CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE PELOTAS
GERÊNCIA DE ENSINO SUPERIOR
CURSO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
FABRÍCIO PADILHA BARCELLOS
Sistema Didático para Controle de Nível e Temperatura
Monografia submetida à avaliação, como
requisito parcial para a conclusão da
disciplina de Projeto de Graduação
Prof. Msc. Jair Jonko Araujo
Orientador
Pelotas, outubro de 2005.
AGRADECIMENTOS
Eu agradeço às seguintes pessoas que tornaram possível a
realização deste trabalho:
À minha esposa Cristiane Mackedanz Lapschis Barcellos.
Aos professores Jair Jonko Araujo, Mauro André Barbosa Cunha,
Paulo Renato Avendano Motta, André Arthur Perlemberg Lerm, Lúcio Almeida
Hecktheuer e Gladimir Pinto da Silva.
Aos colegas Daltro Ben Hur Ramos de Carvalho Filho e Marcos
Geovane Quevedo Rijo.
Ao gerente Sérgio Luís Baruffi, ao supervisor de manutenção elétrica
Roberto Tavares Moutinho e ao instrumentista Fábio Pedroso Chim da
empresa Bunge Alimentos S.A..
Ao Sr. Edys Teixeira Padilha e Sra. Wilma Arnold Padilha que
fizeram o possível para que eu pudesse concluir os cursos técnico e
tecnológico.
SUMÁRIO
LISTA DE ABREVIATURAS OU SIGLAS ........................................................... 4
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................ 6
LISTA DE TABELAS ........................................................................................... 8
RESUMO.............................................................................................................. 9
ABSTRACT........................................................................................................ 10
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................ 11
1.1 Contextualização do Trabalho .................................................................. 11
1.2 Objetivos do Trabalho................................................................................ 13
1.3 Organização do Texto ................................................................................ 14
2 PRINCIPAIS ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE AUTOMAÇÃO
INDUSTRIAL...................................................................................................... 15
2.1 Atuadores e Sensores................................................................................ 15
2.2 Controladores Programáveis .................................................................... 16
2.3 Sistemas Supervisórios............................................................................. 19
3 LIGAÇÕES E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS.............................................. 20
4 PROGRAMAÇÃO DO CONTROLADOR........................................................ 25
4.1 Características do Controlador Compact Logix 5320 ............................. 25
4.2 Configuração do Controlador ................................................................... 29
4.3 Programação do Controlador.................................................................... 36
5 ATUADORES E SENSORES UTILIZADOS ................................................... 42
5.1 Acionamento da Bomba ............................................................................ 42
5.2 Acionamento da Resistência..................................................................... 44
5.3 Sensor de Temperatura ............................................................................. 48
5.4 Sensor de Nível .......................................................................................... 50
6 AQUISIÇÃO DE DADOS ................................................................................ 52
7 SINTONIA DOS CONTROLADORES ............................................................ 55
7.1 Sistemas de Controle................................................................................. 55
7.2 Sistema de Controle de Nível .................................................................... 64
7.3 Sistema de Controle de Temperatura ....................................................... 70
8 CONCLUSÕES ............................................................................................... 76
REFERÊNCIAS.................................................................................................. 78
ANEXO A – LED’S DE SINALIZAÇÃO DA CPU .............................................. 80
ANEXO B – TAGS DO CONTROLADOR.......................................................... 81
ANEXO C – DIAGRAMA LADDER ................................................................... 83
ANEXO D – PROGRAMAÇÃO DO SUPERVISÓRIO ....................................... 84
LISTA DE ABREVIATURAS OU SIGLAS
AD
Analógico / Digital;
ASCII
American Standard Code for Information Interchange;
BAT
Battery;
BIOS
Basic Input Output Systems;
CI
Circuito Integrado;
CLP
Controlador Lógico Programável;
CPU
Central Processing Unit;
DA
Digital / Analógico;
DDE
Microsoft’s Dynamic Data Exchange;
DH
Data Highway link;
DIN
Deutsches Institut für Normung;
EEPROM
Electrical Erasable Programmable Read Only Memory;
EPROM
Electrically Programmable Read Only Memory;
I/O
Input / Output;
LED
Light Emitting Diode;
OLE
Object Link Embedding;
OPC
OLE for Process Control;
PC
Personal Computer;
PI
Proporcional Integral;
PID
Proporcional Integral Derivativo;
PLC
Programmable Logical Controller;
PROG
Programmer;
RAM
Random Access Memory;
REM
Remote;
ROM
Read Only Memory;
RUN
Running;
SCADA
Supervisory Control & Data Acquisition Systems;
SCR
Silicon Controlled Rectifier;
TCP/IP
Transmission Control Protocol / Internet Protocol;
TRIAC
Triode Alternating Current.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1: Diagrama conceitual básico de um sistema de controle ................ 12
Figura 1.2: Hierarquia básica de um sistema de automação industrial ............ 12
Figura 3.1: Fotos da ligação dos equipamentos............................................... 23
Figura 3.2: Esquema de ligação dos equipamentos......................................... 24
Figura 4.1: CPU do controlador programável ................................................... 25
Figura 4.2: Conectores de ligação da fonte e módulos de entrada e saída ..... 27
Figura 4.3: Ligação do módulo digital............................................................... 28
Figura 4.4: Tipos de ligação do módulo analógico ........................................... 29
Figura 4.5: Criação do projeto e definição do controlador ................................ 29
Figura 4.6: Definição dos módulos de entrada e saída .................................... 30
Figura 4.7: Seleção do módulo digital .............................................................. 31
Figura 4.8: Configuração do módulo digital ...................................................... 31
Figura 4.9: Seleção do módulo analógico ........................................................ 32
Figura 4.10: Configuração do módulo analógico .............................................. 32
Figura 4.11: Tags relacionadas ao módulo digital ............................................ 33
Figura 4.12: Ajuste de caminho pelo RSLinx.................................................... 34
Figura 4.13: Envio do programa ao controlador ............................................... 34
Figura 4.14: Data Types “Predefinido” e “Definido pelo Módulo”...................... 36
Figura 4.15: Habilitação da “Máscara de Força” .............................................. 37
Figura 4.16: Bloco PID no diagrama ladder ..................................................... 38
Figura 4.17: Habilitação dos atuadores e sensores ......................................... 38
Figura 4.18: Ajustes do bloco PID .................................................................... 39
Figura 4.19: Configuração do bloco PID .......................................................... 40
Figura 4.20: Alarmes do bloco PID................................................................... 40
Figura 4.21: Conversão de escala do bloco PID .............................................. 41
Figura 4.22: Tag do bloco PID.......................................................................... 41
Figura 5.1: Bomba centrífuga ........................................................................... 42
Figura 5.2: Amplificador de acionamento da bomba ........................................ 43
Figura 5.3: Variação da tensão do amplificador de acionamento da bomba.... 43
Figura 5.4: Esquema de ligação do amplificador.............................................. 44
Figura 5.5: Relação entre a tensão de controle e a potência aplicada às
resistências ............................................................................................... 45
Figura 5.6: Esquemático da placa .................................................................... 47
Figura 5.7: Curva de resistência versus temperatura do PT-100 ..................... 48
Figura 5.8: Esquema de ligação do PT-100 com o transmissor de temperatura
.................................................................................................................. 49
Figura 5.9: Sensor ultrassônico........................................................................ 50
Figura 5.10: Relação de calibração do sensor ultrassônico ............................. 51
Figura 6.1: Tela geral do programa de aquisição de dados ............................. 52
Figura 6.2: Arquivo gerado pelo programa de aquisição.................................. 53
Figura 6.3: Tabela de dados no Microsoft Access............................................ 53
Figura 7.1: Critério de Smith para identificação de sistemas de primeira ordem
.................................................................................................................. 57
Figura 7.2: Resposta ao degrau unitário para sistemas de primeira ordem ..... 58
Figura 7.3: Parâmetros de resposta transitória ................................................ 59
Figura 7.4: Aplicação de 8,4V .......................................................................... 66
Figura 7.5: Aplicação de 10,8V ........................................................................ 67
Figura 7.6: Aplicação de 13,2V ........................................................................ 67
Figura 7.7: Nível em malha fechada com ganhos calculados .......................... 69
Figura 7.8: Nível em malha fechada com ganhos arbitrados ........................... 70
Figura 7.9: Aplicação de 30W .......................................................................... 72
Figura 7.10: Aplicação de 60W ........................................................................ 73
Figura 7.11: Aplicação de 200W ...................................................................... 73
Figura 7.12: Nível malha fechada com ganhos calculados .............................. 75
Figura D.1: Ferramentas de configuração do sistema e das telas ................... 84
Figura D.2: Caminho de comunicação com o controlador (não compatível) .... 85
Figura D.3: Criação de uma tag ....................................................................... 86
Figura D.4: Exemplo de uma biblioteca de imagens disponíveis ..................... 87
Figura D.5: Ferramentas de alarmes, lógica e controle.................................... 88
Figura D.6: Configuração do plano de fundo.................................................... 90
Figura D.7: Configuração de um gráfico........................................................... 91
Figura D.8: Configuração de ação a um botão de comando ............................ 92
Figura D.9: Tela Geral ...................................................................................... 93
Figura D.10: Tela Nível 1min............................................................................ 93
Figura D.11: Tela Nível 10min.......................................................................... 94
Figura D.12: Tela Temperatura 10min ............................................................. 94
Figura D.13: Tela Temperatura 1h ................................................................... 95
Figura D.14: Tela Ajustes e Ganhos ................................................................ 95
LISTA DE TABELAS
Tabela 5.1: Dados do sensor ultrassônico ....................................................... 51
Tabela A.1: LED’s de sinalização da CPU ....................................................... 80
Tabela B.2: Tags do Controlador ..................................................................... 81
Sistema Didático para Controle de Nível e Temperatura
RESUMO
Este trabalho implementa um sistema para o controle de nível e
temperatura em uma bancada didática utilizando um controlador programável
com módulos analógicos e digitais de entrada e saída. Para a medição de nível
e temperatura são usados um sensor ultrassônico e um transmissor de
temperatura. Para o controle do nível é usada uma bomba centrífuga com
tensão de alimentação de 24Vcc e para o controle da temperatura uma
resistência
que
dissipa
1000W
em
230V,
ambos
alimentados
por
amplificadores que recebem o sinal de controle do controlador programável
entre 0 e 10Vcc. Serão implementados dois controladores PI para o controle de
nível e de temperatura e serão apresentadas as curvas geradas pelas
aquisições de dados em malha aberta e os resultados em malha fechada.
Palavras-chave: controle de nível, controle de temperatura, controlador
programável e automação.
Didactic System to Control of Level and Temperature
ABSTRACT
This work implements a system for the level and temperature control
in a didactic system using a programmable controller with analogical and digital
modules of input and output. For the measurement of level and temperature an
ultrasonic sensor and a transmitter of temperature are used. In order to control
the level a centrifugal pump with 24Vcc voltage is used and for the temperature
control is used a resistance of 1000W/230V, both supplied by transducers that
receive a control signal from programmable controller between 0 and 10Vcc.
Two controllers PI for the temperature and level control and the curves
generated for the acquisitions of data in open mesh and the results in closed
mesh will be presented.
Word-keys:
automation.
level control, tempetature control, programmable controller and
1 INTRODUÇÃO
Neste capítulo será apresentada a contextualização do trabalho, os
seus objetivos e a organização do texto.
1.1 Contextualização do Trabalho
A automação está relacionada a equipamentos que controlam
processos ou plantas. Segundo MIYAGI (1996), controle é a aplicação de uma
ação pré-planejada para que aquilo que se considera como objeto de controle
atinja certo objetivo.
Genericamente os sistemas de controle são classificados em dois
tipos: os sistemas de variáveis contínuas onde o objetivo é igualar o valor de
uma variável física, denominada variável de controle, a um valor de referência
e os sistemas de eventos discretos nos quais a execução de operações ocorre
conforme procedimentos pré-estabelecidos.
No primeiro caso o dispositivo de realização do controle é
denominado controlador e é responsável por executar um algoritmo de controle
para ajustar o sinal recebido do processo a um valor de referência, enquanto
no segundo caso tem-se um processador de comando que avalia o estado
atual do processo e determina a próxima tarefa a ser executada. A Figura 1.1
(MIYAGI, 1996) representa os componentes envolvidos na implementação de
um sistema de controle, os quais serão detalhados no capítulo 2.
Como pode ser observado, o sistema interage de um lado com o
processo e de outro com os usuários. A interação com o processo é realizada
através dos sensores (responsáveis por capturar informações sobre as
variáveis de interesse) e atuadores (responsáveis pela aplicação da energia no
12
processo), enquanto a interação com o usuário tem por objetivo permitir o
ajuste de variáveis e a monitoração do processo.
Figura 1.1: Diagrama conceitual básico de um sistema de controle
Conforme pode ser observado na Figura 1.2 este conceito se
multiplica em diversos níveis hierárquicos. Em tal figura o controle local está
sendo realizado por controladores programáveis (PLC – Programmable Logical
Controller). Um (CLP – Controlador Lógico Programável) pode realizar vários
loops de controle representados na figura anterior e na implementação de um
processo industrial podem ser necessários vários CLP’s.
Figura 1.2: Hierarquia básica de um sistema de automação industrial
Atualmente os dispositivos envolvidos na tarefa de controle
(sensores, atuadores, CLP’s, etc.) possuem recursos de comunicação os quais
13
permitem a troca de dados e o gerenciamento de informações integradas
desde o chão de fábrica até a gerência.
A implementação (instalação, configuração e programação) de um
sistema de automação é uma atividade complexa, oferecendo muitas opções
diferentes e exigindo a convergência de conhecimento de diversas áreas
(instrumentação, controle, eletro-eletrônica, informática industrial etc.).
A utilização de equipamentos didáticos os quais possibilitem que o
aluno
realize
experimentos
com
rapidez,
analisando
os
diferentes
comportamentos de um sistema de controle e automação, permitirá uma
resposta mais eficiente em situações práticas.
1.2 Objetivos do Trabalho
Este trabalho tem por objetivo implementar uma arquitetura para
ensaios de controle de nível e temperatura utilizando-se como dispositivo de
controle um controlador programável.
Serão estudas as principais características de funcionamento dos
diversos componentes utilizados na implementação do sistema. Serão
abordados:
− a ligação e a programação do controlador programável CompactLogix
5320 (ROCKWELL, 2003a);
− a seleção e a ligação dos sensores e atuadores com os respectivos
transdutores, quando houver;
− a determinação das funções de transferência dos sistemas de controle
de nível e de temperatura e o calculo dos ganhos dos controladores para
sintonia dos controladores;
− a aquisição de dados para levantamento das funções de transferência e
sintonia dos controladores.
Inicialmente o trabalho previa a comunicação com o controlador
utilizando-se um programa de supervisão, o qual permitiria a interação do
usuário com o sistema de uma forma mais simples. Para isto foi desenvolvido o
projeto e a implementação de um programa de supervisão utilizando a
ferramenta de desenvolvimento RSView 32 (ROCKWELL, 2003a).
14
Entretanto, não foi possível a realização dos testes com o programa
de supervisão, pois a versão de demonstração não comunica com o
controlador programável, permitindo apenas o desenvolvimento das telas,
declaração das tags, dos alarmes e usuários. Este desenvolvimento encontrase no Anexo D, visando servir de suporte para trabalhos futuros.
1.3 Organização do Texto
Na parte inicial do trabalho serão apresentadas as definições de
como é organizado um sistema de automação industrial e seus principais
componentes.
Após esta introdução, será explicado o funcionamento do controlador
programável, as funcionalidades do programa de aplicação e o seu
desenvolvimento.
A seguir, será descrito o funcionamento e as características dos
atuadores
e
dos
sensores
da planta utilizada neste projeto.
Serão
apresentadas curvas de resposta obtidas experimentalmente.
A sintonia dos controladores será composta pelo referencial teórico e
pelos métodos de determinação das funções de transferência e dos ganhos
dos controladores. Logo após será analisado o comportamento do sistema.
Nesta etapa serão realizas várias aquisições de dados
A ferramenta de desenvolvimento do programa de supervisão e o
programa de supervisão proposto encontram-se no capítulo de anexos, tendo
em vista a impossibilidade de realização de testes devido a limitações na
comunicação entre o supervisório e o controlador programável.
15
2 PRINCIPAIS ELEMENTOS DE
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
UM
SISTEMA DE
A maioria dos sistemas de automação industrial são compostos por
controladores programáveis que lêem os sinais dos sensores e controlam o
funcionamento dos atuadores.
Para a interface com o usuário geralmente são usados os sistemas
de supervisão (SCADA: Supervisory Control & Data Acquisition Systems) os
quais são compostos por telas que possibilitam ao operador interagir com o
sistema, ligando e desligando equipamentos e ajustando o seu funcionamento.
Este capítulo tem por objetivo fornecer uma visão geral sobre os
diferentes componentes envolvidos na implementação de um sistema de
automação industrial.
2.1 Atuadores e Sensores
Os atuadores ou dispositivos de saída são elementos de campo
usados para executar as instruções de controle. São dispositivos a serem
acionados para executarem uma determinada ação, definida pelo sistema de
controle.
No caso específico deste trabalho, a tarefa de controle será realizada
por um controlador lógico programável, assim a tensão de saída e as
características de corrente do controlador programável são os únicos fatores de
limitação para aplicação com dispositivos de saída.
Os transdutores são dispositivos que transmitem sinais sob uma
forma de energia de um sistema para outro sistema. Um transdutor PT-100, por
exemplo, converte a alteração da resistência do sensor de acordo com a
temperatura para um sinal elétrico padronizado.
Os sensores são elementos de campo que agem como coletores de
dados do controlador programável. São definidos como dispositivos sensíveis a
fenômenos físicos, tais como: temperatura, umidade, luz, pressão, etc. Por
meio desta sensibilidade os sensores enviam um sinal, geralmente de natureza
elétrica, para os dispositivos de controle.
16
Um sensor contém um ou mais transdutores transmitindo sinais
analógicos (exemplos: transmissor de temperatura ou sensor ultrassônico) ou
sinais digitais (exemplos: sensor indutivo, sensor capacitivo ou chave fim-decurso).
2.2 Controladores Programáveis
O controlador programável pode ser definido como um dispositivo
para controle de sistemas automatizados, o qual é capaz de armazenar
instruções para implementação de funções de controle, além de realizar
operações lógicas e aritméticas, manipulação de dados e comunicação em
rede (GEORGINI, 2003).
Os principais blocos que compõem um controlador programável são
a CPU, os módulos de entrada e saída, a fonte de alimentação e a base.
A CPU compreende o processador, o sistema de memória e os
circuitos auxiliares de controle. O processador interage continuamente com o
sistema de memória por meio do programa de execução (desenvolvido pelo
fabricante), interpreta e executa o programa de aplicação (desenvolvido pelo
usuário), e gerencia todo o sistema. Os circuitos auxiliares de controle atuam
sobre os barramentos de dados (data bus), de endereços (address bus) e de
controle (control bus), conforme solicitado pelo processador.
O processador é responsável pelo gerenciamento total do sistema,
controlando os barramentos de endereço, de dados e de controle. Conforme
determinado pelo programa de execução, interpreta e executa as instruções do
programa de aplicação, controla a comunicação com os dispositivos externos e
verifica a integridade de todo o sistema (diagnósticos). Pode operar com
registros e palavras de instrução, ou de dados, de diferentes tamanhos (8, 16
ou 32 bits), determinado pelo tamanho de seu acumulador e pela lista de
instruções disponíveis para cada CPU.
O sistema de memória da CPU 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).
17
O
programa
de
execução
(firmware)
constitui
o
programa
desenvolvido pelo fabricante do controlador programável, o qual determina
como o sistema deve operar, incluindo a execução do programa de aplicação,
controle de serviços periféricos, atualização dos módulos de entrada e saída,
etc. Ele é responsável pela ‘tradução’ do programa de aplicação desenvolvido
pelo usuário – em linguagem de alto nível, para instruções que o processador
da CPU possa executar – em linguagem de máquina. É armazenado em
memória não volátil – tipo ROM, normalmente EPROM. Se a instalação ou a
atualização do programa de execução for interrompida, o controlador deve ser
enviado para o setor de manutenção do fabricante, pois o programa de
execução (firmware) do controlador programável é semelhante a BIOS do
computador, acontecendo algum problema de instalação (queda de energia,
problemas no sistema operacional ou no computador) a CPU do controlador
programável torna-se inoperante.
No programa de aplicação é armazenado o programa desenvolvido
pelo usuário para execução do controle desejado. Trata-se normalmente de
memória EEPROM, podendo ser também EPROM, ou ainda RAM com bateria
de segurança.
Na tabela de dados são armazenados os dados que são utilizados
pelo programa de aplicação, como valores atuais e de preset (pré-configurado),
de temporizadores/contadores e variáveis do programa, além dos status dos
pontos de entrada e saída. Essa memória é do tipo RAM, sendo geralmente
alimentada com bateria de lítio (memória retentiva).
No ciclo de execução (scan), o controlador programável realiza a
atualização das entradas, o processamento das instruções do programa e a
atualização das saídas. O tempo deste ciclo depende da complexidade da
lógica de controle, do número de entradas e saídas e da velocidade de
processamento da CPU. São comuns valores entre 50 e 100ms.
Os módulos de entrada e saída fazem a comunicação entre a CPU e
o meio externo, sendo dotados de isolação óptica para a proteção da CPU,
indicadores de status para auxílio durante a manutenção e conectores
removíveis.
18
Os módulos de entrada recebem os sinais dos dispositivos de
entrada (sensores) e os convertem em níveis adequados para serem
processados pela CPU. Enquanto que os módulos de saída enviam sinais para
os atuadores, esses sinais podem ser resultantes da lógica de controle, pela
execução do programa de aplicação, ou podem ser forçados pelo usuário
independente da lógica de controle.
Os módulos digitais são utilizados em sistemas seqüenciais,
correspondem a um bit de um determinado endereço da tabela de dados, os
sinais de entrada assumem dois valores fixos de tensão (0 ou 10Vcc, 0 ou
24Vcc, etc.), e as saídas estão fechadas ou abertas, ligando ou desligando o
acionamento do atuador.
Os módulos analógicos de entrada convertem sinais analógicos,
provenientes dos dispositivos de entrada, em sinais digitais por meio do
conversor analógico-digital (conversor AD), disponibilizando-os ao barramento
da CPU. Os módulos analógicos de saída convertem os sinais digitais,
disponíveis no barramento da CPU, em sinais analógicos por meio do
conversor digital-analógico (conversor DA), enviando-os aos dispositivos de
saída (driver, amplificador).
Cada entrada ou saída analógica é denominada de canal em vez de
ponto, como nos módulos digitais. O valor convertido referente a cada canal
analógico de entrada, ou valor a ser convertido e enviado para cada canal
analógico de saída, é armazenado em um endereço específico na tabela de
dados, determinado pelo programa de aplicação, e a quantidade de bits
relativos a cada canal depende da resolução dos conversores AD e DA.
A fonte de alimentação fornece todos os níveis de tensão para
alimentação da CPU e dos módulos de entrada e saída, funcionando como um
dispositivo de proteção, gerando uma interrupção e fazendo com que a CPU
pare a execução do programa de aplicação se os níveis de tensão excederem
os valores nominais.
A base, além da sustentação mecânica, contém o barramento que
possibilita a conexão elétrica entre módulos, no qual estão presentes os sinais
de dados, endereço e controle.
19
Geralmente a comunicação do controlador com o computador,
necessária para a programação, configuração e supervisão é realizada pela
porta serial nos padrões RS-232, 422 ou 485, entretanto os equipamentos
atuais cada vez mais oferecem outros padrões de comunicação, tais como os
diferentes barramentos padronizados pela norma IEC 61158, além do TCP/IP.
O protocolo de comunicação determina a forma de transmissão dos
dados, definido por cada fabricante e a taxa de transmissão determina a
velocidade, expressa em bits por segundo da transmissão de dados. O
protocolo TCP/IP é utilizado para ligar os controladores entre si em distâncias
maiores e para ligá-los aos PC’s do sistema supervisório.
2.3 Sistemas Supervisórios
Quando se trabalha com sistemas automatizados complexos, surge
a necessidade de se criar uma interface que facilite o trabalho de operação.
Esta necessidade motiva a utilização de sistemas supervisórios, os quais
podem ser vistos como sistemas que supervisionam e monitoram processos
executados em uma planta de manufatura ou processo, através da visualização
das variáveis da planta bem como das ações tomadas pelo operador e pelo
sistema de automação.
O sistema supervisório (MORAES E CASTRUCCI, 1996) recebe
sinais de entrada vindos de dispositivos de realização de controle do campo
(controlador programável, drivers para comando de motores, etc.) e pode
enviar sinais para o mesmo para atuar nos equipamentos instalados na planta.
Esta comunicação é feita por meio de tags, ou seja, mensagens digitais que
levam
consigo informações
como o endereço dentro do controlador
programável, para o caso de retorno da informação e o tipo de tag (analógico,
digital ou string).
As tags podem ser do tipo Device ou Memory. Device significa que
os dados se originam do equipamento controlador e Memory que os dados
existem localmente no sistema supervisório.
O sistema supervisório pode operar em dois modos distintos:
20
− Modo de Desenvolvimento: é o ambiente onde se criam os objetos
responsáveis pela monitoração e envio de dados ao processo. Nesta
etapa são definidas as telas gráficas com os alarmes, gráficos,
animações, botões de navegação entre as telas, declaração de tags,
ajuste do caminho de comunicação, etc.;
− Modo Run Time: é o ambiente onde se mostra a janela animada criada
no modo de desenvolvimento e no qual se dará a operação integrada
com o processo, durante o funcionamento da planta em tempo real.
21
3 DESCRIÇÃO DO SISTEMA
A planta para o desenvolvimento deste trabalho é composta de dois
reservatórios de água, um superior e outro inferior, uma válvula manual para
regular a vazão de água do reservatório superior para o reservatório inferior,
uma bomba centrífuga 24Vcc para controlar o nível do reservatório superior,
uma resistência de aquecimento, sensores de nível e temperatura, além de um
controlador programável para realização das funções de controle.
O nível do reservatório superior é medido por um sensor ultrassônico
com saída de 4 a 20mA e alimentação de 24Vcc e o acionamento da bomba é
regulado por um amplificador com alimentação de 24Vcc, tensão de controle de
0 a 10Vcc e saída de 0 a 24Vcc.
A temperatura da água do reservatório inferior é medida por uma
termorresistência PT–100 conectada a um transmissor de temperatura com
alimentação de 24Vcc, que envia um sinal padronizado, 4 a 20mA, para o
controlador programável. A água é aquecida por uma resistência de
aquecimento de 1000W/230V, sendo que o seu acionamento é feito em tensão
variável entre aproximadamente 5 e 192V a por uma placa de controle de
potência a qual recebe um sinal de controle do CLP entre 2 e 7,5Vcc.
O controlador programável, a resistência elétrica, a placa de
acionamento da resistência, o sensor PT-100, o transmissor de temperatura e a
aquisição de dados foram adicionados à planta didática (FESTO, 1998), pois a
mesma utilizava um controlador dedicado para realizar apenas o controle de
nível e não apresentava a possibilidade de controle de temperatura.
O controlador programável CompactLogix 5320 foi utilizado neste
projeto por possuir as características necessárias para a aplicação, são elas:
a) Quatro saídas digitais, possibilitando habilitar o funcionamento do
sensor ultrassônico, do amplificador de acionamento da bomba, do transmissor
22
de temperatura e da placa de acionamento da resistência (ligando a bobina de
um contator auxiliar), liberando a energia ou o sinal de comando para o
funcionamento destes dispositivos;
b) Cinco entradas digitais (24Vcc), sendo que apenas uma foi
utilizada para o botão de emergência que desliga a bomba e a resistência
quando atuado;
c) Quatro entradas analógicas (0 a 20mA ou 0 a 10Vcc), sendo que
duas foram utilizadas, uma para ler o sinal do sensor ultrassônico e outra para
o transmissor de temperatura, ambas com leitura em sinal de corrente;
d) Duas saídas analógicas (0 a 20mA ou 0 a 10Vcc), sendo que as
duas foram utilizadas para gerar sinais de tensão para regular o funcionamento
do amplificador de acionamento da bomba e da placa de acionamento da
resistência.
O controlador programável lê os sinais do sensor ultrassônico e do
transmissor de temperatura através de duas entradas analógicas, executa a
função de controle e regula o funcionamento dos atuadores (bomba e
resistência elétrica) através das saídas analógicas.
As entradas e saídas analógicas do controlador programável
possuem resolução de 16 bits, os valores de corrente de 0 a 21mA e tensão de
0 a 10,5V são convertidos em uma escala linear de 0 a 32767. Esta definição é
importante para realizar a calibração dos sensores e atuadores.
Inicialmente, pretendia-se utilizar um sistema supervisório para
aquisição de dados, entretanto por restrições da versão utilizada, não foi
possível implementar a comunicação do supervisório com o controlador. Dessa
forma optou-se por utilizar um multímetro digital com comunicação via porta
serial e optoacoplador para a comunicação com o PC através do programa UT60E.
O multímetro utilizado para realizar a aquisição de dados mede a
corrente do sensor ultrassônico ou do transmissor de temperatura, permitindo a
geração da curva de resposta transitória do sistema de controle de nível e de
temperatura. A partir da curva pode-se estimar a função de transferência. Este
multímetro também permite a medição direta de temperatura, permitindo utilizálo como padrão para a calibração do transmissor de temperatura.
23
A montagem do sistema está representada nas fotos da Figura 3.1.
Figura 3.1: Fotos da ligação dos equipamentos
A partir das respostas dinâmicas calcularam-se os ganhos dos
controladores através de um projeto de um controlador PI baseado na dinâmica
dos pólos em malha fechada para adequar os parâmetros de máximo pico e
tempo de acomodação. E serão feitas novas aquisições para testar o
funcionamento do sistema.
A Figura 3.2 apresenta o esquema de ligação do controlador
programável com as fontes externas, a bomba, a resistência, o amplificador de
acionamento da bomba, a placa de controle de potência na resistência, o
24
sensor ultrassônico, o transmissor de temperatura, o PT-100 e o contator para
liberar o funcionamento da placa de acionamento da resistência.
Figura 3.2: Esquema de ligação dos equipamentos
25
4 PROGRAMAÇÃO DO CONTROLADOR
Neste capítulo serão estudas as principais características de ligação
e programação do controlador programável CompactLogix 5320 e do programa
RSLogix 5000, ambos produzidos pela empresa Rockwell Automation.
Optou-se por manter este capítulo mais detalhado, com o formato de
um tutorial, pois o texto apresentado sintetiza informações esparsas em
diversos manuais, tendo sido originado a partir do estudo para instalação e
programação do controlador, o qual não poderia ser avaliado apenas pelo
programa apresentado.
Acredita-se que as informações serão importantes para a utilização
da planta didática, bem como para implementação de trabalhos futuros.
4.1 Características do Controlador Compact Logix 5320
Na Figura 4.1 (ROCKWELL, 2003a) pode ser observada a CPU do
controlador programável da série CompactLogix utilizado neste projeto, o qual
é produzido pela empresa Rockwell Automation.
Figura 4.1: CPU do controlador programável
26
Este controlador possui três modos de operação da CPU: PROG,
REM e RUN.
No modo PROG (de programação) é possível desligar as saídas,
carregar e descarregar projetos entre o controlador programável e o
computador, criar e modificar programas. O controlador não executa ciclos de
varredura no programa e não é permitido mudar o modo de operação através
do software de programação.
No modo REM (de remoto) é possível habilitar o modo de operação
pelo programa de aplicação. Três opções são possíveis:
-
Remote
Run:
o
programa
é
executado
pelo
controlador
programável, as saídas ficam habilitadas e o programa pode ser editado em
funcionamento;
- Remote Program: as saídas ficam inoperantes, é possível criar e
modificar programas, pode ser feito o download do projeto, o valor das tags
podem ser modificados, o controlador programável não executa o programa;
- Remote Test: a edição do programa é on-line e durante a execução
do programa e as saídas não funcionam, pode ser utilizado para testes em
sistemas de controle, para evitar que uma instabilidade na fase de testes e
aquisição de dados cause avaria nos equipamentos.
No modo RUN (de executar) é possível executar o programa e
habilitar as saídas, não é permitido criar ou suprimir tarefas, programas, ou
rotinas e não é permitido mudar a modo de operação usando o software de
programação.
Para ser possível a programação do controlador é necessário ligá-lo
ao computador através do cabo RS-232 (ROCKWELL, 1997). O conector
fêmea deve ser conectado ao controlador programável (Channel 0) e o
conector macho ao canal 0 da porta RS-232 do computador.
Além disso, um conjunto de LED’s de sinalização permitem verificar o
funcionamento do controlador e alarmar os erros. No Anexo A encontra-se uma
tabela de sinalização de LED’s.
A fonte (ROCKWELL, 2000) fornece tensão contínua para o
barramento, sendo responsável pelo fornecimento de tensão estabilizada para
a CPU e para os módulos. A alimentação da fonte 1769-PA2 é feita em tensão
27
alternada com valores entre 120 e 240Vca e freqüência entre 47 e 63Hz. Além
da tensão fornecida ao barramento, ela fornece 24Vcc (250mA) para a ligação
de circuitos que acionem entradas digitais 24Vcc dos módulos conectados ao
mesmo barramento. O aterramento é conectado em um conector específico.
Na Figura 4.2, são descritos os conectores existentes na fonte de
alimentação e também a descrição dos módulos de entrada e saída.
O módulo digital 1769-IQ6XOW4 (ROCKWELL, 2001a) possui 6
canais de entrada 24Vcc (2mA por canal) e 4 canais de saída a relé de 5 a
265Vac (2,5A por canal e 8A na soma de todos os canais de saída do módulo)
ou de 5 a 125Vcc (1A por canal).
Figura 4.2: Conectores de ligação da fonte e módulos de entrada e saída
Na Figura 4.3 está a forma de ligação das entradas e saídas digitais
com os dispositivos de campo.
28
Figura 4.3: Ligação do módulo digital
O módulo analógico 1769-IF4OF2 (ROCKWELL, 2001b) possui 4
canais de entrada e 2 canais de saída (0 a 10Vcc ou 0 a 20mA). Todos os
terminais comuns do módulo (ANLG COM) estão conectados no módulo
analógico e o mesmo não está conectado ao terra.
Os módulos de saída possuem proteção contra curto-circuito e
circuito aberto e os canais não estão isolados uns dos outros.
As saídas de tensão (Vout 0+ e Vout 1+) estão referenciadas aos
terminais comuns ANLG COM e a resistência de carga de um canal de saída
de tensão deve ser igual ou superior a 1kŸ. As saídas de corrente (Iout 0+ e
Iout 1+) fornecem correntes que devem retornar ao ANLG COM. A resistência
de carga de um canal de saída deve estar entre 0 e 300Ÿ.
As tensões de Vin+, V/Iin- e Iin+ devem estar numa faixa entre 0 e
10Vcc em relação ao ANLG COM e a corrente dos canais de entrada de
corrente não pode ultrapassar a 21mA.
Na Figura 4.4, estão as formas de ligação das entradas e saídas
analógicas:
29
Figura 4.4: Tipos de ligação do módulo analógico
4.2 Configuração do Controlador
Para o entendimento do desenvolvimento da aplicação, serão
demonstrados os principais passos de programação e configuração de um
projeto no RSLogix 5000 (ROCKWELL, 2003b), (ROCKWELL, 2004a),
(ROCKWELL, 2004b).
Criação do projeto
Para a criação de um novo projeto no RSLogix 5000, deve-se abrir o
programa e selecionar a opção “Novo”. Aparecerá na tela uma janela (Figura
4.5) de configuração para se definir a referência do controlador utilizado. Neste
projeto foi utilizado o “Controller CompactLogix 5320, 1769-L20” e o nome do
arquivo com uma descrição.
Figura 4.5: Criação do projeto e definição do controlador
30
No caso específico do controlador utilizado neste projeto necessitouse realizar uma atualização de firmware, disponível no site de suporte de
fabricante (http://support.rockwellautomation.com/ControlFlash). Um cuidado a
ser tomado é que o computador e o controlador programável devem estar
ligados a um no-break pois se por algum problema a instalação da firmware for
interrompida, o controlador fica sem comunicação ficando inoperante.
Seleção dos módulos de entrada e saída
Clicando-se com o botão direito no campo “CompactBus Local” e
selecionando a opção “Novo Módulo...”, aparecerá o campo de seleção do tipo
de módulo, conforme a Figura 4.6.
Figura 4.6: Definição dos módulos de entrada e saída
Neste projeto, o módulo digital localizado na primeira ranhura após a
CPU e a fonte é o 1769-IQ6XOW4 com entrada de dreno ou fonte de 6 pontos
24Vcc e saída a relé CA/CC de 4 pontos, a seleção deste módulo é mostrada
na Figura 4.7.
31
Figura 4.7: Seleção do módulo digital
Selecionando-se este módulo pode-se configurá-lo com um nome,
uma descrição, a ranhura (posição), conexão (podendo inibir o seu
funcionamento) e a determinação do estado que cada saída deve ficar quando
o controlador entra em falha ou em modo de programação, conforme a Figura
4.8.
Figura 4.8: Configuração do módulo digital
Para informar a existência do módulo analógico ao programa,
repete-se o procedimento descrito na Figura 4.6. Com o campo de seleção do
módulo aberto pode-se selecionar apenas o tipo neste caso apenas o campo
32
“Analógico” foi selecionado, diminuindo as opções de escolha na tela para
apenas os módulos analógicos.
O módulo analógico utilizado na segunda ranhura é o 1769-IF4XOF2
com entrada de 4 canais e saída de 2 canais analógicos de baixa resolução (16
bits, 0 a 10Vcc ou 0 a 20mA), conforme a Figura 4.9.
Figura 4.9: Seleção do módulo analógico
Selecionando-se
o módulo
pode-se configurá-lo
de maneira
semelhante ao digital citado anteriormente. A Figura 4.10 permite visualizar
parcialmente as telas de configuração deste módulo.
Figura 4.10: Configuração do módulo analógico
33
Tags associadas aos módulos de entrada e saída
Na opção “Tags do Controller”, pode-se monitorar os valores, em
escala de 16 bits, das entradas e saídas. Também podemos utilizar a opção
“máscara de força” que será vista em detalhes no item 4.3. No campo de
edição de tags, pode-se relacionar uma tag base e alias para referenciá-las às
tags do programa.
A tag é uma área definida da memória do controlador, em que os
dados são armazenados. É o mecanismo básico para alocar memória, fazer
referência aos dados a partir da lógica e monitorá-los.
A tag base é a que realmente define a memória em que um
elemento de dados é armazenado e a tag alias referencia a memória definida
por uma outra tag.
Uma parte das tags relacionadas ao módulo digital podem ser
observadas na Figura 4.11.
Figura 4.11: Tags relacionadas ao módulo digital
Em uma janela similar podem ser observadas as tags relacionadas
ao módulo analógico.
34
Ajuste do caminho de comunicação pelo RSLinx
Com a firmware instalada e o cabo de comunicação ligado
corretamente pode-se ajustar o caminho de comunicação pelo programa
RSLinx, como mostrado na Figura 4.12.
Figura 4.12: Ajuste de caminho pelo RSLinx
Envio do programa ao controlador
No RSLogix 5000, selecionando-se a opção “Who ativo” pode-se
gravar o programa editado no computador (Descarregar), baixar o programa
gravado no controlador programável (Carregar), acompanhar a execução de
um programa (Entrar on-line) ou atualizar a firmware.
Para enviar o programa ao controlador é necessário pressionar o
botão “Descarregar” da janela “Who ativo”, mostrada na Figura 4.13, e
confirmar a operação.
Figura 4.13: Envio do programa ao controlador
35
Para a criação de novos componentes no projeto (rotina em ladder,
tag, módulo ou programa) basta selecionar o menu “Arquivo” e selecionar a
opção desejada.
Data Types
O usuário pode criar uma matriz de dados criando uma Data Type
no subdiretório “Definido pelo módulo”. Nesta opção o usuário pode criar tipos
de variáveis para inserir no campo “Tipo” nas tags do programa.
O subdiretório “Grupos” possui a matriz de dados STRING, esta
matriz aceita 82 caracteres alfanuméricos em ASCII, sendo utilizado para a
manipulação de textos no programa, possibilitando que o sistema de
supervisão envie ou receba textos na comunicação com o controlador
programável.
O subdiretório “Predefinido” (Figura 4.14) possui todas as matrizes
de dados das funções predefinidas no RSLogix 5000. Quando o programa está
em execução, os valores das matrizes das funções utilizadas no programa
podem ser monitorados e forçados na opção “Tags do Program”. São exemplos
de Data Types predefinidos: PID, BOOL, REAL, INT, etc.
E no subdiretório “Definido pelo módulo” (Figura 4.14) estão as
matrizes de dados de todos os módulos de entrada e saída declarados no
projeto. Quando o programa está em execução, estes valores podem ser
monitorados e forçados na opção Tags do Controller.
36
Figura 4.14: Data Types “Predefinido” e “Definido pelo Módulo”
4.3 Programação do Controlador
No subdiretório “Main Program”, tem-se os campos “Tags do
Program” e “Main Routine”. O campo “Tags do Program” é utilizado para a
criação das tags. Para criar uma tag, é dado um nome, uma descrição e o tipo
de dado, podendo ser do tipo inteiro (INT), real (REAL), bloco PID (PID), texto
(STRING), entre outros definidos nos “Data Types” do tipo: Definido pelo
usuário, Grupos e Predefinido, as tags criadas para este projeto estão
relacionadas no Anexo B.
Na criação das tags, tem-se o campo “Alias para”, que serve para
referenciar uma tag a outra. Por exemplo: declarar uma tag para escrever o
ganho proporcional em um controlador PID declarado no programa, criar uma
tag para referenciar um valor em uma saída do controlador programável ou ler
uma entrada.
Para testar o funcionamento do programa ou da planta é possível
forçar os valores de entrada e saída. Para isto, o programa deverá estar em
execução no modo RUN, o RSLogix 5000 deve estar monitorando a execução
do programa, o menu “Lógico” deve estar selecionado e as forças de I/O
devem ser ativadas, conforme a Figura 4.15.
37
Figura 4.15: Habilitação da “Máscara de Força”
Após esta etapa, a janela de tags do programa ou do controlador
deverá ser selecionada na opção “Monitorar tags”. Com a monitoração de tags
aberta na tela, pode-se digitar o valor a ser forçado na tag desejada, conforme
destacado na figura anterior. As variáveis digitais podem assumir valores de
apenas 0 ou 1 e variáveis analógicas podem assumir valores de -32768 a
32767, pois a resolução do módulo analógico utilizado neste projeto é de 16
bits (215=65536). A variação de -32768 a 32767 é diretamente proporcional à
variação do sinal de tensão de -10,5Vcc a 10,5Vcc ou do sinal de corrente de 21mA a 21mA, pois estes são os valores de fundo de escala do módulo
analógico.
A opção “Main Routine” abre o editor de programação em diagrama
ladder do RSLogix 5000, neste editor estão os controladores PID do sistema de
controle de nível (Figura 4.16) e temperatura, a entrada digital do botão de
emergência, o bit de inicialização do programa e as saídas digitais para
habilitar o funcionamento da bomba, das resistências, do transmissor de
temperatura e do sensor ultrassônico (Figura 4.17).
38
Figura 4.16: Bloco PID no diagrama ladder
Figura 4.17: Habilitação dos atuadores e sensores
O programa ladder completo encontra-se no Anexo C.
Pode-se alterar os valores dos contatos digitais no programa ladder
com o mesmo em execução, clicando-se com o botão direito do mouse no
contato e selecionando a opção “Alternar bit”. Esta opção é útil para a
realização de testes de funcionamento do programa e da planta.
39
Para a criação do bloco PID e necessário selecionar o grupo de
elementos “Especial”, posicionar o local do diagrama onde o bloco PID será
inserido e clicar no botão “PID”. Após a criação do bloco PID é necessário
configurá-lo, indicando a variável analógica de entrada e de saída nos campos
“Variável de Processo” e “Variável de Controle”, respectivamente. Clicando-se
na “Caixa de diálogo de exibição de configuração de tag” abrem-se as caixas
de configuração de ajuste, configuração, alarmes, conversão de escala e tag.
A configuração de ajustes (Figura 4.18) permite o ajuste do set-point,
dos ganhos proporcional, integral e derivativo. Também permite ajustar a saída
com o sistema em malha aberta, selecionando-se a opção “Manual de
software” e digitando-se em valores percentuais o sinal de saída a ser aplicado
no atuador, esta opção é muito útil para a realização dos ensaios em malha
aberta com a aplicação de uma excitação em degrau.
Figura 4.18: Ajustes do bloco PID
A caixa de configuração do PID (Figura 4.19) tem as funções de
determinar se a equação de controle é dependente ou independente,
determinar se a ação de controle é calculada pelo set-point diminuído da
variável de processo ou o oposto, se a ação derivativa é calculada em função
da variável de processo ou do erro, o tempo de atualização da malha, limites
altos e baixos da variável de entrada, valor da banda morta (zona morta),
harmonia derivativa, cálculo de bias, cruzamento zero para banda morta,
rastreamento da variável de processo e colocação da malha em cascata como
mestre ou escravo.
40
Figura 4.19: Configuração do bloco PID
A caixa de configuração dos alarmes (Figura 4.20) é utilizada para
acionar os bits respectivos na matriz de memória do PID. Os valores podem ser
ajustados e quando ocorrer o alarme, o bit correspondente terá nível alto e
possibilitando a leitura pelo supervisório, indicando o alarme.
Figura 4.20: Alarmes do bloco PID
A conversão de escala (Figura 4.21) serve para transformar os
valores de tensão -10,5Vcc a 10,5V e corrente -21mA a 21mA no número de
degraus da resolução do controlador -32768 a 32767. Os valores de tensão ou
corrente são proporcionais à escala de 16 bits (resolução do módulo
analógico). A variável de processo é referenciada no valor sem escala e na
unidade de engenharia em valores máximos e mínimos, respectivamente. A
variável de saída pode ser limitada nos valores máximo e mínimo através da
escala de -32768 a 32767. Os valores do tieback devem ser iguais aos dos
limites da variável de processo.
41
Figura 4.21: Conversão de escala do bloco PID
A configuração de tag (Figura 4.22) possui um campo para a
descrição da função do bloco PID no projeto.
Figura 4.22: Tag do bloco PID
42
5 ATUADORES E SENSORES UTILIZADOS
Os sensores e atuadores possibilitam que o controlador programável
possa ler os dados da planta e atuar na mesma, realizando o controle. Os
sensores servem para informar ao controlador programável o nível do
reservatório superior e a temperatura do reservatório inferior. E os atuadores
servem para que as tensões de controle das saídas analógicas do controlador
programável possam regular o funcionamento da bomba e da resistência.
Estes dispositivos serão detalhados a seguir.
5.1 Acionamento da Bomba
Para o controlador programável regular a velocidade da bomba
(Figura 5.1) acionada por um motor de corrente contínua de 24Vcc, utiliza-se o
amplificador “VARIOCOMPACT LUTZE” (Figura 5.2). Estes equipamentos já
fazem parte da bancada didática (FESTO, 1998) utilizada neste trabalho. Este
amplificador possui tensão de alimentação de 24Vcc, recebe o sinal de controle
de 0 a 10Vcc do controlador programável e gera uma saída de 0 a 24Vcc (valor
nominal, pois há saturação em 22,1V) diretamente proporcional ao sinal de
controle e trabalha com uma corrente de carga de até 1A.
Figura 5.1: Bomba centrífuga
43
Figura 5.2: Amplificador de acionamento da bomba
A relação entre o percentual da ação de controle e a tensão de saída
medida é mostrada na Figura 5.3, obtida a partir de medições experimentais.
Figura 5.3: Variação da tensão do amplificador de acionamento da bomba
A ligação deste amplificador é mostrada na Figura 5.4. Ressalta-se a
importância de conexão a terra no pino 23, não especificado na documentação
e que ocasionou diversos erros durante a implementação.
O amplificador de acionamento da bomba pode trabalhar com
tensões nominais de controle entre 0 e 10V e de saída de 0 a 24V. Porém
quando a tensão de controle ultrapassa a 8,5V, a tensão de saída satura em
22,1V. Por isso a faixa de tensão que a saída analógica deve aplicar deve
variar entre 0 e 8,5V, para tornar o mais linear possível a ação de controle.
44
Neste caso, 0V corresponde a zero na escala do controlador programável e
8,5V representa 26526. Este ajuste é feito na opção “Control Variable” da caixa
de conversão de escala do PID para o controle de nível, conforme mostrado na
Figura 4.21.
Figura 5.4: Esquema de ligação do amplificador
5.2 Acionamento da Resistência
Para acionamento da resistência de aquecimento foi confeccionado
um circuito eletrônico o qual permite regular a tensão aplicada à resistência,
variando o ângulo de disparo em um retificador semi-controlado com dois
diodos e dois SCR’s. O controle do ângulo de disparo é feito pelo circuito
integrado TCA 785 (SIEMENS, 2005) que é dedicado à aplicação de controle
de ângulo de disparo TRIAC’s e tiristores continuamente de 0o a 180o (foi
utilizado o ângulo mínimo de 20o para não perder o sincronismo de pulsos e a
linearidade na aplicação de potência).
Quando é aplicado 2Vcc pela saída analógica no pino 11 do CI TCA
785, a potência de saída da placa é de 760W, pois o ângulo de disparo é de
20o, e quando a saída analógica aplica 7,5Vcc no pino 11 a potência de saída é
5W, pois o ângulo de disparo é de 170o (não utilizou-se o ângulo máximo de
180o para obter uma relação aproximadamente linear da ação de controle com
a potência aplicada). No bloco PID do programa está configurado que a saída a
0% aplica 2Vcc na placa e 100% da saída aplica 7,5Vcc. Os valores
intermediários entre 2Vcc e 7,5Vcc são relacionados à saída conforme o
gráfico da Figura 5.5, a qual foi obtida a partir de medições experimentais.
45
Figura 5.5: Relação entre a tensão de controle e a potência aplicada às
resistências
A placa de acionamento da resistência causa uma dissipação de
potência na resistência elétrica aproximadamente linear com tensões de
controle entre 2 e 7,5V, portanto, estes valores de tensão são correspondentes
a 6241 e 23405, respectivamente conforme mostrado na Figura 4.21.
A configuração interna do TCA 785 possibilita uma simplificada
seleção de componentes externos para chaveamento, sem tornar muito
volumoso o circuito final. A seguir serão especificadas as funções dos pinos
deste circuito integrado utilizados neste projeto:
- PINO 01 . Terra.
- PINO 05 . Entrada de Sincronismo (diodos em antiparalelo).
- PINO 06 . Inibe todas as saídas (quando aterrado).
- PINO 09 . Potenciômetro de ajuste de rampa (20<R9>500K).
- PINO 10 . Capacitor de formação de rampa (C3 = 0.5µF ).
- PINO 11 . Entrada de Tensão de controle (nível/CC), ligada à saída analógica,
com variação de 8Vcc para saída de 0Vmed (180º) a 1Vcc para saída de
180Vmed (0o).
- PINO 12 . Controla a largura dos pulsos de saídas 14 e 15.
- PINO 13 . Controla a largura dos pulsos de saídas 14 e 15.
- PINO 14 . Saída de pulso positivo no semi-ciclo positivo.
46
- PINO 15 . Saída de pulso positivo no semi-ciclo negativo.
- PINO 16 . Alimentação CC, não necessariamente estabilizada.
Na
Figura 5.6 pode ser observado o circuito implementado e a
especificação dos componentes.
A fonte de alimentação para os circuitos internos do TCA 785 é de
3,1V, regulada pelo mesmo a partir da alimentação do pino 16. Isto permite que
o CI possa ser alimentado com diversos níveis de tensão (de 8V a 18V), neste
circuito a alimentação do pino 16 está sendo fornecida pelo CI regulador de
tensão 7815, o qual recebe 18V do transformador e entrega ao TCA 785 uma
tensão estabilizada em 15V. O capacitor C1 ligado ao pino 1 do regulador de
tensão 7815 tem o seu valor estabelecido pelo fabricante em 1000µF 25V e
tem a função de filtrar a tensão entregue pelo transformador suprimindo ruídos,
o capacitor C2 de 104J 100V também tem a função de filtrar a tensão.
O circuito de disparo deve estar sincronizado com a rede, ou
ocorrerá o disparo aleatório dos tiristores, uma vez que cada pulso será
aplicado em um instante que não estará relacionado com a tensão da rede.
Um ponto de referência para o sincronismo é a passagem da rede
por zero. Isto ocorre a cada 8,33ms, aproximadamente, em redes de 60Hz.
No TCA 785 existe um detector de passagem por zero que gera um
pulso de sincronismo toda vez que a tensão da rede passa por zero. A entrada
para a tensão de referência é o pino 5.
O limite de tensão para o pino 5 é de 2V e o limite de corrente é
aproximadamente 1mA, o diodos D1 e D2 estão presentes para limitar a tensão
no pino 5 em aproximadamente 0,7V. O resistor R1 limitará a corrente.
Nos semiciclos positivos da rede teremos pulsos positivos na saída
correspondente ao pino 15, enquanto que nos semiciclos negativos da rede
teremos pulsos positivos na saída correspondente ao pino 14.
O pino 6 do TCA 785 é o inibidor de pulsos, que é ativo em nível
baixo. O resistor R2 limita a corrente no pino 6, quando a chave S1 é
pressionada o pino 6 fica em nível baixo ativando o inibidor de pulsos, ou seja,
os pinos 14 e 15 não enviaram pulsos ao tiristores.
47
PONTE 1
DC WO4M
R1
150Ÿ 5%
R2
10kŸ 5%
R3
10kŸ 5%
R4
22kŸ 5%
R5
82Ÿ 5%
R6
82Ÿ 5%
R7
120Ÿ 5%
R8
120Ÿ 5%
C1
1000µF 25V
C2
104J 100V
C3
B331
C4
47nF M250
C5
100nF/K
C6
100nF/K
Q1
LM340T15 7815
Q2
BC 547
Q3
BC 547
D1
1N4004
D2
1N4004
D3
1N4004
D4
1N4004
D5
1N4007
D6
1N4007
SCR1
BT-151
SCR2
BT-150
F1
10A 250V
F2
10A 250V
Figura 5.6: Esquemático da placa
48
A parte de potência é composta de uma ponte retificadora de onda
completa com dois diodos e dois SCR’s, permitindo o controle do ângulo de
disparo quando os SCR’s ficam em polarização direta, um a cada semiciclo.
5.3 Sensor de Temperatura
Para a medição da temperatura do reservatório, é utilizado um
sensor PT-100 ligado a um transmissor de temperatura.
O sensor PT-100 é assim chamado por possuir um elemento de
platina e resistência padronizada de 100Ÿ a 0oC, conforme a Figura 5.7.
Figura 5.7: Curva de resistência versus temperatura do PT-100
Como qualquer termorresistor, o PT-100 trabalha associado ao
transmissor de temperatura que, neste caso, converte a variação de resistência
em sinal de corrente.
A conexão entre o transmissor de temperatura e o PT-100 é feita a
três fios, assim o transmissor consegue medir a resistência do PT-100 e
diminuí-la da resistência dos cabos. A Figura 5.8 esquematiza a ligação do
sensor ao transmissor.
Na ligação a três fios o transmissor de temperatura subtrai a
resistência dos condutores da resistência do PT-100, pois consegue medi-la
entre os condutores 1 e 2. Para este método de correção ter resultados
49
satisfatórios, os condutores devem ser de mesmo comprimento, material e
seção.
Figura 5.8: Esquema de ligação do PT-100 com o transmissor de temperatura
O transmissor de temperatura utilizado neste projeto, modelo MRT0403L, pode trabalhar com temperaturas entre 0oC e 300oC, podendo ser
ajustada a sua faixa de operação dentro destes limites. O ajuste utilizado neste
projeto permite que o transmissor meça temperaturas entre 0oC e 100oC,
variando a saída entre 3,91 e 11,09mA.
O PT-100 e o transmissor de temperatura foram calibrados de modo
que a leitura da variável de processo seja convertida de miliampères para
graus Celsius. Para este ensaio utilizou-se gelo fundente a 0oC, mergulhandose o poço com o PT-100 e o termopar utilizado como padrão. Quando a
temperatura do poço estabilizou em 0oC, o transmissor de temperatura
forneceu uma corrente de 3,91mA (após ajustar o potenciômetro de zero do
transmissor de temperatura), que corresponde a 6100 na escala do controlador
programável. Na outra fase do ensaio, mergulhou-se o poço, com o PT-100 e o
padrão de temperatura, em água a 100oC (em ebulição). Quando a
temperatura indicada pelo padrão estabilizou em 100oC, o transmissor de
temperatura forneceu 11,09mA (após ajustar o potenciômetro de span do
transmissor de temperatura), este valor corresponde a 17300 na escala de
leitura do controlador programável.
Os valores 17300 e 6100 foram relacionados a 100oC e 0oC,
conforme a Figura 4.21.
50
5.4 Sensor de Nível
Para a medição de nível, é utiliza-se um sensor ultrassônico (Figura
5.9) ligado à entrada analógica variando o sinal entre 10,77mA e 16,17mA
correspondendo um nível entre 50mm e 220mm (FESTO, 1998).
Figura 5.9: Sensor ultrassônico
Os sensores ultrassônicos operam emitindo e recebendo ondas
sonoras em alta freqüência. A freqüência é geralmente em 200kHz, acima da
que é percebida pelo ouvido humano.
Há dois modos básicos de operação:
− modo oposto: o sensor emite a onda sonora e um outro, montado do
lado oposto do emissor, recebe a onda sonora.;
− modo difuso ou eco (utilizado neste projeto): o mesmo sensor emite a
onda sonora e escuta o eco.
A faixa de detecção é o alcance dentro do qual o sensor ultrassônico
detectará o alvo sob flutuações de temperatura e tensão.
Os sensores ultrassônicos possuem uma zona cega localizada na
face de detecção. O tamanho da zona cega depende da freqüência do
transdutor e objetos localizados dentro de um ponto cego podem não ser
confiavelmente detectados.
Certas características do alvo devem ser consideradas ao usar os
sensores ultrassônicos. Elas incluem forma do alvo, material, temperatura,
tamanho e posicionamento. Materiais macios, tais como tecido ou espuma de
borracha são difíceis de detectar com tecnologia de ultra-som difuso porque
eles não são refletores de som adequados.
Durante os ensaios, percebeu-se uma limitação da utilização deste
sensor no uso com água acima da temperatura ambiente, pois o favorecimento
51
da evaporação provoca a condensação de água na face sensora, prejudicando
a leitura do mesmo.
A Tabela 5.1 apresenta os dados principais do sensor utilizado
neste projeto e a curva de calibração (FESTO, 1998) é apresentada na Figura
5.10.
Tabela 5.1: Dados do sensor ultrassônico
Tensão de operação
24Vcc
Corrente de entrada (consumo)
<35mA
Faixa de medição
150 a 500mm
Distância mínima entre a distância sensora e um
<75mm
obstáculo lateral
Resolução
±1mm
Figura 5.10: Relação de calibração do sensor ultrassônico
Para o sensor ultrassônico da planta didática ser ligado ao
controlador programável, o mesmo teve que ser calibrado para informar os
valores corretos em milímetros para o usuário. Para a realização da calibração,
mediu-se a corrente de saída do sensor com o nível em 50mm e em 220mm.
Estes valores de corrente foram de 10,77mA e 16,17mA, respectivamente.
A
corrente
de
10,77mA
corresponde
a
16804
e
16,17mA
corresponde a 25230. Estes valores foram associados aos níveis de 50mm e
220mm, conforme a Figura 4.21.
52
6 AQUISIÇÃO DE DADOS
A aquisição de dados foi realizada utilizando-se multímetro digital ET2210 Minipa (MINIPA, 2003), o qual possui interface para PC através da porta
serial e um programa para gerar a tabela com os valores das aquisições.
Os valores de corrente do sensor ultrassônico, do transmissor de
temperatura e a temperatura do reservatório foram medidos diretamente com
este multímetro, pois o mesmo tem escala de temperatura em graus Celsius.
Esta funcionalidade permitiu a calibração do transmissor de temperatura.
Os dados são lidos pelo programa UT60E Minipa (MINIPA, 2005) o
qual pode ser observado parcialmente na Figura 6.1, que é fornecido
juntamente com o multímetro, sendo gravados os valores dos sinais de
corrente. O intervalo de amostragem pode ser ajustado, tendo o seu período
mínimo de um segundo.
As aquisições do sistema de controle de nível foram executadas com
o intervalo de amostragem de 1 segundo, durante 20 minutos para os ensaios
em malha aberta e de 5 minutos para os ensaios em malha fechada conforme
será detalhado no capítulo 7.
No sistema de controle de temperatura as aquisições foram
executadas com o intervalo de amostragem de 10 segundos, durante 12 horas
para os ensaios em malha aberta e 3 horas para a malha fechada.
Figura 6.1: Tela geral do programa de aquisição de dados
53
Os dados das aquisições foram transferidos para uma planilha do
Microsoft Excel®, pois o UT60E gera uma tabela no arquivo Ut70bdb que pode
ser aberto pelo Microsoft Access®, conforme a Figura 6.2 e Figura 6.3. Este
arquivo encontra-se na pasta de instalação do programa UT60E Interface
Program na pasta Arquivos de Programas ou no local de instalação do mesmo.
Este arquivo foi copiado para outra pasta para ser modificado ou
aberto, pois se este arquivo for excluído ou modificado, o programa não
funciona corretamente, necessitando ser reinstalado.
Figura 6.2: Arquivo gerado pelo programa de aquisição
Figura 6.3: Tabela de dados no Microsoft Access®
54
Após a cópia dos valores para uma planilha do Microsoft Excel®, os
mesmos são convertidos de miliampères para milímetros ou graus Celsius,
através das funções de conversão aplicadas no Microsoft Excel®.
As funções são calculadas a partir das referências medidas durante
as calibrações do sensor ultrassônico e do transmissor de temperatura.
Para o cálculo da função de conversão de nível, equação (6.1),
durante a calibração verificou-se que 50mm corresponde a 10,77mA e que
220mm corresponde a 16,17mA. Com estes pontos, calcula-se a função do
primeiro grau do nível em função da corrente:
Nível [mm] = 31,48 × Corrente[mA] − 289,06
(6.1)
Para o cálculo da função de conversão de temperatura, equação
o
(6.2), 0 C corresponde a 3,91mA e 100oC corresponde a 11,09mA. A partir
destes dados adota-se o mesmo procedimento citado no parágrafo anterior:
Temperatura[ o C ] = 14,29 × Corrente[mA] − 57,16
(6.2)
Após a conversão, as tabelas dos valores de nível e temperatura são
plotadas no Matlab, sendo apresentadas no capítulo 7.
55
7 SINTONIA DOS CONTROLADORES
Neste capítulo do trabalho são apresentados os referenciais
teóricos, os métodos e os cálculos necessários para ajustar os ganhos dos
controladores. Após serão apresentados os resultados obtidos com a aplicação
dos ganhos nos sistemas.
7.1 Sistemas de Controle
Controle a malha aberta e a malha fechada
Os sistemas de controle de malha aberta são aqueles em que o sinal
de saída não exerce nenhuma ação de controle no sistema. Isso quer dizer que
em um sistema de controle de malha aberta o sinal de saída não é medido nem
realimentado para comparação com a entrada (OGATA, 2003).
Em um sistema de controle a malha fechada, o sinal de erro
(diferença entre o sinal de referência e a saída medida) é levado ao
controlador, o qual fornece o sinal de controle necessário para minimizar o erro.
Sistema linear
Um sistema é linear se a ele se aplica o teorema da superposição.
Atraso de transporte
É o tempo que o sensor leva para perceber alguma variação
causada pelo atuador devido à distância entre ambos.
Modelagem e identificação de sistemas
Entende-se por modelagem e identificação a determinação do
modelo matemático de um sistema representando os seus aspectos essenciais
de forma adequada para uma utilização particular (diagnóstico, supervisão,
otimização, controle).
56
A análise físico-matemática e a análise experimental propiciam a
obtenção de modelos que representam a dinâmica do sistema. Para fins de
controle de processos, não se pretende encontrar um modelo matemático
exato, mas um modelo adequado para uma determinada aplicação (COELHO,
2004).
Modelagem de processos de primeira ordem
Um modelo paramétrico da dinâmica de um processo que será
utilizado neste projeto está caracterizado pela seguinte função de transferência:
G P (s ) =
K
Y (s )
e −θs =
Ts + 1
U (s )
(7.1)
E está configurado por três parâmetros: ganho estático K, constante
de tempo T e atraso de transporte ș.
A resposta ao degrau unitário do modelo matemático representado
pela equação (7.1) é:
(
y (t ) = K × 1 − e − (t −θ ) / T
)
(7.2)
E com base na resposta temporal, é possível mensurar pontos para
a aplicação de diferentes métodos de estimação. Será utilizado neste projeto o
método apresentado por Smith (1985).
No método de Smith, sobre a curva de reação ao degrau são
marcados os instantes de tempo t1 e t2 correspondentes às passagens da
resposta pelos pontos y(0)+0,283y(’) e y(0)+0,632 y(’), respectivamente,
conforme apresentado na Figura 7.1. (COELHO, 2004)
57
Figura 7.1: Critério de Smith para identificação de sistemas de primeira ordem
Os parâmetros são obtidos pelas seguintes relações:
K=
∆y
∆u
(7.3)
T = 1.5 × (t 2 − t1 )
(7.4)
θ = t2 − T
(7.5)
Resposta ao degrau para sistemas de primeira ordem
A forma padrão da função de transferência de um sistema de
primeira ordem com ganho unitário é a seguinte:
C (s )
1
=
R (s ) τs + 1
(7.6)
Como a transformada de Laplace da função degrau unitário é 1/s,
substituindo-se R(s)=1/s, obtém-se:
C (s ) =
1
1 1
1
× = −
τs + 1 s s s + (1/ τ )
(7.7)
Aplicando-se a transformada inversa de Laplace na equação acima,
obtém-se c(t)=1-e-t/T. Para t=T, tem-se:
c (τ ) = 1 − e −1 = 0,632
(7.8)
Do resultado acima, verifica-se que decorrido um tempo igual a uma
constante de tempo, a curva da resposta exponencial vai de 0 a 63,2% do valor
final. Em duas constantes de tempo, a resposta atinge 86,5% da resposta final.
58
Para t = 3T, 4T e 5T, a resposta alcança 95%, 98,2% e 99,3%,
respectivamente, como mostrado na Figura 7.2 (OGATA, 2003).
Figura 7.2: Resposta ao degrau unitário para sistemas de primeira ordem
Resposta ao degrau para sistemas de segunda ordem
A forma padrão da função de transferência de um sistema de
segunda ordem é a seguinte:
C (s )
R (s )
2
=
ωn
2
s 2 + 2ζωns + ωn
(7.9)
Onde:
Ȧn = freqüência natural não amortecida;
ȗ = coeficiente de amortecimento.
O comportamento dinâmico do sistema de segunda ordem pode ser
descrito em termos de dois parâmetros ȗ e Ȧn. Se 0<ȗ<1, os pólos de malha
fechada são complexos conjugados e se situam no semiplano esquerdo do
plano s. O sistema é então chamado subamortecido e a resposta transitória é
oscilatória. Se ȗ=0 a resposta transitória não decai. Se ȗ=1, o sistema é dito
criticamente amortecido. Os sistemas superamortecidos correspondem a ȗ>1
(OGATA, 2003).
As funções de transferência são expressas da seguinte maneira:
a) Sistema subamortecido (0<ȗ<1):
2
ωn
C (s )
=
R (s ) (s + ζωn + jω d )(s + ζωn − jω d )s
Onde:
(7.10)
59
ωd = ωn 1 − ζ 2
(7.11)
b) Sistema criticamente amortecido (ȗ=1):
2
ωn
C (s )
=
R (s ) (s + ω n ) 2 s
(7.12)
c) Sistema superamortecido (ȗ>1):
2
ωn
C (s )
=
R (s ) (s + ζω + ω ζ 2 − 1 )(s + ζω − ω ζ 2 − 1 )s
n
n
n
n
(7.13)
Definição das especificações de resposta transitória utilizadas neste
projeto
a) Máximo sobre-sinal (em porcentagem), Mp: é o valor máximo de
pico da curva de resposta;
b) Tempo de acomodação, ts: é o tempo necessário para que a curva
de resposta alcance valores em uma faixa (usualmente de 2% ou 5%) em torno
do valor final, aí permanecendo indefinidamente.
Na Figura 7.3 estão representados os parâmetros de resposta
transitória (OGATA, 2003).
Figura 7.3: Parâmetros de resposta transitória
Cálculo dos parâmetros de resposta transitória
Máximo sobre-sinal, Mp:
60
Mp = e
§
¨ ζ
−¨
¨¨ 1−ζ 2
©
·
¸
¸×π
¸¸
¹
(7.14)
Tempo de acomodação (critério de 2%), ts:
ts =
3,912
ζωn
(7.15)
Características gerais das ações de controle proporcional, integral,
derivativa e suas combinações
Controle Proporcional (P):
O controle proporcional puro é normalmente aplicado em muitos
processos contendo constantes de tempo simples, e responde rapidamente
tanto aos distúrbios como às alterações do ponto de ajuste. Possui, entretanto
a característica normalmente indesejável de apresentar um erro residual no
estado estacionário (offset). A sintonia é relativamente fácil de ser obtida, pelo
ajuste de um único parâmetro (Kp). (MORAES E CASTRUCCI, 1996)
Controle Proporcional-Integral (PI):
A principal característica do controle integral é a redução ou
eliminação do erro em regime permanente. Possui a desvantagem de tornar a
resposta muito oscilatória quando o ganho integral é muito alto ou a resolução
do sensor é baixa, este inconveniente é contornado com a adição do ganho
proporcional e se necessário a atenuação do ganho integral.
Controle Proporcional-Integral-Derivativo (PID):
Este combina as características de estabilidade conferida pelo
controle proporcional mais derivativo com as características de eliminação do
erro oferecidas pelo controle proporcional mais integral. Como a ação
derivativa torna o controlador mais difícil de sintonizar, o controle de três modos
(PID) deverá ser utilizado somente em determinados processos que realmente
tenham seu desempenho bastante aumentado (MORAES E CASTRUCCI,
1996).
Projeto de um controlador PI baseado na dinâmica dos pólos em malha
fechada para adequar os parâmetros de máximo pico e tempo de
acomodação
61
As funções de transferência do controlador PI e do sistema de
primeira
ordem
são
apresentadas
nas
equações
(7.16)
e
(7.17),
respectivamente.
Gc (s ) = KP +
G(s ) = K ×
KI
K ps + K I
=
s
s
1
=
τ 1s + 1
(7.16)
K / τ1
s + 1/ τ1
(7.17)
Em malha aberta, a função de transferência do controlador PI e do
sistema de primeira ordem é descrita na equação abaixo:
Gc (s ) × G(s ) =
(K
P
s + KI ) × (K / τ 1 )
s × (s + 1 / τ 1 )
(7.18)
Calculando-se a função de transferência de malha fechada, obtémse:
T (s ) =
Gc (s ) × G(s )
1 + Gc (s ) × G(s )
(K
s + KI )x(K / τ 1)
s × (s + 1 / τ 1 )
T (s ) =
(K s + KI )x(K / τ 1)
1+ P
s × (s + 1 / τ 1 )
T (s ) =
T (s ) =
(7.19)
P
(K
P
s + K I ) × (K / τ 1 )
s × (s + 1 / τ 1 ) + (K P s + K I ) × (K / τ 1 )
(KK
p
(7.20)
(7.21)
)
/ τ 1 s + (KKI / τ 1 )
s 2 + [(1 + KK P ) / τ 1 ]s + (KK I / τ 1 )
(7.22)
Conforme descrito, uma função de transferência de segunda ordem,
é representada genericamente pela seguinte equação:
T (s ) =
ωn
2
s 2 + 2ζω n + ω n
2
(7.23)
62
Considerando-se
apenas
a
dinâmica dos
pólos, têm-se as
expressões para o cálculo de ȗ e Ȧn, conforme as equações:
ω n = KK I / τ 1
ζ =
(7.24)
(1 + KK ) / τ
P
1
2 × KK I / τ 1
(7.25)
As fórmulas de cálculo do máximo pico e do tempo de acomodação
são relacionadas com ȗ e Ȧn, isolando-se estas variáveis e resolvendo o
sistema, encontra-se a expressão em função do máximo pico e do tempo de
acomodação. Este cálculo está descrito nas equações abaixo:
§
­
¨
ζ
−
¨
°
¨¨ 1−ζ 2
°M P = e ©
®
3,912
°
°t s =
ζω n
¯
§ §¨
¨ −¨
¨
ln(M P ) = ln¨¨ e ©
¨¨
©
·
¸
¸ xπ
¸¸
¹
(7.26)
ζ
1−ζ
2
§
¨
ζ
ln(M P ) = −¨
¨ 1− ζ 2
©
ln(M P )
π
§
¨
ζ
= −¨
¨ 1− ζ 2
©
·
¸
¸ xπ
¸
¹
·
¸
¸
¸
¸¸
¹
(7.27)
·
¸
¸×π
¸
¹
(7.28)
·
¸
¸
¸
¹
(7.29)
ln 2 (M P )
ζ2
=
π2
1− ζ 2
[π
2
+ ln
2
(M )]× ζ
P
(7.30)
2
= ln
2
(M )
P
(7.31)
63
ln 2 (M P )
π 2 + ln 2 (M P )
ζ =
ts =
(7.32)
3,912
ts =
(7.33)
ζωn
3,912
ln 2 (M P )
× ωn
π 2 + ln 2 (M P )
(7.34)
3,912
ωn =
ln 2 (M P )
× ts
π 2 + ln 2 (M P )
(7.35)
Encontradas as duas fórmulas para Ȧn, iguala-se as equações (7.24)
e (7.35), conforme a equação (7.36) e isola-se a variável KI, para obter a
fórmula do ganho integral.
3,912
KK I / τ 1 =
KK I
τ1
=
ln 2 (M P )
× ts
π 2 + ln 2 (M P )
(7.36)
15,3037
ln (M P )
2
× ts
2
2
π + ln (M P )
2
(7.37)
Isolando-se KI na equação (7.37), resulta na fórmula para o cálculo
do ganho integral para sistemas de primeira ordem, tendo como requisitos de
projeto o máximo pico e o tempo de acomodação:
KI
(15,3037τ )× [π
=
1
2
K × t s × ln 2 (M P )
2
]
+ ln 2 (M P )
(7.38)
Encontradas as duas fórmulas para ȗ, iguala-se as equações (7.25)
e (7.32), conforme a equação (7.39) e isola-se a variável KP, para obter a
fórmula do ganho proporcional.
64
(1 + KK P ) / τ 1
ln 2 (M P )
=
2
2
π + ln (M P ) 2 × KK / τ
I
1
(1+ KK ) = 2τ
P
2τ 1 ×
KP =
1
× KKI / τ 1 ×
KKI
τ1
×
(7.39)
ln2 (MP )
π 2 + ln2 (MP )
(7.40)
ln2 (MP )
−1
π 2 + ln2 (MP )
K
(7.41)
A equação (7.41) é a fórmula para o cálculo do ganho proporcional
para sistemas de primeira ordem, tendo como requisitos de projeto o máximo
pico e o tempo de acomodação.
7.2 Sistema de Controle de Nível
Resultados experimentais em malha aberta
As funções de transferência foram calculadas pelo método de Smith,
como demonstrado no item 7.1.
Com a aplicação de 8,4V na bomba o nível inicial foi de 14,11mm e
o nível final de 106,98mm, com uma variação de 92,87mm.
t 1 = 14,11 + (0,283 × 92,87) = 40,39mm Ÿ 14s
(7.42)
t 2 = 14,11 + (0,632 × 92,87) = 72,81mm Ÿ 52s
(7.43)
K=
∆N 92,87mm
=
= 11,06mm / V
∆V
8,4V
(7.44)
τ = 1.5 × (t 2 − t 1 ) = 1.5 × (52 − 14) = 57s
(7.45)
θ = t 2 − τ = 52 − 57 = −5s
(7.46)
A função de transferência calculada a partir desta aquisição é
apresentada na equação (7.47).
65
N (s )
K
11,06
=
× e −θs =
× e 5s ⋅ mm / V
V (s ) τs + 1
57s + 1
(7.47)
Com a aplicação de 10,8V na bomba o nível inicial foi de 17,26mm e
o nível final de 166,48mm, com uma variação de 149,22mm.
t1 = 17,26 + (0,283 × 149,22) = 59,49mm Ÿ 19s
(7.48)
t 2 = 17,26 + (0,632× 149,22) = 111,57mm Ÿ 61s
(7.49)
∆N 149,22mm
=
= 13,82mm / V
∆V
10,8V
(7.50)
τ = 1.5 × (t 2 − t1 ) = 1.5 × (61− 19) = 63s
(7.51)
θ = t 2 − τ = 61 − 63 = −2s
(7.52)
K=
A função de transferência calculada a partir desta aquisição é
apresentada na equação (7.53).
N (s )
K
13,82
=
=
× e 2s ⋅ mm / V
V (s ) τs + 1 63s + 1
(7.53)
Com a aplicação de 13,2V na bomba o nível inicial foi de 14,74mm e
o nível final de 227,56mm, com uma variação de 213,19mm.
t1 = 14,74 + (0,283 × 213,19) = 75,07mm Ÿ 26s
(7.54)
t 2 = 14,74 + (0,632× 213,19) = 149,47mm Ÿ 72s
(7.55)
∆N 213,19mm
=
= 16,15mm / V
∆V
13,2V
(7.56)
τ = 1.5 × (t 2 − t1 ) = 1.5 × (72 − 26) = 69s
(7.57)
θ = t 2 − τ = 72 − 69 = 3s
(7.58)
K=
A função de transferência calculada a partir desta aquisição é
apresentada na equação (7.59).
N (s )
K
16,15
=
× e −θs =
× e −3s ⋅ mm / V
V (s ) τs + 1
69s + 1
(7.59)
A função de transferência considerada para o cálculo do controlador
PI será:
66
N (s )
K
13,80
=
=
⋅ mm / V
V (s ) τs + 1 61s + 1
(7.60)
A Figura 7.4, Figura 7.5 e Figura 7.6, apresentam em as respostas
ao degrau às tensões 8,4V, 10,2 e 13,2V respectivamente nas seguintes cores:
a) Azul: curva experimental obtida na aquisição de dados;
b) Vermelho: simulação da função de transferência utilizada para o
cálculo do controlador PI;
c) Verde: simulação da função de transferência sem o atraso de
transporte.
Figura 7.4: Aplicação de 8,4V
67
Figura 7.5: Aplicação de 10,8V
Figura 7.6: Aplicação de 13,2V
Cálculo do controlador PI
Visto que o sistema não é linear, o projeto do controlador PI será
calculado com t=61s e K=13,80mm/V, pois são os valores médios entre os
68
valores encontrados nas aquisições; o atraso de transporte ș não será
considerado.
Os requisitos de projeto são, o máximo pico menor que 5%
(MP<0,05) e o tempo de acomodação menor que 60s (ts<60s).
Para o cálculo dos ganhos integral e proporcional do controlador
substitui-se os valores de t e K nas equações (7.38) e (7.41), conforme as
equações (7.61) a (7.64).
(15,3037 × 61)× (9,8696 + 8,9744 )
KI =
13,80 × 60 2 × 8,9744
K I = 0,0395 ⋅ s −1 × (V / mm )
2 × 61×
KP =
(7.61)
(7.62)
13,80 × 0,0395
8,9744
×
−1
61
18,844
13,80
K P = 0,5041⋅ V / mm
(7.63)
(7.64)
Calcula-se da constante do controlador utilizando-se os seguintes
dados experimentais:
a) Nível: 98mm;
b) Ponto de ajuste: 198mm;
c) Erro: 100mm;
d) Ação de controle: 58,5%;
e) Tensão na bomba: 12,4V.
No CLP existe um ganho após o cálculo do PID. Este ganho pode ser
calculado conforme a seguinte equação:
K=
12,4V
= 0,124 ⋅ V / mm
100mm
(7.65)
Com este valor corrige-se os valores do ganho integral e proporcional
para aplicar ao controlador, conforme as equações (7.66) e (7.67).
K I −C =
KI
K
=
0,0395 ⋅ s −1 × (V / mm )
= 0,3185s −1
0,124 ⋅ V / mm
(7.66)
69
K P −C =
KP
K
=
0,5041 ⋅ V / mm
= 4,0653
0,124 ⋅ V / mm
(7.67)
Resultados experimentais em malha fechada
Na Figura 7.7, estão representadas as respostas em malha fechada
do sistema de controle de nível para os pontos de ajuste 140mm, em azul, e de
220mm, em vermelho. Os ganhos aplicados ao controlador são os calculados
nas equações (7.66) e (7.67).
Figura 7.7: Nível em malha fechada com ganhos calculados
A Figura 7.8, apresenta a resposta em malha fechada para os
pontos de ajuste de 100mm (em vermelho), 160mm (em verde) e 220mm (em
azul), sendo que os ganhos foram ajustados de forma experimental.
70
Figura 7.8: Nível em malha fechada com ganhos arbitrados
7.3 Sistema de Controle de Temperatura
Resultados experimentais em malha aberta
As funções de transferência serão calculadas pelo método de Smith,
como demonstrado no item 7.1.
Com a aplicação de 30W na resistência a temperatura inicial foi de
o
17,01 C e a temperatura final de 25,01oC, com uma variação de 8,00oC.
t1 = 17,01+ (0,283 × 8,00) = 19,77o C Ÿ 5093s
(7.68)
t 2 = 17,01+ (0,632× 8,00) = 22,57o C Ÿ 13901s
(7.69)
K=
∆T
8,00o C
=
= 0,27o C / W
∆P
30W
(7.70)
τ = 1.5 × (t 2 − t1 ) = 1.5 × (13901− 5093) = 13212s
(7.71)
θ = t 2 − τ = 13901− 13212 = 689s
(7.72)
A função de transferência calculada a partir desta aquisição é
apresentada na equação (7.73).
71
T (s )
K
0,27
=
× e −θs =
× e −689 s ⋅o C / W
P (s ) τs + 1
13212s + 1
(7.73)
Com a aplicação de 60W na bomba a temperatura inicial foi de
19,72oC e a temperatura final de 31,58oC, com uma variação de 11,86oC.
t1 = 19,72 + (0,283 × 11,86) = 23,08o C Ÿ 4814s
(7.74)
t 2 = 19,72 + (0,632× 11,86) = 27,22o C Ÿ 12078s
(7.75)
∆T 11,86o C
K=
=
= 0,20o C / W
∆P
60W
(7.76)
τ = 1.5 × (t 2 − t1 ) = 1.5 × (12078 − 4814) = 10896s
(7.77)
θ = t 2 − τ = 12078 − 10896 = 1182s
(7.78)
A função de transferência calculada a partir desta aquisição é
apresentada na equação (7.79).
T (s )
K
0,20
=
× e −θs =
× e −1182 s ⋅ o C / W
P (s ) τs + 1
10896s + 1
(7.79)
Com a aplicação de 200W na resistência a temperatura inicial foi de
17,72oC e a temperatura final de 51,59oC, com uma variação de 33,87oC.
t1 = 17,72 + (0,283 × 33,87) = 27,30o C Ÿ 3061s
(7.80)
t 2 = 17,72 + (0,632 × 33,87) = 39,12o C Ÿ 8688s
(7.81)
∆T
33,87o C
K=
=
= 0,17o C / W
∆P
200W
(7.82)
τ = 1.5 × (t 2 − t1 ) = 1.5 × (8688 − 3061) = 8441s
(7.83)
θ = t 2 − τ = 8688 − 8441= 247s
(7.84)
A função de transferência calculada a partir desta aquisição é
apresentada na equação (7.85).
72
T (s )
K
0,17
=
× e −θs =
× e −247 s ⋅ o C / W
P (s ) τs + 1
8441s + 1
(7.85)
A função de transferência considerada para o cálculo do controlador
PI será:
T (s )
K
0,20
=
=
⋅o C / W
P (s ) τs + 1 9300s + 1
(7.86)
A Figura 7.9, Figura 7.10 e Figura 7.11, apresentam em as respostas
ao degrau às potências de 30W, 60W e 200W respectivamente nas seguintes
cores:
a) Azul: curva experimental obtida na aquisição de dados;
b) Vermelho: simulação da função de transferência utilizada para o
cálculo do controlador PI;
c) Verde: simulação da função de transferência sem o atraso de
transporte.
Figura 7.9: Aplicação de 30W
73
Figura 7.10: Aplicação de 60W
Figura 7.11: Aplicação de 200W
Cálculo do controlador PI
Visto que o sistema não é linear, o projeto do controlador PI será
calculado com t=9300s e K=0,2oC/W, pois são os valores médios entre os
valores encontrados nas aquisições e o atraso de transporte ș não será
considerado.
74
Os requisitos de projeto são, o máximo pico menor que 5%
(MP<0,05) e o tempo de acomodação menor que 60s (ts<7200s).
O cálculo do ganho integral e proporcional para o sistema de controle
de temperatura é a substituição dos valores nas equações (7.38) e (7.41),
conforme as equações (7.87) a (7.90).
KI =
(15,3037 × 9300 ) × (9,8696 + 8,9744 )
0,2 × 7200 2 × 8,9744
(
KI = 0,0290 ⋅ s −1 × W / o C
2 × 9300 ×
KP =
(7.87)
)
(7.88)
0,2 × 0,0290
×
9300
8,9744
−1
18,844
(7.89)
13,80
K P = 45,6836 ⋅ W / o C
(7.90)
Calcula-se da constante do controlador utilizando-se os seguintes
dados experimentais:
a) Temperatura: 23,25oC;
b) Ponto de ajuste: 73,75 oC
c) Erro: 50 oC;
d) Ação de controle: 50%;
e) Potência na resistência: 340W.
O ganho do controlador é a divisão da tensão de saída pelo erro,
conforme a equação (7.91).
K=
340W
= 6,8 ⋅ W / o C
50 C
o
(7.91)
Com este valor corrige-se os valores do ganho integral e proporcional
para aplicar ao controlador.
K I −C =
K P −C =
KI
K
KP
K
=
=
(
)
45,6836 ⋅ s −1 × W / o C
= 6,7182s −1
o
6,8 ⋅ W / C
0,0290 ⋅ W / o C
6,8 ⋅ W / o C
= 0,0042647
Resultados experimentais em malha fechada
(7.92)
(7.93)
75
Na Figura 7.12, estão representadas as respostas em malha fechada
do sistema de controle de temperatura para os pontos de ajuste 35oC, em azul,
e de 50oC, em vermelho. Os ganhos aplicados ao controlador são os mesmos
calculados nas equações (7.92) e (7.93).
Figura 7.12: Nível malha fechada com ganhos calculados
76
8 CONCLUSÕES
Este trabalho teve por objetivo principal a implementação de um
sistema de controle de nível e de temperatura em uma bancada didática.
Para isto, programou-se o controlador programável CompactLogix
5320 com o programa RSLogix 5000.
Também
foram
ligados
os
seguintes
equipamentos:
sensor
ultrassônico, termorresistência PT-100, transmissor de temperatura e os
amplificadores para os acionamentos da bomba e da resistência elétrica.
Implementaram-se dois controladores PI, um para o controle de nível
e outro para o controle de temperatura, através de um projeto demonstrado no
trabalho.
As medições em malha fechada indicaram que os sistemas
permaneceram estáveis, mas com oscilações sustentadas em regime
permanente.
Devido à não linearidade dos sistemas, foram arbitradas as funções
de transferência para o cálculo dos controladores, sendo que os valores
utilizados para o ganho K e o período t foram os valores médios das respostas
em malha aberta. Os ensaios de temperatura foram realizados com o nível do
reservatório superior em 150mm e a válvula de retorno totalmente aberta para
ter-se aproximadamente a mesma perda de calor a cada ponto de operação.
No sistema de controle de nível, conseguiu-se eliminar o problema
das oscilações em regime permanente com a atenuação do ganho integral e a
adição do ganho derivativo, sendo que este ajuste foi obtido através de
experimentos em malha fechada.
Para trabalhos futuros, sugere-se:
−
implementar outros tipos de controladores através do pacote de
software do RSLogix 5000 com blocos de funções;
77
−
a
implementação
do
sistema
supervisório
programas Elipse E3 ou do RSView.
através
dos
78
REFERÊNCIAS
BEGA, E.; DELMÉE, G., COHN P.; et alli. Instrumentação Industrial. Rio de
Janeiro: Editora Interciência. 2003. 542p.
COELHO, A.; COELHO, L. Identificação de Sistemas Dinâmicos Lineares. 1
Ed. Florianópolis: Editora da UFSC, 2004. 181p.
CUNHA, M. Apostila de Sistemas de Controle: modulo IV. CEFET-Pelotas.
2005. 20p.
FESTO DIDACTIC. Process Control System: control of temperature, flow, and
filing level. Festo Didactic GmbH & Co. 1998.
GEORGINI, M. Automação Aplicada: descrição e implementação de sistemas
seqüências com PLC’s. 9. Ed. Tatuapé. SP.: Ed. Érica, 2003. 217p.
MINIPA. Manual de Instruções ET-2210 MINIPA. 2003. 38p. Disponível em:
<http://www.minipa.com.br/download/manuais/ET-2210/Et-2210-1100.zip>.
Acesso em: <13 out 2005>.
MINIPA. Manual Software ET-2210. [S.l.];[S.d.]
MIYAGI, P. E. Controle Programável: fundamentos do controle de sistemas a
eventos discretos. Rio de Janeiro: Ed. E. Blücher, 1996. 194p.
MORAES, C.; CASTRUCCI, P. Engenharia de Automação Industrial. 1 Ed.
Rio de Janeiro: LTC - Livros Técnicos e Científicos, 1996. 296p.
OGATA, K. Engenharia de Controle Moderno. 4 Ed. São Paulo: Pearson
Education do Brasil, 2003.
ROCKWELL AUTOMATION. ControlLogix Programmer Cable. 1997. 4p.
Disponível
em:
<http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/in/175
6-in046_-en-p.pdf> Acesso em: <13 out 2005>.
ROCKWELL AUTOMATION. Compact Expansion Power Supplies. 2000.
Disponível
em:
<http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/in/176
9-in028_-en-p.pdf>. Acesso em: <13 out 2005>.
ROCKWELL AUTOMATION. Compact Combination 24Vdc Sink/Source
Input & AC/DC Relay Output Module. 2001. 20p. Disponível em:
<http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/in/176
9-in050_-en-p.pdf>. Acesso em: <13 out 2005>.
79
ROCKWELL AUTOMATION. Compact Combination Analog I/O Module.
2001.
Disponível
em:
<http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/in/176
9-in057_-en-p.pdf>. Acesso em: <13 out 2005>.
ROCKWELL AUTOMATION. CompactLogix Controllers. 2003. 24p.
Disponível
em:
<http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/in/176
9-in047_-en-p.pdf>. Acesso em: <13 out 2005>.
ROCKWELL AUTOMATION. Logix5000™ Controllers General Instructions:
reference
manual.
2003.
619p.
Disponível
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<
http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/rm/175
6-rm007_-en-p.pdf >. Acesso em: <13 out 2005>
ROCKWELL AUTOMATION. RSView32 Geeting Results Guide. 2003. 128p.
Disponível
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<http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/gr>
Acesso em: <13 out 2005>.
ROCKWELL AUTOMATION. Controladores Logix 5000: referência do
sistema,
2004.
388p.
.
Disponível
em:
<http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents>.
Acesso em: <13 out 2005>.
ROCKWELL AUTOMATION. Logix5000™ Controllers Common Procedures:
programming
manual.
2004.
575p.
Disponível
em:
<literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/pm/1756pm001_-en-p.pdf >. Acesso em: <13 out 2005>
SIEMENS.
TCA-785
Datasheet.
17p.
Disponível
em:
<http://www.ortodoxism.ro/datasheets/infineon/1-tca785.pdf. Acesso em: <13
out 2005>.
SILVEIRA, P.; SANTOS, W. Automação e Controle Discreto. 10. Ed.
Tatuapé. SP.: Ed. Érica, 2002. 229p.
80
ANEXO A – LED’S DE SINALIZAÇÃO DA CPU
Tabela A.1: LED’s de sinalização da CPU
Não há rotinas em execução;
Desligado
(PROG).
RUN
Verde
Desligado
FORCE
O controlador está em modo de execução (RUN).
Não há forças de entrada e saída habilitadas.
Há forças de entrada e saída habilitadas.
Âmbar
Há forças de entrada e saída na máscara de força,
Desligado
BAT
Vermelho
Desligado
Verde
OK
Há rotinas em execução;
Âmbar
piscante
I/O
O controlador está em modo de programação
Verde
porém não estão ativas.
A bateria de lítio está fornecendo tensão suficiente
para manter a memória.
A bateria deve ser trocada.
Os módulos de entrada e saída não estão
configurados no programa.
A comunicação está perfeita com todos os módulos
de entrada e saída.
Um ou mais módulos de entrada e saída estão com
piscante
falha de comunicação.
Vermelho
Nenhum
piscante
comunicando.
Desligado
Verde
módulo
de
entrada
e
saída
A fonte não está fornecendo tensão à CPU.
O controlador está funcionando normalmente.
estão
81
Vermelho
Há falha recuperável no controlador, é necessário
piscante
desliga-lo, revisar as ligações e ligá-lo novamente.
Vermelho
Desligado
DCH0
Verde
Desligado
Channel
Verde
0
Verde
piscante
Há falha permanente no controlador. É necessário
substituí-lo e envia-lo para conserto.
A comunicação não está configurada para o
Channel 0 da CPU, é realizada por outro dispositivo.
A comunicação está configurada para o Channel 0
da CPU.
Não há comunicação pela porta RS-232.
Comunicação realizada pelo protocolo DH485.
Comunicação realizada pelo protocolo DF1.
ANEXO B – TAGS DO CONTROLADOR
As tags a seguir são declaradas no programa RSLogix 5000, no
campo de tags com escopo no programa.
TAG
Tabela B.2: Tags do Controlador
DESCRIÇÃO
FORMATO DO DADO
Inicializacao
Bit de inicialização (supervisório)
Digital
Entrada_nivel
Entrada de sinal de nível (IN 0)
Inteiro
SP_temperatura
Set-point de temperatura (supervisório)
Real
KP_nivel
Ganho integral do controle de nível Ti Real
(supervisório)
TI_nivel
Ganho integral do controle de nível Ti Real
(supervisório)
TD_nivel
Ganho derivativo do controle de nível Td Real
(supervisório)
82
KP_temperatura
Ganho
proporcional
do
controle
de Real
temperatura Kp (supervisório)
TI_temperatura
ganho
integral
do
controle
de Real
temperatura Ti (supervisório)
TD_temperatura
Ganho
derivativo
do
controle
de Real
temperatura Td (supervisório)
PID_nivel
Controlador de nível (programa)
PID
PID_temperatura
Controlador de temperatura (programa)
PID
Habilita_TT
Habilita o transmissor de temperatura Digital
(OUT 3)
Entr_temperatura Entrada do sinal de temperatura (IN 1)
Inteiro
Saída_bomba
Saída para a bomba (OUT 0)
Inteiro
Saida_resist
Saída para as resistências (OUT 1)
Inteiro
Bot_emerg
Entrada do botão de emergência (IN 0)
Digital
Sensor_ultr
Habilita o sensor ultrassônico (OUT 0)
Digital
Habilita_bomba
Habilita a bomba (OUT 1)
Digital
Habilita_resist
Habilita as resistências (OUT 2)
Digital
SP_nivel
Set-point de nível (supervisório)
Real
Entr_nivel
Entrada do sinal de nível (IN 0)
Inteiro
83
ANEXO C – DIAGRAMA LADDER
84
ANEXO D – PROGRAMAÇÃO DO SUPERVISÓRIO
Este anexo demonstra o desenvolvimento do supervisório utilizando
a ferramenta de desenvolvimento RSView 32 (ROCKWELL, 2003c), produzida
pela empresa Rockwell Automation. Ele fornece uma visão geral da ferramenta
de supervisão e apresenta o desenvolvimento das telas de supervisão
propostas para a planta protótipo.
Abrindo o projeto no RSView 32, no modo de edição dispõe-se das
seguintes ferramentas de implementação do sistema de supervisão:
System: Mostrada na Figura D.1, possui as ferramentas de
configuração para a comunicação, tags, usuários e inicialização.
Figura D.1: Ferramentas de configuração do sistema e das telas
a) Channel: Especifica os canais de comunicação (drivers) e o
protocolo de comunicação utilizado (CONTROLNET, DF1 HALF DUPLEX, DH,
DH+, DH-485, TCP/IP e TCP/IP BRIDGE). O protocolo utilizado neste projeto
seria o DF1 HALF DUPLEX.
85
b) Node: Define a comunicação entre estações e o sistema de
supervisão, como mostrado na Figura D.2 o programa de supervisão não é
compatível com o controlador. Através do programa RSLinx é configurada a
transmissão por canal direto (Direct Driver), servidor OPC (OPC Server) ou
servidor DDE (DDE Server).
Figura D.2: Caminho de comunicação com o controlador (não compatível)
c) Scan Class: Determina o intervalo de atualização dos valores das
tags.
d) Tag Database: Utilizado para a criação das tags de comunicação
(com o controlador programável) e memória (tags internos do programa de
supervisão). Também possui o campo de configuração dos alarmes, assim
cada tag pode possuir uma configuração de alarmes. A Figura D.3 mostra a
janela de criação das tags.
86
Figura D.3: Criação de uma tag
e) Tag Monitor: Cria uma planilha de leitura de valores de tags,
atualizada de acordo com os intervalos definidos no Scan Class. Esta planilha
pode ser inserida nas telas de supervisão, através da opção “Tag Monitor” do
editor de telas.
f) User Accounts: Define usuários, senhas e permissões. Os códigos
de segurança (Security Codes) são letras que servem para associar às tags do
programa aos usuários que possuem permissão de leitura e escrita dos
mesmos.
g) Security Codes: Configura senhas aos comandos.
h) Activity Log Setup: Define as situações que o usuário deverá
informar o nome e a senha.
i) Activity Log Viewer: É uma planilha que registra todas as entradas
e saídas do sistema, informando a data, a hora, a categoria de utilização
(Security Code) e a estação que operou o sistema.
j) Start-up: Define as preferências do usuário quanto a tela inicial,
status de comunicação, alarmes, título, minimização, maximização, fechamento
de telas e menu.
87
l) Command Line: É uma ferramenta para a criação de comandos
em forma textual com o editor do RSView 32.
Graphics: Mostrada na Figura D.1, possui as ferramentas para a
criação das telas.
a) Display: Cria e armazena as telas do programa de supervisão.
b) Library: Possui desenhos prontos para auxiliar a montagem das
telas. Um exemplo de biblioteca de módulos de controladores programáveis é
mostrado na Figura D.4.
Figura D.4: Exemplo de uma biblioteca de imagens disponíveis
d) Parameters: cria um arquivo de parâmetros para com displays
gráficos contendo cabeçalhos de localização de tags, o que
permite usar o mesmo display com diferentes tags;
e) Recipe: cria um arquivo de receitas para uso com displays
gráficos que contém um arquivo de receitas.
Alarms: Mostrada na Figura D.5, possui as ferramentas para a
configuração dos alarmes.
88
Figura D.5: Ferramentas de alarmes, lógica e controle
a) Alarm Setup: Configura os alarmes quanto à periodicidade,
severidade e mensagens exibidas.
b) Alarm Log Viewer: É um histórico dos alarmes.
c) Alarm Summary: Informa ao usuário a informação contida no
alarme e possibilita ao mesmo reconhecê-lo.
d) Suppressed List: Suprime o alarme que monitora para um ou mais
tags. Isto é útil para testar o sistema ou executar reparos ou manutenção.
Neste campo é apresentada a lista de tags que estão com os alarmes inibidos.
Data Log: Mostrada na Figura D.5, é responsável pelos modelos de
registro de dados.
a) Data Log Setup: Cria modelos de registro dos dados,
especificando onde, quando e como o usuário quer os valores selecionados
das tags registradas.
Logic and Control: Mostrada na Figura D.5, possui as ferramentas
para a criação de lógicas aplicadas ao programa de supervisão.
a) Derived Tags: Cria tags cujos valores são derivados de outras
tags ou funções.
89
b) Events: Cria eventos no programa de supervisão de acordo com
uma rotina criada no campo Expression.
c) Macros: Cria macros na execução dos comandos do RSView.
d) Global Keys: Aproveita os caracteres do teclado para executar
comandos na execução de um programa do RSView 32.
e) Visual Basic Editor: Abre um editor de Visual Basic para o
desenvolvimento de aplicações no RSView 32.
O editor de telas possui ferramentas de desenho e configuração de
objetos. As formas geométricas básicas podem ser coloridas e animadas. O
menu Attributes possui várias opções para editar as linhas e as cores dos
desenhos. E com a figura pronta no editor, clicando-se com o botão direito do
mouse na mesma, encontra-se as opções de arranjo das figuras, atributos e
animação. Selecionando-se a figura e o menu Animation encontra-se várias
maneiras de animação, baseadas em uma expressão, geralmente determinada
pelo valor de uma tag. As animações podem ser configuradas de acordo com a
variação de visibilidade, cor, posição horizontal e vertical, altura, etc. No menu
View pode-se selecionar a opção Grid Settings, para a determinação de
espaços-padrões para facilitar o desenho de linhas retas e medidas exatas.
Clicando-se com o botão direito fora de qualquer figura, tem-se a opção Display
Settings (Figura D.6), nesta opção é definida a cor de fundo da tela e o Security
Code para determinar o acesso de usuários e outras opções de configuração
de tela de fundo.
a) Numeric Display: Apresenta o valor numérico de uma tag ou
valores calculados a partir das mesmas na tela.
b) Numeric Input: Cria um campo para escrever um valor numérico
em uma tag digital ou analógica.
c) String Display: Apresenta valores alfanuméricos de uma tag ou o
resultado de expressões lógicas das mesmas. Este campo apresenta somente
valores de tags ou expressões do tipo string.
d) String Input: Cria um campo para escrever um valor em uma tag
alfanumérica do tipo string.
e) Arrow: Cria uma fecha que varia sua posição de acordo com a tag
ou expressão associada. Usada para indicar valores em uma escala graduada.
90
Figura D.6: Configuração do plano de fundo
f) Recipe: um arquivo fornece um conjunto de valores para tags em
uma tela gráfica em tempo de execução.
g) Alarm Summary: Cria um campo para o reconhecimento e
tratamento dos alarmes.
h) Command Line: Cria um campo para o usuário criar e executar
rotinas no programa quando o mesmo está em execução.
i) Tag Monitor: Cria uma tabela para a monitoração das tags na tela
quando o programa estiver em execução.
j) OLE Objects: Insere figuras e textos de outros programas (Power
Point, AutoCAD, Word, bitmap, Excel, etc.)
l) ActiveX Controls: Cria rotinas de ActiveX para os programas
instalados no computador.
m) Trend: Abre uma janela para a elaboração de gráficos, nesta
janela definimos a escala de tempo, legenda, cores, tags, interpolação,
intervalo de atualização, etc. Este comando é ilustrado na Figura D.7.
91
Figura D.7: Configuração de um gráfico
n) Button: Abre uma janela para a configuração de botões de
comando como: estilo, rotina a executar, cor e fonte. Exemplificado na Figura
D.8.
o) Test Run: Simula o funcionamento do programa.
p) Normal: Coloca o projeto em modo de edição.
92
Figura D.8: Configuração de ação a um botão de comando
Telas aplicadas ao projeto
A tela GERAL (Figura D.9) tem a função de ligar e desligar o
sistema, monitorar o nível pelo seu valor em milímetros e pela animação da cor
azul que varia de altura no reservatório superior, monitorar a temperatura com
o seu valor em graus Celsius, definir os pontos de ajuste de nível e de
temperatura e o valor da tensão na bomba e na resistência para o usuário
monitorar a ação de controle.
93
Figura D.9: Tela Geral
As telas NÍVEL 1min (Figura D.10), NÍVEL 10min (Figura D.11),
TEMPERATURA 10min (Figura D.12) e TEMPERATURA 1h (Figura D.13)
apresentam os gráficos de nível e temperatura e os respectivos pontos de
ajuste, possibilitando ao usuário acompanhar a resposta do sistema. Também
é exibido o valor atual do nível ou da temperatura e pode-se alterar o ponto de
ajuste nestas telas.
Figura D.10: Tela Nível 1min
94
Figura D.11: Tela Nível 10min
Figura D.12: Tela Temperatura 10min
95
Figura D.13: Tela Temperatura 1h
A tela AJUSTES E GANHOS (Figura D.14) permite a alteração dos
ganhos dos controladores e dos pontos de ajuste. Também é possível
monitorar os valores atuais do nível e da temperatura e possui três tópicos de
ajuda sobre controle de processos.
Figura D.14: Tela Ajustes e Ganhos