadro de pouca melhoria nos resultados das malhas de controle em termos de redução de sua variabilidade. Diversos artigos, pesquisas e resultados de auditorias internacionais apontam números comuns na indústria de processo como por exemplo: 30% das malhas de controle operam em modo manual; 30% das malhas apresentam problemas em seus componentes como sensores, transmissores e atuadores; 20% das malhas de controle estão com seu projeto inadequado ou errado; 85% das malhas estão mal sintonizadas, e destas 30% tem parâmetros de sintonia que não fazem nenhum sentido. Em resumo somente 20% das malhas de controle operam melhor em modo automático do
que operariam em modo manual. Baseado em nossa experiência de campo podemos afirmar que este quadro ainda retrata aproximadamente a realidade da média das plantas industriais no Brasil.
Estas constatações levam a fazer algumas perguntas: Por que investir na modernização dos sistemas de controle sem conseguir melhorar seu desempenho? Por que as técnicas de redução de variabilidade e otimização ainda não são utilizadas em grande escala no Brasil? Em nossa opinião vários fatores contribuem para esta situação, mas o principal deles continua sendo o pouco conhecimento sobre o assunto por parte dos envolvidos no processo de modernização da planta. O controle avançado continua a ser visto como um assunto complicado, somente discutido por especialistas, de investimento alto e benefício incerto.
Neste artigo pretendemos abordar este assunto de maneira simples e direta, procurando responder a perguntas como; O que é controle automático? Por que melhorar o controle? Quais os benefícios e o que se ganha com isto? O que é controle avançado? Que técnicas de controle avançado estão disponíveis e em que tipos de problemas se aplicam? Como fazer uma aplicação de controle avançado bem sucedida?
Por que usar controle automático?
O controle automático é utilizado basicamente para manter constante em torno de um valor desejado, as variáveis importantes para a boa operação de uma
planta industrial. O conceito de manter uma variável constante está ligado na prática a reduzir sua variabilidade, ou seja seu desvio do ponto desejado. Existe uma variabilidade inerente que está sempre presente em uma planta de processo, e é causada primariamente por diversos fatores como variações de capacidade de produção, variação na qualidade da matéria prima, variação de condições ambientais, variações de campanhas e especificações dos produtos, operação em condições afastadas das de projeto. Se não existisse esta variabilidade natural não seria necessária a utilização de controle automático.
O controle automático tenta reduzir a variabilidade de uma variável de interesse fazendo ajustes em atuadores como válvulas de controle e variadores de velocidade. Trata-se em ultima análise de transferir a variabilidade da variável importante para outro ponto da planta destinado a este fim.
Causas da alta variabilidade em plantas industriais
Conforme verificamos na prática, nem sempre a adoção de controle automático reduz a variabilidade de uma planta industrial. Estatisticamente vemos que 80% das malhas de controle em operação aumentam a variabilidade da variável controlada em vez de reduzi-la como seria esperado. Verificamos claramente este aspecto quando um operador coloca a malha de controle em modo manual para “estabilizar” a variável durante uma perturbação ou quando deseja mudar o “set-point”. Após a mudança e com a variável estabilizada ele retorna ao modo automático.
Desta forma os problemas causados pelo próprio sistema de controle somam-se aos inerentes ao processo aumentando a variabilidade total. Em resumo as principais causas para a alta variabilidade em plantas de processo são:
- Variação na qualidade da matéria prima;
- Variação na capacidade de produção;
- Variação em campanhas e especificação de produtos;
- Variação das condições ambientais;
- Operação em condições diferentes das condições de projeto;
- Erros de projeto dos equipamentos de processo;
- Problemas em sensores e transmissores (amortecimento,histerese, calibração,ruído)
- Problemas em elementos finais (não-linearidade,folgas,atrito excessivo, histerese);
- Malhas mal sintonizadas;
- Estratégias de controle erradas ou inadequadas para as características do sistema;
Benefícios da redução de variabilidade
Os benefícios com a redução da variabilidade em plantas industriais devem ser sempre medidos e quantificados para que possamos justificar economicamente os investimentos em melhorar o controle do processo. A maneira mais simples de fazer isto é quantificar a redução de variabilidade comparando-se os desvios padrão antes e depois, e relacionar esta redução com fatores econômicos do processo de produção.
Como um exemplo considere um reator no qual o aumento da temperatura de reação leva a um aumento no rendimento do produto. Existe, entretanto, um limite máximo para esta temperatura acima do qual haverá uma degradação na qualidade do produto ultrapassando sua especificação. A operação abaixo da temperatura limite acarreta em perda de rendimento e desperdício de matéria-prima, e a operação acima causa o refugo ou perda do produto fora de especificação. Idealmente deveríamos operar com esta temperatura sempre no valor do limite máximo. Na prática como existe uma variabilidade teremos que operar com o valor médio desta temperatura abaixo do limite máximo de forma a não violar a especificação do produto.
A figura 1 mostra um gráfico típico de variação ao longo do tempo para três situações de diferente desempenho desta malha de controle.
Na primeira condição temos a malha de controle apresentando alta variabilidade e o valor médio (“set-point”) mantido afastado do limite para não violar a especificação do produto. Nesta situação existe uma perda de rendimento e consequente desperdício de matéria prima. Além disso, existe maior variação na qualidade de produto e um maior desgaste de equipamentos.
Na segunda situação com a redução de variabilidade conseguimos melhorar a qualidade do produto mantendo-o mais uniforme e uma operação mais estável e confortável com aumento na vida útil dos equipamentos. Nesta situação o produto passa a estar sobre-especificado.
Em uma terceira etapa podemos aproveitar a redução da variabilidade e aproximar o “set-point” do limite máximo sem violar a especificação de qualidade. A
diferença entre os valores médios anterior e o atual permite uma redução na sobre-especificação e o consequente aumento no rendimento. Esta mudança no “set-point” pode ser feita pelo operador ou automaticamente por um algoritmo de otimização “on-line”. As mesmas etapas podem ser visualizadas na figura 2, na forma de gráfico de distribuição de frequências.
De forma geral, podemos sempre relacionar a redução de variabilidade com fatores econômicos da planta que poderão ser tipicamente um ou mais dos seguintes:
Aumento na capacidade de produção;
Aumento no rendimento de produtos;
Redução de perdas;
Redução da sobre-especificação;
Redução no consumo de energia;
Redução no consumo de produtos químicos;
Redução do custo operacional;
Melhor qualidade dos produtos;
Melhor qualidade dos efluentes;
Aumento no tempo de campanhas;
Redução no desgaste de equipamentos;
A experiência de implementação de projetos de redução de variabilidade tem demonstrado grandes benefícios econômicos. A redução no custo de produção chega a ser da ordem de 30%. Os valores destes ganhos podem chegar à ordem de 5 milhões de U$ por ano para grandes aplicações na área química e petroquímica. O retorno do investimento é bastante rápido, com tempos geralmente menores que 6 meses.
