Industrial processes monitoring methodologies

Palavras-chave: industrial process performance monitoring and improvement,fault detection and diagnosis,PID controller tuning,soft sensor technology,applications,control valve stiction

Na indústria de processos, faz-se permanentemente um esforço considerável para conseguir alcançar objectivos económicos e, simultaneamente, garantir o cumprimento das especificações de qualidade, das restrições operacionais e da regulamentação de segurança e ambiental.  O sistema de controlo industrial, composto por centenas a milhares de anéis de controlo, tem à sua responsabilidade a satisfação destes objetivos independentemente do modo de operação da fábrica.  Não obstante, fatores como alterações na composição das matérias-primas e envelhecimento, desgaste e incrustações nos equipamentos podem conduzir à degradação do desempenho dos anéis de controlo mesmo que o seu projeto e comissionamento tenham sido feitos apropriadamente.  Portanto, os anéis de controlo industriais devem ser permanentemente monitorizados e mantidos com recurso a técnicas e ferramentas automáticas capazes de identificar a degradação do seu desempenho e as causas-raiz para correção e/ou manutenção apropriadas. A presente dissertação segue duas direções fundamentais: a monitorização e a melhoria de desempenho dos anéis de controlo industriais.    Uma vez que as técnicas em questão baseiam-se na identificação de sistemas, esta área mereceu especial atenção, com ênfase em duas aplicações em sistemas típicos no âmbito da Engenharia Química onde são explorados aspectos de implementação.  Estas aplicações consideraram um modelo SISO de um permutador de calor industrial e um modelo MIMO de um CSTR simulado. Os casos de estudo apresentados cobrem a seleção da estrutura dos modelos, a estimativa de parâmetros e a abordagem para ultrapassar dificuldades de implementação, num compromisso entre a capacidade de previsão e a complexidade dos modelos.    A monitorização do desempenho dos anéis de controlo foi estudada com ênfase no fenómeno de stiction, a falha mais comum em válvulas de controlo. Foi desenvolvida uma taxonomia das abordagens existentes, cobrindo mais de 150 publicações científicas, de modelação, detecção /quantificação e compensação de stiction.  Como a maioria dos métodos de diagnóstico de stiction funcionam bem apenas quando as oscilações induzidas pela falha são corretamente detetadas, propõe-se um método de deteção e caracterização de oscilações que revela um desempenho significativamente melhor do que as técnicas descritas na literatura.  A técnica, automática e computacionalmente mais leve, diagnosticou corretamente conjuntos de dados exigentes contendo ruído e sobreposição de oscilações.    São também propostas nesta tese duas novas abordagens para o diagnóstico de stiction. A primeira é baseada em otimização numérica e em modelos do processo e de stiction. Dado que a modelação de stiction é caracterizada por descontinuidades, é sugerida uma estratégia de suavização para permitir a utilização de técnicas de otimização contínua.   A segunda abordagem estende o trabalho de Yamashita (2006) permitindo lidar com processos integradores, como anéis de controlo de nível. O método proposto transforma os dados de modo a obter uma relação direta entre a variável controlada e a posição da válvula. O método foi aplicado com sucesso a dados simulados e industriais.  Apesar de ficar ofuscado pela presença de ruído, a correta deteção de stiction é possível através do uso de um filtro.    No que respeita à melhoria do desempenho dos anéis de controlo, investiga\-ram-se duas soluções nesta tese: a sintonização de controladores PID e a utilização de sensores inferenciais. Tipicamente, stiction não é considerado explicitamente na sintonização dos controladores e os métodos disponíveis geralmente baseiam-se na adição de sinais específicos à variável manipulada ou de blocos especiais ao algoritmo PID base. Contudo, estas tarefas não são triviais. O método alternativo proposto requer apenas a ressintonização do controlador. Os parâ\-me\-tros de sintonização são determinados a partir de um problema de otimização que penaliza quer o desvio entre as variáveis controlada e de referência quer o movimento da válvula. Novos critérios e restrições de desempenho podem ser adicionados para definir a resposta desejada em anel fechado. O método foi aplicado com sucesso em casos contendo uma válvula saudável e com stiction. O comportamento em anel fechado foi significativamente melhorado em ambos os casos reduzindo o movimento de controlo e as oscilações na variável controlada.    Finalmente, a utilização de sensores inferenciais foi abordada como uma forma de gerar informação que não está prontamente disponível a partir da instrumentação instalada ou de medições laboratoriais. Esta tese apresenta uma aplicação considerando o processo de concentração de glicerina. Desenvolve-se um sensor inferencial para prever a qualidade do produto por forma a minimizar atrasos das medições e permitir ações de controlo mais atempadas. Procede-se, ainda, a um estudo comparativo da capacidade de previsão dos vários modelos utilizados usando dados de treino e de validação.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias