Síntese e implementação de controle supervisório de processos industriais com malha de válvulas

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2018.O presente trabalho propõe estratégias de síntese e implementação de controle supervisório para segurança operacional em um processo industrial de controle de nível contendo malha de válvulas. A dinâmica de problemas de sequenciamento, intertravamentos e outras lógicas relativas a segurança de processos industriais pode ser interpretada como sendo da classe de sistemas a eventos discretos (SEDs). A Teoria de Controle Supervisório (TCS) possibilita a síntese de um controle ótimo para SEDs, que restringe o sistema ao máximo comportamento controlável, não-bloqueante e que respeita as especificações impostas ao sistema. Para investigar a aplicação da TCS em problemas voltados para a indústria de processos, é realizada a síntese formal para evitar situações inseguras em um controle de nível, sobre o qual atuam uma bomba e uma válvula. O supervisor ótimo é implementado para uma planta piloto real baseada em tecnologia Foundation Fieldbus (FF). Enquanto um controle Proporcional-Integral (PI) faz a regulação da abertura da válvula em rede FF para seguir uma referência de nível, o controle supervisório implementado em controlador lógico programável impõe limites à abertura da válvula em função dos eventos discretos observados de modo a evitar o transbordo e o esvaziamento do tanque de forma minimamente restritiva ao controle PI. Para explorar o uso da síntese em sistemas mais complexos, aplica-se a TCS para segurança operacional de controle de nível envolvendo malha de válvulas. Devido à dificuldade de se modelar sistemas complexos e à explosão de estados quando se utiliza a TCS clássica, é proposta uma estratégia em controle hierárquico multiníveis para síntese e implementação de supervisores. A estratégia permite a simplificação do sistema de forma gradual, a cada nível. É possível definir modelos padronizados de equivalência de válvulas em série e em paralelo ao se empregar o controle hierárquico, economizando-se tempo e diminuindo-se erros de modelagem. De modo geral, a síntese do problema com malha de válvulas por controle hierárquico evita o crescimento exponencial dos modelos e permite uma implementação estruturada e flexível de controle supervisório.Abstract : The present work proposes strategies of synthesis and implementation of supervisory control for operational safety in an industrial process of level control containing valve mesh. The dynamics of sequencing, interlockings, and other logics related to industrial process security can be interpreted as being from the class of discrete event systems (DES). The Supervisory Control Theory (SCT) allows the synthesis of an optimal control for DESs, which restricts the system to the maximum controllable behavior, non-blocking and respecting the specifications imposed on the system. In order to investigate the application of SCT to problems related to the process industry, formal synthesis is performed to avoid unsafe situations in a level control, on which a pump and a valve work. The optimal supervisor is implemented for a real pilot plant based on Foundation Fieldbus (FF) technology. While a Proportional-Integral (PI) control regulates the opening of the valve in FF network to follow a level reference, the supervisory control implemented in programmable logic controller imposes limits on the opening of the valve in function of the discrete events observed in order to avoid transhipment and emptying of the tank in a minimally restrictive manner to the PI control. To explore the use of synthesis in more complex systems, the SCT is applied for operational safety for level control involving valve mesh. Due to the difficulty of modeling complex systems and the explosion of states when using classical SCT, a multilevel hierarchical control strategy is proposed for the synthesis and implementation of supervisors. The strategy allows the simplification of the system gradually, at each level. It is possible to define standardized valve equivalence models in series and in parallel by using hierarchical control, saving time and reducing modeling errors. In general, the synthesis of the valve mesh problem by hierarchical control avoids the exponential growth of the models and allows a structured and flexible implementation of supervisory control