Orientador: Maria Teresa Moreira Rodrigues / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-15T23:04:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EstombeloMontesco_RichardAndres_D.pdf: 4286461 bytes, checksum: eb67a872094b54e948fda33c92db4f3a (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: A tendência nos últimos anos é de utilizar eficientemente a capacidade instalada de plantas de produção descontínua (flexível, multipropósito) de forma a analisar a viabilidade das demandas sem padrão dos diferentes produtos. O objetivo principal de produção é atender aos pedidos em um tempo relativamente curto, direcionado ao cliente e permitindo flexibilizar a planta. O objetivo deste trabalho é de propor uma análise de integração das etapas de planejamento e programação. Esta integração deve permitir medir corretamente as possibilidades reais de execução de planejamentos alternativos, e assim, propor um novo modelo a partir das variáveis comuns destes sistemas. Inicialmente analisou-se o método de propagação de restrições como um elo comum das duas etapas o qual, além de garantir que durante o processo de propagação de restrições não sejam eliminadas soluções factíveis, também permite recalcular as novas soluções integradas. Com esta integração consegue-se que as variáveis externas em determinadas etapas do processo de solução evitem re-processos computacionais, os quais em sistemas de grande porte podem significar gastos de tempo importante. As características do novo modelo são: utilização de janelas de processamento, planta descontínua, produção em batelada com restrições sobre os recursos compartilhados (equipamentos) e sobre armazenagem, com modo de operação na planta por atendimento de pedidos (direcionada ao cliente) / Abstract: The efficient use of installed capacity in discontinued production plants (flexible, multi-purpose) in such a way as to analyze the feasibility of standard-less demands of different products is a trend in recent years. The main objective of the production problem is to fulfill orders in a relatively short time, in a way that it is client-focused and enables keeping the plant flexible. The objective of this work was to introduce an analysis of the integration of the production planning and scheduling stages. This integration allows the correct measurement of the actual performance possibilities of alternative plans, introducing a new model based on the common variables of these systems. Initially, we analyzed the method of constraint propagation as a common bond of two stages, and besides, we guarantee the search space also allowed to recalculate the new integrated problems. With this integration, it was determined that the external variables at certain points in the solution process avoid re-computational processes in which large systems can mean spending important time. The characteristics of this new model are: usage of processing-windows; the use of discontinued plants; batch production with constraints on shared (equipment) and storage resources; and on-demand operation mode (client-focused) / Doutorado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Flávio Vasconcelos da Silva, Pedro Leite de Santana / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-23T16:15:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Jesus_JosiasMaximode_D.pdf: 3058451 bytes, checksum: e1bd549f7ad9180f71742e7b191881cb (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Os reatores de leito fixo constituem importantes sistemas da engenharia química, com muitas aplicações em diversos processos industriais, notadamente no campo das indústrias de refino do petróleo e petroquímica. Do ponto de vista da analise de processos químicos, se mostra relevante o estabelecimento de modelos matemáticos representativos que possam ser aplicados ao projeto, a otimização e ao controle desses sistemas. Neste trabalho, apresenta-se a modelagem matemática fenomenológica de um reator de leito fixo para a síntese de anidrido ftalico por oxidação de o - xileno, considerando-se as resistências difusionais mássicas e térmicas externas associadas ao processo de reação catalítica, o qual e realizado com catalisadores não porosos a base de óxidos de vanádio e titânio. O modelo matemático foi implementado como um modulo computacional para simulação do processo nos estados estacionário e dinâmico, a partir do qual se fez um estudo de sensibilidade paramétrica que mostrou à forte influencia da temperatura e da concentração de o - xileno na corrente de alimentação, bem como da temperatura do fluido térmico, no comportamento global do reator. Essas constatações permitiram a proposição de estruturas de controle com o objetivo de regular a concentração do produto na saída do reator e manter uma condição térmica operacional segura. Para o controle do reator foram consideradas duas estruturas: (i) um esquema de controle direto da concentração utilizando um controlador convencional PI e um controlador por lógica fuzzy (Fuzzy-PI) e (ii) um esquema de controle cascata concentração-temperatura utilizando também controladores convencionais PI e Fuzzy-PI nas duas malhas (primaria e secundaria) que compõem a estrutura cascata. Cada controlador teve seu desempenho analisado mediante perturbações do tipo degrau impostas nas condições de alimentação dos reagentes (composição e temperatura). Os resultados evidenciaram um bom desempenho das estruturas de controle cascata, que se mostraram eficientes para controlar a concentração do produto na saída do reator e garantir ao mesmo tempo um regime térmico seguro. Na presença de ruído, os controladores Fuzzy-PI apresentaram um desempenho superior ao dos controladores PI convencionais / Abstract: Fixed bed reactors are important systems in chemical engineering with several applications in many industrial processes, mainly in petroleum refining and petrochemical industries. A comprehensive view on these systems through mathematical modeling is crucial for design, optimization and control issues. This work presents a phenomenological mathematical model for a fixed bed reactor applied to the phthalic anhydride synthesis from o-xylene oxidation using supported non-porous V2O5-TiO2 catalyst. All resistances due to mass and heat flows from the fluid phase to the catalytic particle surface are considered in the mathematical formulation. The mathematical model consisted of a Matlab based computational code for the process simulation both in dynamic and steady-state conditions, providing a parametric sensitivity study that showed the intensive influence of the feed conditions in terms of temperature and o-xylene concentration, as well as the effect of thermal fluid temperature on the global reactor behavior. These observations provided control structures to regulate product concentration leaving the reactor and to avoid the formation of excessive hot spots along the catalytic bed, what is a necessary condition to maintain a safe thermal system operation. It were proposed two structures to control the reactor: (i) a straightforward scheme to control the concentration of phthalic anhydride in the reactor outlet using conventional PI and fuzzy PI controllers, and (ii) another scheme based on a cascade control temperature-concentration also using conventional and fuzzy PI controllers in two (primary and secondary) loops. The behavior of each controller was analyzed by imposing stepwise perturbations in inner o-xylene concentration and in the temperature of the feed. The results showed a good performance of cascade-type controllers, providing the proper regulation of the controlled variable and a safe thermal regime for the system operation. On the other hands, fuzzy logic controllers exhibited better performance for the reactor regulation when measurement noise was taken in account / Doutorado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Doutor em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-22T08:44:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Barbosa_AgremisGuinho_D.pdf: 4370227 bytes, checksum: 9fc9a5dfb766e6075fe58104c3c22087 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: O principal objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de um software para reconciliação de dados, detecção e identificação de erros grosseiros, estimativa de parâmetros e monitoramento da qualidade da informação em unidades industriais em estado estacionário e dinâmico. O desenvolvimento desse software focalizou atender aos critérios de modularidade, extensibilidade e facilidade de uso. A reconciliação de dados é um procedimento de tratamento de medidas em plantas de processos necessário devido ao fato da inexorável presença de erros aleatórios de pequena magnitude associados aos valores obtidos dos equipamentos de medição. Além dos erros aleatórios, por vezes os dados estão associados a erros de maior magnitude e que constituem uma tendência, ou viés. Erros desta natureza podem ser qualificados e quantificados por técnicas de detecção de erros grosseiros. É importante para aplicação de subrotinas de otimização que os dados sejam confiáveis e livres de erros tanto quanto possível. A tarefa da remoção destes erros através de modelos previamente conhecidos (reconciliação de dados) não é trivial, já sendo estudada no campo da engenharia química nos últimos 40 anos e apresenta uma crescente quantidade de trabalhos publicados. Contudo, uma parte destes trabalhos é voltada para aplicação da reconciliação sobre equipamentos isolados, como tanques, reatores e colunas de destilação, ou pequenos conjuntos destes equipamentos e não são muitos os trabalhos que utilizam dados reais de operação. Isto pode ser atribuído à dimensão do trabalho computacional associado ao grande número de variáveis. O que se propõe neste trabalho é tomar partido da crescente capacidade computacional e das modernas ferramentas de desenvolvimento, provendo uma aplicação na qual seja facilitada a tarefa de descrever sistemas de maior dimensão, para estimar dados de qualidade superior, em tempo hábil, para sistemas de controle e otimização. É importante frisar que a reconciliação de dados e a detecção de erros grosseiros são fundamentais para a confiabilidade de resultados de subrotinas de otimização e controle supervisório e também pode ser utilizada para a reconstrução de estados do processo / Abstract: The main goal of this work was the development of software for data reconciliation, gross errors detection and identification, data reconciliation, parameter estimation, and information quality monitoring in industrial units under steady state and dynamic operation. The development of this software was focused on meeting the criteria of modularity, extensibility, and user friendliness. Data reconciliation is a procedure for measurement data treatment in process plants, which is necessary due the fact of the inexorable presence of random, small magnitude errors associated to the values obtained from measurement devices. In addition to the random errors, sometimes data are associated to major magnitude errors that lead to a trend or bias. Errors of this nature can be qualified and quantified through gross errors detection techniques. It is important for optimization routines that data are reliable and error free as much as possible. The task of removal of these errors using previously known models (data reconciliation) is not trivial, and has been studied for the last 40 years in the field of chemical engineering, showing an increasing amount of published works. However, part of these works is devoted to applying data reconciliation over single equipment, such as tanks, reactors, distillation columns, or small sets of these equipments. Furthermore, not much of this published work relies on real operation data. This can be regarded to the dimension of computational work associated to the great number of variables. This work proposes to take advantage of increasing computational capacity and modern development tools to provide an application in which the task of higher dimension systems description is accomplished with ease in order to produce data estimates of superior quality, in a suitable time frame, to control and optimization systems. It is worthwhile mentioning that data reconciliation and gross error detection are fundamental for reliability of the results from supervisory control and optimization routines, and can be used also to process state reconstruction / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

Orientadores: Flávio Vasconcelos da Silva, Luís Cláudio Oliveira Lopes / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-24T13:32:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Costa_ThiagoVazda_D.pdf: 18980163 bytes, checksum: 01508b929c51cbd2ad88d0be37d75084 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: A consideração sistemática relacionada ao tratamento de falhas na estrutura de controle é essencial para se atingir as metas de um processo ao mesmo tempo seguro e produtivo. Nesse sentido, este trabalho propõe o estudo e a implementação de técnicas baseadas no controle reconfigurável com aplicações em processos químicos. Essa técnica está relacionada à etapa que lida com a falha no sistema em malha fechada, por meio de sua reconfiguração, evitando a evolução dos seus efeitos na estrutura de controle. Nesse estudo, a atenção é voltada ao rastreamento do comportamento nominal do sistema considerando as técnicas baseadas nos atuadores virtuais. O método considera o desvio da planta em relação ao seu comportamento nominal na presença de falhas em seus atuadores. Deste modo, se o distanciamento em relação ao comportamento nominal pode ser estabilizado por meio das redundâncias físicas e analíticas presentes no processo, o comportamento da planta sujeita à falha também pode ser estabilizado. Neste sentido, uma consideração sobre esse desvio no futuro é proposta, permitindo que técnicas baseadas no controle ótimo e preditivo sejam utilizadas. São consideradas especificamente falhas que comprometam o desempenho do processo quando existe a perda total ou parcial de suas variáveis de entrada. Com os componentes comprometidos devidamente localizados, a redistribuição dos sinais de controle da planta é encaminhada para que a estabilidade e desempenho do processo sejam assegurados. A concepção do atuador virtual com horizonte móvel possibilita o uso de técnicas de otimização, permitindo que as informações referentes às características físicas das redundâncias do processo sejam incluídas, evitando a saturação dos componentes utilizados durante o tratamento da falha. A validação da técnica proposta é avaliada experimentalmente em um processo de neutralização, no qual ferramentas de injeção de falhas são capazes de simular os efeitos de falha dos atuadores no processo real. As estratégias estudadas foram implementadas em um software em código aberto e foram testadas experimentalmente a partir do uso de comunicação OPC (Object Linking and Embedding for Process Control). Cenários com diferentes falhas afetando os atuadores do processo foram concebidos e avaliados. Em todos os estudos, observou-se a capacidade da ferramenta em efetuar a reconfiguração do sistema em malha fechada para mitigar os efeitos indesejáveis da falha. Com base nos resultados, conclui-se que a utilização das técnicas em cenários industriais é viável e pode garantir a operação estável do processo mesmo quando surjam falhas em seus componentes, consideradas as condições de controlabilidade e estabilizabilidade do sistema / Abstract: A systematic approach to fault handling in control loops is important to achieve safe and productive process goals. Therefore, the present work proposes the study and implementation of reconfigurable control methods with applications in chemical processes. This technique is related to the fault handling stage in the closed loop system by means of reconfiguration, preventing the progression of fault effects in the control structure. In this study, particular focus is given to virtual actuator based techniques for tracking nominal system behavior. The method considers the deviation of the plant in relation to its nominal behavior when there are faults in its actuators. Therefore, if the nonconformity from the nominal response can be stabilized using the process physical and analytical redundancies, the faulty plant behavior can also be stabilized. Hence, it is proposed the use of the deviation from the nominal system response in the future, enabling the use of optimal and predictive control techniques. Faults affecting process performance due to total or partial loss of input variables are particularly considered. Once the faulty components are located, input signal redistribution is determined in order to ensure process performance and stability. The moving horizon virtual actuator proposal provides the use of optimization techniques allowing information about physical characteristics of the process redundancies to be included, avoiding component saturation during the fault handling approach. The validation of the technique is performed experimentally in a neutralization process, in which fault injection tools are able to simulate the effects of actuators faults in the real process. The studied strategies were implemented using open-source software and tested experimentally by means of an OPC (Object Linking and Embedding for Process Control) communication. Several fault scenarios considering actuator faults were planned and fulfilled for evaluation. The experimental tests showed that the proposed framework is capable of performing closed loop system reconfiguration to mitigate undesirable fault effects. Based on the results, it is concluded that using such a technique in industrial scenarios is feasible and can guarantee stable process operation even when there are faults in its components, considering system controllability and stabilizability conditions / Doutorado / Sistemas de Processos Quimicos e Informatica / Doutor em Engenharia Química

Orientador: Rubens Maciel Filho / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química / Made available in DSpace on 2018-08-23T11:34:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Maia_JulioPereira_D.pdf: 8705466 bytes, checksum: e604d7a471ca19eb99492912d431174b (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Esta tese apresenta um estudo de estratégias de esquemas de controle em unidades de destilação a vácuo de refinarias de petróleo, com o uso de dados e informações de uma refinaria brasileira, de modo a se desenvolver uma simulação representativa do processo, onde uma diferença global máxima de 5% entre os resultados de simulação e os dados de saída reais foi obtida. A simulação foi executada com alto nível de detalhamento, com cálculos de queda de pressão, dimensionamento de sistemas de bombeamento e uso de internos de coluna comerciais. Uma análise paramétrica foi executada para a verificação das variáveis mais influentes do processo. A simulação em estado estacionário resultante foi então convertida para o regime dinâmico, onde um esquema de controle equivalente ao esquema de controle da planta real foi implementado. Este esquema de controle foi submetido a um conjunto de perturbações usuais ao processo real, produzindo respostas dinâmicas do processo para cada perturbação aplicada. Pela análise das dinâmicas destas respostas e das respostas do sistema em malha aberta, um esquema de controle alternativo foi proposto e verificado da mesma maneira que o esquema de controle equivalente. Malhas de controle específicas para quantificar a qualidade dos produtos, tendo por base o índice ASTM D86 foram inseridas. A comparação entre os dois esquemas de controle por meio das respostas dinâmicas na qualidade dos produtos, considerando como parâmetro o ISE (Integral Squared Error) das malhas de cada esquema para comparação, apresentou uma redução média do erro em 70% na qualidade dos produtos principais / Abstract: A petroleum vacuum distillation unit study on control scheme strategies is developed in this work. Real plant data and information is gathered from a Brazilian Refinery to develop a representative simulation of the process, which had achieved a maximum 5% overall difference from the plant results. The simulation was set to be highly detailed, including pressure drop calculations, pumping system and the use of commercial column internals (packing and plates) in it. A parametric analysis was carried in order to verify the most influent variables in the process, with respect to temperature profiles, product flows and product qualities. The resultant steady state simulation was then converted into dynamic regime, when a control scheme equivalent to the real plant control scheme was implemented. This control scheme was then subjected to a set of common perturbations that occur in the real process, producing the dynamic response of the process to each perturbation applied. By analyzing the dynamics of these responses and the open loop responses, an alternative control scheme is proposed and verified in the same manner the later one was. A specific control loop was proposed to account a petroleum product quality index, such as ASTM D86 95% recovery. The comparison of the control schemes by means of the dynamic responses considering the correlated ISE (integral squared error) of each scheme has shown an average error reduction of 70% in the main products quality / Doutorado / Desenvolvimento de Processos Químicos / Doutor em Engenharia Química

[pt] A indústria 4.0 impulsionou o desenvolvimento de novas tecnologias para atender as demandas atuais do mercado. Uma dessas novas tecnologias foi a incorporação de técnicas de inteligência computacional no cotidiano da indústria química. Neste âmbito, este trabalho avaliou o desempenho de controladores baseados em aprendizado por reforço em processos químicos industriais. A estratégia de controle interfere diretamente na segurança e no custo do processo. Quanto melhor for o desempenho dessa estrategia, menor será a produção de efluentes e o consumo de insumos e energia. Os algoritmos de aprendizado por reforço apresentaram excelentes resultados para o primeiro estudo de caso, o reator CSTR com a cinética de Van de Vusse. Entretanto, para implementação destes algoritmos na planta química do Tennessee Eastman Process mostrou-se que mais estudos são necessários. A fraca ou inexistente propriedade Markov, a alta dimensionalidade e as peculiaridades da planta foram fatores dificultadores para os controladores desenvolvidos obterem resultados satisfatórios. Foram avaliados para o estudo de caso 1, os algoritmos Q-Learning, Actor Critic TD, DQL, DDPG, SAC e TD3, e para o estudo de caso 2 foram avaliados os algoritmos CMA-ES, TRPO, PPO, DDPG, SAC e TD3. / [en] Industry 4.0 boosted the development of new technologies to meet current market demands. One of these new technologies was the incorporation of computational intelligence techniques into the daily life of the chemical industry. In this context, this present work evaluated the performance of controllers based on reinforcement learning in industrial chemical processes. The control strategy directly affects the safety and cost of the process. The better the performance of this strategy, the lower will be the production of effluents and the consumption of input and energy. The reinforcement learning algorithms showed excellent results for the first case study, the Van de Vusse s reactor. However, to implement these algorithms in the Tennessee Eastman Process chemical plant it was shown that more studies are needed. The weak Markov property, the high dimensionality and peculiarities of the plant were factors that made it difficult for the developed controllers to obtain satisfactory results. For case study 1, the algorithms Q-Learning, Actor Critic TD, DQL, DDPG, SAC and TD3 were evaluated, and for case study 2 the algorithms CMA-ES, TRPO, PPO, DDPG, SAC and TD3 were evaluated.