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Controle de nível em reservatório utilizando
o algoritmo PID implementado em CLP
Fabrício Marqui Sanches
Luiz Otacílio Ferreira de Andrade
Araçatuba - SP
2011
Centro Universitário Católico Salesiano Auxilium – Araçatuba - SP
Controle de nível de reservatório utilizando o
algoritmo PID implementado em CLP
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia
Mecatrônica
Orientador: Prof. Msc José Ferraz Vital Leão
Centro Universitário Católico Salesiano Auxilium
UniSALESIANO de Araçatuba – SP
Araçatuba - SP
2011
SANCHES, Fabricio Marqui; ANDRADE, Luiz Otacilio
Ferreira de. – 2011
Controle de nível em reservatório utilizando o algoritmo PID
implementado em CLP.
100 p. – Monografia (Graduação)
UniSALESIANO – Centro Universitário Católico Salesiano
Auxilium – Araçatuba-SP.
Orientador: José Ferraz Vital Leão
Referências bibliográficas: 74 -76.
1. Controle de Processos.
2. Controladores PID.
3. Desenvolvimento e Implementação.
Controle de nível de reservatório utilizando o
algoritmo PID implementado em CLP
Fabrício Marqui Sanches
Luiz Otacílio Ferreira de Andrade
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia
Mecatrônica
Orientador: Prof. Msc José Ferraz Vital Leão
Centro Universitário Católico Salesiano Auxilium
UniSALESIANO de Araçatuba – SP
_________________________________________________
Prof. MSc: José Ferraz Vital Leão
Centro Universitário Católico Salesiano Auxilium - Unisalesiano
Data: 19/11/2011
_________________________________________________
Prof. MSc: Tomiji Odaka
Centro Universitário Católico Salesiano Auxilium - Unisalesiano
Data: 19/11/2011
_________________________________________________
Prof. MSc: Netulio Alarcon Fioratti
Centro Universitário Católico Salesiano Auxilium - Unisalesiano
Data: 19/11/2011
AGRADECIMENTOS
A Deus pela graça de poder concluir este trabalho, finalizando uma longa etapa
percorrida em minha vida.
Ao meu orientador, Professor Msc. José Ferraz Vital Leão, pela orientação,
companheirismo, paciência e amizade prestadas. Tais fatores foram determinantes para
o bom desenvolvimento deste trabalho.
Ao Engenheiro Eletricista, Marcio H. Gimenez Cardoso, professor e proprietário
do colégio IMPACTO de Araçatuba-SP pelo grande apoio oferecido com o empréstimo
de equipamentos e orientações técnicas prestadas para conclusão deste trabalho.
Ao Engenheiro Sergio Zanarotti da Smar Equipamentos Industriais Ltda. Pelo
esclarecimento de dúvidas e atenção dedicada.
A todos os amigos que aqui não se encontram citados e que de alguma forma
contribuíram para que este trabalho fosse realizado.
MENSAGEM
No meio da dificuldade encontra-se a oportunidade.
(Albert Einstein)
RESUMO
Este trabalho apresenta a implementação e sintonia do algoritmo dos parametrois
do controle proporcional-integral-derivativo (PID) em um controlador lógico
programável (CLP CD600 da SMAR), para utilização em um sistema de bombeamento
d‟água dotado de reservatório inferior e superior, sendo este um protótipo construído
para simulação e análise de resultados práticos mediante a essa implementação. O
controle implementado será responsável por manter o nível do reservatório superior em
um valor determinado, através do conjunto motobomba, variando a velocidade do seu
motor CC. A leitura de nível do reservatório superior será realizada por um transdutor
de pressão presente no inicio da tubulação de recalque que quantificará a pressão no
mesmo, sendo esta proporcional ao nível no reservatório superior, enviando este sinal
em forma de tensão elétrica para o controlador lógico programável. A retirada de água
será feita através de válvula manual localizada ao fundo do reservatório superior, sendo
esta reenviada para o reservatório inferior, de modo a simular a retirada de água a fim
de suprir uma aplicação que necessite de uma vazão constante na saída.
Palavras-chave: Controle de nível, algoritmo PID implementado em CLP, sistema de
bombeamento.
ABSTRACT
This work presents the implementation and tuning of the algorithm of the control
parameter is the proportional-integral-derivative (PID) in a programmable logic
controller (PLC of SMAR CD600), for use in a water pumping system equipped with
upper and lower reservoir, which is a prototype built for simulation and analysis of
practical results by this implementation. The implemented control will be responsible
for maintaining the reservoir level higher than a value determined by the set pump,
varying the speed of your DC motor. The reading level of the upper reservoir will be
performed by a pressure transducer at the beginning of this discharge piping to quantify
the pressure, which is proportional to the level in the upper reservoir, sending this signal
in the form of voltage to the programmable logic controller. The withdrawal of water
will be done through manual valve located at the bottom of the upper reservoir, which is
returned to the lower reservoir in order to simulate the removal of water in order to
supply an application that requires a constant flow in the output.
Keywords: Level control, PID algorithm in CLP, the pumping system.
LISTA DE ILUSTRAÇÔES
Figura 01-Representação de um sistema de controle ...................................................... 12
Figura 02-Planta industrial para processamento de petróleo bruto ................................. 12 Figura 03-Representação de controle em malha aberta .................................................. 14 Figura 04-Exemplo de sistema em malha aberta ............................................................ 14 Figura 05-Representação de controle em malha fechada ................................................ 15 Figura 06-Exemplo de sistema em malha fechada .......................................................... 16
Figura 07-Instrumentos comumente encontrados em uma malha de controle ................ 17 Figura 08-Malha típica de controle: transmissor, controlador e válvula de controle ...... 18 Figura 09-Transdutor de pressão ..................................................................................... 18
Figura 10-Termopar ........................................................................................................ 19 Figura 11-transmissor de sinal ........................................................................................ 19 Figura 12-Transmissor eletrônico de pressão ................................................................. 20 Figura 13-Manômetro ..................................................................................................... 20
Figura 14-Indicador digital ............................................................................................. 20 Figura 15-Registrador digital .......................................................................................... 21 Figura 16-Registrador analógico ..................................................................................... 21 Figura 17 – Controlador universal .................................................................................. 22
Figura 18-Controlador lógico programável (CLP) ......................................................... 22 Figura 19-Conversor eletro-pneumático ......................................................................... 22
Figura 20-Válvula de controle com atuador pneumático ................................................ 23 Figura 21-Motor elétrico trifásico ................................................................................... 23 Figura 22 – Diagrama de blocos de um sistema de controle automático ........................ 25
Figura 23-Ação proporcional mediante ao erro em forma de degrau ............................. 27 Figura 24-Saídas de sistema com controle proporcional, para Kp=1(contínuo),
Kp=2(tracejado) e Kp=4(pontilhado) .............................................................................. 27 Figura 25-Erro de offset causado após uma mudança de setpoint .................................. 28
Figura 26-Ação de controle em função do sinal de erro gerado ..................................... 28 Figura 28-Sinal de saída de um controlador com ação proporcional e integral .............. 31 Figure 29-Saída com ação PI: Para KP=1; Ti=2(pontilhado), Ti=4(tracejado) e
Ti=10(contínuo) .............................................................................................................. 31
Figura 30-Sinal de saída de um controlador com ação proporcional e derivativa .......... 33 Figura 31-Comparação de um controle P com um controle PD ..................................... 33 Figura 32-Configuração de controlador PID em paralelo ............................................... 34 Figura 33-Resposta de um controlador PID .................................................................... 35 Figura 34-Resposta ao degrau unitário de uma planta .................................................... 37
Figura 35-Curva de resposta em forma de S ................................................................... 37 Figura 36-Representação da estrutura básica do CLP..................................................... 39
Figura 37-Partes construtivas de um CLP disponível no mercado ................................. 39 Figura 38-Estrutura básica da CPU ................................................................................. 40 Figura 39-Estrutura básica do sistema de memória ........................................................ 40 Figura 40-Representação dos conectores utilizados para entrada de sinal através de
dispositivos em campo .................................................................................................... 42
Figura 41-CLP Compacto da Schneider Electric ............................................................ 42 Figura 42-CLP Modular da SST ..................................................................................... 42 Figura 43-Dispositivos utilizados para entradas discretas (botoeiras) ............................ 43
Figura 44-Transmissor de pressão .................................................................................. 44 Figura 45-Exemplo de saída discreta (Válvula solenóide) ............................................. 44
Figura 46-Dispositivo que utiliza saída analógica do CLP (inversor de freqüência) ..... 45
Figura 47-Modelo de Rack disponível no mercado ........................................................ 46 Figura 48-Exemplo de programação em linguagem ladder ............................................ 47 Figura 49-Exemplo de programação em linguagem de blocos de função ...................... 48 Figura 50-Exemplo de programação em linguagem de lista de instrução ...................... 48 Figura 51-Exemplo de programação em linguagem de texto estruturado ...................... 49
Figura 52-Circuito elétrico controlado por interruptor ................................................... 51 Figura 53-Ciclo ativo de 50% ......................................................................................... 51 Figura 54-Definição do ciclo ativo ................................................................................. 52 Figura 55-Potencia aplicada com ciclo ativo de 1% ....................................................... 52 Figura 56-Potencia aplicada com ciclo ativo de 99% ..................................................... 52
Figura 57-Estrutura montada para suporte dos demais elementos .................................. 53 Figura 58-Recipientes usados como reservatório: inferior (a) e superior (b) ................. 54
Figura 59-Luva PVC soldável ½ para ¾ ” ...................................................................... 54
Figura 60-Flange de PVC soldável ¾” ........................................................................... 54 Figura 61- Joelho 90º soldável ¾” .................................................................................. 54 Figura 62-Tubo de PVC ¾” ............................................................................................ 54 Figura 63-Transdutor de pressão MPX5010 GP ............................................................. 55
Figura 64-Transdutor de pressão e circuito eletroeletrônico montados em placa ........... 56 Figura 65-CLP utilizado no projeto (CD600) ................................................................. 57
Figura 66-Conjunto motobomba ..................................................................................... 57 Figura 67-Drive de controle (à esquerda) e potencia (á direita) do motor da bomba ..... 58 Figura 68-Recipiente plástico envolvendo o circuito...................................................... 58
Figura 69-Protótipo montado .......................................................................................... 59 Figura 70-Equipamentos montados para inicio da aquisição de dados........................... 60
Figura 71-Gráfico da curva de resposta do sistema ........................................................ 62 Figura 72-Programa desenvolvido para o controle da planta.......................................... 63
Figura 73-Valores dos parâmetros do bloco PID ............................................................ 64 Figura 74-Interface RS232/RS485 .................................................................................. 65 Figura 75-Cabo de comunicação RS232 ......................................................................... 65
Figura 76-Planta montada com malha de controle e fonte de alimentação ..................... 66
Figura 77-Mudança do ponto de medição da pressão ..................................................... 67 Figura 78-Adaptação feita para mellho leitura do transdutor ......................................... 67 Figura 79-Parâmetros atribuídos ao bloco para o PID teórico ........................................ 68 Figura 80-Resposta de PV em relação a SP .................................................................... 68 Figura 81-Resposta de PV em relação a SP em relação a um disturbio ......................... 69
Figura 82-Parâmetros atribuídos ao bloco para o PI teórico ........................................... 70 Figura 83-Resposta de PV em relação a SP .................................................................... 70
Figura 84-Parâmetros atribuídos ao bloco para o PI prático ........................................... 71 Figura 85-Resposta de PV em relação a SP .................................................................... 72 Figura 86-Resposta de PV em relação a SP em relação a um disturbio ......................... 72
LISTA DE TABELAS
Tabela 01-Regras de sintonia de Ziegler-Nichols baseada na resposta ao degrau da
planta ............................................................................................................................... 38 Tabela 02-Principais símbolos utilizados na programação ladder ................................. 47 Tabela 03-Características Operacionais do sensor de pressão ........................................ 55 Tabela 04-Tensões obtidas na saída do circuito do transdutor em função do tempo ...... 61 Tabela 05-Parâmetros obtidos a partir dos valores de “T” e “L” .................................... 62
Tabela 06-Descrição dos parâmetros atribuídos ao bloco PID para controle da planta.. 64
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
MV - Variável Manipulada
PV - Variável do Processo
SP - Set Point
LCD - Display de Cristal Liquido
CLP - Controlador Lógico Programável
PV - Variável de Processo
P - Proporcional
PI - Proporcional e Integral
PD - Proporcional e Derivativo
PID - Proporcional, Integral e Derivativo
Kp - ganho proporcional
Pb - banda proporcional
Ti - TR - Tempo integral
Td - Tempo derivativo
L - Tempo morto ou atraso
T – Constante de tempo
ROM - Memória somente de leitura
RAM - Memória de acesso aleatório
EPROM - Memória programável apagável somente de leitura
EEPROM – Memória programável apagável com leitura programável
Vcc - Tensão em corrente continua
Vac - Tensão em corrente alternada
CPU - Unidade Central de Processamento
HD - Disco Rigido
CD - Disco Compacto
E/S - Entradas e Saidas
LD - Linguagem Ladder
FBD - Diagrama de blocos de função
IL - Lista de Instruções
ST - Texto Estruturado
PWM - Modulação de Largura de Pulso
IHM – Interface homem máquina
RS232- Padrão de conectores para comunicação
RS485- Padrão de conectores para comunicação
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 9
Capitulo I CONTROLE DE PROCESSOS ....................................................................... 11 1 Malhas de controle ................................................................................................... 13 1.1 Sistemas de controle em malha aberta .................................................................. 13 1.2 Sistemas de controle de malha fechada ................................................................. 14
1.3 Sistemas de Controle em malha aberta versus malha fechada .............................. 16 1.4 Instrumentos da Malha .......................................................................................... 17 1.4.1 Elemento primário ou Sensor ............................................................................. 18
1.4.2 Transmissor .................................................................................................... 19 1.4.3 Indicador ........................................................................................................ 20 1.4.4 Registrador ..................................................................................................... 20 1.4.5 Controlador .................................................................................................... 21
1.4.6 Conversor ....................................................................................................... 22 1.4.7 Elemento final de controle ............................................................................. 23
Capitulo II FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................... 24
2.1 Controladores PID ................................................................................................. 25 2.1.1 Controlador proporcional (P) ......................................................................... 26
2.1.2 Controlador proporcional e integral (PI) ........................................................ 29 2.1.3 Controlador proporcional e derivativo (PD) .................................................. 32 2.1.4 Controlador proporcional, integral e derivativo (PID) ................................... 34
2.2 Sintonia de controladores PID .............................................................................. 35 2.2.1 Métodos de Ziegler e Nichols ........................................................................ 36
2.2.1.1 Método da Curva de Resposta ................................................................ 36 2.3 Controladores lógicos programáveis ..................................................................... 38
2.3.1 Unidade central de processamento (CPU) ..................................................... 39 2.3.1.1 Processador ............................................................................................. 40 2.3.1.2 Sistema de memória ................................................................................ 40
2.3.2 Circuitos/Módulos de Entrada/Saída.............................................................. 41
2.3.2.1 Módulos ou circuitos de entrada ............................................................. 43 2.3.2.2 Módulos ou circuitos de saída ................................................................. 44
2.3.4 Base ou Rack .................................................................................................. 46 2.3.5 Linguagens de programação .......................................................................... 46
2.3.5.1 Linguagens gráficas ................................................................................ 47
2.3.5.2 Linguagens baseadas em texto ................................................................ 48 2.3.6 Ferramentas para Programação de PLCs ....................................................... 49
2.3.6.1 Programador Manual ............................................................................... 49 2.3.6.2 Software de Programação ....................................................................... 50
2.4 Modulação de Largura de Pulso (PWM) .............................................................. 50
Capitulo III DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO ........................................... 53
3.1 Descrição dos componentes .................................................................................. 53 3.1.1 Mecânica ........................................................................................................ 53 3.1.2 Hidráulica ....................................................................................................... 54
3.1.3 Eletrônica ....................................................................................................... 55 3.1.3.1 Elemento primário ................................................................................... 55
3.1.3.2 Controlador ............................................................................................. 56
3.1.3.3 Elemento final de controle ...................................................................... 57 3.2 Montagem da planta .............................................................................................. 59 3.3 Implementação do controle PID............................................................................ 60
3.3.1-Obtenção dos parâmetros ............................................................................... 60 3.3.2-Implementação do bloco PID ........................................................................ 63
3.4 Testes práticos ....................................................................................................... 66 3.4.1Primeira etapa.................................................................................................. 67 3.4.2 Segunda etapa................................................................................................. 70 3.4.3 Terceira etapa ................................................................................................. 71
CONCLUSÂO ................................................................................................................ 73
BIBLIOGRAFIAS .......................................................................................................... 74
APENDICES ................................................................................................................... 77 APENDICE I - Controlador lógico programável ........................................................ 77 APENDICE II - Software de programação ................................................................. 80
APENDICE III – Blocos funcionais utilizados ........................................................... 81 APENDICE IV- Partes Construtivas .......................................................................... 93
ANEXOS ...................................................................................................................... 100 ANEXO I - Especificação da motobomba ................................................................ 100 ANEXO II – Custos envolvidos no projeto .............................................................. 100
9
INTRODUÇÃO
O uso e avanço tecnológico dos controladores automáticos para controle de
processos industriais principalmente nas indústrias de manufatura já se faz presente há
vários anos, destacando-se nos dias atuais em conseqüência do aumento do grau de
complexidade de sistemas de manufatura. Estes elementos são responsáveis por
tomadas de decisões nos sistemas de controle, em relação a uma grandeza analisada,
corrigindo falhas através de dispositivos destinados para tal.
O emprego de controladores na indústria está relacionado com o controle de
variáveis de processos, sendo esta qualquer quantidade física que possui um valor que
varie com o tempo e com o espaço. Tendo como exemplo a pressão, temperatura,
umidade, viscosidade, nível e vazão, dentre outros. O controle dessas variáveis se faz
muito importante, principalmente no que diz respeito em que serão aplicadas, já que em
muitos processos industriais se faz necessário que uma determinada variável seja
mantida estabilizada.
Com o avanço da automação industrial nas industrias mais da metade dos
controladores industriais em uso empregam esquemas de controle proporcional, integral
e derivativo (PID) ou PID modificado para controle de variáveis de processos, devido
principalmente à simplicidade de ajuste dos parâmetros, e pelo fato de estarem presentes
em quase todos os equipamentos de controle industriais. Esse tipo de controle baseia-se
no cálculo inicial do erro entre a variável controlada (medida no processo) e seu valor
desejado (set-point), a partir desse erro, gera-se um sinal de controle, de forma a
eliminar este desvio, justificando assim sua vasta aplicação na indústria para controle
preciso de variáveis em processos de manufatura.
Existem atualmente uma gama de dispositivos com possibilidade de
implementação de controladores PID sendo muitos específicos para uma respectiva
aplicação. Um dispositivo bastante difundido na área de automação de processos são os
controladores Lógicos Programáveis (CLPs), sendo estes empregados na maioria das
vezes para controle de plantas industriais inteiras que possuem alto grau de
complexidade.
A possibilidade de implementação do controle PID em um CLP foi o que deu
intuito a realização deste trabalho, pois com essa característica se faz possível sua
utilização em um vasto campo de aplicações para controle de variáveis em processos
industriais.
10
Este trabalho tem como objetivo obter de forma mais eficaz possivel o controle
de nivel em um reservatorio de água, utilizando-se de um sistema de bombeamento
(conjunto motobomba, tubulação e componentes hidraulicos), de modo a eliminar
variações da mesma. Propondo ainda a medição da pressão, no inicio da tubulação de
abastecimento, como um método alternativo ao controle feito diretamente no
reservatório, evitando problemas causados principalmente por percas de sinal na
transmissão de dados entre reservatório e controlador, dificuldade de layout das plantas
industriais, dentre outras.
11
Capitulo I
CONTROLE DE PROCESSOS
Segundo (OGATA, 2003, pg. 02) [...] um processo é tido como uma operação
continua progressiva, artificial ou voluntária, que consiste em uma série de ações ou
movimentos controlados, sistematicamente destinados a atingir determinados fins ou
resultados.
Os processos industriais basicamente podem dividir-se em dois tipos:
- Indústrias de processamento continuo: Aquelas em que o processo produtivo envolve
de maneira mais significativa variáveis continuas no tempo (tipo analógicas). Sendo a
produção medida em toneladas ou em metros cúbicos, e o processo produtivo
essencialmente manipula fluidos. Sendo estas as indústrias petrolíferas, químicas, papel
e celulose, metalúrgica, entre outras.
- Indústrias de processamento discreto, ou manufaturas: Referem-se às unidades
industriais cujo processo produtivo envolve de maneira mais significativa varáveis
discretas no tempo (ligado ou desligado). A produção neste caso é medida em unidades
produtivas, tais como a indústria automobilística e fabricas em geral. (ALVES, 2005,
pg. 4)
Ribeiro (2005, pg. 28) ressalta que controlar um processo significa obter os
resultados desejados dentro dos limites de tolerância razoáveis. Sempre que houver um
distúrbio ou variação de carga no processo, a variável controlada deve retornar
exatamente ao ponto de ajuste estabelecido, dentro do tempo prescrito e com um erro de
pico limitado.
Independente do tipo de indústria o que se pretende ao se controlar um processo,
é fazer o controle de alguma variável envolvida no mesmo. As variáveis envolvidas são
muitas como temperatura, pressão, vazão, nível, força, pH, composição, umidade,
viscosidade, etc. Controlar uma ou mais destas variáveis significa manté-las em valores
o mais constantes possíveis (pontos de ajuste). (RIBEIRO, 2005, pg. 07)
Desde o princípio da era industrial já se tinha a necessidade de se fazer o
controle das variáveis presentes nos processos, sendo estas feitas manualmente por
operários utilizando-se de instrumentos simples como manômetros e válvulas manuais.
Com o aumento da produção e complexidade dos processos se fez necessário o aumento
da automação nos processos industriais, através de instrumentos de medição e controle.
(ALVES, 2005, pg. 2,3)
12
Na indústria moderna, a automação dos processos fabris é fundamental para a
manutenção ou aumento da competitividade no mercado, seja este local, nacional ou
mesmo mundial. O objetivo, em geral, de uma automação é fabricar o mesmo insumo
com maior eficiência, resultando na diminuição do desperdício, do consumo de energia
e, em alguns casos, do impacto ambiental.
Existem diversos tipos de sistema de controle e diferentes graus de automação.
Pode-se ter desde um controle simples de posicionamento e enchimento de um refil
como uma garrafa de refrigerante a um controle sofisticado de temperatura e vazão de
uma coluna de destilação multifásica. A diferença está no número de elementos
monitores e controlados, podendo ser simples válvulas ou servomotores, cuja eletrônica
de controle é bem complexa. (RIBEIRO, 2005, pg. 20)
Um sistema de controle é basicamente composto por um sistema do tipo entrada-
saída, onde o sistema a ser controlado é denominado processo ou planta.
A figura 01 ilustra um diagrama simplificado de um processo industrial, que
utiliza um sistema do tipo entrada e saída, sendo as entradas correspondentes às ações a
serem tomadas para que tal processo seja controlado de modo satisfatório e suas saídas
sendo as reações na saída do processo correspondentes as ações tomadas da entrada.
Figura 01-Representação de um sistema de controle
Fonte: JUNIOR. 2000. pg 1
Na figura 02 é ilustrado um exemplo de uma planta industrial, que emprega um
sistema de controle para o processamento de produtos, no caso petróleo bruto.
Figura 02-Planta industrial para processamento de petróleo bruto
Fonte: Phoenix Contact
13
Os controladores nestes casos são os elementos responsáveis por tomarem as
decisões nos sistemas de controle, de acordo com a entrada, fazendo-se modificar a
saída do mesmo. Os dispositivos que compõem um controlador podem ser elétricos,
mecânicos, pneumáticos, ópticos e até mesmo os seres humanos.
O processo é um sistema dinâmico, onde a entrada é chamada de variável
manipulada (MV) podendo ser a posição de uma válvula, tensão aplicada em um motor,
e a saída do processo conhecida como variável de processo (PV) como temperatura,
pressão, etc.
A filosofia do processo consiste então em fazer com que sinais adequados sejam
aplicados à entrada do processo com o intuito de gerar um sinal de saída que satisfaça as
condições determinadas pela operação realizada. Isso nada mais é que a definição de
controle automático de processos. Esse tipo de controle é cada vez mais empregado por
aumentar a produtividade, baixar custos, eliminar erros provocados pelo elemento
humano e manter automática e continuamente o balanço energético de um processo.
(RIBEIRO, 2005, pg. 20)
1 Malhas de controle
Uma malha de controle é um conjunto de instrumentos interligado entre si, que
produz um resultado útil e desejado, realizando determinadas tarefas em processos
industriais com pequena ou nenhuma supervisão humana. (RIBEIRO, 2005, pg. 38)
As malhas de controle se constituem basicamente nos elementos, ou seja, os
instrumentos de medição e controle que fazem parte do controle de um determinado
processo onde cada qual executa sua função no mesmo. Sendo que o melhor sistema de
controle é aquele que se utiliza do menor número de instrumentos para se obter o
controle automático mais eficiente e seguro.
Uma malha de controle pode estar configurada de duas formas, aberta ou
fechada.
1.1 Sistemas de controle em malha aberta
São aqueles em que o sinal de saída não exerce nenhuma ação de controle do
sistema, não sendo este medido nem realimentado para comparação com a entrada. A
cada entrada de referência corresponde a uma condição fixa de operação (OGATA,
2003, pg. 5)
14
Um exemplo simplificado para entendimento seria o de manter a velocidade
constante de 80 Km/h de um automóvel sem velocímetro. O motorista estima então com
qual pressão ele deve pisar no acelerador e mantém o acelerador com esta pressão.
A figura 03 representa em forma de diagrama de blocos um sistema de controle
feito em malha aberta. Onde a saída do controlador é enviada ao processo resultando em
uma saída. Percebe-se que a saída do processo para este caso não exerce nenhum efeito
sobre o controlador do mesmo, não o corrigindo caso necessário.
Figura 03-Representação de controle em malha aberta
A figura 04 ilustra um exemplo de controle em malha aberta, sendo este um
trocador de calor para aquecimento de fluido com vapor.
Para este exemplo o fluido a ser aquecido entra com certa quantidade, é aquecido com o
vapor oriundo de outra tubulação limitado por uma válvula manual, saindo aquecido em
outra extremidade, onde é quantificada sua temperatura por meio de um instrumento de
medição. Ficando claro que a temperatura de saída do fluido não se mantém constante
caso a quantidade de vapor e/ou fluido na entrada varie, pois não haverá correção da
válvula em relação à entrada de vapor para estabilizar o processo.
Figura 04-Exemplo de sistema em malha aberta
Fonte: COELHO. 2009. pg. 6
1.2 Sistemas de controle de malha fechada
Caracterizam-se pelo sinal de erro atuante, que é a diferença entre o sinal de
entrada e o de realimentação (podendo ser o próprio sinal de saída ou uma função do
sinal de saída), realimenta o controlador, de modo que minimize o erro manipulando a
saída do sistema ao valor desejado, chamado de set point (SP).
Na prática, os termos controle de malha fechada e com realimentação (feedback)
são usados indistintamente. Pois um controle realimentado é o que estabelece uma
15
relação de comparação entre a saída e a entrada de referencia, utilizando a diferença
como meio de controle. (OGATA, 2003, pg 5)
Considerando o mesmo exemplo do automóvel, mas supondo agora que ele
possui um velocímetro. O motorista recebe a informação de como o sistema está
reagindo em relação à pressão no acelerador. Baseado nesta informação ele pode
aumentar ou reduzir a pressão a fim de manter o carro na velocidade constante de 80
Km/h.
A figura 05 representa um diagrama de blocos com um controle em malha
fechada. Sendo que para este existe um sinal de realimentação oriundo da saída do
processo obtido através do elemento de medida, atuando este diretamente no
controlador caso o processo necessite de correção da variável.
Figura 05-Representação de controle em malha fechada
Baseando-se no mesmo exemplo da figura 04, a figura 06 ilustra um controle em
malha fechada, com adição de um controlador e substituição da válvula manual por uma
de controle automático. O elemento primário mede a temperatura da água aquecida na
saída do processo, envia este sinal ao controlador que compara a um valor determinado
(set point), estando este fora dos padrões estabelecidos há um acionamento do elemento
final de controle (válvula) fazendo-a abrir ou fechar. Sendo que para este caso a
temperatura de saída do fluido se mantém o mais próximo de um valor estabelecido,
caso a quantidade de vapor e/ou fluido na entrada variem, havendo a abertura ou
fechamento da válvula em relação à entrada de vapor caso seja necessário.
16
Figura 06-Exemplo de sistema em malha fechada
Fonte: COELHO. 2009. pg 5
1.3 Sistemas de Controle em malha aberta versus malha fechada
É fato que o sistema em malha fechada apresenta inúmeros beneficios
princialmente no que diz respeito ao controle de variáveis presentes nos processos
industriais, contudo a escolha de um sistema de malha sendo ele aberta ou fechada deve
ser feita perante varios aspectos. Pois cada um deles apresenta suas vantagens e
desvantagem em sua utilização.
Sistemas de controle em malha fechada basicamente se fazem mais vantajosos
na presença de distúrbios e/ou alterações não previsiveis nos componentes do sistema,
sendo insensivel a perturbações externas (distúrbios externos) e internas nos parametros
do sistema. Apresentando a possibilidade de utilização de componentes baratos e não
precisos para obter sistemas com controles precisos de alta qualidade. Todavia
apresentam a principal desvantagem em relação à instabilidade devido a tendencia de
correção de erros além do necessário, causando oscilações de amplitude constantes ou
variável. (OGATA, 2003, pg 6)
Sistemas de controle em malha aberta se fazem mais vantajosos onde a relação
entre a entrada e a saída for conhecida não havendo distúrbios internos ou externos.
Sendo de mais simples construção (menos componentes) apresentando fácil manutenção
e menores custos, não apresentam problemas de estabilidade, sendo ainda apropriados
quando existem dificuldades de avaliação da saída ou quando a medição precisa da
saída não é economicamente possível. Tendo esses sistemas as principais desvantagens
de que distúrbios e mudanças na calibração causam erros, e a saída pode apresentar
diferenças em relação ao padrão esperado, sendo ainda para a saída manter a qualidade
requerida, é necessária uma regulagem periódica. (OGATA, 2003, pg 6)
17
Sendo assim fica claro que cada sistema apresenta seus prós e contras, onde cada
qual se adéqua a uma determinada situação, sendo empregados de acordo com as
necessidades de controle de cada processo.
1.4 Instrumentos da Malha
As diversas funções necessárias para o correto funcionamento de uma malha de
controle são desempenhadas por dispositivos chamados de instrumentos para controle
de processos. Onde a associação desses dispositivos dá origem ao que se conhece como
malha de controle.
Os instrumentos mais comumente encontrados em malhas de controle
automático são o elemento primário ou sensor, transmissor, indicador, registrador,
transdutor, controlador, contador, e o elemento final de controle. Estando estes
divididos de acordo com suas funções desempenhadas em dispositivos de painel e de
campo. (RIBEIRO, 2005, pg. 38)
A figura 07 ilustra uma malha de controle de processo com seus elementos mais
comuns, sendo esta para controle de fluxo de um determinado fluido. È possível
visualizar os dispositivos responsáveis pela leitura, transmissão, indicação, registro,
controle, conversão e manipulação da variável do processo.
Figura 07-Instrumentos comumente encontrados em uma malha de controle
Apesar de possuírem muitos elementos, as malhas de controle podem ser
simplificadas em apenas três, sendo eles o transmissor/sensor, controlador e elemento
final de controle.
A figura 08 ilustra uma malha típica de controle, sendo esta, a de mais simples
configuração em malha fechada composta por um transmissor eletrônico um controlador
e uma válvula automática que representa o elemento final de controle.
18
Figura 08-Malha típica de controle: transmissor, controlador e válvula de controle
Fonte: RIBEIRO. 2005. pg. 38
No presente trabalho será utilizada uma malha de controle simplificada
semelhante ao layout da figura 08 contendo seus três elementos principais. Sendo esta
detalhada de forma mais especifica no Capitulo III.
Será descrito nos próximos tópicos cada dispositivo presente em uma malha
básica de controle, semelhante à ilustrada na figura 07.
1.4.1 Elemento primário ou Sensor
Parte de um instrumento que primeiro sente o valor da variável de processo
(PV). O elemento primário é o componente básico na medição. Sendo este parte de um
instrumento integrante, como um transmissor ou controlador. Dependem basicamente
da variável medida, podendo ser de natureza mecânica ou eletrônica. (RIBEIRO, 2005,
pg. 39)
A figura 09 representa um elemento primário de medição utilizado para leitura
da variável pressão, geralmente encontrado em tubulações, donde se baseia no principio
piezoresistivo (variação de resistência de um componente em função de sua deformação
mecânica).
Figura 09-Transdutor de pressão
Fonte: Metrolog
Já a figura 10 representa um elemento primário de medição utilizado para leitura
da variável temperatura, baseado no principio termoelétrico (aparecimento de tensão
elétrica mediante ao aquecimento de dois condutores diferentes).
19
Figura 10-Termopar Fonte: EXACTA
1.4.2 Transmissor
É o instrumento que sente uma variável de processo por meio de um elemento
primário e que produz uma saída cujo valor é geralmente proporcional ao valor da
variável do processo. (RIBEIRO, 2005, pg. 39)
Os elementos primários podem o não ser parte integrante do transmissor,
gerando estes, valores tidos como padrão para transmissão de sinais. Um exemplo mais
comum é o de corrente de 4 a 20 mA, dentre outros existentes.
A figura 11 ilustra um transmissor de sinal utilizado para padronização e
transmissão de sinal referente a instrumentos de medição de temperatura (termopar e
termoresistencia).
Figura 11-transmissor de sinal
Fonte: TERMOSEG
O transmissor eletrônico representado na figura 12 trata-se de um instrumento
responsável pela indicação, padronização e transmissão de sinal referente à pressão
medida em uma tubulação. Estes instrumentos são muito utilizados em malhas de
controle, devido principalmente a sua confiabilidade nas medições e por apresentarem a
redução de instrumentos presentes na mesma.
20
Figura 12-Transmissor eletrônico de pressão
Fonte: SMAR. 2010
1.4.3 Indicador
Este instrumento é o responsável por fornecer uma indicação visual da situação
das variáveis no processo, podendo ser analógico ou digital. Indicadores analógicos
dispõem de ponteiros e uma escala graduada na qual se pode ler o valor da variável. Já
os digitais mostram a variável em forma numérica com dígitos ou barras gráficas.
(ALVES, 2005, pg 12)
A figura 13 ilustra um manômetro, sendo este citado como um indicador
analógico muito comum em processos que envolvam manipulação de pressão.
Figura 13-Manômetro
Fonte: Salvi Casagrande
A figura 14 representa um indicador digital universal aplicável para indicação de
leitura dos principais tipos de termopares, termoresistências e sinais lineares como os de
4 a 20 mA e 4 a 20 mV.
Figura 14-Indicador digital
Fonte: NOVUS
1.4.4 Registrador
Esse dispositivo é destinado ao armazenamento dos valores de uma determinada
variável de controle sendo este feito de forma analógica em traço contínuo ou pontos em
21
um gráfico, ou de forma digital sendo a mais utilizada atualmente. (ALVES, 2005, pg
12)
Um exemplo de registrador gráfico digital é o ilustrado na figura 15 contendo
este display LCD para visualização, entradas universais para registro de grandezas
analógicas (tensão, corrente, resistência), digitais, pulso, freqüência, etc.
Figura 15-Registrador digital Fonte: INTERENG – Automação Industrial
A figura 16 ilustra um registrador gráfico analógico sendo este utilizado para
registro de temperaturas em processos através de leitura de vários tipos de termopares e
termoresistências. Possuindo este display analógico e entradas universais pré-
configuradas.
Figura 16-Registrador analógico
Fonte: ECIL
1.4.5 Controlador
Sua função é receber o sinal da medição da variável, compará-lo com um valor
de referência e atuar no processo para que a medição seja igual ou próxima ao valor de
referência. Normalmente recebe o sinal do transmissor e envia o sinal para o elemento
final de controle. (RIBEIRO, 2005, pg. 40).
Este dispositivo é o principal instrumento da malha de controle, sendo este o
responsável por manter em um valor pré-determinado uma variável do processo.
A figura 17 ilustra um controlador específico para controle de processos que
envolvam variáveis como temperatura, pressão, nível, vazão, corrente, tensão, entre
outros.
22
Figura 17 – Controlador universal
Fonte: Contemp
Na figura 18 é representado um controlador muito utilizado para controle de
processos industriais, o controlador lógico programável (CLP). Justificado
principalmente por sua versatilidade em função de tarefas que podem realizar
simultaneamente. Sendo empregados tanto para controle de processos simples como
máquinas operatrizes, até os que exijam manipulação de grande numero de varáveis
como linhas de produção.
Figura 18-Controlador lógico programável (CLP)
Fonte: CSW AUTOMAÇÃO
1.4.6 Conversor
Estes elementos são os que emitem um sinal de saída padronizado modificado
em relação á natureza do correspondente sinal de entrada. O conversor é também
conhecido como transdutor, sendo que este trabalha apenas com sinais de entrada e
saída padronizados. (ALVES, 2005, pg 13)
A figura 19 representa um conversor Eletro-pneumático, utilizado para
conversão de uma corrente elétrica continua em sinal pneumático para acionamento de
um elemento sendo estes geralmente válvulas pneumáticas.
Figura 19-Conversor eletro-pneumático
23
1.4.7 Elemento final de controle
São dispositivos responsáveis por atuar diretamente no processo, sendo
manipulados pelo sinal de saída do controlador regulando o fluxo de energia ou material
para um processo. (RIBEIRO, 2005, pg. 40)
Este dispositivo geralmente é resultante da composição de alguns elementos,
sendo estes os responsáveis pelo acionamento e controle da variável do processo.
Um dos elementos bastante utilizado em processos industriais são as válvulas de
controle. Podendo ser citados ainda outros como conversores de velocidade, relés
eletromecânicos e de estado sólido, motores, etc.
A válvula de controle com atuador pneumático ilustrada na figura 20 é um dos
exemplos de elementos finais de controle, sendo encontradas geralmente em tubulações
para dosagem de fluidos. Onde recebem o sinal do controlador e através do atuador, o
converte em força e movimento, variando a abertura da válvula para a passagem do
fluido.
Figura 20-Válvula de controle com atuador pneumático
Fonte: RIBEIRO. 2005. pg. 40
A figura 21 representa um motor elétrico utilizado em aplicações onde se faz
necessária a variação de rotação de um determinado elemento, podendo ser citados
bombas de dosagem ou drenagem de fluidos em reservatórios, ventiladores para
ventilação de ambientes, esteiras de produção, dentre outros. Sendo bastante
empregados com controladores que variam a freqüência elétrica de alimentação do
motor fazendo variar a rotação em seu eixo.
Figura 21-Motor elétrico trifásico
Fonte: WEG
24
Capitulo II
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Como visto no capitulo I os sistemas de controle em malha fechada são
constituídos de instrumentos responsáveis por fazerem o controle do processo de
maneira automática. Tendo como elemento principal os controladores automáticos, cuja
função é justamente controlar de forma automática e mais eficiente possível a planta
industrial como um todo.
Controladores automáticos são bastante difundidos na atualidade, sendo
empregados tanto em aplicações industriais de grande complexidade, até as mais
simples do dia-a-dia.
A maneira pelas quais esses controladores produzem o sinal de controle é
chamada de ação de controle podendo esta ser reversa ou direta. Na ação reversa se a
variável de processo (PV) aumenta, a variável manipulada (MV) diminui, sendo
tipicamente utilizada em controles de aquecimento, ao ponto que se a variável do
processo (PV) aumenta, a variável manipulada (MV) também aumentará, sendo este
bastante empregado em controles de refrigeração. (OGATA, 2003, pg. 02)
A maioria dos controladores industriais utiliza eletricidade ou fluido
pressurizado, como óleo ou ar, como fontes de energia. Também podem ser
classificados de acordo com a espécie de energia empregada na operação, como
controladores pneumáticos, hidráulicos ou eletrônicos. A escolha do tipo de controlador
a ser utilizado deve ser decidida com base na natureza da planta e nas condições de
operação, incluindo certas considerações, como segurança, disponibilidade, precisão,
peso e tamanho, etc. (OGATA, 2003, pg. 02)
A figura 22 ilustra um diagrama de blocos de um sistema de controle automático
de um processo industrial, donde se pode evidenciar o controlador responsável pelo
controle de todo o sistema mediante a correção da variável manipulada. O elemento
final de controle e o sistema de medição. Sendo visto ainda as respectivas
nomenclaturas utilizadas nas etapas do sistema.
25
Figura 22 – Diagrama de blocos de um sistema de controle automático
Fonte: GONÇALVES. 2003. pg. 87
2.1 Controladores PID
Controladores do tipo proporcional, integral e derivativo, comumente chamados
de controladores PID podem ser entendidos como sistemas de controle baseados em
resposta a uma equação matemática.
Esses tipos de controladores são os mais populares algoritmos de controle
feedback usados na indústria. Sendo utilizados em mais da metade dos controladores
industriais em uso atualmente, empregando configurações do controle PID ou PID
modificado para controle de variáveis (pressão, vazão, etc.). (OGATA, 2003, pg. 557)
O funcionamento desses controladores se baseia no cálculo inicial do erro entre
a variável controlada (medida no processo) e seu valor desejado (set point). O algoritmo
PID usa o erro em três módulos distintos (proporcional, integral e derivativo) para
produzir o sinal de saída de forma a estabilizar e manter estável o sistema da melhor
forma possível.
Em particular, quando o modelo matemático da planta não é conhecido e,
portanto, métodos de projeto analítico não podem ser utilizados, controles PID se
mostram os mais úteis. (OGATA, 2003, pg. 557)
Na área dos sistemas de controle de processos, as configurações básicas de
controle PID e os PID modificados provaram sua utilidade conferindo um controle
satisfatório.
Apesar de se ter a disponibilidade das ações destes três módulos, em muitas
aplicações industriais não se faz necessária à utilização de um ou mais destes
parâmetros. Assim, é bastante comum encontrar os seguintes tipos de controladores:
- Controlador Proporcional (P);
- Controlador Proporcional e Integral (PI);
26
-
- Controlador Proporcional, Integral e Derivativo (PID);
2.1.1 Controlador proporcional (P)
Nesse tipo de controlador a ação de controle, ou seja, a saída do controlador é
diretamente proporcional ao erro atuante oriundo do elemento de medição. Sua saída
depende apenas da amplitude do erro num instante de tempo, sendo o controlador
simplesmente um amplificador com um ganho constante, onde um grande erro em
algum instante de tempo acarreta um valor alto na saída do controlador nesse instante de
tempo. (CAMPOS, 2010, pg 25)
O algoritmo de posição do sinal de saída do controlador P (u(t)) mediante ao
erro (e(t)) atuante, é dado por.
)()( teKtu p
Onde Kp é uma constante, comumente chamada de ganho proporcional do
controlador, definindo esta o quanto a variável de controle deve variar em
correspondência a uma variação unitária do sinal de erro.
Sendo sua função de transferência escrita como:
pKsE
sU
)(
)(
A figura 23 ilustra a ação do controlador proporcional para um erro em forma de
degrau, onde o mesmo apresenta a mesma dinâmica que o sinal do erro (um degrau),
sendo sua magnitude diretamente proporcional ao erro multiplicado pelo fator Kp (que
neste caso é 3). Dessa forma se o erro não variar a saída do controlador também não irá
variar, permitindo um erro em regime permanente.
(2.2)
(2.1)
27
Figura 23-Ação proporcional mediante ao erro em forma de degrau
Fonte: CAMPOS. 2010. pg. 25.
A figura 24 ilustra a resposta de um sistema sob aplicação de ação proporcional.
Sendo quanto maior o ganho Kp, menor o erro em regime permanente, entretanto nunca
será possível anular completamente o erro. Por outro lado, quanto maior o ganho, mais
oscilatório tente a ficar o comportamento transitório do sistema em malha fechada, ou
seja, o aumento excessivo do ganho proporcional pode levar o sistema à instabilidade.
Figura 24-Saídas de sistema com controle proporcional, para Kp=1(contínuo),
Kp=2(tracejado) e Kp=4(pontilhado) Fonte: JUNIOR. 2000. pg. 15
Uma desvantagem do controlador proporcional é sua incapacidade, em geral, de
eliminar erros estacionários, que surgem após uma mudança de set point ou uma
perturbação constante na saída. (OGATA, 2003, pg. 230)
A figura 25 ilustra a resposta de um controlador proporcional no qual possui o
erro em regime permanente (offset).
28
Figura 25-Erro de offset causado após uma mudança de setpoint
Fonte: CRUZ. 2004. pg. 46
Em diversas aplicações de controle em que offsets podem ser tolerados, o
controle proporcional é o mais atraente, sendo justificado por apresentar grande
simplicidade.
Um exemplo pode ser dado para alguns problemas de controle de nível, onde a
manutenção do nível de líquido exatamente no valor do set point não é necessária, uma
vez que basta que o líquido não extravase ou que o tanque se esvazie por completo.
Em muitos controladores industriais (em especial os modelos mais antigos)
especifica-se o valor percentual da banda proporcional (Pb), ao invés do ganho
proporcional (Kp). A banda proporcional equivale ao erro que provoca uma variação de
100% na saída do controlador. Ou seja, é a percentagem do range do instrumento que
corresponde ao curso completo do elemento final de controle. (CAMPOS, 2010, pg 24)
A relação entre a banda proporcional e a constante proporcional é dada por:
KpPB
100
Onde PB é á banda proporcional.
A figura 26 ilustra a relação entre o sinal de erro e a ação de controle gerada pelo
modo de controle proporcional, sendo visto a banda proporcional mediante ao ganho do
controlador, constatando que quanto maior KP menor será a banda proporcional.
Figura 26-Ação de controle em função do sinal de erro gerado
Fonte: NOVUS. 2003. pg 04
(2.3)
29
Um exemplo de aplicação da banda proporcional seria se em uma válvula de
controle, onde Pb fosse 20%. Isso significaria que uma variação de 20% no erro
produzirá uma variação de 100% na saída, ou seja, a válvula se moverá de totalmente
aberta para totalmente fechada ou vice versa.
Sendo que se Pb for maior que 100%, não ocorrerá o curso completo da válvula de
controle.
Na figura 27 pode ser visualizada a ação da banda proporcional mediante a
resposta de um sistema. Em (A) tem-se um sistema com grande banda proporcional,
acarretando em um alto erro de regime. Em (B) temos uma banda proporcional de valor
ótimo, com um pequeno erro de regime e sem oscilações. Em (C) a banda proporcional
é muito pequena, onde provoca oscilações no sistema.
Figura 27 – Resposta de um sistema para três valores de PB
Fonte: NOVUS. 2003. pg 03
2.1.2 Controlador proporcional e integral (PI)
Neste tipo de controlador tem-se a ação conjunta de dois tipos de controle. O
modo proporcional e o integral.
A ação integral ocasiona uma correção tal que sua velocidade é proporcional à
amplitude do desvio. Resumidamente pode-se dizer que a intervalos regulares, a ação
integral corrige o valor da variável manipulada (MV), somando a esta o valor do desvio
(erro). (CAMPOS, 2010, pg 26)
A resposta da ação integral é dada como sendo proporcional à integral do sinal
de erro ao longo do tempo.
A saída do controle integral é dada pelo algoritmo.
dtteTi
tu )(1
)(
Onde Ti é chamado de tempo integral ou tempo de reset ou ainda conhecida por
controle de reset, tendo este dimensão de tempo (normalmente em minutos). Sendo nos
controladores comerciais um parâmetro ajustável.
(2.4)
30
O controle integral raramente é utilizado sozinho, pois tende a piorar a
estabilidade do sistema uma vez que, para que a variável de controle atinja um valor
significativo, é preciso que o erro persista por certo tempo. Por outro lado, o controle
proporcional atua simultaneamente com a ocorrência de um erro, ou seja, o controlador
proporcional toma uma ação corretiva tão logo um erro seja detectado. Por esta razão, o
controle integral é normalmente utilizado em conjunto com o controle proporcional,
constituindo esta combinação o controlador proporcional integral (PI). (CAMPOS,
2010, pg 28)
Sendo a equação do algoritmo de posição deste controlador dada por:
)(
1)()( te
TiteKptu
Sabendo que 1/Ti é uma constante de ajustagem (ganho integral) ou número de
repetições por segundo. Representando o número de vezes por unidade de tempo que a
parte da ação proporcional da ação de controle é duplicada.
Ou, equivalentemente, em termos de sua função de transferência.
sTiKp
sE
sU 11
)(
)(
A figura 28 ilustra a ação de um controlador integral (I) e proporcional integral
(PI) em relação a um erro em forma de degrau. Onde a ação integral isolada aumenta ou
diminui a saída do controlador indefinidamente enquanto houver erro. Já a ação do
controlador PI cuja ação proporcional (supondo Kp=3) muda instantaneamente a saída
na ocorrência do erro, e a ação integral continua mudando esta saída enquanto existir o
erro. Ficando evidente que após o tempo integral (2 segundos) a ação integral repete a
ação proporcional. Isto é, ocorrendo o erro de 1%, a saída do controlador será 3%
devido à ação proporcional, e após o tempo integral (2 segundos) a saída é 6% devido à
ação integral de 3% somada á ação proporcional, que continua em 3%.
(2.5)
(2.6)
31
Figura 28-Sinal de saída de um controlador com ação proporcional e integral
Fonte: CAMPOS. 2010. pg. 28
Na figura 29 é ilustrada a influência da sintonia do parâmetro Ti na resposta do
sistema proporcional e integral, considerando-se o sistema com KP=1, e Ti em 2
segundos para a linha pontilhada, 4 segundos para a tracejada e 10 segundos a continua.
Figure 29-Saída com ação PI: Para KP=1; Ti=2(pontilhado), Ti=4(tracejado) e
Ti=10(contínuo) Fonte: JUNIOR. 2000. pg. 16
Uma desvantagem do uso da ação integral é que ela tende a produzir respostas
oscilatórias e, portanto, reduzir a estabilidade do sistema. Uma pequena oscilação
normalmente é tolerada, uma vez que isto está em geral associado com uma rápida
resposta. (CAMPOS, 2010, pg 28)
Os efeitos indesejáveis da ação integral podem ser reduzidos por meio da
sintonia apropriada do controlador ou incluindo a ação derivativa, que tende a
compensar os efeitos desestabilizastes.
32
2.1.3 Controlador proporcional e derivativo (PD)
Este controlador é resultado da associação entre o controlador proporcional e o
derivativo.
A ação derivativa tem o efeito de reduzir a velocidade das variações da variável
do processo (PV), evitando que se eleve ou reduza muito rapidamente durante
perturbações ou na partida do processo. Sempre atua no sentido de atenuar as variações,
reagindo antecipadamente ao comportamento futuro do sinal de erro com base na sua
taxa de variação (caráter antecipatório), tendo como principal função melhorar o
desempenho do processo durante os transitórios. (CAMPOS, 2010, pg 30)
O algoritmo de saída do controlador derivativo é expresso como:
dt
tdeTdtu
)()(
Onde Td é chamado de tempo derivativo e tem dimensão de tempo
(normalmente minutos). Representando o avanço introduzido pela ação derivativa.
Dotando o controlador de uma capacidade de se antecipar à ocorrência do erro futuro.
Dessa maneira, o avanço produzido pelo termo derivativo pode compensar o
atraso introduzido por praticamente todas as malhas de controle.
A função de transferência desta ação é dada por:
sTdsE
sU
)(
)(
A ação derivativa nunca é utilizada sozinha, pois se o erro fosse constante, o
valor do controle seria nulo. Então, sempre é usada em conjunto com um controlador
proporcional que resulta no controlador PD, cujo algoritmo é dado por. (OGATA, 2003,
pg. 234)
dt
tdeTdteKptu
)()()(
Sendo sua função de transferência:
sTdKpsE
sU 1
)(
)(
A figura 30 ilustra a ação de um controlador derivativo (D) e proporcional
derivativo (PD) em relação a um erro em formato de rampa. Sendo que a ação do
controlador puramente derivativo é um valor constante e em forma de degrau, que no
inicio do erro (tempo zero) inicia-se em 15% .
(2.7)
(2.8)
(2.9)
(2.10)
33
Já no controlador PD o tempo derivativo (Td = 5) antecipa a ação do proporcional
(ganho Kp=3) que só iria ocorrer no tempo 5 segundos depois. Se não existisse a ação
derivativa, a saída do controlador só seria igual a 15% após 5 segundos. Entretanto com
o tempo derivativo (5 segundos), a saída do controlador já é igual a 15 % no tempo
zero, assim que o controlador calcula a derivada do erro.
Figura 30-Sinal de saída de um controlador com ação proporcional e derivativa
Fonte: CAMPOS. 2010. pg. 30
A figura 31 compara respostas hipotéticas de um processo com controle P e PD.
No controle P (figura 31A), devido à banda proporcional pequena observa-se a presença
de overshoot (PV ultrapassa SP antes de estabilizar). Isso ocorre pelo longo tempo em
que MV esteve no seu valor máximo e por ter sua redução iniciada já muito próximo de
SP, quando já é tarde para impedir o overshoot. No controle com ação derivativa (figura
32B) MV diminui se PV cresce muito rápido, ao antecipar a variação de PV, a ação
derivativa reduz ou elimina o overshoot e as oscilações no período.
Figura 31-Comparação de um controle P com um controle PD
Fonte: NOVUS. 2003. pg 05
Ao incorporar um caráter antecipatório à ação de controle, o modo derivativo
tende a estabilizar o sistema. O controle derivativo também tende a diminuir o erro
estacionário porque é possível trabalhar com valores mais elevados do ganho. Além
34
disso, normalmente melhora a resposta dinâmica do sistema, diminuindo o tempo de
acomodação. (OGATA, 2003, pg. 234)
2.1.4 Controlador proporcional, integral e derivativo (PID)
É o mais sofisticado tipo de controle utilizado em sistemas de malha fechada.
Trata-se da combinação das ações proporcional, integral e derivativa para gerar um só
sinal de controle dando origem ao chamado controlador Proporcional Integral
Derivativo ou simplesmente PID. (CAMPOS, 2010, pg 29)
O objetivo é utilizar as características particulares de cada uma destas ações
obtendo-se uma melhora significativa do comportamento transitório e em regime
permanente do sistema controlado.
Resumidamente a ação proporcional elimina as oscilações, a integral elimina o
desvio de off-set, enquanto a derivativa fornece ao sistema uma ação antecipada
evitando previamente que o desvio se torne maior quando o processo se caracteriza por
ter uma correção lenta comparada com a velocidade do desvio (por exemplo, alguns
controles de temperatura). (RIBEIRO, 2005, pg.72)
O sinal de controle gerado (u(t)) pelo controlador PID é dado como:
dt
tdeTdKpdtte
Ti
KpteKptu
)()()()(
Tendo sua função de transferência dada por:
sTd
sTiKp
sE
sU 11
)(
)(
A equação 2.11 expressa o algoritmo de saída do controlador PID paralelo
clássico, sendo este o mais encontrado na prática. Ele é dito paralelo porque as suas
ações, proporcional (P), integral (I) e derivativa (D) são calculadas em paralelo e em
seguida somadas, originando o sinal de saída.
Figura 32-Configuração de controlador PID em paralelo
Fonte: CAMPOS. 2010. pg. 31
(2.11)
(2.12)
35
Utilizando-se desta combinação têm-se três parâmetros de sintonia do
controlador: o ganho proporcional Kp (ação proporcional), o tempo integral Ti (ação
integral) e o tempo derivativo Td (ação derivativa).
Nem sempre, no entanto, faz-se necessário ou é possível o uso das três ações de
controle para controle de variáveis em processos. Pois cada qual possui suas limitações
perante de terminadas situações. (OGATA, 2003, pg. 557)
A figura 33 ilustra o efeito da ação do controle PID sob uma variável de um
processo industrial, lembrando de que as variáveis do controle (Kp, Ti e Td) devem ser
ajustadas para que se obtenha uma resposta satisfatória.
Figura 33-Resposta de um controlador PID
Fonte: NOVUS. 2003. pg 6
2.2 Sintonia de controladores PID
Uma vez que um sistema de controle esteja instalado, os ajustes dos parâmetros
do controlador devem ser realizados até que o desempenho do sistema seja considerado
satisfatório. Esta atividade é chamada de sintonia do controlador ou sintonia no campo.
Nos métodos práticos de sintonia o primeiro passo na utilização dos
controladores PID deve ser a da escolha dos modos a utilizar (proporcional, derivativo,
integral, ou uma combinação destes). Uma vez tomada à decisão, procede-se ao ajuste
dos parâmetros do controlador. (OGATA, 2003, pg. 558)
Sintonizar, ajustar ou calibrar os parâmetros de um controlador significa atribuir
valores a seus parâmetros, sendo estes o ganho proporcional Kp, tempo integral Ti e o
tempo derivado Td, partindo da resposta do sistema quando este é sujeito a entradas
específicas, determinando valores que vão permitir o cálculo dos referidos parâmetros.
Nos casos em que se dispõe de um modelo matemático para o sistema ou mesmo
de sua resposta em freqüência, várias técnicas de projeto baseados na teoria de controle
36
podem ser utilizados para sua sintonia. Porém, se a planta é tão complicada que seu
modelo matemático não pode ser obtido facilmente, se faz necessário o emprego de
métodos alternativos para se determinar seus parâmetros. (OGATA, 2003, pg. 558)
Tal determinação dos parâmetros de controladores de PID pode ser feita por
engenheiros de campo através de experiências na planta.
Numerosas regras de sintonia para controladores PID vêm sendo propostas
desde a proposta de Ziegler e Nichols, estando disponíveis na literatura dos fabricantes
de tais controladores.
2.2.1 Métodos de Ziegler e Nichols
Ziegler e Nichols sugestionaram regras para sintonia de controladores PID
(pretendendo ajustar os valores de Kp, Ti e Td) baseadas na resposta experimental ao
degrau ou baseado no valor de Kp que resulta em estabilidade marginal, quando só uma
ação proporcional de controle é usada. (OGATA, 2003, pg. 558)
Na realidade, as regras de sintonia de Ziegler-Nichols fornecem estimativas dos
valores dos parâmetros de Kp, Ti e Td que dará uma operação estável do sistema e
proporcionam um ponto de partida na sintonia fina, e não os valores definitivos de Kp,
Ti e Td, logo na primeira tentativa. (OGATA, 2003, pg. 558)
A sintonia dos parâmetros do controlador lógico programável (CLP) utilizado
neste projeto será realizada pelo método da curva de resposta de Ziegler e Nichols.
Sendo este descrito no próximo tópico.
2.2.1.1 Método da Curva de Resposta
Baseia-se num único teste experimental que deve ser realizado com o sistema
em malha aberta (controlador no modo manual), obtendo experimentalmente a resposta
da planta a uma entrada em degrau unitário. Se a planta não possui integradores nem
pólos complexos conjugados dominantes, então essa curva de resposta (curva de reação
do sistema) ao degrau unitário pode ter o aspecto de um “S”, típico de um sistema de
primeira ordem com atraso. Essa curva de resposta ao degrau pode ser gerada
experimentalmente ou a partir de uma simulação dinâmica da planta. (OGATA, 2003,
pg. 559)
A figura 34 representa os aspectos dos sinais de entrada e saida utilizados para
sintonia de controladores pelo método da curva de resposta de Ziegler e Nichols, onde
37
se tem a entrada do sinal na planta (u(t)) em forma de degrau unitário, e a curva de saída
da mesma (c(t)) em forma de “S”.
Figura 34-Resposta ao degrau unitário de uma planta
Fonte: OGATA. 2004, pg. 558
A curva com formato em “S” pode ser caracterizada através de duas constantes,
o atraso L e o tempo T. Sendo estas determinadas desenhando-se uma linha tangente no
ponto de inflexão da curva com formato de S e determinando-se a interseção da linha
tangente com o eixo dos tempos e linha horizontal c (t) = K. (OGATA, 2003, pg. 559)
A figura 35 ilustra a curva de resposta de um processo, sendo esta cortada por
uma linha tangente no ponto de inflexão da curva com formato de “S”, para obtenção
das constantes utilizadas para determinar os parâmetros para sintonia do controlador.
Figura 35-Curva de resposta em forma de S
Fonte: OGATA. 2004, pg. 559
As constantes obtidas pelo gráfico (figura 35) estão relacionadas com o tempo
morto ou atraso L sendo este o tempo que o processo leva para começar a responder à
variação ao degrau. E a constante de tempo T no qual se trata do tempo que o processo
demora, uma vez iniciada a variação da entrada, para a saída chegar aos 63% da
variação total final.
A função de transferência C(s)/U(s) pode ser aproximada por um sistema de
primeira ordem com um atraso de transporte, como se segue:
1)(
)(
sT
eK
sU
sC sL
Ziegler e Nichols sugeriram para fixar os valores de Kp, Ti e Td em relação as
constantes L e T as equações mostrada na tabela 01.
(2.13)
38
Tabela 01-Regras de sintonia de Ziegler-Nichols baseada na resposta ao degrau da
planta
Tipo de
Controlador pK
iT dT
P
L
T
0
PI
L
T9,0
3,0
L
0
PID
L
T5,0
L2 L5,0
Fonte: OGATA. 2004. pg. 559
O controlador PID sintonizado por este método é expresso pela seguinte
equação:
s
Ls
TsGc
21
6,0)(
Sendo que o controlador PID tem um pólo na origem e zeros duplos em s = -1/L.
Essas relações para a sintonia do controlador foram obtidas empiricamente com
o objetivo de conseguir uma taxa de decaimento da ordem de ¼.
2.3 Controladores lógicos programáveis
Controladores lógicos programáveis (CLPs) podem ser definidos de maneira
genérica como dispositivos de estado sólido. Um computador industrial, capaz de
armazenar instruções para implementação de funções de controle (seqüência lógica,
temporização e contagem, por exemplo), além de realizar operações lógicas e
aritméticas, manipulação de dados e comunicação em rede, sendo utilizado no controle
de sistemas automatizados. (GIORGINI, 2006, pg 48)
O CLP Independente do tamanho, custo ou complexidade apresenta seu
funcionamento de forma seqüencial, fazendo um ciclo de varredura em algumas etapas,
como em todo sistema microprocessado. É importante observar que quando cada etapa
do ciclo é executada, as outras etapas ficam inativas.
Os principais blocos que compõem os CLPs são:
- Unidade Central de Processamento (CPU);
- Circuitos ou módulos de entradas e saídas (E/S);
- Fonte de alimentação;
(2.14)
39
- Base ou Rack;
A figura 36 representa de uma forma simplificada o funcionamento de um CLP
A CPU executa a leitura dos status (condições, estados) dos dispositivos de entrada.
Esses status são armazenados na memória RAM sendo processados pelo programa de
aplicação (desenvolvido pelo usuário e armazenado em memória RAM, EPROM ou no
CLP). Após a execução programa de aplicação, o processador atualiza os status dos
dispositivos de saída, realizando a lógica de controle.
Figura 36-Representação da estrutura básica do CLP
Fonte: GIORGINI. 2006. pg. 49
A figura 37 ilustra um CLP disponível no mercado, onde pode ser visto a
distribuição de seus blocos fisicamente. Fonte de alimentação, CPU, módulos de
entradas e saídas e a base ou rack (responsável pela sustentação física dos blocos
descritos anteriormente).
Figura 37-Partes construtivas de um CLP disponível no mercado
Fonte: GIORGINI. 2006, pg. 49
2.3.1 Unidade central de processamento (CPU)
Compreende os elementos que formam a “inteligência” do sistema. Composto
basicamente pelo processador (microprocessador, microcontrolador ou processador
dedicado), sistema de memória (ROM e RAM), além dos circuitos auxiliares de
controle. Sendo o responsável pela gerencia do sistema, através do sistema operacional,
armazenamento dos programas aplicativos, armazenamento dos estados das entradas e
saídas e execução do programa aplicativo. (GIORGINI, 2006, pg 54)
40
Na figura 38 é ilustrado uma representação dos componentes internos da CPU e
sua lógica de funcionamento. Onde o processador interage continuamente com o
sistema de memória por meio do programa de execução, interpreta e executa o
programa de aplicação, e gerencia todo o sistema. Os circuitos auxiliares de controle
atuam sobre os barramentos de dados, endereços, e de controle, conforme solicitado
pelo processador, de forma similar a um sistema convencional baseado em
microprocessador.
Figura 38-Estrutura básica da CPU
Fonte: GIORGINI.2006. pg. 54
2.3.1.1 Processador
É responsável pelo gerenciamento total do sistema, controlando os barramentos
de endereços, de dados e de controle.
Conforme determinado pelo programa de execução, interpreta e executa as
instruções do programa de aplicação, controla a comunicação com dispositivos
extremos e verifica a integridade de todo o sistema (diagnósticos). (GIORGINI, 2006,
pg 54)
2.3.1.2 Sistema de memória
É composto pela memória do sistema de operação (programa de execução ou
firmware, e rascunho do sistema) e pela memória de aplicação (programa de aplicação e
tabela de dados). (GIORGINI, 2006, pg 55)
A figura 39 ilustra de forma simplificada a divisão do sistema de memória do
CLP.
Figura 39-Estrutura básica do sistema de memória
Fonte: GIORGINI. 2006. pg. 55
41
- Memória do sistema de operação
Programa de execução (Firmware): Constitui o programa desenvolvido pelo
fabricante do CLP, o qual determina como o sistema deve operar, incluindo a execução
do programa de aplicação, controle de serviços periféricos atualização dos módulos de
I/O, etc. Sendo o responsável pela „tradução‟ do programa de aplicação desenvolvido
pelos usuários, para instruções que o processador da CPU possa executar em linguagem
de maquina. É armazenado em memória não volátil tipo ROM, e normalmente EPROM.
Rascunho do sistema: Trata se de uma área de memória reservada para o
armazenamento temporário de uma quantidade pequena de dados utilizados pelo
sistema de operação para cálculos e controle (calendários e relógios internos,
sinalizadores de alarmes e erros). Uma característica dessa área de memória é o acesso
rápido, sendo tipo RAM.
- Memória de aplicação ou memória do usuário
Programa de aplicação: nessa área é armazenado o programa desenvolvido pelo
usuário para a execução do controle desejado. Trata-se normalmente de memória
EEPROM, podendo ser também EPROM, ou ainda RAM com bateria de segurança.
Tabela de dados: Armazena dados que são utilizados pelo programa de
aplicação, como valores atuais e pré-configurado de temporizadores/contadores e
variáveis do programa, alem dos status dos pontos de entrada e de saída (tabela de
imagem das entradas e tabela de imagem da saída), que são lidas e escritas pelo
programa de aplicação, respectivamente.
2.3.2 Circuitos/Módulos de Entrada/Saída
Esses módulos ou circuitos de entrada e saída são responsáveis por fazerem a
comunicação entre a CPU e o meio externo (por meio dos dispositivos de entrada e
saída), além de garantir isolação e proteção á CPU. Podem ser discretos (sinais digitais),
ou analógicos. (GIORGINI, 2006, pg 58)
A figura 40 exemplifica uma representação genérica de um CLP com seus
dispositivos de entrada (botoeira, sensor e termostato) e saída (bobina, lâmpada e
transdutor). Onde a comunicação desses dispositivos com a CPU é realizada por
circuitos de entrada e saída, que nada mais são do que conectores elétricos dispostos em
barramentos.
42
Figura 40-Representação dos conectores utilizados para entrada de sinal através de
dispositivos em campo
A diferenciação de nomenclatura entre, circuitos de E/S ou módulos de E/S,
deve-se ao tipo de CLP. Nos CLPs compactos a CPU e as E/S estão alojados em um
único invólucro, usando-se circuitos de E/S. Para os CLPs modulares a CPU e as E/S
estão disponíveis de forma independente, usando-se módulos de E/S. (GIORGINI,
2006, pg 58)
A figura 41 ilustra um CLP compacto, que apresentam circuitos E/S como
dispositivos para entrada e saída de dados.
Figura 41-CLP Compacto da Schneider Electric
Fonte: Schneider Electric
A figura 42 ilustra um CLP modular, que apresentam módulos E/S como
dispositivos para entrada e saída de dados.
Figura 42-CLP Modular da SST
Fonte: LPC
43
2.3.2.1 Módulos ou circuitos de entrada
São responsáveis por receberem os sinais dos dispositivos de entrada, tais como:
sensores, chaves e transdutores, e os converterem em níveis adequados para serem
processados pela CPU. Podendo estes ser analógicos ou digitais. (GIORGINI, 2006, pg
60)
- Módulos ou circuitos de entradas discretas
Tratam sinais digitais, ou seja, que possuem apenas dois estados (ligado ou
desligado). São utilizados em sistemas seqüenciais e na maioria das aplicações, mesmo
como parte de sistemas contínuos.
Como exemplos de dispositivos que produzem sinais digitais podem ser citados
as botoeiras, chaves fim de curso, chaves comutadoras, termostatos, pressostatos, etc.
As entradas digitais podem ser projetadas para operarem em corrente continua (12 Vcc,
24Vcc) ou em corrente alternada (127 Vca ou 220 Vca). (GIORGINI, 2006, pg 60)
A figura 43 ilustra tipos de botoeiras. Sendo estes exemplos de dispositivos que
produzem sinais digitais.
Figura 43-Dispositivos utilizados para entradas discretas (botoeiras)
Fonte: Eletrotécnica Vera Cruz
- Módulos ou circuitos de entradas analógicas
São os que possibilitam ao CLP manipular sinais analógicos (tensão, corrente,
temperatura, por exemplo), provenientes dos dispositivos de entrada que quantificam
grandezas analógicas (transdutor, conversor, termopar), em sinais digitais por meio de
conversor analógico/digital, disponibilizando-os adequadamente ao barramento da CPU.
(GIORGINI, 2006, pg 65)
São utilizados em sistemas contínuos ou como parte de sistemas seqüenciais.
Para tensão as faixas de utilização são normalmente de 0 a 10 Vcc, 0 a 5 Vcc, 1 a 5 Vcc,
-10 a +10Vcc (interfases que permitem entradas positivas e negativas são chamadas de
entradas diferenciais), e no caso de corrente 0 a 20 mA, 4 a 20mA, etc. (GIORGINI,
2006, pg 66)
44
Como exemplos de dispositivos comumente empregados para fazer interface das
entradas analógicas podem ser citados os transdutores de pressão, transmissores de
temperatura, etc.
A figura 44 ilustra um exemplo de dispositivo (transmissor de pressão)
responsável por fornecer sinal analógico (tensão), mediante a medição de pressão em
tubulações.
Figura 44-Transmissor de pressão
Fonte: Danfoss
2.3.2.2 Módulos ou circuitos de saída
São os que realizam o envio dos sinais aos dispositivos de saída, tais como:
motores, atuadores e sinalizadores. Esses sinais podem ser resultantes da lógica de
controle, pela execução do programa de aplicação, ou “forçados” pelo usuário,
independente da lógica de controle. (FRANCHI, 2009, pg 41)
- Módulos ou circuitos de saídas discretas
Tratam sinais digitais (ligado/desligado), Sendo bastante comuns em sistemas
seqüências e na maioria das aplicações industriais.
Podendo ser citados dispositivos acionados por saídas digitais os relés,
contatores, solenóides, válvulas, dentre outros.
A figura 45 ilustra uma válvula solenóide, sendo esta um exemplo clássico de
dispositivo acionado por saída digital. Empregada para uso em linhas de água, vapor e
fluidos especiais.
Figura 45-Exemplo de saída discreta (Válvula solenóide)
Fonte: THERMOVAL
45
As saídas digitais apresentam normalmente faixa de tensão entre 24 Vac, 127
Vac ou 220 Vac (a TRIAC ou SCR), para alimentação de cargas em corrente alternada,
5 Vcc, 12 Vcc, 24 Vcc (transistor bipolar ou MOS-FET) para cargas acionadas em
corrente continua, ou a relé tanto em corrente continua como alternada. (GIORGINI,
2006, pg 63)
- Módulos ou circuitos de saídas analógicas
Possuem a finalidade de converterem sinais digitais, disponíveis no barramento
da CPU, em sinais analógicos por meio de conversor digital/analógico enviando-os aos
dispositivos de saída (driver, amplificador). As faixas de operação dos canais são
comumente utilizados para corrente 0 a 20 mA, 4 a 20 mA e tensão 0 a 5 V, 0 a 10 V.
(GIORGINI, 2006, pg 68)
Podem ser tidos como exemplos de dispositivos que utilizam sinais analógicos
oriundos das saídas de CLPs: válvulas proporcionais, posicionadores, atuadores,
inversores de freqüência, dentre outros.
A figura 46 ilustra um dispositivo (inversor de freqüência) que utiliza saída
analógica do CLP como sinal de entrada. Sendo este responsável pelo acionamento de
motores elétricos.
Figura 46-Dispositivo que utiliza saída analógica do CLP (inversor de freqüência)
Fonte: Envasa
2.3.3 Fonte de alimentação
As fontes de alimentação são as responsáveis pela alimentação elétrica da CPU e
circuitos/módulos de E/S (desde que respeitado o limite de corrente). Sendo
responsáveis ainda por funcionarem como dispositivo de proteção, garantindo a
segurança e a integridade da tensão de alimentação para todo o sistema, por meio do
monitoramento constante dos níveis de tensão e de corrente fornecidos, onde geralmente
do tipo chaveada com tensão de saída de 24 Vcc. (FRANCHI, 2009, pg 31)
46
2.3.4 Base ou Rack
A base ou rack é o que sustenta mecanicamente os elementos que compõem o
CLP. Contem o barramento que fazem à conexão elétrica ente eles, no qual estão
presentes os sinais de dados, endereço e controle (necessários para comunicação entre a
CPU e os módulos de E/S), além dos níveis de tensão fornecidos pela fonte de
alimentação (necessários para que a CPU e os módulos E/S possam operar).
(GIORGINI, 2006, pg 70)
A figura 47 ilustra um exemplo de rack disponível no mercado, donde se pode
visualizar a disposição mecânica dos módulos do CLP fixados nos mesmos.
Figura 47-Modelo de Rack disponível no mercado
Fonte: ROSSI.2008. pg. 30
2.3.5 Linguagens de programação
Existem vários tipos de linguagens de programação para CLPs, sendo a
padronização dessas linguagens feita pelo IEC (Comissão Eletrotécnica Internacional),
através da norma IEC 61131-3.
Essa norma (IEC 61131-3) estabelece padrões para a sintaxe e componentes
específicos das linguagens de programação para CLPs. Detalhando vários métodos de
programação que devem ser empregados, os tipos de dados que devem estar
disponíveis. Além disto, cria um modelo de software e estabelece padrões para a
estruturação de programas em CLPs, definindo também funções pré-definidas que tem
que ser disponibilizadas pelas ferramentas de software fornecidas pelos fabricantes de
CLPs. (GIORGINI, 2006, pg 85)
A norma IEC 61131-3 define duas linguagens gráficas e duas linguagens
baseadas em texto para a programação de CLPs. As linguagens gráficas usam símbolos
para representar as instruções do programa de controle, enquanto as linguagens
baseadas em texto usam palavras como instruções. (GIORGINI, 2006, pg 85)
47
2.3.5.1 Linguagens gráficas
- Linguagem Ladder (LD)
O nome ladder deve-se a representação da linguagem se parecer com uma escada
(Iadder), na qual duas barras verticais paralelas são interligadas pela lógica de controle,
formando os degraus da escada. Esses degraus representam contatos, como se fosse um
comando elétrico na horizontal. (GIORGINI, 2006, pg 84)
Nessa linguagem se faz possível desenvolver lógicas combinacionais,
seqüenciais e circuitos que envolvam ambas, utilizando como operadores para estas
lógicas: entradas, saídas, estados auxiliares e registros numéricos. (FRANCHI, 2009, pg
106)
A Tabela 02 ilustra os três principais símbolos utilizados na programação
ladder. Os contatos aberto e fechado (usados para dispositivos de entrada) e a bobina
(símbolo para as saídas).
Tabela 02-Principais símbolos utilizados na programação ladder
Tipo Símbolo
Contato aberto
Contato fechado
Saída
A figura 48 representa um exemplo simples de programação em linguagem
ladder, e como os contatos e bobinas estão distribuídos no ambiente de programação.
Figura 48-Exemplo de programação em linguagem ladder
Fonte: GIORGINI. 2006. pg. 54
Além de simples contatos e bobinas, atualmente dispõem de contatos utilizados
para várias situações (contatos de comparação, temporizadores, contadores, blocos de
processamento, etc)
- Diagrama de blocos de função (FBD)
Trata-se de uma linguagem gráfica que permite aos elementos do programa,
representados como blocos, serem conectados entre si de forma semelhante a um
48
diagrama de circuito eletrônico. Essa linguagem é apropriada para aplicações que
envolvam fluxo de informação, ou dados, entre os componentes de controle.
(GIORGINI, 2006, pg 86)
A figura 49 ilustra um exemplo simples de programação em linguagem de
diagrama de blocos de função, onde se pode visualizar seu estilo de programação.
Figura 49-Exemplo de programação em linguagem de blocos de função
Fonte: ROSSI. 2008. pg. 8
No presente trabalho a implementação do controlador PID do CLP será realizada
pela linguagem de diagrama de blocos de função. Sendo esta detalhada mais afundo no
capitulo III.
2.3.5.2 Linguagens baseadas em texto
- Lista de Instruções (IL)
É uma linguagem de baixo nível. Na qual permite apenas uma operação por
linha, definindo textualmente os componentes e as instruções que o CLP deverá realizar
passo a passo. Sua utilização é viável em aplicações menores, ou para otimização de
partes de uma aplicação mais complexa. (GIORGINI, 2006, pg 85)
A Figura 51 representa um exemplo simples de programação em linguagem de
lista de instruções, donde se constata três colunas. A do endereço onde se encontra a
entrada física, a da instrução a ser imposta para tal entrada e a de operação donde se
encontra o elemento que será estimulado.
Figura 50-Exemplo de programação em linguagem de lista de instrução
Fonte: GIORGINI. 2006. pg. 85
49
- Texto Estruturado (ST)
É a linguagem de alto nível. Essa linguagem pode ser usada para expressar
declarações complexas envolvendo variáveis que representa uma ampla faixa de dados
de diferentes tipos, incluindo valores analógicos e digitais. A linguagem ST lembra
muito as linguagens de programação de computadores BASIC e PASCAL (GIORGINI,
2006, pg 86)
Havendo também tipos de dados específicos para gerenciamento de horas, datas
e duração de tempo, utilizados em aplicações de processamento de produtos, por
exemplo.
A figura 51 representa um exemplo simples de programação em linguagem de
texto estruturado.
Figura 51-Exemplo de programação em linguagem de texto estruturado
Fonte: GIORGINI. 2006. pg. 86
2.3.6 Ferramentas para Programação de PLCs
As principais Ferramentas para Programação disponível atualmente para CLPs
encontrados no mercado são o programador manual e o software de programação para
computador. Ambas as ferramentas possuem recursos para monitoramento de condições
internas a CPU (diagnósticos e erros, por exemplo), verificação da execução do
programa de aplicação de controle sobre os modos de operação, entre outros.
2.3.6.1 Programador Manual
Está é ferramenta de menor custo e utilizada para pequenas alterações.
Normalmente, possui um display de cristal liquido com duas linhas para apresentação
das informações (endereço e dados do programa, condição dos pontos de E/S e
diagnósticos internos, por exemplo) e um teclado de membrana para entrada dos dados.
(GIORGINI, 2006, pg 88)
São bastante úteis como Ferramenta de Manutenção para campo (chão de
fabrica), proporcionando visualização, monitoramento e alteração de parâmetros e do
50
programa de aplicação rapidamente, com a vantagem de ser portátil e resistente ao
ambiente industrial. É conectado a CPU do CLP por meio de cabo apropriado, pelo qual
recebe a tensão de alimentação necessária a sua operação. (GIORGINI, 2006, pg 88)
2.3.6.2 Software de Programação
Trata-se de uma ferramenta mais poderosa disponível atualmente. Proporcionam
edição/ alteração do programa de aplicação em ambiente gráfico (Linguagem Ladder,
por exemplo), permite visualização e controle total do sistema (documentação e
impressão da aplicação desenvolvida), varias formas de armazenamento de backup
(disquete, HD, CD, etc.) e recursos avançados para depuração e manutenção. O
computador deve atender as configurações de hardware (processador, quantidade de
memória RAM, espaço livre em HD, portas seriais) e de software(Sistema Operacional)
indicadas pelo fabricante do CLP. (GIORGINI, 2006, pg 89)
A comunicação entre o computador e a CPU do CLP é feita por meio de um
cabo apropriado, pela porta serial (RS-232) na maioria dos casos. Podendo utilizar ainda
o padrão RS-422 ou RS-485 para conexão. Havendo aquelas que utilizam padrão
próprio e necessitam de interface dedicada instalada no PC. (GIORGINI, 2006, pg 89)
2.4 Modulação de Largura de Pulso (PWM)
De uma forma simplificada o PWM trata-se de uma técnica para controle de
potencia em cargas elétricas, fazendo variar a potência entregue as mesmas entre um
valor mínimo (0%) e máximo (100%), em relação à fonte de alimentação.
Esta técnica é bastante difundida na atualidade em inúmeras aplicações que se
faça necessário o controle de potencia em cargas elétricas, podendo ser citadas as fontes
chaveadas, solenóides, aquecedores, lâmpadas incandescentes, motores de corrente
contínua ou alternada. Em motores elétricos se faz possível o controle de sua
velocidade, mantendo o torque ainda que em baixas velocidades o que garante partidas
suaves mesmo quando há uma carga maior sobre os motores. (GHIRARDELLO. 2008.
pg. 02)
Seu principio de funcionamento baseia-se na idéia de um circuito formado por
um interruptor de ação muito rápida e uma carga a ser controlada. Quando o interruptor
está aberto não há corrente na carga e a potência aplicada é nula, no instante em que o
interruptor é fechado a carga recebe a tensão total da fonte e a potência aplicada é
máxima. (GHIRARDELLO. 2008. pg. 02)
51
A figura 52 representa o princípio de funcionamento do PWM onde se tem um
interruptor controlado que quando acionado faz com que o motor receba 6 Volts da
fonte de alimentação e funcione com 100% de potência, e quando não acionado o motor
não recebe energia e simplesmente não funciona.
Figura 52-Circuito elétrico controlado por interruptor
A parte fundamental desta técnica é justamente o controle utilizado para ligar e
desligar o “interruptor”. Se supondo conseguir controlar o acionamento do interruptor
um grande número de vezes por segundo de tal forma que metade do tempo ele fica
ligado e metade desligado o resultado seria uma onda quadrada com amplitude igual a
da fonte.
A figura 53 ilustra a curva de resposta para o circuito da figura 53 donde se tem
o tempo “t1” corresponde ao tempo que o interruptor fica pressionado e “t2” o tempo
que ele fica livre. Como neste caso t1 é igual a t2, isto significa que durante a metade do
tempo (t) o motor recebe tensão (6 Volts) e corrente da fonte e na outra metade deixa de
receber tensão (0 Volts) e corrente. A tensão média resultante aplicada ao motor é neste
caso de 3 Volts, ou seja, 50% da tensão da bateria.
Figura 53-Ciclo ativo de 50%
Fonte: GHIRARDELLO. 2008. pg. 02
O interruptor fechado neste caso pode definir uma largura de pulso pelo tempo
em que ele fica nesta condição, e um intervalo entre pulsos pelo tempo em que ele fica
aberto. Os dois tempos juntos definem o período e, portanto, uma freqüência de
controle.
52
A relação entre o tempo que se tem entre o pulso e a duração do ciclo completo
de operação do interruptor nos define ainda o ciclo ativo.
A figura 54 ilustra a resposta de um circuito PWM, no qual fica visível que o
ciclo ativo (t1) trata-se do tempo em que se tem o pulso em relação ao ciclo completo de
operação (t) sendo este o período.
Figura 54-Definição do ciclo ativo
Fonte: GHIRARDELLO. 2008. pg. 02
Sendo assim a variação da largura do pulso ligado (ciclos ativos diferentes),
resulta no controle de potência média aplicada a uma carga. Assim, quando a largura do
pulso varia de zero até o máximo, a potência também varia na mesma proporção.
(GHIRARDELLO. 2008. pg. 03)
Supondo este controle empregado na variação da rotação de motores, para se
diminuir sua rotação basta reduzir a largura dos pulsos, mantendo o motor menos tempo
ligado. Caso contrário se aumenta a largura do pulso mantendo o motor mais tempo
ligado resultando em um aumento de sua rotação.
A figura 55 representa uma saída com ciclo ativo de 1%, donde apresenta uma
pequena potencia entregue a carga.
Figura 55-Potencia aplicada com ciclo ativo de 1%
Fonte: GHIRARDELLO. 2008. pg. 03
A figura 56 representa uma saída com ciclo ativo de 99% donde apresenta uma
potencia entregue a carga quase total em relação a fonte de alimentação.
Figura 56-Potencia aplicada com ciclo ativo de 99%
Fonte: GHIRARDELLO. 2008. pg. 03
53
Capitulo III
DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO
Neste capitulo será descrita a parte prática do projeto, especificando as
dificuldades encontradas com a sua realização, além dos detalhes de seus aspectos
construtivos (partes constituintes e montagem), implementação do algoritmo de controle
no CLP e testes práticos com o protótipo.
3.1 Descrição dos componentes
As partes construtivas da mini-planta a ser construída com o objetivo de simular
de maneira realista o controle de uma variável de processo (nível) através de uma
técnica de controle e medição alternativa, se encontram divididas basicamente em três
partes, a saber, sendo esta mecânica, hidráulica e eletrônica.
3.1.1 Mecânica
Tratam das partes mecânicas da planta, ou seja, as que darão sustentação as
demais partes do projeto. Detalhes construtivos podem ser vistos no apêndice deste
trabalho.
A figura 57 ilustra a estrutura mecânica montada sendo esta constituída em
madeira e aço.
Figura 57-Estrutura montada para suporte dos demais elementos
54
3.1.2 Hidráulica
Compreendem os componentes hidráulicos, sendo estes os responsáveis pelo
armazenamento e movimentação do fluido entre os reservatórios (reservatórios,
tubulação, conexões).
(a) (b)
Figura 58-Recipientes usados como reservatório: inferior (a) e superior (b)
Figura 59-Luva PVC soldável ½ para ¾ ”
Figura 60-Flange de PVC soldável ¾”
Figura 61- Joelho 90º soldável ¾”
Figura 62-Tubo de PVC ¾”
55
3.1.3 Eletrônica
È a que trata dos componentes da malha de controle, sendo estes o elemento
primário de medição, controlador e o elemento final de controle.
3.1.3.1 Elemento primário
O elemento primário utilizado para medição da pressão na linha de recalque foi
o MPX5010 GP, sendo este um transdutor de pressão fabricado pela Motorola, fora
escolhido, sobretudo pela disponibilidade, alto nível de precisão, ser compacto,
apresentar alimentação de 5 volts e grande sensibilidade.
De acordo com especificações (datasheet) esse transdutor tem como elemento
sensível um piezoresistor de silício monolítico, que faz variar a tensão de saída
conforme a pressão aplicada, sendo o elemento resistivo, que constitui o medidor de
pressão uma implantação de íon em um fino diafragma de silício.
A pressão aplicada sobre o diafragma resulta em uma variação de resistência no
medidor de pressão que, por conseguinte, promove uma variação na tensão de saída
diretamente proporcional à pressão aplicada. Segundo o fabricante, o medidor de
pressão é uma parte integrante do diafragma de silício, não sofrendo efeito de
temperatura devido a diferenças de dilatação térmica no medidor de força e no
diafragma.
Figura 63-Transdutor de pressão MPX5010 GP
Fonte: MOTOROLA
As especificações do transdutor utilizado são apresentadas pelo respectivo
fabricante podendo ser observadas na Tabela 03.
Tabela 03-Características Operacionais do sensor de pressão
Característica Símbolo Mínimo Típico Máximo Unidade
Intervalo de pressão PoP 0 - 10 Kpa
Tensão de suprimento Vs 4,75 5 5,25 Vcc
Corrente de alimentação Io - 7 10 mAcc
Fundo de escala (Vs=5,0 V) VFSS - 4,5 - Vcc
Offset (Vs=5,0 V; 0° a 85° ) Voff -2,0 - 2,0 MV
Sensibilidade V/P - 0,450 - V/Kpa
Precisão (0 a 85°) - - ±5,0 %VFSS
Histerese de pressão - - ±2,5 %VFSS
Tempo de resposta TR - 1,0 - ms
Fonte: Motorola. 2001
56
Esse transdutor pode ser empregado, pois como observado na tabela 03 sua faixa
de pressão vai de 0 a 10 KPa o que equivale a aproximadamente 1 mH2O, o suficiente
para simular o funcionamento do protótipo.
Este transdutor foi montado em uma placa de fenolite, donde será presa a
estrutura de madeira através de parafusos. Sua tensão de alimentação será proveniente
da fonte de alimentação (12 Vcc) e regulada em 5 Vcc através de um circuito tendo este
como componente principal o 7805, encontrado na mesma placa de fenolite junto ao
transdutor. Sua saída (0 a 5 Volts) mediante a pressão mensurada na tubulação será
transmitida em uma das entradas analógicas do mesmo CLP.
A figura 64 ilustará o circuito eletronico e o transdutor de pressão empregados
no projeto.
Figura 64-Transdutor de pressão e circuito eletroeletrônico montados em placa
3.1.3.2 Controlador
O controlador (CLP) utilizado para implementação do algoritmo de controle é o
CD600 da fabricante SMAR. Seu emprego para este projeto se justifica pela
disponibilidade por possuir o bloco PID destinado a controle de processos e
disponibilidade de utilização do equipamento.
As descrições das características técnicas do CLP se encontram no apêndice I
deste trabalho.
A figura 65 ilustra o CLP utilizado no projeto, bem como os conectores e
entrada e saída.
57
Figura 65-CLP utilizado no projeto (CD600)
3.1.3.3 Elemento final de controle
Neste projeto este elemento corresponde ao conjunto motobomba (bomba
hidráulica centrifuga e motor elétrico de 12 Volts em corrente continua), sendo este o
elemento responsável pela transmissão de energia ao fluido para sua locomoção dentro
da tubulação de um reservatório a outro.
Esta bomba fora escolhida devido as suas características técnicas (vide anexo I)
ressaltando principalmente a alta pressão em baixas rotações.
A figura 66 ilustra a motobomba utilizada no projeto do protótipo.
Figura 66-Conjunto motobomba
58
Para o controle da rotação do motor da bomba, a fim de recalcar água ao
reservatório superior se fez necessário a construção de um driver baseado na lógica
PWM. Sendo que este receberá um sinal de corrente (4 a 20 mA) oriundo da saída do
CLP.
Mais detalhes deste driver podem ser vistos no apêndice IV.III deste trabalho.
A figura 67 ilustra o drive para controle da rotação do motor montados, onde
observa-se que o drive fora dividido em duas partes (controle e potencia) e conectados
através de cabos elétricos.
Figura 67-Drive de controle (à esquerda) e potencia (á direita) do motor da bomba
Estes circuitos foram colocados dentro de um recipiente plástico, a fim de evitar
eventuais danos.
A figura 68 ilustra o recipiente destinado a colocação do circuito montado, sendo
visto a chave destinada ao controle em malha aberta presente na tampa.
Figura 68-Recipiente plástico envolvendo o circuito
59
3.2 Montagem da planta
De posse das partes individuais foi montado o protótipo para teste, sendo este
ilustrado na figura 69.
A figura 69 ilustra o protótipo com suaas partes fisicas montadas, sendo estas a
estrutura mecanica e parte hidraulica.
Figura 69-Protótipo montado
60
3.3 Implementação do controle PID
3.3.1-Obtenção dos parâmetros
Para obtenção dos parâmetros para sintonia do controlador PID presente no CLP
será utilizado o método já exemplificado no capitulo II (tópico 2.2.1.1).
A curva de resposta do sistema será obtida no software Excel 2007, através de
pontos colhidos de tensão em função do tempo, através de um multímetro digital.
Para acionamento do conjunto motobomba em malha aberta (controlador no
modo manual) visando obter experimentalmente a resposta da planta a uma entrada em
degrau unitário, será utilizada uma simples chave (liga-desliga) conectada no drive de
potencia construído, mencionado anteriormente. A resposta da planta será à saída de
tensão do circuito do transdutor em função da pressão no reservatório.
A figura 70 ilustra o teste sendo feito em malha aberta para aquisição de dados a
fim de construir o gráfico da curva de resposta.
Figura 70-Equipamentos montados para inicio da aquisição de dados
A tabela 04 expressa os valores de tensão colhidos com o multímetro digital na
saída do circuito do transdutor em função do tempo.
61
Tabela 04-Tensões obtidas na saída do circuito do transdutor em função do tempo
Tempo (s) Tensão (V)
0 0,24
3 0,76
6 3
9 4,12
12 4,31
15 4,35
18 4,38
21 4,45
24 4,55
27 4,63
30 4,73
33 4,74
36 4,8
39 4,83
42 4,85
45 4,87
48 4,9
A figura 71 ilustra o gráfico da curva de resposta oriunda do sistema em função
da pressão na linha de recalque do reservatório obtido com as tensões de saída do
transdutor listadas na tabela 03.
62
Figura 71-Gráfico da curva de resposta do sistema
De posse da curva de resposta do sistema se faz possível sua análise para
obtenção das constantes (T e L) no qual se tem que para L o valor encontrado foi igual a
1,875 s e T igual a 6,75 s.
Conforme a tabela 01 (capitulo II) os valores dos parâmetros do PID obtidos a
partir destas constantes (T e L) estão listados na tabela 05.
Tabela 05-Parâmetros obtidos a partir dos valores de “T” e “L”
Kp Ti (s) Td (s)
P 3,6 infinito zero
PI 3,24 6,25 zero
PID 1,8 3,75 0,94
A função de transferência C(s)/U(s) do controlador PID segundo a equação
(2.14) mediante as constantes obtidas no gráfico pode ser escrita como.
s
sssGc
13,146,405,4)(
2
(3.01)
63
3.3.2-Implementação do bloco PID
De posse dos parâmetros do controlador PID colhidos e mencionados na tabela
05, se faz possível a programação dá lógica de controle responsável pelo controle de
nível da planta no CLP tendo este como principal elemento o bloco PID.
A elaboração da malha de controle e implementação do bloco PID será realizada
no software de programação (CONF600). Esta ferramenta desenvolvida pela empresa
SMAR, é responsável pelo desenvolvimento da malha de controle e configuração dos
parâmetros da mesma.
A descrição da ferramenta de programação (CONF600) e das características dos
blocos utilizados na implementação do algoritmo PID se encontram no apêndice II e III
respectivamente deste trabalho.
A figura 72 ilustra a malha do programa elaborado no programa CONF600 com
a finalidade de controlar o nível da planta. Sendo esta composta pelos blocos de entrada
analógica (AI), PID, estação automática/manual (A/M), saída em corrente (CO), seleção
de Set point Local/Remoto (L/R) e frontal do Controlador (FV).
Figura 72-Programa desenvolvido para o controle da planta
64
Os parâmetros do bloco PID ajustados para esta malha serão inicialmente
escolhidos de acordo com os valores previamente definidos graficamente. Esses
parâmetros são descritos previamente na tabela 06.
A tabela 06 revela os parâmetros (configuração e constantes) do bloco PID e a
descrição dos mesmos.
Tabela 06-Descrição dos parâmetros atribuídos ao bloco PID para controle da planta
Parâmetros Descrição
CTYP Tipo de algoritmo
CACT Tipo de ação
AKp Ganho proporcional
ATr Tempo integral
ATd Tempo derivativo
ABIA Bias
CARL Limite inferior de anti-resete wind-up
CARU Limite superior de anti-resete wind-up
A figura 73 ilustra os parâmetros (configuração e constantes) do bloco PID a
serem configurados para controle da planta através do software CONF600.
Figura 73-Valores dos parâmetros do bloco PID
Para a programação do CLP se fez necessário uma interface de comunicação
entre os padrões RS232 (oriunda do computador) e RS485 (de entrada do CLP).
65
A figura 74 ilustra a interface para comunicação entre o computador e o
controlador. De modo que fosse descarregado o programa de execução.
Figura 74-Interface RS232/RS485
A figura 75 ilustra o cabo de comunicação utilizado para transmitir os dados do
computador para a interface de comunicação.
Figura 75-Cabo de comunicação RS232
66
3.4 -Testes práticos
Para os testes das respostas do protótipo se faz necessário montar a malha de
controle completa, juntamente com as fontes de alimentação (para o drive de
acionamento e transdutor e da motobomba) como pode ser visto na figura 76.
A figura 76 ilustra as partes do projeto todas montadas e interligadas.
Figura 76-Planta montada com malha de controle e fonte de alimentação
Um problema encontrado foi a medida erronia do transdutor obtida na saida do
circuito eletronico que afetava diretamente a resposta do controlador devido a falta de
estabilidade na leitura. Este problema fora solucionado mudando o ponto de medição na
tubulação e atribuindo um tubo de caneta no interior do adaptador que ficara voltado
para cima na parede interna do tubo. Com isso diminuiu-se drasticamente as
oscilasções, e fora possivel fazer as leituras com poucos erros.
67
A figura 77 ilustra a mudança do ponto de medição a fim de diminuir os erros de
leitura.
Figura 77-Mudança do ponto de medição da pressão
A figura 78 ilustra a adaptação feita com o tubo de caneta no adaptador colocado
para encaixe da mangueira.
Figura 78-Adaptação feita para melhor leitura do transdutor
3.4.1- Primeira etapa
Inicialmente foram atribuídos os valores das constantes do PID teórico obtidos
na tabela 05, sendo SP (valor de set point) definido em 80% do volume total. Foram
modificados também os parâmetros CACT “tipo de ação” para 4 “ação reversa” e
CTYP “tipo de algoritmo” para 4 “PID hart”.
A figura 79 ilustra os parâmetros teóricos atribuídos ao bloco PID para obtenção
da resposta do sistema.
68
Figura 79-Parâmetros atribuídos ao bloco para o PID teórico
A resposta obtida através da IHM do CLP revela que PV (variável do processo)
com os parâmetros ilustrados na figura 79 em relação a SP (set point) não foram
satisfatórios. O valor da variável do processo ultrapassou o valor do set point quando
partindo o processo do inicio.
A figura 80 ilustra PV (variável do processo) que ultrapassa SP com um valor de
quase 3%.
Figura 80-Resposta de PV em relação a SP
69
Quando submetido a um distúrbio o sistema também não reage conforme o
esperado apresentando uma variação muito grande e não mantendo o nível estabilizado.
A figura 81 ilustra a resposta de PV quando submetido a um distúrbio
(ocasionado por uma válvula manual na parte inferior do reservatório superior)
chegando a quase 4%.
Figura 81-Resposta de PV em relação a SP em relação a um disturbio
Se pode concluir que os parâmetros do PID teóricos não são satisfatórios para o
controle do nível. Sendo ainda que a ação derivativa deva ser retirada devido a algumas
oscilações provocadas pelo transdutor devido ao sistema de bombeamento.
70
3.4.2- Segunda etapa
Como uma segunda tentativa foi usada os valores das constantes da tabela 05
sendo agora somente para os parâmetros PI.
A figura 82 ilustra os parâmetros atribuídos para PI.
Figura 82-Parâmetros atribuídos ao bloco para o PI teórico
A resposta obtida através da IHM do CLP revela que PV (variável do processo)
com os parâmetros ilustrados na figura 82 em relação a SP (set point) também não
foram satisfatórias, o valor da variável do processo demora muito para atingir o set
point quando iniciado o processo do inicio, o que torna a resposta do sistema muito
lenta.
A figura 83 ilustra PV (variável do processo) respondendo lentamente ao erro e
ultrapassando SP em quase 1,5%.
Figura 83-Resposta de PV em relação a SP
71
Quando submetido a um distúrbio o sistema reage lentamente o que gera um
desvio representando uma variação muito grande e não mantendo o nível estabilizado.
3.4.3-Terceira etapa
Como os valores obtidos teoricamente não foram satisfatórios para o controle da
planta, teve-se que recorrer ao método alternativo de tentativa e erro. Foram testados
alguns valores mantendo o algoritmo em PI, onde chegou-se aos valores das constantes
vistas na figura 84 nos quais se obteve uma resposta satisfatória da variável do processo
da planta.
A figura 84 ilustra os parâmetros atribuídos para PI no controle da planta.
Figura 84-Parâmetros atribuídos ao bloco para o PI prático
A resposta obtida através da IHM do CLP revela que PV (variável do processo)
com os parâmetros ilustrados na figura 84 em relação a SP (set point) foram
satisfatórias, o valor da variável do processo responde rapidamente quando á um desvio
em relação ao set point, o que torna a resposta do sistema rápida. Conforme pode ser
visualizado na figura 85 PV ultrapassa SP em aproximadamente 1,6%, este erro pode
ser relevado sendo que é de pequena amplitude justificado principalmente pela inércia
do sistema e demais fatores relacionados à parte eletrônica e hidráulica da planta.
72
A figura 85 ilustra PV (variável do processo) respondendo ao erro e
ultrapassando SP em 1,6%.
Figura 85-Resposta de PV em relação a SP
Quando submetido a um distúrbio o sistema reage conforme o esperado
mantendo o nível o mais estável possível.
A figura 86 ilustra a resposta de PV quando submetido a um distúrbio
(ocasionado por uma válvula manual na parte inferior do reservatório superior) ficando
visível a pequena variação existente em relação ao set point.
Figura 86-Resposta de PV em relação a SP em relação a um distúrbio
73
CONCLUSÃO
Ao final deste trabalho podemos concluir a importância do controle de processos
em meio aos dias de hoje, bem como poder entender o funcionamento em uma
aplicação prática do popular algoritmo de controle PID, e de como usufruir do mesmo
da melhor forma possível através de métodos de sintonia, sendo este o algoritmo de
controle bastante difundido nos dias de hoje em vários campos de atuação,
principalmente na indústria.
Os resultados obtidos na prática com a planta se mostraram satisfatórios perante
o objetivo mencionado inicialmente, controlando o nível do reservatório da melhor
forma possível mediante a um sinal de pressão, através de um sistema de bombeamento,
levando em conta as limitações de tal protótipo e seu circuito de controle.
As variações presentes nos resultados obtidos podem ser justificadas
principalmente pela inércia do sistema, ocasionadas pela parte de controle da
motobomba e oscilações na medição feita pelo transdutor de pressão.
74
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Industriais>. Acesso em: 12 março 2011
77
APENDICES
APENDICE I - Controlador lógico programável
O CD600 é um poderoso controlador digital de processos (Multi-Loop), capaz
de controlar simultaneamente até 4 malhas de controle, com até 8 blocos PID e mais de
120 blocos de controle avançado.Projetado, desenvolvido e fabricado pela SMAR,
pioneira e líder na fabricação de controladores digitais, o CD600 reúne toda a
experiência e conhecimento adquiridos num equipamento poderoso, versátil, confiável e
de fácil operação.
A programação é feita ou pela livre combinação de mais de 120 blocos de
controle avançado, ou pela seleção de uma configuração, pré-programada dentre as
várias disponíveis. Podendo ser configurado via Terminal Portátil ou pelo CONF600.
Características construtivas
Até 4 malhas de controle independentes com até 8 PIDs;
8 entradas analógicas, 4 entradas digitais, 8 saídas analógicas e 8 saídas digitais;
Estação de backup incorporada para ambas as saídas analógicas e digitais;
Display digital alfanumérico de 8 dígitos no painel frontal;
Fonte de alimentação 24 Vdc, 160 mA para até 8 transmissores;
Tecnologia SMD (montagem em superfície);
Mais de 120 blocos de controle avançado disponíveis para livre configuração;
Inúmeras configurações pré-programadas, incluindo controle cascata, relação,
antecipativo, split range, nível de caldeira a 3 elementos, coluna de destilação e
muitas outras;
Configuração via PC ou terminal portátil;
Ajuste das ações de controle pelo painel frontal.
Ilustração e descrição dos comandos da IHM
Figura 01-Vista frontal e funções das teclas do IHM do CD600
78
Tabela01-Descrição das teclas da IHM do CD600
Teclas Descrição
Seleciona a Variável a ser mostrada no display alfanumérico.
Seleciona o Loop a ser mostrado no painel frontal.
Aumenta o valor da Variável mostrada no display.
Diminui o valor da Variável mostrada no display.
Seleciona Setpoint Local ou Setpoint Remoto, do loop monitorado.
Reconhecimento de Alarme.
Seleciona modo Automático ou Manual do loop monitorado.
Aumenta o valor de MV, quando o controle está em Manual.
Quando pressionada, mostra o valor da saída no display.
Diminui o valor de MV, quando o controle está em Manual.
Quando pressionada, mostra o valor da saída no display.
Quando aceso, indica que o controlador está em situação de falha.
Pisca a cada 10 ciclos, durante o ajuste do tempo do ciclo (ver
seção 8 comunicação).
Quando aceso, indica que a variável, que está sendo mostrada no
display, pode ter seu valor alterado pelas teclas <Δ> e <∇>.
1, 2, 3 ou 4- Quando aceso, indica que as variáveis mostradas nas
barras gráficas e no display referem-se ao respectivo loop.
L - Quando aceso, indica que o respectivo loop está trabalhando
com Setpoint Local. L apagado significa que o loop está em
Setpoint Remoto.
M - Quando aceso, indica que o respectivo loop está trabalhando no
modo Manual. M apagado significa operação em Automático.
- Quando acesos, indicam a ocorrência de alarmes de alto
( ) e baixo ( ).
79
Tabela 02-Características técnicas
Entradas
Analógicas
1 a 5 Vdc ou 0 a 5 Vdc, com impedância de entrada de 1 MΩ
4 a 20 mAdc ou 0 a 20 mAdc, com resistores shunt de 250 Ω
(removível)
Entradas
Digitais
Contato de Abertura: 10 kΩ (mínimo) ou 3 a 24 Vdc
Contato de Fechamento: 200 Ω (máximo) ou 0 a 1.7 Vdc (máximo)
2 entradas podem ser usadas para freqüência, de 0 Hz a 10 KHz
Saída
Analógica
4-4 a 20 mAdc ou 0 a 20 mAdc com carga máxima de 750 Ω
4-1 a 5 Vdc ou 0 a 5 Vdc com carga mínima de 1500 Ω
Saída Digital Coletor Aberto, 45 Vdc, 100 mA carga máxima ou resistiva
Alimentação 24 Vdc
110/127/220/240 Vac - 60/50 Hz
Alimentação
Auxiliar 24 Vdc, 160 mA máximo para até 8 transmissores de campo
Indicação e
Controle
Barras gráficas de 101 leds para indicação do Setpoint e da
Variável de Processo;
Barra gráfica de 41 leds para indicação da saída de processo (mV);
Display alfanumérico de 8 dígitos para indicações em geral;
LEDs para indicação de "estado", alarmes e monitoração de loop;
Teclas funcionais.
Porta de
Comunicação
Serial
EIA-485
Definição de
Configuração
Blocos funcionais interligados por software (programação livre) ou
configurações de controle pré-programados
Configuração
de Entrada Terminal Hand-held ou compatível com IBM-PC
Limites de
Temperatura 0 a 43 ºC (32 a 109.4 ºF)
Limite de
Umidade 20 a 90% RH
Consumo
Básico: 12.5 VA (ac) / 10 W (dc)
Backup 10 VA (ac) / 8 W (dc)
Adicionar 0.7 VA (ac) ou 0.5 W (dc) / transmissor alimentado
Dimensões 2.834 x 5.669 x 19.468 (in) e 72 x 144 x 494 (mm)
80
APENDICE II - Software de programação
O CONF600Plus é uma interface de configuração do CD600Plus desenvolvida
para plataforma windows que oferece recursos gráficos e interface homem máquina de
fácil operação.
Sua utilização possibilita criar, editar, otimizar e descarregar estratégias de
controle do CD600Plus com ele também é possível calibrar entradas e saídas monitorar
os blocos de função online, configurar os parâmetros dos blocos, acondicionar notas e
imprimir toda documentação.
A alteração dos parâmetros é feita ON-LINE. As entradas e saídas de cada bloco
podem ser monitoradas simultaneamente. A utilização do CONF600 torna praticamente
dispensável a consulta ao manual, já que a maior parte das informações do bloco é
mostrada na tela. A depuração da configuração fica muito mais rápida e fácil.
O CONF600plus constantemente guia o usuário para o próximo passo, durante a
configuração, praticamente eliminando a necessidade de consulta ao manual. A maioria
das informações dos blocos de função são mostradas durante a edição ou a criação da
estratégia de controle.
A configuração da malha de controle é feita de modo gráfico na forma de um
diagrama similar à norma ISA, permitindo ao usuário visualizar e implementar
facilmente a estratégia de controle. O carregamento da configuração no CD600Plus é
feito em menos de 2 segundos.
Interface gráfica no ambiente Windows.
Formas geométricas, cores e comentários podem ser facilmente inseridas.
Exporta/Importa configurações para o Mobile Conf600 plus
Pronto para documentação com visualização prévia de impressão
Possui ferramentas de edição, calibração, otimização e monitoração “on line”.
Multiniveis da ferramenta desfazer alterações
Figura 02-Ambiente de programação do CONF600
81
APENDICE III – Blocos funcionais utilizados
Bloco PID simples
Figura 03-Bloco PID simples
Este bloco oferece uma gama variada de algoritmos de controle tendo como base
os modos Proporcional (P), Integral (I) e Derivativo (D).
Os tipos de algoritmos utilizados podem ser do tipo paralelo (ideal) ou não
interativo (Clássico ou ISA) selecionáveis pelo parâmetro CACT, dotados de controle
de saturação da integral (anti-reset windup). Os limites de saturação são ajustáveis pelo
usuário, característica única dos controladores CD600 da SMAR, que possibilita
flexibilização na configuração da estratégia de controle.
A transferência Automática para Manual pode ser bumpless ou hard. A
transferência bumpless faz com que o modo Automático assuma o valor do Manual
antes do chaveamento. A transferência hard adicionará a este valor a ação proporcional
(KP.e). Em ambos os casos o sinal de saída do bloco da Função 08 - Estação
Auto/Manual, deve ser conectado à entrada D (Track FB).
TIPO DE PID (CTYP)
PI.D - As ações P e I atuam sobre o erro e a ação D sobre a Variável de
Processo. Desta forma o sinal de saída acompanha as mudanças de Setpoint segundo as
ações Proporcional e Integral, mas não dá uma variação indesejável devido à ação
Derivativa. É o mais recomendado para a maioria das aplicações com Setpoint ajustável
pelo operador.
PID- As ações P, I e D atuam sobre o erro. Desta forma o sinal de saída é
alterado quando há mudanças na Variável de Processo ou no Setpoint. É recomendado
para controle de relação ou para controle escravo de uma cascata.
I.PD - Neste tipo somente a integral atua sobre o erro. Mudanças no Setpoint
provocam a variação no sinal de saída de maneira suave. É recomendado para processos
que não podem ter variações bruscas na variável em função da mudança do Setpoint. É
o caso de processos de aquecimento com Ganho muito alto.
AÇÃO (CACT)
Existem processos que requerem que o sinal de saída aumente quando a Variável
de Processo aumenta, enquanto que outros requerem o contrário.
A escolha do tipo de ação é feita através do parâmetro CACT:
TIPO 0, 2,4 ou 6 - Saída diminui com aumento de PV.
e = (SP - PV)
82
TIPO 1, 3, 5 ou 7 - Saída aumenta com o aumento de PV
e = (PV - SP)
Para efeito de normalização de operação, deve-se considerar sempre que o sinal
de saída MV = 100% significa válvula aberta e que o sinal de saída MV = 0% significa
válvula fechada. A operação das teclas segue a mesma linha
Figura 04-Botões de operação
Se o atuador da válvula é "ar-para-abrir", MV = 100% deve ser equivalente a 20
mA. Válvulas do tipo "ar-para-fechar" terão 100% equivalente a 4 mA. Isto pode ser
selecionado na Função 02 - Saída em Corrente.
Sintonia pelo Frontal do Controlador
O parâmetro CACT também define se o bloco permite mudanças nos
parâmetros de sintonia através do frontal do controlador (Ver Constantes PID adiante).
Ajustes pelo frontal são habilitados com CACT=0, 1, 4 ou 5.
Algoritmos de Controle
O CD600 oferece 2 tipos de controle:
Paralelo Ideal
Não interativo ou ISA
Parâmetro CACT igual a 0, 1, 2 ou 3 seleciona o algoritmo paralelo ideal.
Parâmetro CACT igual a 4, 5, 6 ou 7 seleciona o não interativo ou ISA. Para o não
interativo quando KP = 0, o controlador opera como um ID.
ANTI SATURAÇÃO PELO MODO INTEGRAL (CARL E CARU)
O algoritmo de controle pára automaticamente a contribuição do modo integral,
quando o sinal de saída atinge os limites de 0% ou 100%. As contribuições dos modos
Proporcional e Derivativo não são afetadas.
O CD600 tem uma característica única que é a de permitir que a saturação pelo
modo integral seja ajustável.
Normalmente ela é fixada em 0% (CARL) e 100% (CARU), mas pode ser
estreitada, permitindo respostas mais rápidas e evitando "overshoot" em processos de
aquecimento, por exemplo.
83
CONSTANTES DO PID (AKp, ATr, ATd)
A tabela é auto explicativa. Vale a pena lembrar que o modo Proporcional é
Ganho e não Banda Proporcional. A integral está em termos de minutos por repetição,
não repetição por minutos. TP menor significa ação integral maior. As constantes do
PID podem ser ajustadas pelo Terminal Portátil ou pelo frontal do controlador (veja
ajustes de sintonia). Para inibir os ajustes de sintonia pelo frontal, basta configurar o
parâmetro CACT com 2, 3, 6 ou 7 em lugar de 0, 1, 4 ou 5.
BIAS (ABIA)
Neste parâmetro é possível ajustar o valor inicial do sinal de saída quando o
controle é transferido de Manual para Automático. Isto pode ser feito somente se a
entrada de Feedback não estiver conectada (LIC=0).
Para a transferência de Manual para Automático Bumpless, a entrada C deve ser
conectada à saída do bloco A/M e a entrada D deve ser conectada à saída de indicação
de status do bloco A/M.
Neste caso o parâmetro ABIA é usado para mudar a saída do bloco durante
operação automática. O sinal de saída está sujeito a uma variação do tipo step se o valor
de ABIA é modificado. Amplitude e direção deste step são equivalentes à diferença
entre o valor anterior e o novo valor de ABIA.
Durante a transferência de Manual para Automático, é possível adicionar ao
sinal de saída (em ambos os casos acima), um valor equivalente ao ganho proporcional
(AKp) multiplicado pelo erro naquele momento. Este tipo de transferência é chamada
HARD e pode ser obtida com o parâmetro CTYP igual a 3 ou 4.
Tabela 03-Características do bloco PID
Número de bytes por tipo de parâmetro: A = 12 C = 8 L = 8
84
AI - Entrada analógica
Figura 05-Bloco de entrada analógica
Todas as entradas analógicas (bornes do controlador) possuem um
correspondente bloco de entrada analógica. A entrada analógica 2, por exemplo, a qual é
conectada ao terminal 17A, corresponde ao bloco BLK002. A entrada do circuito é
sempre um sinal de voltagem de 0-5 Vdc ou 1-5 Vdc. Para sinais em corrente de 0-20
mA ou 4-20 mA, um resistor "shunt" de 250Ω deve ser colocado no bloco terminal
correspondente à entrada escolhida.
O sinal de entrada é filtrado digitalmente com constante de tempo ajustável e se
necessário linearizado de acordo com a curva estabelecida na Função 31 - Curva de
Linearização (Blocos 109 a 116), configurados no Loop G. Esta curva é selecionada no
parâmetro CLIN e pode ser configurada com 13 ou 26 pares de pontos X, Y,
interconectados por segmentos de reta.
Pode-se ainda optar pela extração de raiz, selecionado pelo parâmetro CSQR,
com ajuste do ponto de corte inferior (ACUT). Todos os valores abaixo do ponto
ajustável pelo ACUT são considerados 0%. O parâmetro CSQR permite também a
seleção do sinal de entrada entre 4-20 mA/1-5 V ou 0-20 mA/0-5 V.
Em caso de Burnout (sinal menor que -2% ou maior que 102% do span
calibrado) um alarme é indicado no frontal do controlador (se CFRT = 1) e será ativada
uma saída discreta (0 ou 100%). Este sinal pode ser utilizado em outros blocos do
controlador, como por exemplo nos blocos da Função 29 - Seletor de Entrada, ou para
forçar a saída do controlador para uma posição de segurança.
Tabela04- Características do bloco de entrada analógica
Número de bytes por tipo de parâmetro: A = 4 C = 6 L = 0
85
L/R – Seleção SP Local/Remoto
Figura 06-Bloco de seleção SP local/remoto
Este bloco permite selecionar Setpoint Local/Remoto através da tecla <L/R>, e a
atuação do Setpoint através das teclas <Δ> e <∇>, além de diversas funções
relacionadas com o Setpoint.
A atuação local é possível de duas formas:
a) Pelo registro interno do bloco diretamente associado às teclas <Δ> ou <∇> no frontal
do painel, quando o Setpoint é selecionado no display. A saída desse bloco deve ser
conectada a um bloco da Função 06 - Frontal do Controlador ou Função 32 -
Visualização Geral.
b) Através da entrada B, pode ser ligado um bloco gerador de sinal ou a saída de um
outro bloco. O uso dessa entrada cancela automaticamente o atuador de registro interno.
A transferência Local/Remoto é possível de 2 modos:
a) Pela tecla <L/R> do frontal associada a chave CH1 do bloco. Neste caso o LED "L"
do loop correspondente ficará aceso quando em modo Local.
b) Através da entrada C, que quando ativada (nível lógico 1) ativa CH2 e força o modo
Local. Neste caso o LED "L" do loop correspondente ficará piscando, enquanto C
estiver em nível alto. As tabelas a seguir resumem a situação do bloco para as várias
combinações de CH1, CH2 e entrada B.
O controlador também pode ser bloqueado em Local ou Remoto pelo parâmetro
CLKR. No caso de interrupção na alimentação o controlador retornará à operação no
modo selecionado pelo parâmetro CTON (Local ou Remoto), caso o parâmetro CLKR
esteja em Zero.
Tabela 05-Saída do bloco e ação do led conforme posição de CH1 e da entrada C,
com "B" não conectada.
86
Tabela 06-Saída do bloco e ação do led conforme posição de CH1 e da entrada C, com
"B" conectada.
A transferência de Remoto para Local é balanceada isto é, o registrador local
segue o Setpoint Remoto. Isto pode ser usado para implementar o Setpoint Tracking
quando o loop está em Manual. Na transferência de Local para Remoto uma variação
brusca no Setpoint pode ser evitada pelo ajuste do parâmetro ASLW que limita a taxa
de variação do sinal de saída do bloco.
Em uma configuração de Setpoint Tracking, SP = PV, quando no modo Manual.
A PV é manualmente ajustada para o Setpoint desejado, através das teclas de MV <∇> e
MV <Δ>. Em seguida ele chaveia de volta para o modo Automático e o Setpoint
permanecerá com o valor anterior. O bloco LOG inverte o sinal do status MANUAL
para um sinal AUTOMÁTICO, desde que o Setpoint Local desejado esteja no modo
Automático.
Os limites máximo e mínimo para o gerador local de Setpoint são fixados pelos
parâmetros ALOW e AUPP.
No caso de se necessitar limitar o sinal de Setpoint quando em modo Remoto
deve-se usar os blocos limitadores de sinal da Função 23 - Limitador com Alarme.
Além do sinal de saída gerado pelo registro interno (quando em Local), ou do externo
(quando em Remoto) o bloco possui mais duas saídas discretas.
A primeira em nível lógico 1, quando o bloco estiver em modo Remoto e a
segunda em nível lógico
1, quando estiver em modo Local.
Quando uma das saídas 225/226/227 ou 228 é visualizada no display e o bloco
estiver em modo local, o registrador interno pode ser atuado pelas teclas <Δ> e <∇> do
frontal (Setpoint Local). Com o bloco em modo Remoto, qualquer bloco gerador de
sinal conectado às entradas A ou B pode ser atuado também pelas teclas <Δ> e <∇> do
frontal do controlador.
Figura 07 - Configuração para Seletor L/R com Atuador de Registro Interno ou Externo
Na configuração acima, quando em modo local, a atuação é efetuada no registrador do
Bloco 031 e quando em Remoto pelo Bloco 099.
87
Tabela 07-Características do bloco de seleção SP local/remoto
Número de bytes por tipo de parâmetro: A = 8 C = 4 L = 6
A/M – Estação Automático/Manual
Figura 08-Bloco estação automático manual
Este bloco permite ao operador atuar diretamente na saída do controlador. Na
utilização mais comum, a saída de um bloco PID é conectada a entrada A do bloco A/M
e sua saída a um bloco de saída em corrente. Se as demais entradas, desse bloco, não
forem utilizadas as chaves CH2 e CH3 devem permanecer na posição "0".
A chave CH1 pode ser atuada pela tecla <A/M> no frontal do painel, permitindo
dois tipos de operação:
a) AUTOMÁTICO (CH1 na posição "0"): a letra "M" do loop correspondente fica
apagada. A entrada A é direcionada à saída através do limitador de velocidade
(parâmetro ASLW) e do limitador de sinal (parâmetros ALOW e AUPP).
b) MANUAL (CH1 na posição "1"): a letra "M" do loop correspondente permanecerá
acesa. O sinal de saída será ajustado pelas teclas <∇> e <Δ>, com velocidade de atuação
fixada pelo parâmetro ASPD e limitado pelos parâmetros ALOW e AUPP.
A Transferência Manual para Automático pode ser balanceada ou não. Os dois
modos são descritos nos blocos de PID.
A transferência Automático para Manual é sempre balanceada. O registro,
atuado pelas teclas <∇> ou <Δ> sempre acompanham a saída do limitador de
velocidade quando em operação Automática.
88
Após uma queda de energia ou um reset manual, a chave CH1 retorna à
operação de acordo com o parâmetro CHST, isto é retorna em Manual, Automático ou
na posição anterior à queda de energia ou ao Reset Manual.
Também é possível bloquear a função <A/M> em Automático ou Manual, através do
parâmetro CCH1.
Manual Forçado
O modo Manual forçado pode ser ativado pela chave CH2 em função do sinal de
entrada em D:
a) Nível lógico "0" em D mantém CH2 na posição "0" (OPERAÇÃO NORMAL).
b) Nível lógico "1" em D chaveia CH2 para a posição "1" (MANUAL FORÇADO).
Nesta situação, o registro atuado por <∇> e <Δ> assume o valor da posição "0", antes
do chaveamento.
Outras configurações podem ser adicionadas a este modo. Para outras
informações, veja descrição dos parâmetros CCH1, CST1, CLAM e CLMV.
Saída de Segurança
A saída do controlador pode seguir o sinal conectado à entrada B (Situação de
Segurança), pelo chaveamento de CH3 para a posição "1" mediante um sinal de nível
lógico 1 na entrada C. O sinal em B pode ser constante ou variável dependendo de qual
bloco está conectado.
Com CH1 em "1" (posição Manual) a letra M do loop correspondente
permanecerá acesa e o sinal de saída será o sinal da entrada B antes do chaveamento de
CH3.
Com CH1 em "0" (posição Automático), a letra M do loop correspondente
piscará mais rápido do que em manual forçado e o sinal da saída seguirá o sinal presente
na entrada B.
A posição da chave CH1 após a entrada C retornar ao nível lógico "0" é
determinada pelo parâmetro CSA1, com as seguintes opções: última posição, posição
"1" (Manual) ou posição "0" (Automático).
Outras configurações podem ser adicionadas a este modo. Para outras
informações, veja a descrição dos parâmetros CCH1, CST1, CLAM e CLMV.
Tabela 08-Origem da saída e estado do led "M" em função das entradas C e D e das
chaves CH3, CH1 e CH2 (com entrada B conectada).
Observar que os parâmetros CCH1, CST1 e CSA1 podem afetar a posição de
CH1 em função do status das entradas C e/ou D, independentemente da atuação da tecla
89
A/M. Portanto, a configuração destes parâmetros pode alterar automaticamente a linha
da tabela, bem como suprimir algumas linhas.
CCH1 - Atuação de CH1
Este parâmetro determina se a chave CH1 será atuada somente pelo frontal ou
junto com CH2 e/ou CH3, ou se irá ser travada em "0" (Auto) ou em "1" (Manual).
A chave CH1 é atuada simultaneamente com CH2 ou CH3 quando as entradas C
ou D são levadas a nível lógico 1. A posição de CH1, quando atuada por CH2 e/ou CH3
é definida no parâmetro CST1. A posição de CH1, quando CH3 retorna para a posição
"0" é definida pelo parâmetro CSA1.
CST1 - Posição de CH1 com CH2 e CH3 Atuadas
Este parâmetro determina a posição de CH1 quando as entradas C ou D estão em
nível lógico "1" e o parâmetro CCH1 é programado com o valor 3, 4 ou 5.
Quando a entrada C retorna ao nível lógico "0", a chave CH1 assumirá a posição
determinada pelo parâmetro CSA1. Após CH1 ser ativada pela entrada D, ela poderá ser
operada pela tecla <A/M> desde que não bloqueada (parâmetro CLAM = 1 ou 3). A
posição de CH1 quando a entrada D retorna ao nível lógico "0" será a mesma posição
que tinha antes do chaveamento de CH2.
Tal posição é indicada no frontal como segue:
- "M" piscando: CH1 na posição "0" (equivalente ao Automático quando CH2 retorna à
posição "0").
- "M" aceso: CH1 na posição "1" (equivalente ao Manual).
CLAM - BLOQUEIO DA TECLA A/M
Este parâmetro bloqueia a tecla <A/M> do frontal, evitando a atuação de CH1
quando as entradas C e/ou D estiverem em nível lógico "1". Esta situação evita que o
operador atue a tecla <A/M> durante situações de "Saída de Segurança" ou "Manual
Forçado".
CLMV - BLOQUEIO DAS TECLAS <∇> E <Δ>
Este parâmetro bloqueia as teclas <∇> e <Δ>, evitando a alteração do valor de
saída enquanto em Manual, quando as entradas C e/ou D estiverem em nível lógico
"1". Isto evita que o operador mude o sinal de saída durante situações de "Saída de
Segurança" ou "Manual Forçado".
CHST - PARTIDA A QUENTE
Este parâmetro configura o modo de operação do respectivo loop depois de uma
interrupção de energia.
CLIM - LIMITADOR DE SAÍDA NO MODO AUTOMÁTICO
Os limitadores de saída atuam normalmente tanto em Automático como em Manual.
CLIM permite que os limitadores atuem somente em Automático.
90
Tabela 09-Características do bloco de estação automático/manual
Número de bytes por tipo de parâmetro: A = 8 C = 14 L = 8
CO – Saida de Corrente
Figura 09-Bloco de saida em corrente
A entrada do bloco em porcentagem,é calibrada e convertida em sinal analógico
de corrente. Uma realimentação desta saída é enviada a um comparador que recebe
também o sinal calibrado da entrada. Se houver um desvio superior ao estipulado no
parâmetro ADEV, será ativada uma saída discreta (0 ou 100%) que poderá por exemplo
ser ligada na entrada H do bloco da Função 06 - Frontal do Controlador, fazendo
com que a indicação da MV pisque, avisando o operador de alguma falha ou uma
interrupção no loop de corrente.
O parâmetro CVTP permite mudar a saída de acordo com o tipo de atuador
usado.
91
Tipo de Atuador:
- "Ar para Abrir" - CVTP = 0 ou 2 / saída 0-100% correspondendo a 4-20 mA
- "Ar para Fechar" - CVTP = 1 ou 3 / saída 0-100% correspondendo a 20-4 mA
Isto possibilita ao operador ter sempre 0% correspondendo à válvula fechada e 100% à
válvula aberta. É essencial calibrar a saída de acordo com as especificações. Por
exemplo, para um sinal de 0-20 mA no bloco 11, a corrente de saída do terminal 8B
deverá ser calibrada com 0-20 mA e CVTP deverá ser 2.
Tabela 10-Caracteristicas do bloco de saida em corrente
Número de bytes por tipo de parâmetro: A = 2 C = 4 L = 2
FV – Frontal do Controlador
Figura 10-Bloco do frontal do controlador
Este bloco direciona as entradas A, B e C respectivamente para as barras SP, PV
e MV e associa a elas os mnemónicos SP, PV e MV, como default. Portanto, esse bloco
é limitado a um por loop. As entradas A, B, D, E, F e G poderão ser visualizadas no
display alfanumérico e selecionadas pela tecla <DSP>. A entrada C será visualizada
somente quando a saída manual for operada pelas teclas < Δ > ou <∇ >.
Blocos que possuem ajuste manual, operados pelas teclas <Δ> ou <∇> devem
ser conectados a um bloco de visualização. Uma alteração só pode ser efetuada se o seu
valor estiver sendo visualizado, ou seja, quando o LED "Adjust" estiver acesso.
Os blocos com ajuste manual são: Chave Local/Remoto, Gerador de Setpoint,
Estação Automático/Manual, Seletor Interno/Externo e Atuador de Registro. Estes
blocos com capacidade de ajuste têm suas saídas identificadas por números iguais ou
maiores que 225. O bloco seletor de entrada também permite entrada proveniente de
blocos de ajuste. Observe que seus números de saída são maiores que 225.
92
Visualização
Todas as entradas exceto C e G, podem ter seus mnemônicos de 3 caracteres
alterados e a indicação configurada em unidades de engenharia.
Entrada C aparece no display quando as teclas <Δ> ou <∇> são operadas.
Entrada G se conectada a um bloco da Função 18 - Totalização Analógica ou
da Função 19 - Entrada para Totalização de Pulsos, irá apresentar um display de 8
dígitos. Conectado a qualquer outro bloco, irá operar com 4 dígitos.
Entrada H pode ser utilizada para piscar a barra da saída manual (MV) quando
em nível lógico 1. Esta entrada pode ser utilizada, por exemplo, para acusar um desvio
ou interrupção no circuito de corrente de saída (Blocos da Função 02 - Saída em
Corrente).
Caso qualquer uma das entradas A, B, D, E ou F apresentadas no display
alfanumérico exceder a 10000 (em unidades de engenharia), a mensagem apresentada
será "++++". Se a indicação for menor que -10000 a mensagem mostrada será "- - - -".
Tabela 11-Caracteristicas do bloco frontal do controlador
Número de bytes por tipo de parâmetro: A = 60 C = 0 L = 16
93
APENDICE IV- Partes Construtivas
IV.I - Layout da estrutura montada
Figura 11-Layout da estrutura construída
94
IV.II - Circuito do transdutor
Tabela 12-Descrição e componentes utilizados na placa
Componente Descrição Quantidade
MPX5010GP Transdutor de pressão 1
LM7805 Regulador de tensão 1
Led vermelho – alto brilho 1
Resistor 220 Resistor 1/4W 1
Capacitor 1uF/25V Capacitor eletrolítico 1
Conector Parafusável – 3 vias Conector da Alimentação DC e sinal
de controle
1
Figura 12-Layout da posição dos componentes do circuito do transdutor de pressão
Figura 13-Layout das trilhas do circuito do transdutor de pressão
Figura 14-Circuito e transdutor montados em placa
95
IV.III - Drive de controle e acionamento do motor
Para a confecção das placas foram utilizados os software Proteus 7.0 e real-PCB
(Crocodile Technology 6.7).
Drive de controle
Destinado ao controle do drive de potencia utilizando-se da lógica PWM, tendo
este como componente principal o DRV 102 (Driver PWM para válvula solenóide).
Este circuito integrado gera internamente o PWM e o aplica na base de um transistor
BJT (transistor de junção bipolar) de potência, também interno. Para o controle do Ciclo
ativo é necessário uma tensão de referência que pode ser obtida por um potenciômetro
ou por um sinal. No circuito em questão o sinal de referência do ciclo ativo é obtido
através de um loop de corrente de 4 a 20mA enviado pelo CLP.
Para o circuito eletrônico desenvolvido foram utilizados os seguintes
componentes:
Tabela 13-Características dos componentes utilizados na placa
Componente Descrição Quantidade
DRV102 Driver PWM para válvula solenóide 1
LM7805 Regulador de tensão 1
1N4004 Diodo 1
Led vermelho – 5 mm 1
Resistor 5 K Resistor 1/4W 1
Resistor 100 Resistor 1/4W 1
Resistor 180 Resistor 1/4W 1
Resistor 220 Resistor 1/4W 2
Resistor de 10K Resistor 1/4W 1
Conector Parafusável – 3 vias Conector da Alimentação DC e sinal
de controle
1
Conector Parafusável – 2 vias Saída de tensão do drive 1
Figura 15-Simulação do circuito do driver de controle do motor CC
96
Figura 16-Layout da posição dos componentes do driver de controle do motor CC
Figura 17-Layout das trilhas do driver de controle do motor CC
97
Figura 18-Driver de controle do motor CC montado em placa
Drive de potencia
Drive destinado ao acionamento direto do motor DC através da tensão de saída
do módulo PWM do circuito de controle. Este por sua vez tem como elemento principal
o transistor de potencia TIP 140, sendo o responsável efetivamente pelo controle do
motor através de chaveamento.
Para o circuito eletrônico desenvolvido foram utilizados os seguintes
componentes:
Tabela 14-Características dos componentes utilizados na placa
Componente Descrição Quantidade
UF5404 Diodo 1
Resistor de 1K Resistor 1/4W 1
TIP 140 Transistor darlington 1
Conector Parafusável
(2 vias)
- Conector da Alimentação DC
- Conector da Alimentação do motor
- Conector da Alimentação de controle
- Conector de fechamento em malha aberta
4
98
Figura 19-Layout da posição dos componentes do driver de acionamento do motor CC
Figura 20-Layout das trilhas do driver de acionamento do motor CC
Figura 21-Driver de acionamento do motor CC montado em placa
99
Como o transistor trabalha em freqüências altas de chaveamento, foi colocado
um dissipador de calor em seu invólucro a fim de dissipar melhor o calor.
100
ANEXOS
ANEXO I - Especificação da motobomba
Figura 01-motobomba utilizada
Fabricante: SHURflo
Modelo: 1901-0003 OEM – 191-0013 A/M
Pressão: 30 PSI ou aproximadamente 2,1bar
Corrente máxima: 2 Amperes – 12 Volts
Dimensões: 16 x 8 x 11 cm
Saída para mangueira: ½”
Vazão máxima: 3.8 Litros por minuto [l/m]
OBS: Possui sistema de desligamento/ligamento automático com pressostato.
ANEXO II – Custos envolvidos no projeto
Tabela 01-Custo das partes do projeto
Componente Custo (R$)
Transdutor de pressão (MPX5010) 80,00
Moto bomba 200,00
DRV102 40,00
LM7805 1
Diodos (1N4004, UF5404) 0,50
Leds 0,50
Resistores (5 K, 100, 180, 220, 10K) Ω 0,80
Conector Parafusável – 3 vias 0,80
Conector Parafusável – 2 vias 2,50
Placa de fenolite 2,00
Parte hidráulica (tubo, cotovelo, flanges,
luvas, recipientes)
30,00
Estrutura 20,00
TOTAL 378,1