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Previous issue date: 2007-08-08 / Sugar cane can be considered one of the main crop in the state of São Paulo,
both for its contribution to the gross profits of the entire state harvest and the extent of the
agricultural land it occupies. Recent figures show that the Brazilian sugar and alcohol industry
park has 304 active industries, in addition to 40 new ones in implementation phase. The
enlargement of that sector and its growing interest in new technologies represent a favorable
context in developing and studying processes related with sugar and alcohol production
among universities.
This study focuses on the main stage in the sugar production process, the
crystallization stage, in an attempt to better understand the deficiencies associated to the
equipment where such stage is processed, known as crystallizer (or batch vacuum pan). In
addition, more effective control strategies are also sought.
A dynamic model of an industrial batch crystallizer was designed using the
mass balance classical approach. The open-loop dynamic model simulation results were
compared to real data taken from the supervisory system and laboratorial analysis, both
information got in an industry located in the middle west of São Paulo state, the Usina Barra
Grande. The model comprised a non-linear system of differential-algebraic equations. The
mass balance that was adopted, in spite using severe hypotheses, generated good predictions
for the equipment s state variables. The analysis of the data from the mentioned industry has
shown that the operational stability of the equipment is affected by the crystallizer s automatic
control routines.
Besides the model, a control software was also build, aiming initially closedloop
dynamic model simulation and the firsts adjusts in the new control strategies. After that,
the control software had its behavior assessed in real operation time, replacing the more
problematic controls in the equipment s programmable logical controller.
The control software was encoded in VISUAL BASIC and comprised two
control modes: a proportional-integral (PI) mode and a fuzzy mode. The crystallization stage
was followed up by means of a graphical interface, where the main process informations were
visually available. The informations were stored during the crystallization stage and, in the
end, were saved in a text file, to guarantee future analysis. The fuzzy algorithm was created
on MATLAB and it was compiled in a dynamic linked library format, which allowed its
access by the control software.
The tests with the control software were developed in two periods of time. The
first period tests were made with the proportional-integral control mode and the second period
tests were made with the fuzzy control mode. Both control modes generated extremely
satisfying results. There were savings in the batch times, a reduction in the oscillation of the
manipulated variables and a decrease in the error between the main controlled variable and its
setpoint, when the tests results were compared with data from the actual control. / A cana-de-açúcar pode ser considerada uma das principais culturas do estado
de São Paulo, devido à sua contribuição para o valor bruto da produção agrícola e também
para a ocupação da área de plantio. Dados recentes informam que o parque sucroalcooleiro
nacional é formado por 304 indústrias em atividade e mais 40 novas indústrias em fase de
implantação. A expansão do setor e o interesse crescente do mesmo por novas tecnologias são
fatores que contribuem para o desenvolvimento e o estudo de processos relacionados com a
produção de açúcar e álcool dentro das universidades.
Este trabalho faz um estudo sobre a principal etapa do processo de produção de
açúcar, a etapa de cristalização, na busca do entendimento das deficiências relacionadas à
operação do equipamento onde se dá a mesma, o cristalizador (ou cozedor a vácuo), e também
na busca de estratégias de controle mais eficazes.
Um modelo dinâmico de cristalizador industrial batelada foi concebido usando
a abordagem clássica de balanço de massa. Os resultados da simulação do modelo em malha
aberta foram comparados com dados reais retirados do sistema de supervisão e com análises
laboratoriais de amostras, ambas as informações obtidas em uma indústria do interior do
estado de São Paulo, a Usina Barra Grande. O modelo era formado por um sistema não-linear
de equações algébrico-diferenciais. O balanço de massa adotado, apesar de utilizar hipóteses
severas, conseguiu gerar boas predições para as variáveis de estado do equipamento. A análise
dos dados da indústria indicou que a estabilidade operacional estava sendo prejudicada pelas
rotinas de controle automático do cristalizador.
Além do modelo, desenvolveu-se também um programa de controle que
possibilitou, inicialmente, simulações do modelo dinâmico em malha fechada e ajustes
iniciais nas novas estratégias de controle. Depois, o programa de controle teve seu
desempenho testado em tempo real de operação, substituindo parte dos controles existentes no
controlador lógico-programável do equipamento.
O programa de controle foi codificado no aplicativo VISUAL BASIC e
consistiu de dois modos de controle: modo proporcional-integral (PI) e modo fuzzy. O
acompanhamento da etapa de cristalização foi feito pela interface gráfica do programa, onde
as principais informações do processo estavam visualmente disponíveis. As informações eram
armazenadas ao longo da etapa e, ao final, eram salvas num arquivo texto para permitir
análise posterior. O algoritmo fuzzy foi criado no MATLAB e compilado em forma de
biblioteca de ligação dinâmica, o que possibilitou seu acesso pelo programa de controle.
Os testes com o programa de controle foram realizados em dois períodos. Os
testes do primeiro período foram feitos com o modo de controle proporcional-integral e os
testes do segundo período foram feitos com o modo de controle fuzzy. Ambos os modos do
programa de controle apresentaram resultados bastante satisfatórios. Houve encurtamento dos
tempos de ciclo, redução da oscilação da variável manipulada e diminuição do erro entre a
principal variável controlada e seu setpoint, quando os resultados dos testes são comparados
com dados do controle atual.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/3985 |
| Date | 08 August 2007 |
| Creators | Torres, Rodrigo Coutinho |
| Contributors | Cruz, Antonio José Gonçalves da |
| Publisher | Universidade Federal de São Carlos, Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, UFSCar, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSCAR, instname:Universidade Federal de São Carlos, instacron:UFSCAR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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