http://dx.doi.org/10.5540/DINCON.2011.001.1.0135
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REDE DE PETRI NO CONTROLE DE NÍVEL DE UMA PLANTA HART
Rafael Martins Preisser Marçal 1, Marlon José do Carmo 2, Ângelo Rocha Oliveira 3
1
[email protected], CEFET-MG Campus III, Leopoldina, Brasil
2
[email protected], CEFET-MG Campus III, Leopoldina, Brasil
3
[email protected], CEFET-MG Campus III, Leopoldina, Brasil
Resumo. Apresenta-se neste trabalho a modelagem a eventos
discretos por rede de Petri aplicada a uma planta SMAR
com protocolo Hart. Para analisar que tal modelagem é
factível será aplicada no controle ON-OFF de uma malha de
nível.
Palavras-chave: Aplicações de Engenharia, Controle de
nível, Redes de Petri.
1.
INTRODUÇÃO
A tecnologia tem produzido em escala cada vez mais
crescente sistemas capazes de executarem tarefas de forma
repetitiva, quase sem a intervenção humana, sistemas estes
denominados de autômatos. A questão do custo e da
produtividade levam a um aumento significativo de insumos
e pesquisas relacionados à otimização e automação [1].
Contudo, apesar das especificidades de qualquer
sistema automatizado, estes possuem eventos iniciais e
finais, sendo respectivamente identificados por um sensor e
um atuador, por exemplo. Se as mudanças nesses
dispositivos ocorrem de forma instantânea, têm-se sistemas
a eventos discretos [2].
Os sistemas a eventos discretos são passíveis de
modelagem tal como correm em sistemas dinâmicos
contínuos. Notadamente em produção computacional
utiliza-se a modelagem por equação a diferenças. Contudo,
surgiram linguagens e formalismos matemáticos que
permitiram a modelar sistemas a eventos discretos de forma
mais inteligível e amigável, sendo exemplo as Redes de
Petri [3]. As Redes de Petri, embora permitam abordagem
simplesmente combinacional, a mesma tem maior ênfase na
abordagem sequencial.
Na prática esse tipo de processo sequencial e a
modelagem em rede de Petri para controle de nível ON-OFF
[4] é muito aplicada em processos de produção por batelada
[5]. Nesse tipo de processo, o produto é produzido em
etapas, ou seja, em uma fábrica com o produto fluídico e
vários tanques, os lotes de volumes determinados do produto
vão caminhando de tanque em tanque e sendo processado –
misturado, aquecido, etc. A estruturação previa da lógica de
sequenciamento usando a rede de Petri é importante para
evitar surpresas e conflitos em momentos inesperados.
No controle binário de nível em um tanque, a banda de
operação, entre as ações liga e desliga é intencionalmente
feita grande de modo a minimizar a frequência de operação
do equipamento, podendo ser esse um motor, uma bomba ou
uma válvula. À medida que se necessita reduzir esse range
entre o nível máximo e mínimo, surge então a necessidade
do controle proporcional, que tem a capacidade de encontrar
uma vazão constante intermediária que consiga manter o
nível estabilizado no valor ajustado pelo operador.
O CEFET-MG campus III possui uma planta com
controle de várias variáveis, dentre elas, nível. As
instituições de ensino que utilizam plantas industriais têm
dado enfoque no ensino de controle, sobretudo no projeto de
controladores e a modelagem a eventos discretos é
fomentado de forma bastante teórica. Portanto, surgiu a
necessidade de que aplicasse de forma mais prática o
formalismo da rede de Petri em uma planta SMAR que
opera com protocolo Hart, utilizando um controle simples
ON-OFF.
O Trabalho está dividido da seguinte forma: Na seção
dois discute-se a metodologia empregada; na seção três
apresentam-se os resultados e na seção quatro conclui-se
este trabalho.
2.
METODOLOGIA
A modelagem a eventos discretos será aplicada em
uma planta SMAR com protocolo Hart, conforme Fig.1.
Fig. 1. Planta didática SMAR
O protocolo HART (Highway Adressable Remote
Transducer) é um protocolo de comunicação desenvolvido
pela Fisher Rosemount na década de 80 para facilitar a
comunicação com instrumentos de campo inteligentes [6].
Há muitos anos, o padrão de comunicação utilizado
pelos instrumentos de campo tem sido o sinal analógico de
corrente. Na maioria das aplicações, o sinal de corrente varia
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REDE DE PETRI NO CONTROLE DE NÍVEL DE UMA PLANTA HART
Rafael Martins Preisser Marçal , Marlon José do Carmo, Ângelo Rocha Oliveira
entre 4 a 20mA, sendo proporcional à variável de processo
que está sendo representada.
Com a disseminação de instrumentos inteligentes
(microprocessados) veio a necessidade de parametrizações e
a disponibilidade de informações adicionais. Para tal função
utiliza-se o protocolo de comunicação HART que permite
que a informação principal seja transmitida pelo sinal de 420mA e parâmetros de configuração e diagnóstico ou
informações adicionais sejam transmitidos digitalmente.
Para a planta acima será utilizado o controle ligadesliga de nível de água em um tanque. Se o nível está
baixo, o controlador abre totalmente a válvula de entrada; se
o nível está alto, o controlador fecha totalmente. Não há
vazão intermediária, sendo o seu valor 0 ou 100%.
O processo consiste basicamente de dois tanques,
sendo um de reservatório e um tanque de aquecimento (onde
o nível será controlado); uma bomba de partida direta
BBA01; três válvulas ON-OF V-1, V-4 e V-8 e um
transmissor de nível LT01. Os demais instrumentos
presentes no fluxograma, apresentado na Fig. 2, não serão
utilizados nesse processo e as demais válvulas estarão
fechadas, como condição inicial.
A descrição desse processo consiste basicamente em
ligar a bomba de água sempre que o tanque de aquecimento
estiver acusando nível baixo, e desligar sempre que o tanque
chegar a um nível alto. Para que essas ações ocorram de
maneira desejada, é necessário antes de ligar a bomba para
encher o tanque verificar se há água no tanque de
reservatório e também garantir que as válvulas 1 e 4 estejam
abertas e a V-8 fechada.
Pode se perceber na Fig. 2, destacado de vermelho o
caminho de entrada da água no tanque de aquecimento e na
cor azul, o caminho de saída da água.
Para finalizar a descrição do processo, como o medidor
de nível é um instrumento de leitura analógica, para
implementação de um sistema discreto foi necessário usar
uma lógica de comparação para transformar esse valor
continuo em dois valores discreto, ou seja, uma variável
representando o nível máximo e outra representando o nível
mínimo no tanque de aquecimento.
Como o transmissor de nível usa a tecnologia de
transmissão de sinal em uma escala de 4 a 20 mA / HART,
sendo que essa faixa de valores é vista como uma faixa de
números inteiros dentro do Software que varia de 0 a
10.000, para ajustar a variável discreta de valor mínimo
usou se a função matemática que comparasse se o valor
vindo do sensor era menor do que o valor 50, estipulado
anteriormente como nível baixo (Fig. 3).
Em caso afirmativo, será automaticamente ativada a
variável discreta de nível mínimo. Em caso contrario, ou
seja, nível alto será comparado se o valor de leitura do
sensor é maior do que o valor 9950, ativando a variável de
nível Máximo (Fig. 4).
O sistema foi então implementado em um controlador
CLP da Smar CONF700 e para isso usou se a linguagem
Ladder, em acordo com a norma IEC 61131-3 [7]. Antes
disso, foi então desenvolvida uma rede de Petri para
estruturar a programação e verificar a existência de
inconsistências. Para desenvolvimento da rede de Petri, foi
utilizado o Visual Object Net [8].
Fig. 3 Bloco Funcional de comparação se <=
Fig. 4 Bloco Funcional de comparação se >=
2.2 A rede de Petri
Fig. 2. Parte do Fluxograma da Planta Didática
2.1 Tecnologia envolvida no processo
O estado do sistema é dado pela repartição de token
nos lugares da rede de Petri, cada lugar representando um
estado parcial do sistema. A cada evento que ocorre no
sistema, é associada uma transição no modelo de rede de
Petri. A ocorrência de um evento no sistema é representada,
no modelo, pelo disparo da transição ao qual este está
associado.
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Os elementos básicos que permitem a definição de uma
RP são os seguintes:
- Posição (representado por um circulo): pode ser
interpretado condição, um estado parcial, uma espera, um
conjunto de recursos, etc. No processo de controle ON-OFF
desenvolvido, representamos por um lugar bomba, válvulas
e o estado dos tanques.
- Transição (representada por um retângulo): é
associada a um evento que ocorre no sistema, como o evento
ligar, desligar, nível alto e baixo no tanque de aquecimento e
o nível alto no tanque de reservatório.
- Token (representada por um ponto em uma posição):
É um indicador indicando que a condição associada ao lugar
é verificada. Quando está passa pelos lugares, indica bomba
ligada, válvula aberta e tanques cheios.
Para utilização das variáveis indicadoras de nível nas
transições será necessário o uso do arco inibidor, sendo que
a rede só pode seguir quando tiver uma ficha no estado que
representa essas variáveis.
Segue a especificação formal em CCS [3] do processo
representado na rede de Petri apresentada na Fig. 5:
PROCESSO = LIGA. COMPLEMENTAR.
REDELIGADA. (( LIL. TANQVAZIO. LHS.
TANQRESCHEIO. V1. V4. BBA01. LIH. V8. LIL) +
DESLIGA). PROCESSO
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
No Final deste trabalho, será apresentada a rede de
petri. Para inicializar a rede, é necessário previamente
conferir se existe um Token no lugar nomeado de
complementar. Estando essa condição satisfeita, para iniciar
o ciclo é necessário colocar uma ficha no local LIGA. A
transição t7 será então satisfeita e a fica vai passar para o
local REDE LIGADA. Quando a ficha estiver nesse lugar,
ela então irá seguir para o processo se o arco inibidor LIL
(nível baixo no tanque aquecimento) estiver com um Token.
Caso tenha algum Token no lugar DESLIGA, ai então a
ficha q está em REDE LIGADA irá voltar para o lugar
COMPLEMENTAR e a partir desse momento o sistema
estará pronto para partir novamente, caso tenha outra ficha
no lugar “LIGA”. Voltando a situação que o Token seguiu
para o processo após satisfazer a transição t1, o Token vai
para o local TANQUE VAZIO e a transição t2 será
habilitada quando estiver uma ficha no local LHS (nível alto
no tanque de reservatório), passando a ficha para o lugar
TANQUE RESERVATORIO CHEIO. Nesse momento será
habilitada a transição t3 e habilitara ao mesmo tempo a
posição V-1, V-4 e a BBA01, até que o tanque se encha, ou
seja, ate ativar o lugar LIH. A partir desse momento, a
bomba será desligada com a passagem do Token e a válvula
8 será aberta, representado pelo lugar V-8, e ficara assim ate
que o tanque esvazie e ative o lugar LIL. Então, a ficha
voltará para o lugar REDE LIGADA e o processo será
reiniciado ou então desligado.
3.1 Especificação em CCS
Fig.5 . Modelagem por Rede de Petri
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REDE DE PETRI NO CONTROLE DE NÍVEL DE UMA PLANTA HART
Rafael Martins Preisser Marçal , Marlon José do Carmo, Ângelo Rocha Oliveira
4. CONCLUSÕES
Foi apresentada neste trabalho uma aplicação da
modelagem de sistemas a eventos discretos por Rede de
Petri. Para demonstrar a aplicação utilizou-se uma planta
didática SMAR com protocolo Hart, mostrando que é
factível o ensino de modelagem a eventos discretos de forma
mais prática e aplicada.
AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer o CEFET-MG pelo
apoio na execução deste trabalho.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Ribeiro, Marco Antonio. Aplicações de Automações.
Editora Tek, 2005.
[2] Costa, E. M. M. Introdução aos Sistemas a Eventos
Discretos e à Teoria de Controle Supervisório. Editora alta
Books, 2005.
[3] Plínio. C. Engenharia de Automação Industrial. Editora,
LTC, 2001.
[4] Ogata, K. Engenharia de controle moderno. Editora
Prentice Hall, 2001.
[5] Ramos, A. W. CEP para processos contínuos e em
batelada. Editora Edgard Blücher, 2000.
[6] Verha, A. P, L. Foundation Fieldbus. ISA books, 2000.
[7] Filho, J. A. B. Benefícios da norma IEC61131-3 aplicada
a CLP’s. Intech - ISA, 2000.
[8] Jr, Alberto D. Aprendendo Visual Objects. Editora Érica,
1998.