PTI 2011 - WORKSHOP DE PESQUISA, TECNOLOGIA E INOVAÇÃO
SENAI/DR-BA
Projeto de controladores de processos contínuos através de
laborátorios virtuais
Talitha Evangelista Ferreira da Silva *, Milton Bastos de Souza **
* Bolsista de Iniciação Científica da Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC, [email protected]
**Mestre em Engenharia Elétrica , Orientador de Iniciação Científica da Faculdade de Tecnologia SENAI CIMATEC,
[email protected]
Resumo
Este trabalho tem como objetivo à implementação de experimentos virtuais em
controle de processo com o Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench
(LabVIEW), onde o usuário possa interagir com as simulações através de uma
interface amigável, em um sistema simples e eficiente, que possibilite efetuar
experiências de malhas de controle. A finalidade é possibilitar a execução de
experiências reais de sistemas de controle de malhas de nível e temperatura, em
uma tela interativa com objetivo de ajudar o pesquisador na solução dos seus
problemas em automação industrial, dispondo de ferramentas que são capazes de
realizar experiências voltadas, principalmente, para implementação de tópicos no
estudo de sistemas de controle, tais como monitoração de sistemas em malha
aberta, malha fechada, sistemas de primeira e de segunda ordem, implementação
de vários tipos de estratégias de controle de processos. A ferramenta de trabalho
será LabVIEW, versão 2009, que possui telas que representam o processo e que
podem ser animados em função das informações recebidas pelo CLP,
controladores, etc.
Palavras-Chave: Implementação; LabVIEW; Controle de malhas.
1. Introdução
Na automação industrial, controladores de processo são equipamentos
responsáveis pelo controle de processo industrial ou parte dele através de
algoritmos de controle específicos, tais como PID, lógica fuzzy ou redes neurais. Em
grande parte das configurações, um controlador é responsável por uma única malha
de controle. Esses instrumentos são dedicados em sua função e podem enviar
dados diversos para outros dispositivos ou outras malhas no processo. Entre outros,
podemos encontrar em diversos tipos de plantas industriais, controladores de
temperatura (pirômetros), vazão, pressão, nível, posicionamento, etc. Em geral isso
é feito por controladores lógicos programáveis (CLPs), sistemas digitais de controle
distribuído (SDCDs) ou equipamentos semelhantes. Tanto a indústria de processos
quanto a de manufatura estão sob uma pressão crescente para maximizar a
eficiência, reduzir o tempo ocioso e aumentar o rendimento. Engenheiros e
especialistas na área reconhecem que o segredo para fazer essas implementações
são informações precisas e atualizadas. Entretanto, o desenvolvimento da
informação é complicado devido à grande variedade de software e hardware
existente em uma planta industrial e a limitação de sistemas tradicionais. A
incorporação de um ambiente de desenvolvimento gráfico (laboratório virtual), em
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um sistema já existente, serve para adicionar medições, analisar o processo para
coletar dados complexos e convertê-los em informações úteis. Além disso, devido à
fácil integração deste laboratório, é possível conectar e fornecer a informação onde
ela for necessária seja em um banco de dados, um painel baseado em web ou até
em um hardware de controle já existente. A estrutura de sistema de controle
simulada utiliza a arquitetura clássica de controlador em série com a planta a ser
controlada e com esquema de realimentação unitária. Na simulação, o usuário pode
visualizar e entrar com valores para parâmetros como: tipo de controlador P
(proporcional) ou I
(integral) ou
PI
(proporcional/integral) ou
PD
(proporcional/derivativo) ou PID (proporcional/integral/ derivativo), tipo de planta (1ª
ou 2ª ordem), podendo possuir dinâmica no numerador (zeros), além de atraso de
transporte; sinal de perturbação de carga e entrada tipo degrau ou senoidal ou ainda
uma combinação de ambos.
O LabVIEW é o laboratório virtual que será utilizado pelo pesquisador, é um
ambiente de desenvolvimento gráfico que complementa o IEC 61131-3 baseado em
CLPs, incorporando um computador pessoal (PC) e tecnologias embarcadas para
análises em tempo real, monitoramento, controle avançado, e manutenção preditiva.
É possível aumentar significantemente o desempenho, produtividade e
disponibilidade utilizando LabVIEW em seus sistemas baseados em CLPs. Ele
aumenta a capacidade de medições industriais com novas funcionalidades
projetadas para análise e controle avançados, gerenciamento de sistemas
distribuídos aprimorados e novas interfaces homem-máquina (IHMs). Com o
LabVIEW, o usuário pode utilizar uma ferramenta de software para desenvolver e
projetar sistemas industriais e implementar sistemas industriais de alto desempenho
em medições, controle e análise avançada baseados em arranjo de portas
programável em campo(FPGA), comunicação com sistemas existentes, e interfaces
homem máquina.
Assim sendo, a inserção de ferramentas virtuais que possa subsidiar pesquisadores
em soluções de automação será de grande valia para faculdade SENAI Cimatec. Ela
permitirá a resolução de problemas com o mínimo de investimento em infraestrutura.
Além disso, a atualização destas ferramentas será basicamente atualização de
software e isto não onerará muito o custo do laboratório de automação, quando
comparado com laboratórios de automação e controle baseados na utilização de
Plantas Pilotos.
2. Revisão bibliográfica
Para comprender os elementos que compõem uma malha de controle, foi utilizado o
livro de OGATA, Engenharia de Controle Moderno. Para a parte de metrologia, tais
como:o resultado de uma medição, para expressar de forma numérica o valor de
uma grandeza física, sempre esta associada a uma incerteza inerente ao processo;
os fatores que influenciam nos erros dos valores medidos devem ser do
conhecimento do operador, tais como condições ambientais que impliquem em
correções para comparação com os valores normalizados; métodos indiretos de
medida quem envolvam operações matemáticas; instrumentos envolvidos, foi
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utilizado o livro do autor Lira, Francisco Adval de. Metrologia na Indústria. 2.ed. São
Paulo. O conhecimento de Instrumentação Industrial foi de extrema importância para
este projeto e pode ser obtido através do livro de SOISSON, Harold E.
Instrumentação industrial. Paraná: Hemus, 2002. Estudo teórico e prático (lições de
apredizagem) foi obtido no manual LABView Básico I e II, e além disso pode obter
informações sobre outros projetos acadêmicos no próprio site da National
Instruments que ajudou bastante em alguns problemas que obtive.
3. Metodologia
Primeiramente foi necessário obter um conhecimento sobre instrumentação
industrial, especificamente sobre os elementos que compõem uma malha de
controle, esse estudo foi realizado através do livro de OGATA, Engenharia de
Controle Moderno, onde há dois tipos de malhas: aberta e fechada. A primeira é
quando a saída do sistema de controle não tem efeito na ação do controle, ou seja,
a saída nem é medida nem é realimentada para comparação com a entrada, se
houver distúrbios num sistema deste tipo a tarefa não será desempenhada. Já a
malha fechada, o sinal de saída possui um efeito direto na ação de controle, são
sistemas realimentados para que se reduza o erro e a saída mantenha-se em um
valor desejado. Entender a diferença de malha aberta e fechada é de extrema
importância para identificar e definir as entradas e saídas para que se possa projetar
um algoritmo, fluxograma e/ou diagrama de transição de estados para ajudá-lo a
chegar à solução do software. Os elementos que compõem uma malha são:
variáveis de processo, variável controlada, variável manipulada, meio controlado e
agente de controle. As variáveis de processo são aquelas condições externas e
internas que afetam o desempenho do processo. O processo pode ser controlado
medindo-se a variável que representa o estado desejado e ajustando
automaticamente as demais, de maneira a se conseguir um valor desejado para a
variável controlada. Variável controlada ou variável do processo indica mais
diretamente a forma ou o estado desejado do produto. Variável Manipulada é aquela
que o controlador atua sobre ela, com a intenção de manter sempre o valor
desejado, ela pode ser qualquer variável que cause uma variação rápida na variável
controlada do processo. Meio controlado é a energia ou material no qual a variável é
controlada. Por fim, agente de controle é a energia ou material do processo,
enquanto a variável manipulada corresponde a uma condição ou característica.
A segunda parte do processo foi o estudo do LabVIEW Básico I e II.O manual do
LabVIEW ajuda a ter um introdução ao software, que é uma linguagem de
programação gráfica que usa “icons” ao invés de linhas de texto para criar
programa.Estudando este manual ficou simples:entender painéis frontais, diagramas
e blocos, ícones e connector panes,usar as estruturas de programação e tipos de
dados que existem no LabVIEW,utilizar várias técnicas de edição e depuração,criar
e salvar Vis (instrumentos virtuais) para que estas sejam utilizadas como sub Vis,
mostrar e armazenar dados, criar aplicações que utilizam dispositivos DAQ (sistema
de aquisição de dados).Este módulo utiliza um método de desenvolvimento de
software que serve como estrutura para o desenvolvimento prático de todos os
exercícios. Na maioria dos exercícios, é passado um cenário e passos do projeto.
Depois você completa a implementação com testes e os passos de manutenção. Só
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assim, foi possível aprender a criar implementações de sucesso. No método de
desenvolvimento de software, há os seguintes passos: Definir o problema (cenário),
Desenvolver um algoritmo e/ou um fluxograma, implementar o projeto, Testar e
verificar a implementação, Manter e atualizar a implementação. Durante este estágio
do método de desenvolvimento de software, é definido qual é o problema para que
você possa abordá-lo com todos os fatores identificados. Você pode ignorar fatores
externos durante esta fase e focar no núcleo do problema que você deve resolver. A
maneira que o problema é identificado inicialmente pode economizar tempo
enquanto se projeta e implementa a solução. Após determinar o escopo do
problema, é preciso projetar uma solução analisando o problema. Parte da análise
da solução é identificar as entradas e saídas do programa, assim como qualquer
requisito adicional. Após serem definidas as entradas (As entradas indicam o dado
puro que você precisa processar durante a resolução do problema.) e saídas (As
saídas representam o resultado de cálculos, processamento ou outras condições
que o processo de solução do problema implemente.), pode-se projetar um
algoritmo, fluxograma e/ou diagrama de transição de estados para ajudá-lo a chegar
à solução do software. Um algoritmo é uma série de passos que processam suas
entradas e criam as saídas. O diagrama de transição de estados é um tipo
específico de fluxograma muito utilizado quando são criadas máquinas de estados
no LabVIEW, permitem que você indique claramente os estados do programa e o
que causa uma transição do programa de um estado para o próximo. No estágio de
programação, na verdade é criado um código para seu algoritmo ou fluxograma.
Quando escrevemos um código em linguagens baseadas em texto, o algoritmo
traduz satisfatoriamente a cada linha de código, dependendo do nível de detalhe
mostrado no algoritmo. Devido o LabVIEW ser uma linguagem gráfica de
programação, o fluxograma funciona quase da mesma maneira.
Na Lição 10, estudaremos Técnicas e Padrões Comuns de Projeto, aonde teremos
mais informações sobre implementação de Vis a partir de um fluxograma ou um
diagrama de transição de estados. Devido o LabVIEW ser uma linguagem gráfica de
programação, o fluxograma funciona quase da mesma maneira. Na Lição 10, foram
estudados Técnicas e Padrões Comuns de Projeto, aonde obtive mais informações
sobre a programação de Vis a partir de um fluxograma ou um diagrama de transição
de estados. Teste e verificação é uma parte importante do método de
desenvolvimento de software. É necessário ter certeza de testar sua implementação
com dados que são e não são lógicos para a solução criada. Testar dados lógicos
verifica que as entradas produzem o resultado esperado. Ao testar com dados não
lógicos, você pode verificar se o código faz um gerenciamento efetivo de erros.
A manutenção é um processo contínuo de resolução de erros de programação
adicionando mudanças em paralelo à solução original de um problema.
Atualmente vem sendo estudado controle de nível no LabVIEW, esse controle pode
ser feito pela medição direta ou indireta. Pelo método de medição direta, é a
medição em que tomamos como referência a posição do plano superior da
substância medida, pode ser realizada: pela observação visual direta, através de
comparação com uma escala graduada; pela determinação da posição de um
detector, como uma bóia, sobre a superfície do produto que se deseja medir; pelo
contato de eletrodos com a superfície livre do nível a ser medido; pela interrupção de
um feixe de luz enviado para uma célula fotoelétrica, pela interposição entre o
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emissor e a célula do produto cujo nível se deseja medir; pela reflexão de ondas de
rádio ou sônicas na superfície livre do produto. Já a medição indireta, é o tipo de
medição que se faz para determinar o nível em função de uma segunda variável.
Agora o estudo está voltado para fazer o controle de nível com LabView, um passoa-passo de como conseguir realizar e como usar os VI´s, para inicio é possível
controlar pela plataforma de booking, no browser, é possível escolher três modos de
interação: Main Painel, Graphs ou Level Control. No modo Main Panel, supondo que
seja o controle de nível de água, num sistema com uma bomba, pode atuara bomba
e a válvula de descarga e variar o fluxo de entrada de água, ao mesmo tempo é
possível monitorar o estado dos vários detectores (on/off) e o valor do nível de água
medido pelo instrumento utilizado.Se utilizado o Graphs, pode-se ver a evolução
gráfica do nível de água no tanque superior para cada VI utilizado, existe um check
boxes para cada VI.
Finalmente, se for utilizado o modo de interação Level Control, pode-se observar o
comportamento do sistema quando ativado um controlador de nível PID, para que
isso ocorra é necessário seguir alguns passos:
1. Introduzir o ganho proporcional (Kc), a constante de integração (Ti) e a constante
de derivação (Td).
2. Visualizar o nível atual de água, nesse caso, (medido pelo VI) e introduzir a
referência do nível desejado.
3. Pressiona o botão START para iniciar o controle.
4. Resultados e Discussão
Este projeto teve como finalidade a elaboração de um sistema de monitoração e
controle de ensaios experimentais. Foi desenvolvido uma infra-estrutura com base
em instrumentação virtual e uma metodologia para o desenvolvimento de um
laboratório virtual, utilizando LabVIEW da National Instruments. O intuito maior foi o
controle dos parâmetros de funcionamento de um sistema real de controle de nível,
temperatura e pressão, utilizando uma interface amigável e intuitiva. Sendo assim foi
possível contribuir com a aquisição de dados a distância para auxiliar no estudo de
sistemas reais e virtuais que disponham de controle e a disposição de dados para
elaboração de um relatório didático.
5. Conclusões
Com os estudos realizados e entendimento dos tópicos no manual do LabVIEW foi
possível estar apta para começar a resolver os problemas passados no manual e até
mesmo os que obtive ao longo da pesquisa . Os projetos como de controle de nível,
temperatura e pressão foram realizados satisfatoriamente até o presente momento.
6. Referências
NATIONAL INSTRUMENTS. LabVIEW 5.1. Austin: National Instruments, c1999 disponível em:
<http://cnx.org/content/m12193/latest >
PERSON, Addison-Wesley. Engenharia de Software. 8. ed. São Paulo: Prentice Hall, 2007. 240-256 p.
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OGATA, Katsuhiko. Engenharia de controle moderno. 4. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2003. 813 p. ISBN 85-2161243-5
KESTER, Walt. Data Conversion handbook. Amsterdam: Elsevier, 2005. 895 p. ISBN 13: 978-0-7506-78414,10: 0-7506-7
SMITH, Gary W. Controle de qualidade na indústria de malhas. Rio de Janeiro: SENAI/CETIQT, 1987. 74 p.
NATIONAL INSTRUMENTS. Disponível em: http://www.ni.com/dataacquisition
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