UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Desenvolvimento de Blocos Funcionais para
Compensação de Atraso de Transporte Utilizando a
Tecnologia Foundation Fieldbus
Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina
como requisito para a aprovação da disciplina:
DAS 5511 Projeto de Fim de Curso
Leonardo Augusto Weiss
Florianópolis, Outubro de 2004
Desenvolvimento de Blocos Funcionais para Compensação de
Atraso de Transporte Utilizando a Tecnologia Foundation Fieldbus
Leonardo Augusto Weiss
Esta monografia foi julgada no contexto da disciplina
DAS 5511: Projeto de Fim de Curso
e aprovada na sua forma final pelo
Curso de Engenharia de Controle e Automação Industrial
Banca Examinadora:
Eng. Luis Carlos Geron
Prof. Dr. Júlio Elias Normey Rico e Msc. Agustinho Plucênio
Prof. Dr.Augusto Humberto Bruciapaglia
Responsável pela disciplina
Prof. Dr. Carlos Barros Montez, Avaliador
Markus Buhatem Koch, Debatedor
Gabriel Alan Gehm Marques, Debatedor
2
Agradecimentos
Gostaria de agradecer à Smar equipamentos Industriais pela oportunidade e
por fornecer todo o apoio necessário para o desenvolvimento desse trabalho e ao
Departamento de Automação e Sistemas da Universidade Federal de Santa
Catarina. Agradeço o apoio financeiro da Agência Nacional do Petróleo – ANP, e da
Financiadora de Estudos e Projetos – FINEP, por meio do Programa de Recursos
Humanos da ANP para o Setor Petróleo e Gás PRH-34 ANP/MCT. Agradeço
também aos amigos do Departamento Nacional de Engenharia de Aplicações da
Smar e aos mestres Eng. Luis Carlos Geron, Eng. Vivek Nigam, Prof. Msc.
Agustinho Plucênio e Prof Dr. Júlio Elias Normey Rico, pela orientação concedida e,
em especial, à minha família, sem a qual eu não chegaria até aqui. Não poderiam
faltar eternos agradecimentos à minha noiva Fernanda Gattringer, pelo apoio
durante todos estes esses anos de faculdade e por ser minha motivação de sempre
ir em frente
i
Resumo
O controle utilizando redes Foundation Fieldbus é muito aplicado atualmente
na indústria, pois distribui o controle entre os instrumentos de campo, em um nível
de controle denominado de H1, apresentando diversas vantagens. O controle no
nível H1 de uma rede Fieldbus é implementado através da elaboração de
estratégias de controle realizadas pela conexão de diferentes blocos de funcionais.
Este trabalho apresenta o desenvolvimento de Blocos de Funcionais para uso no
nível H1 de uma rede Foundation Fieldbus. Estes blocos, operando em conjunto
com blocos já existentes, permitirão a implementação de estruturas de controle
aplicáveis a processos com grandes atraso de transporte. A estratégia de controle
para a compensação de atraso baseou-se no Preditor de Smith. Para alcançar o
objetivo proposto, foram desenvolvidos dois novos blocos, o Transfer Function e o
Predictor, ambos necessários para a implementação da estratégia de compensação
de atraso.
ii
Abstract
The control using Foundation Fieldbus network technology is becoming very
much applied in the industry since it distributes the control among the field
instruments with several advantages. Several function blocks are distributed among
the field instruments and connected by the user forming a control strategy, which
perform the control function required in the level named H1. This work presents the
development of Function Blocks to be used in the H1 level of a Foundation Fieldbus
network. These blocks, operating with existent blocks, will permit the implementation
of control structures applicable to processes with great transport delays. The
structure of the delay compensator was based on the Smith Predictor. To reach the
objective, two new blocks had been developed, the Transfer Function and Predictor,
both
necessary
to
implement
control
of
compensation.
iii
processes
with
transport
delay
Sumário
Agradecimentos ________________________________ i
Resumo _______________________________________ ii
Abstract ______________________________________ iii
Sumário ______________________________________ iv
Capítulo 1: Introdução ___________________________ 1
Capítulo 2: Fundamentos sobre Foundation Fieldbus _ 5
2.1: REDES INDUSTRIAIS ________________________________ 6
2.2: FOUNDATION FIELDBUS ______________________________ 9
2.2.1: Níveis de Protocolo ___________________________________11
2.3: SOFTWARE DE CONFIGURAÇÃO DE REDES FIELDBUS SMAR (SYSCON)
16
2.4: OLE FOR PROCESS CONTROL (OPC) __________________ 19
2.4.1: Interface Matlab - OPC_________________________________21
2.5: SMAR EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS ____________________ 21
Capítulo 3: Controle de Processos com Atraso de
Transporte____________________________________ 24
3.1: CONTROLE COM COMPENSAÇÃO DE ATRASO _____________ 25
Capítulo
4:
Descrição
dos
Blocos
Funcionais
Implementados ________________________________ 28
4.1: BLOCO TRANSFER FUNCTION_________________________ 28
iv
4.2: BLOCO PREDICTOR ________________________________ 30
Capítulo 5: Resultados e Discussão ______________ 33
5.1: RESULTADOS DE SIMULAÇÃO _________________________ 33
5.2: CONTROLE DE UM CIRCUITO RC ______________________ 35
5.2.1: Modelagem do Processo _______________________________36
5.2.2: Síntese do Controlador ________________________________37
5.2.3: Implementação da estratégia ____________________________37
5.2.4: Resultados Obtidos ___________________________________38
5.3: CONTROLE DE TEMPERATURA EM UMA PLANTA DIDÁTICA SMAR 42
5.3.1: Modelagem do Processo _______________________________43
5.3.2: Síntese do Controlador ________________________________44
5.3.3: Implementação da Estratégia____________________________44
5.3.4: Resultados Obtidos ___________________________________44
Capítulo 6: Conclusões e Perspectivas ____________ 46
Bibliografia ___________________________________ 48
v
Capítulo 1: Introdução
Na área de instrumentação de processos, a tecnologia é predominantemente
analógica. No entanto, a rápida evolução da tecnologia dos microprocessadores e
microcontroladores conduziu à utilização crescente deste tipo de componentes, isto
atribuído
a
grande
vantagem
que
estes
dispositivos
apresentam.
Mais
recentemente, esta tendência também passou a ser verificada no nível hierárquico
mais baixo da automação industrial, onde se encontram elementos diretamente
ligados ao processo a ser controlado ou supervisionado tal como sensores,
atuadores e controladores. Esta tendência é verificada tanto na área da automação
da manufatura (processos discretos de produção), quanto na área de controle de
processos contínuos (processos químicos, petroquímicos, etc.).
A denominação genérica de "barramentos de campo", ou Fieldbus se dá a
uma rede aplicada à interligação de elementos simples em nível de chão de fábrica.
O Fieldbus pode ser definido como uma linha de comunicação serial, digital,
bidirecional (de acesso compartilhado) para a interligação de dispositivos primários
de automação (instrumentos de medição, atuação e controle final e outros
dispositivos microprocessados) a um sistema integrado de automação e controle de
processos.
Figura 1 – Topologia da Rede Fieldbus
1
Os sistemas de controle cujas malhas de realimentação se implementam
através de uma rede fieldbus de tempo real, são denominados de “sistemas de
controle baseados em rede” (networked control systems). Neste tipo de sistemas,
toda a informação (variáveis medidas, referências de controle, sinais de controle,
parâmetros, etc.) se transmitem utilizando uma rede que interliga os diferentes
componentes de um sistema de controle (atuadores, controladores, transmissores,
etc).
Na configuração da estratégia de controle ou monitoração de uma rede
Fieldbus são utilizados os chamados Blocos Funcionais. Estes representam as
funções básicas de automação. Cada bloco processa parâmetros de entrada
conforme um algoritmo específico e um conjunto interno de parâmetros de
controle[2]. Produzem parâmetros de saída utilizados dentro da mesma aplicação ou
por outras aplicações.
Figura 2 – Exemplo de um Bloco Funcional PID
A maioria dos problemas de controle em processos industriais são resolvidos
usando controladores PID clássicos. Uma das principais vantagens desse tipo de
controlador é o fácil ajuste de seus parâmetros, por exemplo por “tentativa e erro”.
Em processos com longos atrasos de transporte o desempenho do controlador PID
fica bastante comprometido. Para esses processos faz-se necessário o uso de um
compensador de atraso ou de outro tipo de controle.
O atraso de transporte é definido como o tempo decorrente para que uma
variação no sinal de referência ou de controle seja efetivamente "sentida" na
variável de processo. Assim quando, por exemplo, se aplica uma entrada do tipo
degrau a um processo com atraso de transporte funcionando em um ponto de
2
operação, a saída do processo permanecerá naquele ponto durante um intervalo de
tempo L. Este tempo L é o atraso de transporte. Os atrasos são comumente
encontrados em processos onde existe transporte de matéria ou energia, como por
exemplo, em processos térmicos. Também o atraso pode ser a conseqüência de
vários sistemas de baixa ordem não oscilatórios. Outras causas de ocorrência do
atraso de transporte são: atraso na medida da variável de processo, ou seja tempo
que o sensor leva para sentir que houve efetivamente uma variação, atraso na
operação do atuador e atraso na ação do próprio controlador. Geralmente quanto
maior o atraso de transporte, mais difícil torna-se o controle do processo.
O compensador de atraso mais comumente utilizado é o Preditor de Smith
[1]. A estrutura desse compensador pode ser vista abaixo:
Figura 3 – Preditor de Smith
No funcionamento desse compensador, a saída do controlador primário é
enviada para a planta e para um modelo estimado dessa planta, sem o atraso, em
cascata com o modelo do atraso. O sinal do modelo é comparado com a saída real
e somado à saída do modelo sem atraso para ser comparada a referência. Assim no
caso ideal, onde não existe erro entre a planta e o modelo levantado, o controlador
primário (normalmente um PI ou PID) atua no processo como se não existisse o
atraso de transporte.
Com o intuito de implementar um compensador de atraso de transporte,
utilizando a tecnologia Foundation Fieldbus, foram desenvolvidos blocos funcionais
que possibilitam a implementação de uma estrutura semelhante à do Preditor de
Smith. Dois novos blocos foram desenvolvidos:
•
Bloco Transfer Function – que representa sistemas de até segunda
ordem no domínio freqüencial (s).
3
•
Bloco Predictor – que pode ser utilizado para implementar um Preditor
de Smith ou um atraso configurável entre os sinais de entrada e saída
do bloco .
Nos próximos capítulos deste documento serão abordados, primeiramente,
assuntos relacionados à tecnologia Foundation Fieldbus. Dentro do assunto serão
descritos de maneira sucinta a teoria de redes industriais, o protocolo Foundation
Fieldbus, o configurador de redes Fieldbus Smar – Syscon, o OPC e a interface
Matlab – OPC. O capítulo 3 tratará da problemática envolvida no controle de
processos com atraso de transporte, onde será feita uma análise do Preditor de
Smith. O capítulo 4 será sobre a solução implementada, descrevendo os blocos
funcionais desenvolvidos e sua configuração para o correto funcionamento. No
capítulo 5 serão mostrados os resultados obtidos utilizando-se o compensador de
atraso desenvolvido, primeiramente resultados de simulação e depois resultados
obtidos com a aplicação no controle de dois processos reais. Por último, no capítulo
6, serão feitas as conclusões e perspectivas do trabalho desenvolvido. É importante
ressaltar que por motivos de sigilo industrial, por parte da Smar Equipamentos
Industriais, detalhes sobre a implementação dos blocos funcionais serão ocultados.
4
Capítulo 2: Fundamentos sobre Foundation Fieldbus
A tecnologia Foundation Fieldbus surge como uma nova opção em
instrumentação de processos, mas não só como promissora substituta para a
instrumentação analógica. Fieldbus é uma solução completa para sistemas de
controle baseados em redes, distribuindo funções nos equipamentos de campo e
aumentando em muito a quantidade e a qualidade das informações sobre o
processo.
Figura 4 – Evolução das tecnologias
Fieldbus é baseado em um protocolo de comunicação digital entre dispositivos de
automação da planta e sistemas de supervisão, formando essencialmente uma rede
local (LAN) para dispositivos de campo.
Figura 5 - Rede Fieldbus
5
2.1: Redes Industriais
A instalação e manutenção de sistemas de controle tradicionais implicam em
altos custos, principalmente quando se deseja ampliar uma aplicação, onde são
requeridos novos equipamentos e o cabeamento destes à unidade central de
controle [3]. De forma a minimizar estes custos e aumentar a operacionalidade de
uma aplicação introduziu-se o conceito de rede para interligar os vários
equipamentos. A utilização de redes em aplicações industriais prevê:
•
Diminuição dos custos de instalação
•
Simplificação dos procedimentos de manutenção
•
Aumentar e simplificar as opções de upgrades
•
Melhorar a informação de controle
A opção pela implementação de sistemas de controle baseados em redes,
requer um estudo para:
i)
determinar qual o tipo de rede que possui as maiores vantagens de
implementação ao usuário,
ii)
buscar uma plataforma de aplicação compatível com o maior número de
equipamentos possíveis.
Surge daí a opção pela utilização de arquiteturas de sistemas abertos que, ao
contrário das arquiteturas proprietárias onde apenas um fabricante lança produtos
compatíveis com a sua própria arquitetura de rede, o usuário pode encontrar em
mais de um fabricante a solução desejada. Além disso, muitas redes abertas
possuem organizações de usuários que podem fornecer informações e possibilitar
trocas de experiências a respeito dos diversos problemas de funcionamento de uma
rede, como por exemplo, a Fieldbus Foundation, fundação que se dedica a um
padrão interoperável de Fieldbus.
As Redes industriais são padronizadas sobre três níveis hierárquicos, cada qual
responsável pela conexão de diferentes tipos de equipamentos com suas próprias
características de informação, conforme pode ser visto na figura 6.
6
Figura 6 - Níveis das redes industriais
O nível mais alto, nível de informação da rede, é destinado a um computador
central que processa o escalonamento da produção e permite operações de
monitoramento estatístico do processo, utilizado, geralmente, por softwares
gerenciais (MIS). O padrão Ethernet operando com o protocolo TCP/IP é o mais
comumente utilizado neste nível.
O nível intermediário, nível de controle da rede, está localizada na planta, e
incorpora os PLCs, DCSc e PCs. A informação deve trafegar neste nível em tempo
real para garantir a atualização dos dados nos softwares que realizam a supervisão
da aplicação.
O nível mais baixo, nível de controle discreto, se refere geralmente às
ligações físicas da rede ao nível de entrada/saída. Este nível de rede conecta os
equipamentos de baixo nível entre as partes físicas e de controle. Neste nível
encontram-se os sensores discretos, contatores e blocos de I/O.
As redes de equipamentos são classificadas pelo tipo de equipamento
conectado a elas e o tipo de dado que trafega pela rede. Os dados podem ser bits,
bytes ou blocos. As redes com dados em formato de bits transmitem sinais discretos
contendo simples condições ON/OFF. As redes com dados no formato de byte
podem conter pacotes de informações discretas e/ou analógicas e as redes com
dados em formato de blocos são capazes de transmitir pacotes de informação de
tamanhos variáveis.
7
A figura 7 mostra os principais tipos de classificação das redes industriais,
que podem ser divididas em:
•
Rede sensorbus - dados no formato de bits
•
Rede devicebus - dados no formato de bytes
•
Rede fieldbus - dados no formato de pacotes de mensagens
Figura 7 - Classificação das Redes
A rede sensorbus conecta equipamentos simples e pequenos diretamente à
rede. Os equipamentos deste tipo de rede necessitam de comunicação rápida em
níveis discretos e são tipicamente sensores e atuadores de baixo custo. Estas redes
não almejam cobrir grandes distâncias, sua principal meta é manter os custos de
conexão tão baixos quanto for possível. Exemplos típicos de rede sensorbus
incluem Seriplex, ASI e INTERBUS Loop.
A rede devicebus preenche o espaço entre redes sensorbus e fieldbus e pode
cobrir distâncias de até 500 m. Os equipamentos conectados a esta rede terão mais
pontos discretos, alguns dados analógicos ou uma mistura de ambos. Além disso,
algumas destas redes permitem a transferência de blocos em uma menor prioridade
comparado aos dados no formato de bytes. Esta rede tem os mesmos requisitos de
transferência rápida de dados da rede sensorbus, mas consegue gerenciar mais
equipamentos e dados. Alguns exemplos de redes deste tipo são DeviceNet, Smart
Distributed System (SDS), Profibus DP, LONWorks e INTERBUS-S.
A rede Fieldbus interliga equipamentos “inteligentes” e pode cobrir distâncias
maiores. Os equipamentos acoplados à
8
rede
possuem
capacidade para
desempenhar funções específicas de controle tais como loops PID, controle de fluxo
de informações e processos. Os tempos de transferência podem ser longos mas a
rede deve ser capaz de comunicar-se por vários tipos de dados (discreto, analógico,
parâmetros, programas e informações do usuário). Exemplo de redes fieldbus
incluem IEC/ISA SP50, Fieldbus Foundation, Profibus PA e HART.
Os tipos de equipamentos que cada uma destas classes agrupam podem ser
vistos na Figura abaixo.
Figura 8 - Grupos de Produtos por classe de rede
2.2: Foundation Fieldbus
O Foundation Fieldbus é um protocolo de comunicação totalmente digital,
serial e bidirecional que interconecta equipamentos “Fieldbus” tais como sensores,
atuadores e controladores. O Fieldbus é uma rede local (LAN) para automação e
instrumentação de processos, com capacidade de distribuir o controle no campo.
Ao contrário dos protocolos de rede proprietários, o Foundation Fieldbus não
pertence a nenhuma empresa, ou é regulado por um único órgão.
A tecnologia é controlada pela Fieldbus Foundation, uma organização não
lucrativa composta por mais de cem dos principais fornecedores e usuários de
controle e instrumentação do mundo. O Foundation Fieldbus mantém muitas das
características operacionais do sistema analógico 4-20 mA, tais como uma interface
física padronizada da fiação, dispositivos alimentados por um único par de fios e
opções de segurança intrínseca, mas oferece uma série de benefícios adicionais
aos usuários, como por exemplo:
9
•
Interoperabilidade
Com a interoperabilidade, um dispositivo Fieldbus pode ser substituído por um
dispositivo similar com maior funcionalidade de um outro fornecedor na mesma rede
Fieldbus, mantendo as características originais. Isto permite aos usuários mesclar
dispositivos de campo e sistemas de vários fornecedores. Dispositivos individuais
Fieldbus podem também transmitir e receber informação, comunicando-se
diretamente com outro equipamento sobre o barramento Fieldbus, permitindo que
novos dispositivos sejam adicionados ao barramento sem interromper o controle.
•
Dados de Processo Mais Completos
Com o Foundation Fieldbus, as variáveis de cada dispositivo podem ser trazidas
a sistemas superiores para a análise, arquivo, análise de tendência, estudos de
otimização do processo e geração de relatórios. Este acesso aos dados mais exatos
e de alta resolução, permite um ajuste fino do processo para melhor operação,
reduzindo o tempo ocioso da planta. Estas características permitem melhor
desempenho e lucratividade.
•
Vista expandida do processo
Dispositivos Fieldbus permitem que os erros de processo possam ser
reconhecidos mais rapidamente e com maior certeza. Como conseqüência, os
operadores de planta são notificados de condições anormais ou da necessidade de
manutenção preventiva, e podem tomar melhores decisões sobre a produção. Os
problemas que diminuem a eficiência operacional são corrigidos mais rapidamente,
permitindo um aumento no rendimento.
•
Melhor Segurança da Planta
A tecnologia Fieldbus ajuda a manter as exigências de segurança. Fornece aos
operadores notificações e avisos antecipados de circunstâncias perigosas
pendentes e atuais. O Fieldbus permite ainda a ação corretiva antes de uma parada
não planejada. As potencialidades de diagnóstico ampliadas da planta reduzem
também a necessidade do acesso freqüente às áreas perigosas, minimizando assim
os riscos do pessoal no campo.
•
Manutenção Proativa Mais Fácil
10
As potencialidades ampliadas de diagnóstico dos dispositivos de campo
possibilitam monitorar e registrar condições como, por exemplo, o desgaste de
válvulas e entupimento de transmissores. Os operadores podem executar a
manutenção proativa sem esperar uma parada programada, evitando ou reduzindo
assim o tempo ocioso da planta.
•
Redução de Custos de fiação e de Manutenção
O Foundation Fieldbus usa a fiação existente e as conexões multi-drop fornecem
economias significativas nos custos de instalação. Redução de custo adicional pode
ser conseguida com a redução do tempo necessário para a partida do processo,
bem como com a simplificação da programação das funções de controle e
monitoramento, usando os blocos funcionais embutidos nos dispositivos. De acordo
com estimativas atuais, há sistemas Foundation Fieldbus em operação em mais de
25 países. Estima-se hoje que aproximadamente 80 por cento de todas as novas
instalações de sistemas de controle de planta que utilizam a tecnologia fieldbus são
compatíveis com o Foundation Fieldbus.
2.2.1: Níveis de Protocolo
O protocolo Foundation Fieldbus foi desenvolvido baseado no padrão
ISO/OSI, no entanto não contempla todos os níveis, pode-se dividi-lo em Camada
Física (“Physical Layer” - que trata da interligação dos instrumentos) e Camada de
11
Software (“Communication Stack”) que trata da comunicação digital entre os
equipamentos [8].
THE FOUNDATION FIELDBUS
FIELDBUS MODEL
OSI MODEL
USER
LAYER
USER
LAYER
FIELDBUS MESSAGE
SPECIFICATION
FIELDBUS ACCESS
SUBLAYER
APPLICATION LAYER
PRESENTATION LAYER
COMMUNICATION
“STACK”
SESSION LAYER
TRANSPORT LAYER
NETWORK LAYER
DATA LINK LAYER
DATA LINK LAYER
PHYSICAL LAYER
PHYSICAL LAYER
PHYSICAL LAYER
Figura 9 - Níveis de Protocolo
2.2.1.1: Camada Física
A camada física define como o sinal é transmitido de um equipamento a
outro.
A Norma ANSI/ISA-S50.02-1992, aprovada em 17 de Maio de 1994 “Fieldbus Standard for Use in Industrial Control Systems Part 2: Physical Layer
Specification and Service Definition” trata do meio físico para a realização das
interligações, os principais itens são:
• Transmissão de dados somente digital
• self-clocking
• Comunicação bi-direcional
• Código Manchester
• Modulação de voltagem (acoplamento paralelo)
• Velocidade de transmissão de 31,25 kb/s
No nível de instrumentos ligados aos barramentos de campo, a velocidade
normalizada é 31,25 kb/s, as outras velocidades deverão ser utilizadas para a
12
interligação de “bridges” e “gateways” para a conexão em alta velocidade destes
dispositivos (Figura 10).
FOUNDATION TECHNOLOGY
USER
LAYER
BRIDGE CAPABILITY
COMMUNICATION
“STACK”
PHYSICAL LAYER
100 Mbit/s Fieldbus
Bridge
31.25 kbit/s Fieldbus
Devices
Figura 10 - Utilização de "Bridges"
2.2.1.2: Camada de Software
2.2.1.2.1: Nível de Enlace
O nível de enlace (Data Link Layer) controla quando e por quanto tempo um
equipamento pode ter acesso à rede, evitando assim o conflito quando um ou mais
equipamentos querem transmitir dados. A integridade das mensagens é garantida
através de um polinômio aplicado a todos os bytes da mensagem e que é
acrescentado no final da mesma.
Qualquer instrumento Foundation Fieldbus pode iniciar a comunicação, desde
de que tenha permissão para isso. A transmissão é controlada pelo Link Active
Scheduler (LAS).
13
FOUNDATION TECHNOLOGY
USER
LAYER
DEVICE DESCRIPTION SERVICES (DDS)
COMMUNICATION
“STACK”
PHYSICAL LAYER
Figura 11 - DDL - Garantia de interoperabilidade
2.2.1.2.2: Nível de Aplicação (Application Layer)
O nível de aplicação fornece uma interface para o software aplicativo do
equipamento. Basicamente este nível define como ler, escrever ou disparar uma
tarefa em uma estação remota. A principal tarefa é a definição de uma sintaxe para
as mensagens. Ele também define o modo pelo qual a mensagem deve ser
transmitida: ciclicamente, imediatamente, somente uma vez ou quando requisitado
pelo consumidor. O gerenciamento define como inicializar a rede: atribuição do Tag
(“nome do equipamento na rede”), atribuição do endereço, sincronização do tempo,
escalonamento das transações na rede ou conexão dos parâmetros de entrada e
saída dos blocos funcionais. Controla também a operação da rede, com
levantamento estatístico de detecção de falhas e de adição de um novo elemento ou
remoção de uma estação. O gerenciamento monitora continuamente o barramento
para identificar a adição de novas estações.
2.2.1.2.3: Nível de Usuário (User Layer)
Define o modo de acesso à informação dentro de equipamentos Fieldbus e
de que forma esta informação pode ser distribuída para outros equipamentos no
mesmo nó ou, eventualmente, em outros nós da rede. Este atributo é fundamental
para aplicações em controle de processos.
A base para arquitetura de um equipamento Fieldbus são os blocos
funcionais, os quais executam as tarefas necessárias as aplicações existentes, tais
14
como: aquisição de dados, controle PID, cálculos e atuação, intertravamento e
comunicação com controladores lógicos (CLPs). Todo bloco funcional contém um
algoritmo, entradas e saídas e um nome definido pelo usuário (TAG do bloco, que
deve ser único na planta). Os parâmetros do bloco funcional são endereçados no
Fieldbus pela seguinte sintaxe: TAG.PARAMETER-NAME. Um equipamento
Fieldbus conterá um número definido de blocos funcionais.
Figura 12 – Modelo de Bloco Funcional
Os blocos funcionais são configurados através de parâmetros, onde cada
parâmetro tem um propósito específico.
Como exemplo de blocos funcionais tem-se:
•
Classe de Entrada:
Analog Input (AI) – Representa um sinal de entrada analógico, podendo ser
utilizado como sinal de medição em uma estratégia de controle;
Discrete Input (DI) – Representa um sinal de entrada digital;
Pulse Input (PI) – Representa uma entrada pulso;
•
Classe de Saída:
Analog Output (AO) – Representa uma saída analógica, podendo ser utilizado
como sinal de atuação em uma estratégia de controle;
Discrete Output (DO) – Representa uma saída digital, podendo ser utilizado para
comandar uma bomba, por exemplo.
•
Classe Avançada:
PID – Realiza um controlador PID
Setpoint Generator (SG) – Gera curvas de referência para processos
15
A conexão entre blocos funcionais de diferentes devices é definida como um
link na rede. Os links são comuns nas malhas de controle Fieldbus e imperceptível a
quem esteja configurando o sistema (protocolo a nível de usuário) já que a
comunicação é tratada diretamente pelos blocos funcionais.
O protocolo de comunicação é tratado internamente pelos próprios blocos
funcionais que são responsáveis tanto pelas comunicações cíclicas (publicações de
parâmetros para supervisão e links) quanto pelas comunicações acíclicas
(notificações de alarmes/eventos, informações de diagnóstico e de display, etc.)
O tempo de atualização da rede Fielbbus é definido como Macrocycle. O
macrocycle define o tempo de atualização de todos os blocos funcionais que estão
configurados em uma aplicação, representando a amostragem do sistema. A figura
13 ilustra isso.
Figura 13 – Macrocycle
2.3: Software de Configuração de Redes Fieldbus SMAR (Syscon)
Um projeto Fieldbus, no software configurador de redes Fieldbus SMAR, é
dividido em duas partes: o projeto Lógico (Area 1) e o projeto Físico (Fieldbus
Networks), como pode ser visto na figura 14.
16
Figura 14 – Syscon
No projeto Físico é definida a estrutura da rede Fieldbus, como qual bridge
Fieldbus será utilizada (no caso da SMAR o DFI 302), e quais instrumentos de
campo, de diferentes fabricantes, serão utilizados para compor a rede e
desempenhar a função especificada. Como exemplo de instrumentos de campo,
pode-se citar, transmissores de temperatura, conversores Fieldbus – 4/20 mA,
conversores Fieldbus – Pressão, transmissores de densidade, entre outros.
Na configuração da estratégia a ser executada em uma rede Fieldbus são
utilizados os chamados Blocos Funcionais. Representam as funções básicas de
automação, cada bloco processa parâmetros de entrada conforme um algoritmo
específico e um conjunto interno de parâmetros de controle. Produzem parâmetros
de saída utilizados dentro da mesma aplicação ou por outras aplicações. Por
exemplo, para configurar um controle PID simples precisa-se dos seguintes blocos
funcionais:
•
Analog Input (AI), que representa a realimentação do sistema, ou seja o
sinal advindo do elemento sensor;
17
•
PID, realiza um controle PID baseado no erro entre a referência e a variável
de processo;
•
Analog Output (AO), representa a atuação do sistema, sinal que enviado ao
atuador de modo a manter a variável de processo controlada.
Existem dois outros blocos que devem ser configurados nos devices e na bridge: O
Bloco Resource e o Transducer. O bloco resource contém dados especificos ao
hardware que está associado. O Bloco Transducer é um bloco específico de cada
fabricante. Cada device tem um bloco transducer diferente, definindo, por exemplo,
a calibração, informação e status do sensor.
A estratégia é montada no syscon da seguinte maneira:
Figura 15– Controle PID simples
A figura 16 mostra os equipamentos necessários para uma aplicação fieldbus
simples (cortesia Smar):
Figura 16 – Equipamentos Fieldbus Smar
Os cartões necessários são o DF50, DF51, DF52 e DF53, respectivamente da
esquerda para a direita na parte da esquerda da figura. O DF50 é a fonte para o
18
barramento, alimentando outros cartões que podem ser utilizados, como entradas e
saídas digitais, por exemplo. O DF51 é a bridge Fieldbus, equipamento responsável
pelo controle, gerenciamento e supervisão dos quatro canais Fieldbus. O DF52 é a
fonte para a rede Fieldbus e o DF53 o casador de impedância dos canais Fieldbus.
Os devices mostrados na figura são o TT302 (transmissor de temperatura) e o FI302
(conversor de sinal Fieldbus para 4-20mA).
2.4: OLE for Process Control (OPC)
A motivação do OPC é estabelecer um mecanismo padrão de comunicação
entre diversas fontes de dados, desde equipamentos em campo até uma base de
dados em uma sala de controle.
A estrutura da informação em processos industriais pode ser visto na figura
17, e pode ser dividida em:
Nível de Campo, com o advento dos equipamentos de campo “inteligentes” houve
um acréscimo considerável na quantidade de informação. Passou-se a ter acesso a,
por exemplo, o status do device, parâmetros de comunicação, material do
equipamento, entre outros. Toda essa informação deve ser apresentada ao usuário
ou a qualquer outra aplicação que precise, de maneira consistente e confiável.
Nível de Processo, a instalação de Sistemas de Controle Distribuído (DCS) e
sistemas SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) para monitorar e
controlar processos, disponibilizou a captura de dados eletronicamente, melhorando
em muito a qualidade e a quantidade de informações sobre o processo.
Nível Gerencial, a instalação de sistemas de controle gera muitos benefícios. Para
isso a informação coletada no processo deve ser integrada aos sistemas que
controlam os aspectos financeiros da aplicação. Fornecer esta informação de uma
maneira consistente minimiza o esforço requerido para esta integração.
19
Figura 17 – Arquitetura da Informação em processos Industriais
Para realizar essa integração de maneira eficaz, os fabricantes necessitam
alcançar dados da planta e disponibilizá-los em seus sistemas existentes de
gerência. Os fabricantes devem poder utilizar as ferramentas comerciais (pacotes
SCADA, bases de dados, etc.) para montar um sistema que responda às suas
necessidades. A chave para isso esta em uma arquitetura de comunicação aberta e
efetiva, concentrada no acesso aos dados e não no tipo de dado. Surge ai a idéia
principal do OPC.
OLE for Process Control (OPC) define “guidelines” entre fornecedores de
Hardware e desenvolvedores de Software. Especifica um mecanismo para fornecer
dados (servidor) e comunicar esses dados à aplicação cliente de uma maneira
padronizada, independente de fabricantes, aumentando a interoperabilidade do
sistema.
Figura 18 – Ambiente heterogêneo
20
2.4.1: Interface Matlab - OPC
Para a aquisição dos dados de um servidor OPC, usando o Matlab, utiliza-se
um controle ActiveX. Para realizar a comunicação usando esse controle são
necessários os seguintes passos:
1º Configuração do cliente
2º Início da conexão
3º Escritas/Leituras
4º Finalização da conexão
Cria-se um programa em um arquivo .m do Matlab, onde são definidos os
parâmetros necessários e que variáveis (Tags) se deseja acessar. A figura 19 ilustra
a comunicação Matlab – OPC.
É importante citar a relevância que teve essa ferramenta no desenvolvimento
do trabalho, pois toda a validação dos blocos desenvolvidos foi feita confrontando
dados advindos do Matlab com os dados armazenados a partir do servidor OPC.
Figura 19 – Comunicação Matlab-OPC
2.5: Smar Equipamentos Industriais
A Smar foi fundada em 1o de abril de 1974 com objetivo de prestar serviços
de campo para turbinas a vapor da indústria açucareira brasileira. Os co-fundadores,
Sr. Mauro Sponchiado e Sr. José Martinussi aproveitaram as iniciais de seus
sobrenomes para formar o nome da empresa, ou seja, SMAR. A pequena empresa
continuou prestando serviços de manutenção em turbinas a vapor até 1978. Foi
21
quando a indústria açucareira começou a utilizar as novas turbinas a vapor com
reguladores de velocidade eletrônicos.
Não habituada a trabalhar com eletrônica, a Smar buscou assessoramento
em um grupo de engenheiros de uma empresa vizinha. O Sr. Edmundo Gorini, chefe
da engenharia elétrica daquela empresa, e seus colegas Paulo Lorenzato e Carlos
Liboni aceitaram o convite de tornarem-se sócios da Smar. Logo em seguida, Sr.
Caldeira, também um engenheiro, integrou-se à empresa, então composta por 13
pessoas, sendo 10 sócios e 3 funcionários. Este foi o início de uma nova era.
A prestação de serviço em turbinas a vapor proporcionou o capital para os
trabalhos iniciais de Pesquisa e Desenvolvimento. Os resultados de P&D
possibilitaram o desenvolvimento de um novo sistema para controlar a quantidade
de cana de açúcar que deveria ser usada para alimentar os cortadores de cana e as
moendas. Com o sucesso desta primeira inovação, a SMAR teve condições de
continuar a investir em pesquisa e desenvolvimento. Novos produtos continuaram a
ser desenvolvidos regularmente, sempre voltados para a indústria sucro-alcooleira.
A empresa cresceu rapidamente, impulsionada por uma iniciativa do governo
federal, o Pró-álcool, que visava substituir a gasolina por álcool como combustível
de veículos automotores.
Em 1981, com o decréscimo dos investimentos na indústria sucro-alcooleira,
a empresa decidiu partir para o projeto de uma linha de instrumentos para controle
de processos. Essa decisão foi bem sucedida e a empresa continuou crescendo.
Em 1986, com seu contínuo crescimento no mercado nacional, a empresa
buscou se expandir no mercado internacional. O sucesso dependeria muito do
desenvolvimento de novos produtos que estivessem tecnologicamente atualizados e
que fossem, ao mesmo tempo, comercialmente competitivos. A Smar empreendeu
então um plano de desenvolvimento que eventualmente tornou tais produtos uma
realidade.
Após testar os novos produtos no mercado brasileiro, a Smar incrementou
seus esforços de venda, inicialmente nos Estados Unidos, a partir de 1989, e depois
na Europa, a partir de 1990.
Em 1988 a SMAR tornou-se o maior fabricante de instrumentos para controle
de processos no Brasil, sendo que sua atuação nesta área só começou em 1982.
22
Atualmente, mais de um terço da produção da empresa são vendidos no mercado
internacional.
Como o mercado mundial para produtos como os que a SMAR produz movimenta
mais de cinco bilhões de dólares por ano, a empresa tem enormes possibilidades
para continuar a crescer ao longo dos próximos anos.
23
Capítulo 3: Controle
de
Processos
com
Atraso
de
Transporte
Segundo [4], em um artigo onde são mostrados resultados de várias
pesquisas realizadas nas Industrias Japonesas, os problemas causados pelo atraso
de transporte nos sistemas de controle representam, juntamente com os problemas
causados por perturbações e interações entre variáveis, mais de 60% dos
problemas importantes encontrados nos processos industriais. Isso, segundo os
autores, leva os engenheiros de controle a levar esses problemas em consideração
na hora de projetar o sistema de controle. Uma abordagem que permita a
implementação de um compensador de atraso, utilizando a tecnologia Foundation
Fieldbus, surge então como uma necessidade, já que essa tecnologia está em
crescente expansão atualmente.
O atraso é parte fundamental da dinâmica de muitos processos industriais,
sendo definido como o período de tempo (L) entre o instante em que é introduzida
uma mudança na variável de entrada do processo e o instante em que a saída do
mesmo começa a mudar. O modelo linear normalmente usado para representar este
tipo de planta é definido por (domínio frequencial):
P( s) = G ( s)e − Ls (eq.1)
Onde L representa o tempo de atraso e G(s) uma transferência qualquer.
Geralmente o atraso é causado pelo tempo de transporte de energia ou matéria
dentro do sistema, ou pela combinação em cascata de vários sistemas de baixa
ordem [5].
Para sistemas com baixos tempos de atraso o controlador PID consegue
controlar o processo através do correto ajuste de seus parâmetros, principalmente
do termo derivativo, que representa uma predição linear. Quando o atraso for
grande, maior do que duas vezes a constante de tempo dominante do processo, o
PID possui a ação limitada, em muitos casos não consegue controlar o processo se
deseja-se obter respostas em malha fechada mais rápidas do que em malha aberta.
Nestes casos é necessário um outro tipo de controle ou um com compensação de
24
atraso. De forma geral, dado um controle C(s), a transferência em malha aberta do
sistema C ( s)G( s)e − Ls tem uma resposta em freqüência cujo módulo coincide com o
da transferência sem o atraso, C ( s)G( s) , porém com uma fase que tende a infinito
para altas freqüências. Isto implica que o atraso diminui a margem de fase do
sistema, tanto mais quanto maior seja o seu valor.
3.1: Controle com Compensação de Atraso
Quando o processo apresenta um atraso de transporte dominante é
necessário a utilização de um compensador de atraso ou de outro tipo de controle,
como o controle preditivo baseado em modelo, por exemplo. A solução ideal do
problema de controle, para plantas representadas pela eq. 1, seria realimentar o
sinal de saída sem o atraso como mostra a figura 20, de forma tal que se controle
apenas G(s) e a verdadeira saída seja apenas o sinal controlado atrasado L
unidades de tempo.
Figura 20 – controle ideal de plantas com atraso
No entanto, na maioria das plantas, não se tem acesso à variável y1. Uma
solução simples foi proposta por Smith[1] e baseia-se na introdução de um preditor
(Gn(s)) no esquema de controle. Esta estratégia, chamada posteriormente de
Preditor de Smith, aplica-se ao controle de processos estáveis.
Figura 21 - Esquema do Preditor de Smith
25
Do esquema do preditor observa-se que a saída do preditor Gn(s) representa
a saída do processo sem o atraso, que no caso ideal (onde não existe diferença
entre o preditor e o processo real), equivale ao esquema mostrado na figura 20.
Como não é possível obter um modelo para o preditor igual ao processo real,
introduz-se um fator de correção, obtido pela diferença entre a saída do processo
real e a saída do preditor atrasada. Com um bom modelo do processo e uma boa
estimativa do atraso, o controlador pode ser ajustado apenas utilizando-se a
transferência Gn(s), obtendo-se respostas muito melhores do que com a utilização
de um simples controle PID. Deve-se salientar que em alguns casos a identificação
do modelo da planta pode tornar-se uma tarefa difícil. Este fato é uma limitação do
método.
Em [6] um filtro foi proposto para prover robustez ao sistema para erros em
alta freqüência entre o modelo e processo real. O esquema modificado fica:
Figura 22 – Preditor de Smith Modificado
O filtro F(s) é de primeira ordem e de ganho unitário:
F (s) =
1
Tfs + 1
Para processos integradores faz-se necessário um outro esquema para o
funcionamento do compensador de atraso, conforme pode ser visto na figura 23 [7].
Este tipo de processo pode ser representado por:
Gn ( s )e − Lns =
K n − Lns
e
s
26
Figura 23 – Preditor de Smith Modificado para plantas Processos Integradores
O controlador primário passa a ser um ganho (Kr) e Ko é definido em função dos
parâmetros do modelo:
Ko =
1
2 Ln K n
Esta estrutura foi proposta devido a configuração normal do Preditor de Smith
não conseguir rejeitar, em processos integradores, perturbações de carga
constantes.
27
Capítulo 4: Descrição
dos
Blocos
Funcionais
Implementados
No Syscon, software de configuração de redes Fieldbus da Smar, a
representação dos sinais envolvidos, entre os blocos funcionais, é feita de modo
contínuo. Na implementação dos blocos funcionais, porém, utilizam-se algoritmos
discretos que rodam em controladores embarcados nos equipamentos. Essa
abstração facilita muito o desenvolvimento das estratégias de controle.
Para alcançar o objetivo proposto pelo trabalho, que é possibilitar o controle
com compensação de atraso, foram desenvolvidos blocos funcionais que permitem
implementar uma estrutura semelhante à do Preditor de Smith utilizando blocos
funcionais. Analisando o digrama do Preditor de Smith e os blocos funcionais
disponíveis, definiu-se a necessidade de criação de dois novos blocos. Um para
representar o modelo preditor (G(n)) e um que possibilitasse o atraso (e-Lns), ambos
necessários na estratégia de compensação de atraso. A flexibilidade dos blocos
desenvolvidos permite a implementação das estruturas de compensação de atraso
mostradas no capítulo anterior.
Como já foi citado anteriormente, por motivo de sigilo industrial alguns
aspectos da implementação dos blocos funcionais serão omitidos.
4.1: Bloco Transfer Function
O bloco Transfer Function (TF) tem como finalidade representar sistemas de
até 2a ordem, através da configuração dos coeficientes A, B, C, D, E e F de uma
função de transferência do tipo (domínio frequencial):
G ( s) =
As 2 + Bs + C
Ds 2 + Es + F
Para representar sistemas de maior ordem pode-se utilizar blocos TF em
cascata.
O bloco possui uma entrada e uma saída. Um sistema para ser realizável
deve possuir o grau do denominador maior ou igual ao do numerador, portanto
28
quando o parâmetro D for igual a zero o parâmetro A deve ser também zero. Optouse por fazer o grau do numerador igual ao do denominador para possibilitar zeros
complexos.
O bloco permite acesso aos coeficientes A, B, C, D, E e F, possibilitando
correlacionar estes como função de outra variável, por exemplo, para a construção
de sistemas com múltiplos modelos. Um exemplo deste tipo de aplicação é no
controle de sistemas não lineares, em que se pode determinar pontos de operação
e para cada ponto encontrar uma função de transferência distinta, fazendo os
parâmetros do sistema em função de alguma variável do processo, permitindo assim
o uso de técnicas de controle lineares.
Na construção do bloco foram utilizadas equações a diferenças a partir da
equação no domínio discreto (Z) [9, 10, 11,12]. A representação no domínio discreto
(G(z)) foi obtida utilizando tabelas da transformada Z e como período de
amostragem o macro-cycle da rede. O método utilizado para essa transformação foi
a do segurador de ordem zero (Zero Order Holder):
G ( z ) = (1 − z −1 ) Ζ
G ( s)
s
As seguintes restrições foram tratadas separadamente para determinação da
equação no domínio Z:
Raízes − Re ais
F ≠ 0 Raízes − Complexas
Raízes − Iguais
≠0
D
F =0
= 0{E ≠ 0
E≠0
E=0
F =0
F ≠0
As equações obtidas foram genéricas para os coeficientes A, B, C, D, E, F e
período de amostragem (macro-cycle).
As figuras abaixo mostram respostas obtidas na saída do bloco e a
comparação com os dados obtidos pelo Matlab (tracejado):
29
Figura 24 – Comparação entre a saída do bloco e dados do Matlab, A=0, B=0, C=0.89, D=1, E=1, F=0.89
Figura 25 – Comparação entre a saída do bloco e dados do Matlab, A=0, B=1, C=-0.89, D=1, E=1, F=0.89
4.2: Bloco Predictor
O bloco Predictor pode ser utilizado para implementar um Preditor de Smith
modificado (inclusão de um filtro no sinal de erro entre o modelo e o processo real)
30
ou um atraso configurável entre o sinal de entrada e de saída do bloco. A figura
abaixo ilustra o esquema do bloco:
Figura 26 – Esquema do bloco Predictor
O bloco possui três entradas e uma saída:
•
In_1 – Entrada do sistema Real com atraso;
•
In_2 – Entrada da Estimativa da Planta sem atraso (saída do bloco TF);
•
Delay_Time – Entrada fornecendo valor do tempo de atraso em segundos,
este tempo não poderá ser superior à 1000 vezes o Tempo de Amostragem
(Pred_Sample_Time). A opção por um link neste parâmetro surgiu para tratar
sistemas com atrasos variáveis, podendo-se ter o atraso em função de outra
variável do processo;
•
Out – Saída configurável do bloco.
A saída do bloco pode ser configurada de três maneiras distintas de acordo com
o parâmetro PRED_SELECTOR:
•
Bypass – A saída terá o mesmo valor que a entrada IN_1;
•
Atrasador – O bloco terá somente a função de atrasar o sinal recebido pela
entrada IN_2;
•
Smith Predictor – O bloco terá a função de um Preditor Smith;
O filtro possui a seguinte configuração:
G (s) =
1
Tfs + 1
31
O coeficiente Tf é configurado pelo usuário através do parâmetro FILTER. O
filtro foi incluído no esquema visando melhorar a resposta do sistema
quando existem erros entre o modelo e o processo real, ou seja, aumentando a
robustez deste[6].
A figura 27 mostra o funcionamento do bloco quando configurado como
atrasador, a entrada é a curva contínua e a saída a curva tracejada. O atraso
utilizado foi de 10 s.
Figura 27 – Entrada e saída do bloco Smith Predictor, quando configurado como atrasador
32
Capítulo 5: Resultados e Discussão
Nesse capítulo serão apresentados e discutidos os resultados obtidos com a
utilização dos blocos desenvolvidos no controle de processos com atrasos de
transporte dominantes. Primeiramente serão mostrados resultados de simulação em
uma rede Fieldbus, e posteriormente os resultados obtidos no controle de dois
processos reais.
5.1: Resultados de Simulação
Inicialmente, para validar o funcionamento dos novos blocos, foram feitas
simulações na rede Fieldbus. A estrutura utilizada no Syscon foi a seguinte:
Figura 28 – Esquema de Simulação
No esquema acima, o sistema com atraso é representado pelo bloco TF e
sua saída passando pelo Delay, que é um bloco Predictor configurado como
atrasador. O modelo preditor é feito pelo bloco TF-PSM. Os parâmetros dos blocos
TF e o atraso foram considerados os mesmos com a seguinte função de
transferência:
G ( s) =
0.89
e −10 S
s + s + 0.89
2
A figura 29 mostra os resultados obtidos.
33
Figura 29 – Resultado da Simulação
As curvas tracejadas representam a ação de controle e as curvas contínuas
as variáveis de processo. A saída sem oscilação foi a que utilizou a estrutura do
preditor de Smith. A saída com oscilação foi obtida com um PID simples, ajustando
um pequeno ganho proporcional e uma grande ação integral.
Outro teste feito consistiu em inserir um erro de 20% entre os tempos de
atraso. Sem o filtro o sistema tornou-se instável. Ajustando o valor do Filtro em 1.3 a
resposta obtida pode ser vista na figura 30.
Figura 30 – Funcionamento com erro de modelagem e ajuste do filtro
34
Mesmo com um erro de modelagem, um correto ajuste do filtro permite o
controle do processo.
5.2: Controle de um Circuito RC
O processo consiste em dois circuitos RC em cascata, conforme pode ser
visto abaixo:
Figura 31 - Esquema do Processo
O circuito representa um sistema de segunda ordem com pólos reais, ou seja
sem sobrepasso. A função de transferência do circuito fica:
Vo( s)
1
=
2
Vi( s) R1C1C 2 R 2s + ( R 2C 2 + R1C1 + R1C 2) s + 1
O objetivo será controlar a tensão de saída nos pólos do capacitor 2 (Vo)
através da tensão de entrada Vi.
O atraso no sistema será inserido utilizando-se o bloco Predictor no modo
Delay.
Será testado o funcionamento do sistema em malha fechada com um
controlador PID com e sem o compensador de atraso. Os resultados serão
confrontados.
No processo atua-se em tensão de 1-5 V e mede-se a tensão nos pólos do
segundo capacitor, também de 1-5 V.
A instrumentação utilizada consistiu dos seguintes dispositivos Fieldbus:
FI302 – Conversor de sinal Fieldbus para 4 – 20 mA
IF302 – Conversor de corrente 4 – 20 mA para sinal Fieldbus
Além disso, utilizou-se também o IS 400P, distribuidor e isolador de sinal, para isolar
e converter o sinal de atuação de 4-20 mA, fornecido pelo FI302, para 1 – 5 V. Outro
35
IS 400P foi utilizado para isolar e converter o sinal de medição de 1 – 5 V para 4-20
mA de modo a ser adquirido pelo IF302.
5.2.1: Modelagem do Processo
Como os valores de R1, C1, R2 e C2 são conhecidos e com valores,
respectivamente, de 3,26 KΩ, 470 µF, 10 KΩ e 1000µF, a função de transferência
fica:
Vo( s )
1
=
2
Vi ( s ) 15,32 s + 14,8s + 1
A Figura abaixo mostra a comparação entre o sinal obtido do processo com
uma entrada do tipo degrau (curva contínua) e uma simulação do modelo no Matlab
(curva tracejada):
Figura 32 – Comparação entre o modelo estimado e o processo real
O atraso inserido no processo foi de 120 segundos.
36
5.2.2: Síntese do Controlador
Deseja-se mostrar que a estratégia com compensação de atraso apresenta
melhores resultados que a simples aplicação de um controle PID.
5.2.2.1: Parâmetros do Controlador
Foi projetado um controlador PI para o controle do modelo nominal do
processo sem o atraso.
Foi utilizado um método analítico para o projeto dos parâmetros do controlador
que levou em consideração os seguintes requisitos: a porcentagem do sobre-sinal e
a constante de tempo da resposta em malha fechada.
Para uma resposta de malha fechada sem sobresinal e uma constante de
tempo em torno de 40 segundos chegou-se, depois de feitos alguns ajustes, a:
Ganho (Kc) = 1.95
Reset (Ti) = 12.4
5.2.3: Implementação da estratégia
A implementação do compensador de atraso foi feito de um modo
diferenciado, permitindo maior controle e visualização das variáveis envolvidas.
Dessa maneira pode ser observada a dinâmica da variável que é compensada.
Será mostrado como seria a configuração clássica do Preditor de Smith.
Os blocos funcionais utilizados foram:
Analog Input – medir a tensão de saída do circuito (Vo);
Analog Output – atuar sobre a tensão de entrada do circuito (Vi);
PID Control – efetuar o controle PID
Transfer Function – representar o modelo do preditor;
Smith Predictor – configurado como atrasador, fornece o atraso para o
modelo do processo e para o processo real;
Flexible Mathematical Block - realiza as operações de soma e subtração de
sinais, previstas no diagrama do Preditor de Smith.
A estratégia construída encontra-se na figura 33.
37
Figura 33 – Implementação do Compensador de Atraso
A figura 34 mostra a configuração clássica do preditor de Smith.
Figura 34 – Compensador de atraso na configuração clássica
5.2.4: Resultados Obtidos
Os resultados mostrados nesta seção foram provenientes da aplicação da
estratégia proposta sobre o processo em questão. Primeiramente aplicou-se um
controle PI simples sem compensar o atraso (Figuras 35 e 36) para depois, com os
mesmos parâmetros do controle, aplicar a estrutura com compensação de atraso
proposta, baseada no Preditor de Smith (Figuras 37 e 38).
38
Figura 35 – Ação de Controle, sem compensação de atraso
Figura 36 – Variável de Processo, sem compensação de atraso
39
Figura 37 – Ação de Controle com compensação de atraso
Figura 38 – Variável de Processo, com compensação de atraso
Nota-se nas Figuras 37 e 38 que a estrutura de controle com compensação
do atraso apresenta uma resposta sem sobre-sinal, enquanto que a outra estrutura
apresenta uma resposta oscilatória, não conseguindo controlar o processo. É
importante salientar que é possível controlar o processo, sem a compensação de
atraso, com o ajuste adequado dos parâmetros do PID. A dinâmica, porém, fica
40
muito lenta e em alguns casos com o tempo de resposta três vezes mais lenta do
que o processo em malha aberta.
Figura 39 – Variáveis compensadas
Na figura 39, podem ser vistas a saída do processo real (curva contínua) e a
saída do modelo preditor (curva tracejada). Essas variáveis é que são
compensadas, quanto menor a diferença entre elas melhor. Nota-se na figura 38,
uma pequena perturbação causada na ação de controle no momento que a saída do
processo começa a reagir e a ser compensada. Um pequeno erro entre o modelo do
preditor e o processo real gera uma parcela que é somada na variável do processo,
gerando a correção por parte do controlador PID.
41
5.3: Controle de Temperatura em uma Planta Didática Smar
O sistema de controle desenvolvido foi aplicado a planta piloto da figura 41
[13].
Figura 40 - Esquema do Processo
No processo, a água que é enviada (através de uma bomba centrífuga) para o
primeiro tanque é aquecida por resistências elétricas e transferida para o segundo
tanque (tanque de mistura). O tanque de mistura recebe também uma vazão de
água fria, mantida por outra bomba centrífuga. Ainda há no processo um conversor
de potência que, de acordo com o sinal de corrente fornecido pelo FI302, modula a
potência enviada as resistências elétricas. As vazões de água fria (Qcold) e de água
quente (Qhot) são mantidas constantes, e deseja-se controlar a temperatura do
tanque de mistura atuando-se na potência das resistências. Através de ensaios
experimentais foi identificado um grande atraso de transporte entre atuação e a
medição do sistema. O atraso ocorre devido à distância percorrida pela água de um
tanque ao outro.
A instrumentação Fieldbus foi a seguinte::
FI302 – Conversor de Corrente Fieldbus para 4 – 20 mA (comanda a corrente
aplicada no conversor de potência)
TT302 – Transmissor de Temperatura (mede a temperatura do tanque de
mistura)
LD302 – Transmissor de Vazão (mede as vazões de água quente e fria)
FY302 – Posicionador da Válvula (atua nas válvulas para controle da vazão
de água quente e de água fria)
42
5.3.1: Modelagem do Processo
A modelagem do processo foi feita em malha aberta utilizando-se o degrau
como sinal excitação. Aplicou-se uma variação no sinal de corrente enviado ao
conversor de potência e mediu-se a resposta da temperatura do tanque de mistura.
As vazões de entrada do tanque de mistura foram mantidas constantes e igual a 200
L/h.
Com a aplicação do degrau e a medição dos sinais de resposta, observou-se
que o processo apresenta um atraso considerável quando o degrau dado é
negativo, ou seja, a corrente e conseqüentemente a potência são reduzidos a um
patamar inferior. Assim, a estrutura de controle proposta tentará resolver o problema
do atraso que ocorre quando a temperatura é diminuída.
O ensaio para modelagem do processo é mostrado a seguir:
Figura 41 – Resposta do Sistema
Diminui-se a corrente de 20 mA para 6 mA. O modelo para essa região é
caracterizado pela seguinte função de transferência:
Gn ( s) =
0.5375 − 240 s
e
200 s + 1
43
5.3.2: Síntese do Controlador
A estrutura de controle será adotada para o controle das variações negativas
na referência da temperatura do tanque de mistura.
Deseja-se demonstrar, como no processo anterior, que a estratégia de
controle proposta apresenta melhores resultados que a simples aplicação de um
controle sem compensar o atraso.
5.3.2.1: Parâmetros do Controlador
Foi projetado um controlador PI para o controle do modelo nominal Gn sem o
atraso. O método para o ajuste dos parâmetros do controlador foi o mesmo utilizado
no caso do circuito RC. Assim, os parâmetros do controlador PI escolhidos foram,
após alguns ajustes:
Ganho (Kc) = 20
Reset (Ti) = 100
5.3.3: Implementação da Estratégia
A implementação da estratégia de compensação de atraso utilizada foi a da
figura 34, apenas modificando-se a medição do sistema que passa a ser
representada pelo Analog Input (AI) do transmissor de temperatura (TT302).
5.3.4: Resultados Obtidos
Os resultados mostrados nesta seção foram provenientes da aplicação da
estratégia proposta sobre a planta didática. Aplicou-se um controle PI com
compensação de atraso. Para se conseguir controlar esse processo utilizando um
controlador PID, o ajuste dos parâmetros tornaria a resposta muito lenta. Utilizando
o compensador chegou-se a uma resposta de malha fechada um pouco mais rápida
do que em malha aberta (figura 42).
44
Figura 42 – Resposta com Compensação de Atraso (variável de processo)
Figura 42 – Resposta com Compensação de Atraso (ação de controle)
Nota-se na figura 42 a ação antecipativa da ação de controle, garantindo o
estabilização do processo na referência desejada.
45
Capítulo 6: Conclusões e Perspectivas
O Projeto de fim de curso mostra-se de grande importância para a formação
do estudante, muitos problemas reais são vistos, levando ao aprimoramento e
solidificação dos conhecimentos adquiridos, durante a graduação.
Os fundamentos obtidos no curso na área de controle (Processos em
Engenharia, Sinais e Sistemas Lineares, Sistemas Realimentados, Sistemas NãoLineares), informática (Engenharia de Software, Informática Industrial I, Informática
Industrial II e Sistemas Distribuídos e Redes de Computadores) e Instrumentação,
que liga quase todas as matérias do curso, foram indispensáveis para o
desenvolvimento do trabalho.
A conclusão principal deste trabalho é de que é possível a implementação de
técnicas de controle com compensação de atraso em uma rede Foundation Fieldbus
utilizando os novos blocos desenvolvidos. Aliando conhecimento a respeito da teoria
de controle, sistemas discretos e de programação foi possível a concepção de
novos blocos que possibilitam essa tarefa.
A estrutura criada com os blocos novos pode ser aplicada a outros processos
com atraso de transporte, pois trata-se de uma estrutura genérica que depende
basicamente dos parâmetros do modelo do processo a ser controlado.
Vale ressaltar que como existe uma grande variedade de blocos funcionais
na tecnologia Foundation Fieldbus (Smar), há a possibilidade da implementação de
outros tipos de técnicas apuradas como, por exemplo, o controle linearizante para
tratar de processos não lineares.
Algumas técnicas avançadas de controle já foram e são implementadas em
processos industriais, porém em níveis superiores, isto é, usando a capacidade de
processamento de microcomputadores na estação de trabalho. Entretanto a
implementação das mesmas técnicas em uma rede Fieldbus (no campo) faz com
que os sistemas de controle fiquem imunes a problemas ocorridos nestas estações.
As perspectivas nesta área apontam para o desenvolvimento de novos blocos
funcionais objetivando facilitar e tornar mais freqüente o emprego de técnicas
46
avançadas de controle utilizando Fieldbus, como, por exemplo, controle preditivo,
controle multivariável, controle Fuzzy, entre outros.
47
Bibliografia
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Engeneering Progress, 1957.
[2] Smar Equipamentos Industriais, “Manual dos Blocos Funcionais”,
Sertãozinho, 2004.
[3] Departamento de Engenharia de Aplicações, “Como Implementar
Projetos com Foundation Fieldbus”, Documento Interno Smar, 2001.
[4] H. Takatsu, T. Itoh, M. Araki. “Future needs for the control theory in
industries”. Journal of Process Control, 1998.
[5] Normey-Rico, J. E. “Controle Preditivo de Processos com Grandes
Atrasos de Transporte”. Universidade Federal de Santa Catarina, 2002.
[6] Normey-Rico, J. E.; Bordons, C.; Camacho, E. “Improving the
Robustness of Dead-Time Compensating PI Controlers”, Control Engineering
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[7]
Ingimundarson,
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of
Dead-Time
Compensating Controllers”, Lund Institute of Technology, 2000.
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[10] Ogata, K., “Discrete Time Control Systems”, Prentice Hall, 1987.
[11] G.F. Franklin, D.J. Powell, and M.L. Workman. “Feedback Control of
Dynamic Systems”. Addison-Wesley, 1997.
[12] Normey-Rico, J. N. “Apostila do Curso de Sistemas Realimentados”,
Disciplina do Curso de Engenharia de Controle e Automação, Universidade Federal
de Santa Catarina, 2004.
[13] Concer, G. M., Corradi, F. “Controle de um Processo com
Compensação de Atraso Utilizando o Nível Fieldbus H1”, Universidade Federal
de Santa Catarina, Documento Interno, 2004.
48