Controle de Nível de Reghghgservatório Utilizando o Algoritmo PID Implementado Em CLP

Controle de nível em reservatório utilizando

o algoritmo PID implementado em CLP

Fabrício Marqui Sanches

Luiz Otacílio Ferreira de Andrade

Araçatuba - SP

2011

Centro Universitário Católico Salesiano Auxilium – Araçatuba - SP

Controle de nível de reservatório utilizando o

algoritmo PID implementado em CLP

Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia

Mecatrônica

Orientador: Prof. Msc José Ferraz Vital Leão

Centro Universitário Católico Salesiano Auxilium

UniSALESIANO de Araçatuba – SP

Araçatuba - SP

2011

SANCHES, Fabricio Marqui; ANDRADE, Luiz Otacilio

Ferreira de. – 2011

Controle de nível em reservatório utilizando o algoritmo PID

implementado em CLP.

100 p. – Monografia (Graduação)

UniSALESIANO – Centro Universitário Católico Salesiano

Auxilium – Araçatuba-SP.

Orientador: José Ferraz Vital Leão

Referências bibliográficas: 74 -76.

1. Controle de Processos.

2. Controladores PID.

3. Desenvolvimento e Implementação.

Controle de nível de reservatório utilizando o

algoritmo PID implementado em CLP

Fabrício Marqui Sanches

Luiz Otacílio Ferreira de Andrade

Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia

Mecatrônica

Orientador: Prof. Msc José Ferraz Vital Leão

Centro Universitário Católico Salesiano Auxilium

UniSALESIANO de Araçatuba – SP

_________________________________________________

Prof. MSc: José Ferraz Vital Leão

Centro Universitário Católico Salesiano Auxilium - Unisalesiano

Data: 19/11/2011

_________________________________________________

Prof. MSc: Tomiji Odaka


Data: 19/11/2011

_________________________________________________

Prof. MSc: Netulio Alarcon Fioratti


Data: 19/11/2011

AGRADECIMENTOS

A Deus pela graça de poder concluir este trabalho, finalizando uma longa etapa

percorrida em minha vida.

Ao meu orientador, Professor Msc. José Ferraz Vital Leão, pela orientação,

companheirismo, paciência e amizade prestadas. Tais fatores foram determinantes para

o bom desenvolvimento deste trabalho.

Ao Engenheiro Eletricista, Marcio H. Gimenez Cardoso, professor e proprietário

do colégio IMPACTO de Araçatuba-SP pelo grande apoio oferecido com o empréstimo

de equipamentos e orientações técnicas prestadas para conclusão deste trabalho.

Ao Engenheiro Sergio Zanarotti da Smar Equipamentos Industriais Ltda. Pelo

esclarecimento de dúvidas e atenção dedicada.

A todos os amigos que aqui não se encontram citados e que de alguma forma

contribuíram para que este trabalho fosse realizado.

MENSAGEM

No meio da dificuldade encontra-se a oportunidade.

(Albert Einstein)

http://pensador.uol.com.br/autor/albert_einstein/

RESUMO

Este trabalho apresenta a implementação e sintonia do algoritmo dos parametrois

do controle proporcional-integral-derivativo (PID) em um controlador lógico

programável (CLP CD600 da SMAR), para utilização em um sistema de bombeamento

d‟água dotado de reservatório inferior e superior, sendo este um protótipo construído

para simulação e análise de resultados práticos mediante a essa implementação. O

controle implementado será responsável por manter o nível do reservatório superior em

um valor determinado, através do conjunto motobomba, variando a velocidade do seu

motor CC. A leitura de nível do reservatório superior será realizada por um transdutor

de pressão presente no inicio da tubulação de recalque que quantificará a pressão no

mesmo, sendo esta proporcional ao nível no reservatório superior, enviando este sinal

em forma de tensão elétrica para o controlador lógico programável. A retirada de água

será feita através de válvula manual localizada ao fundo do reservatório superior, sendo

esta reenviada para o reservatório inferior, de modo a simular a retirada de água a fim

de suprir uma aplicação que necessite de uma vazão constante na saída.

Palavras-chave: Controle de nível, algoritmo PID implementado em CLP, sistema de

bombeamento.

ABSTRACT

This work presents the implementation and tuning of the algorithm of the control

parameter is the proportional-integral-derivative (PID) in a programmable logic

controller (PLC of SMAR CD600), for use in a water pumping system equipped with

upper and lower reservoir, which is a prototype built for simulation and analysis of

practical results by this implementation. The implemented control will be responsible

for maintaining the reservoir level higher than a value determined by the set pump,

varying the speed of your DC motor. The reading level of the upper reservoir will be

performed by a pressure transducer at the beginning of this discharge piping to quantify

the pressure, which is proportional to the level in the upper reservoir, sending this signal

in the form of voltage to the programmable logic controller. The withdrawal of water

will be done through manual valve located at the bottom of the upper reservoir, which is

returned to the lower reservoir in order to simulate the removal of water in order to

supply an application that requires a constant flow in the output.

Keywords: Level control, PID algorithm in CLP, the pumping system.

LISTA DE ILUSTRAÇÔES

Figura 01-Representação de um sistema de controle ...................................................... 12

Figura 02-Planta industrial para processamento de petróleo bruto ................................. 12 Figura 03-Representação de controle em malha aberta .................................................. 14 Figura 04-Exemplo de sistema em malha aberta ............................................................ 14 Figura 05-Representação de controle em malha fechada ................................................ 15 Figura 06-Exemplo de sistema em malha fechada .......................................................... 16

Figura 07-Instrumentos comumente encontrados em uma malha de controle ................ 17 Figura 08-Malha típica de controle: transmissor, controlador e válvula de controle ...... 18 Figura 09-Transdutor de pressão ..................................................................................... 18

Figura 10-Termopar ........................................................................................................ 19 Figura 11-transmissor de sinal ........................................................................................ 19 Figura 12-Transmissor eletrônico de pressão ................................................................. 20 Figura 13-Manômetro ..................................................................................................... 20

Figura 14-Indicador digital ............................................................................................. 20 Figura 15-Registrador digital .......................................................................................... 21 Figura 16-Registrador analógico ..................................................................................... 21 Figura 17 – Controlador universal .................................................................................. 22

Figura 18-Controlador lógico programável (CLP) ......................................................... 22 Figura 19-Conversor eletro-pneumático ......................................................................... 22

Figura 20-Válvula de controle com atuador pneumático ................................................ 23 Figura 21-Motor elétrico trifásico ................................................................................... 23 Figura 22 – Diagrama de blocos de um sistema de controle automático ........................ 25

Figura 23-Ação proporcional mediante ao erro em forma de degrau ............................. 27 Figura 24-Saídas de sistema com controle proporcional, para Kp=1(contínuo),

Kp=2(tracejado) e Kp=4(pontilhado) .............................................................................. 27 Figura 25-Erro de offset causado após uma mudança de setpoint .................................. 28

Figura 26-Ação de controle em função do sinal de erro gerado ..................................... 28 Figura 28-Sinal de saída de um controlador com ação proporcional e integral .............. 31 Figure 29-Saída com ação PI: Para KP=1; Ti=2(pontilhado), Ti=4(tracejado) e

Ti=10(contínuo) .............................................................................................................. 31

Figura 30-Sinal de saída de um controlador com ação proporcional e derivativa .......... 33 Figura 31-Comparação de um controle P com um controle PD ..................................... 33 Figura 32-Configuração de controlador PID em paralelo ............................................... 34 Figura 33-Resposta de um controlador PID .................................................................... 35 Figura 34-Resposta ao degrau unitário de uma planta .................................................... 37

Figura 35-Curva de resposta em forma de S ................................................................... 37 Figura 36-Representação da estrutura básica do CLP..................................................... 39

Figura 37-Partes construtivas de um CLP disponível no mercado ................................. 39 Figura 38-Estrutura básica da CPU ................................................................................. 40 Figura 39-Estrutura básica do sistema de memória ........................................................ 40 Figura 40-Representação dos conectores utilizados para entrada de sinal através de

dispositivos em campo .................................................................................................... 42

Figura 41-CLP Compacto da Schneider Electric ............................................................ 42 Figura 42-CLP Modular da SST ..................................................................................... 42 Figura 43-Dispositivos utilizados para entradas discretas (botoeiras) ............................ 43

Figura 44-Transmissor de pressão .................................................................................. 44 Figura 45-Exemplo de saída discreta (Válvula solenóide) ............................................. 44

Figura 46-Dispositivo que utiliza saída analógica do CLP (inversor de freqüência) ..... 45

Figura 47-Modelo de Rack disponível no mercado ........................................................ 46 Figura 48-Exemplo de programação em linguagem ladder ............................................ 47 Figura 49-Exemplo de programação em linguagem de blocos de função ...................... 48 Figura 50-Exemplo de programação em linguagem de lista de instrução ...................... 48 Figura 51-Exemplo de programação em linguagem de texto estruturado ...................... 49

Figura 52-Circuito elétrico controlado por interruptor ................................................... 51 Figura 53-Ciclo ativo de 50% ......................................................................................... 51 Figura 54-Definição do ciclo ativo ................................................................................. 52 Figura 55-Potencia aplicada com ciclo ativo de 1% ....................................................... 52 Figura 56-Potencia aplicada com ciclo ativo de 99% ..................................................... 52

Figura 57-Estrutura montada para suporte dos demais elementos .................................. 53 Figura 58-Recipientes usados como reservatório: inferior (a) e superior (b) ................. 54

Figura 59-Luva PVC soldável ½ para ¾ ” ...................................................................... 54

Figura 60-Flange de PVC soldável ¾” ........................................................................... 54 Figura 61- Joelho 90º soldável ¾” .................................................................................. 54 Figura 62-Tubo de PVC ¾” ............................................................................................ 54 Figura 63-Transdutor de pressão MPX5010 GP ............................................................. 55

Figura 64-Transdutor de pressão e circuito eletroeletrônico montados em placa ........... 56 Figura 65-CLP utilizado no projeto (CD600) ................................................................. 57

Figura 66-Conjunto motobomba ..................................................................................... 57 Figura 67-Drive de controle (à esquerda) e potencia (á direita) do motor da bomba ..... 58 Figura 68-Recipiente plástico envolvendo o circuito...................................................... 58

Figura 69-Protótipo montado .......................................................................................... 59 Figura 70-Equipamentos montados para inicio da aquisição de dados........................... 60

Figura 71-Gráfico da curva de resposta do sistema ........................................................ 62 Figura 72-Programa desenvolvido para o controle da planta.......................................... 63

Figura 73-Valores dos parâmetros do bloco PID ............................................................ 64 Figura 74-Interface RS232/RS485 .................................................................................. 65 Figura 75-Cabo de comunicação RS232 ......................................................................... 65

Figura 76-Planta montada com malha de controle e fonte de alimentação ..................... 66

Figura 77-Mudança do ponto de medição da pressão ..................................................... 67 Figura 78-Adaptação feita para mellho leitura do transdutor ......................................... 67 Figura 79-Parâmetros atribuídos ao bloco para o PID teórico ........................................ 68 Figura 80-Resposta de PV em relação a SP .................................................................... 68 Figura 81-Resposta de PV em relação a SP em relação a um disturbio ......................... 69

Figura 82-Parâmetros atribuídos ao bloco para o PI teórico ........................................... 70 Figura 83-Resposta de PV em relação a SP .................................................................... 70

Figura 84-Parâmetros atribuídos ao bloco para o PI prático ........................................... 71 Figura 85-Resposta de PV em relação a SP .................................................................... 72 Figura 86-Resposta de PV em relação a SP em relação a um disturbio ......................... 72

LISTA DE TABELAS

Tabela 01-Regras de sintonia de Ziegler-Nichols baseada na resposta ao degrau da

planta ............................................................................................................................... 38 Tabela 02-Principais símbolos utilizados na programação ladder ................................. 47 Tabela 03-Características Operacionais do sensor de pressão ........................................ 55 Tabela 04-Tensões obtidas na saída do circuito do transdutor em função do tempo ...... 61 Tabela 05-Parâmetros obtidos a partir dos valores de “T” e “L” .................................... 62

Tabela 06-Descrição dos parâmetros atribuídos ao bloco PID para controle da planta.. 64

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

MV - Variável Manipulada

PV - Variável do Processo

SP - Set Point

LCD - Display de Cristal Liquido

CLP - Controlador Lógico Programável

PV - Variável de Processo

P - Proporcional

PI - Proporcional e Integral

PD - Proporcional e Derivativo

PID - Proporcional, Integral e Derivativo

Kp - ganho proporcional

Pb - banda proporcional

Ti - TR - Tempo integral

Td - Tempo derivativo

L - Tempo morto ou atraso

T – Constante de tempo

ROM - Memória somente de leitura

RAM - Memória de acesso aleatório

EPROM - Memória programável apagável somente de leitura

EEPROM – Memória programável apagável com leitura programável

Vcc - Tensão em corrente continua

Vac - Tensão em corrente alternada

CPU - Unidade Central de Processamento

HD - Disco Rigido

CD - Disco Compacto

E/S - Entradas e Saidas

LD - Linguagem Ladder

FBD - Diagrama de blocos de função

IL - Lista de Instruções

ST - Texto Estruturado

PWM - Modulação de Largura de Pulso

IHM – Interface homem máquina

RS232- Padrão de conectores para comunicação

RS485- Padrão de conectores para comunicação

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 9

Capitulo I CONTROLE DE PROCESSOS ....................................................................... 11 1 Malhas de controle ................................................................................................... 13 1.1 Sistemas de controle em malha aberta .................................................................. 13 1.2 Sistemas de controle de malha fechada ................................................................. 14

1.3 Sistemas de Controle em malha aberta versus malha fechada .............................. 16 1.4 Instrumentos da Malha .......................................................................................... 17 1.4.1 Elemento primário ou Sensor ............................................................................. 18

1.4.2 Transmissor .................................................................................................... 19 1.4.3 Indicador ........................................................................................................ 20 1.4.4 Registrador ..................................................................................................... 20 1.4.5 Controlador .................................................................................................... 21

1.4.6 Conversor ....................................................................................................... 22 1.4.7 Elemento final de controle ............................................................................. 23

Capitulo II FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................... 24

2.1 Controladores PID ................................................................................................. 25 2.1.1 Controlador proporcional (P) ......................................................................... 26

2.1.2 Controlador proporcional e integral (PI) ........................................................ 29 2.1.3 Controlador proporcional e derivativo (PD) .................................................. 32 2.1.4 Controlador proporcional, integral e derivativo (PID) ................................... 34

2.2 Sintonia de controladores PID .............................................................................. 35 2.2.1 Métodos de Ziegler e Nichols ........................................................................ 36

2.2.1.1 Método da Curva de Resposta ................................................................ 36 2.3 Controladores lógicos programáveis ..................................................................... 38

2.3.1 Unidade central de processamento (CPU) ..................................................... 39 2.3.1.1 Processador ............................................................................................. 40 2.3.1.2 Sistema de memória ................................................................................ 40

2.3.2 Circuitos/Módulos de Entrada/Saída.............................................................. 41

2.3.2.1 Módulos ou circuitos de entrada ............................................................. 43 2.3.2.2 Módulos ou circuitos de saída ................................................................. 44

2.3.4 Base ou Rack .................................................................................................. 46 2.3.5 Linguagens de programação .......................................................................... 46

2.3.5.1 Linguagens gráficas ................................................................................ 47

2.3.5.2 Linguagens baseadas em texto ................................................................ 48 2.3.6 Ferramentas para Programação de PLCs ....................................................... 49

2.3.6.1 Programador Manual ............................................................................... 49 2.3.6.2 Software de Programação ....................................................................... 50

2.4 Modulação de Largura de Pulso (PWM) .............................................................. 50

Capitulo III DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO ........................................... 53

3.1 Descrição dos componentes .................................................................................. 53 3.1.1 Mecânica ........................................................................................................ 53 3.1.2 Hidráulica ....................................................................................................... 54

3.1.3 Eletrônica ....................................................................................................... 55 3.1.3.1 Elemento primário ................................................................................... 55

3.1.3.2 Controlador ............................................................................................. 56

3.1.3.3 Elemento final de controle ...................................................................... 57 3.2 Montagem da planta .............................................................................................. 59 3.3 Implementação do controle PID............................................................................ 60

3.3.1-Obtenção dos parâmetros ............................................................................... 60 3.3.2-Implementação do bloco PID ........................................................................ 63

3.4 Testes práticos ....................................................................................................... 66 3.4.1Primeira etapa.................................................................................................. 67 3.4.2 Segunda etapa................................................................................................. 70 3.4.3 Terceira etapa ................................................................................................. 71

CONCLUSÂO ................................................................................................................ 73

BIBLIOGRAFIAS .......................................................................................................... 74

APENDICES ................................................................................................................... 77 APENDICE I - Controlador lógico programável ........................................................ 77 APENDICE II - Software de programação ................................................................. 80

APENDICE III – Blocos funcionais utilizados ........................................................... 81 APENDICE IV- Partes Construtivas .......................................................................... 93

ANEXOS ...................................................................................................................... 100 ANEXO I - Especificação da motobomba ................................................................ 100 ANEXO II – Custos envolvidos no projeto .............................................................. 100

9

INTRODUÇÃO

O uso e avanço tecnológico dos controladores automáticos para controle de

processos industriais principalmente nas indústrias de manufatura já se faz presente há

vários anos, destacando-se nos dias atuais em conseqüência do aumento do grau de

complexidade de sistemas de manufatura. Estes elementos são responsáveis por

tomadas de decisões nos sistemas de controle, em relação a uma grandeza analisada,

corrigindo falhas através de dispositivos destinados para tal.

O emprego de controladores na indústria está relacionado com o controle de

variáveis de processos, sendo esta qualquer quantidade física que possui um valor que

varie com o tempo e com o espaço. Tendo como exemplo a pressão, temperatura,

umidade, viscosidade, nível e vazão, dentre outros. O controle dessas variáveis se faz

muito importante, principalmente no que diz respeito em que serão aplicadas, já que em

muitos processos industriais se faz necessário que uma determinada variável seja

mantida estabilizada.

Com o avanço da automação industrial nas industrias mais da metade dos

controladores industriais em uso empregam esquemas de controle proporcional, integral

e derivativo (PID) ou PID modificado para controle de variáveis de processos, devido

principalmente à simplicidade de ajuste dos parâmetros, e pelo fato de estarem presentes

em quase todos os equipamentos de controle industriais. Esse tipo de controle baseia-se

no cálculo inicial do erro entre a variável controlada (medida no processo) e seu valor

desejado (set-point), a partir desse erro, gera-se um sinal de controle, de forma a

eliminar este desvio, justificando assim sua vasta aplicação na indústria para controle

preciso de variáveis em processos de manufatura.

Existem atualmente uma gama de dispositivos com possibilidade de

implementação de controladores PID sendo muitos específicos para uma respectiva

aplicação. Um dispositivo bastante difundido na área de automação de processos são os

controladores Lógicos Programáveis (CLPs), sendo estes empregados na maioria das

vezes para controle de plantas industriais inteiras que possuem alto grau de

complexidade.

A possibilidade de implementação do controle PID em um CLP foi o que deu

intuito a realização deste trabalho, pois com essa característica se faz possível sua

utilização em um vasto campo de aplicações para controle de variáveis em processos

industriais.

10

Este trabalho tem como objetivo obter de forma mais eficaz possivel o controle

de nivel em um reservatorio de água, utilizando-se de um sistema de bombeamento

(conjunto motobomba, tubulação e componentes hidraulicos), de modo a eliminar

variações da mesma. Propondo ainda a medição da pressão, no inicio da tubulação de

abastecimento, como um método alternativo ao controle feito diretamente no

reservatório, evitando problemas causados principalmente por percas de sinal na

transmissão de dados entre reservatório e controlador, dificuldade de layout das plantas

industriais, dentre outras.

11

Capitulo I

CONTROLE DE PROCESSOS

Segundo (OGATA, 2003, pg. 02) [...] um processo é tido como uma operação

continua progressiva, artificial ou voluntária, que consiste em uma série de ações ou

movimentos controlados, sistematicamente destinados a atingir determinados fins ou

resultados.

Os processos industriais basicamente podem dividir-se em dois tipos:

- Indústrias de processamento continuo: Aquelas em que o processo produtivo envolve

de maneira mais significativa variáveis continuas no tempo (tipo analógicas). Sendo a

produção medida em toneladas ou em metros cúbicos, e o processo produtivo

essencialmente manipula fluidos. Sendo estas as indústrias petrolíferas, químicas, papel

e celulose, metalúrgica, entre outras.

- Indústrias de processamento discreto, ou manufaturas: Referem-se às unidades

industriais cujo processo produtivo envolve de maneira mais significativa varáveis

discretas no tempo (ligado ou desligado). A produção neste caso é medida em unidades

produtivas, tais como a indústria automobilística e fabricas em geral. (ALVES, 2005,

pg. 4)

Ribeiro (2005, pg. 28) ressalta que controlar um processo significa obter os

resultados desejados dentro dos limites de tolerância razoáveis. Sempre que houver um

distúrbio ou variação de carga no processo, a variável controlada deve retornar

exatamente ao ponto de ajuste estabelecido, dentro do tempo prescrito e com um erro de

pico limitado.

Independente do tipo de indústria o que se pretende ao se controlar um processo,

é fazer o controle de alguma variável envolvida no mesmo. As variáveis envolvidas são

muitas como temperatura, pressão, vazão, nível, força, pH, composição, umidade,

viscosidade, etc. Controlar uma ou mais destas variáveis significa manté-las em valores

o mais constantes possíveis (pontos de ajuste). (RIBEIRO, 2005, pg. 07)

Desde o princípio da era industrial já se tinha a necessidade de se fazer o

controle das variáveis presentes nos processos, sendo estas feitas manualmente por

operários utilizando-se de instrumentos simples como manômetros e válvulas manuais.

Com o aumento da produção e complexidade dos processos se fez necessário o aumento

da automação nos processos industriais, através de instrumentos de medição e controle.

(ALVES, 2005, pg. 2,3)

12

Na indústria moderna, a automação dos processos fabris é fundamental para a

manutenção ou aumento da competitividade no mercado, seja este local, nacional ou

mesmo mundial. O objetivo, em geral, de uma automação é fabricar o mesmo insumo

com maior eficiência, resultando na diminuição do desperdício, do consumo de energia

e, em alguns casos, do impacto ambiental.

Existem diversos tipos de sistema de controle e diferentes graus de automação.

Pode-se ter desde um controle simples de posicionamento e enchimento de um refil

como uma garrafa de refrigerante a um controle sofisticado de temperatura e vazão de

uma coluna de destilação multifásica. A diferença está no número de elementos

monitores e controlados, podendo ser simples válvulas ou servomotores, cuja eletrônica

de controle é bem complexa. (RIBEIRO, 2005, pg. 20)

Um sistema de controle é basicamente composto por um sistema do tipo entrada-

saída, onde o sistema a ser controlado é denominado processo ou planta.

A figura 01 ilustra um diagrama simplificado de um processo industrial, que

utiliza um sistema do tipo entrada e saída, sendo as entradas correspondentes às ações a

serem tomadas para que tal processo seja controlado de modo satisfatório e suas saídas

sendo as reações na saída do processo correspondentes as ações tomadas da entrada.

Figura 01-Representação de um sistema de controle

Fonte: JUNIOR. 2000. pg 1

Na figura 02 é ilustrado um exemplo de uma planta industrial, que emprega um

sistema de controle para o processamento de produtos, no caso petróleo bruto.

Figura 02-Planta industrial para processamento de petróleo bruto

Fonte: Phoenix Contact

13

Os controladores nestes casos são os elementos responsáveis por tomarem as

decisões nos sistemas de controle, de acordo com a entrada, fazendo-se modificar a

saída do mesmo. Os dispositivos que compõem um controlador podem ser elétricos,

mecânicos, pneumáticos, ópticos e até mesmo os seres humanos.

O processo é um sistema dinâmico, onde a entrada é chamada de variável

manipulada (MV) podendo ser a posição de uma válvula, tensão aplicada em um motor,

e a saída do processo conhecida como variável de processo (PV) como temperatura,

pressão, etc.

A filosofia do processo consiste então em fazer com que sinais adequados sejam

aplicados à entrada do processo com o intuito de gerar um sinal de saída que satisfaça as

condições determinadas pela operação realizada. Isso nada mais é que a definição de

controle automático de processos. Esse tipo de controle é cada vez mais empregado por

aumentar a produtividade, baixar custos, eliminar erros provocados pelo elemento

humano e manter automática e continuamente o balanço energético de um processo.

(RIBEIRO, 2005, pg. 20)

1 Malhas de controle

Uma malha de controle é um conjunto de instrumentos interligado entre si, que

produz um resultado útil e desejado, realizando determinadas tarefas em processos

industriais com pequena ou nenhuma supervisão humana. (RIBEIRO, 2005, pg. 38)

As malhas de controle se constituem basicamente nos elementos, ou seja, os

instrumentos de medição e controle que fazem parte do controle de um determinado

processo onde cada qual executa sua função no mesmo. Sendo que o melhor sistema de

controle é aquele que se utiliza do menor número de instrumentos para se obter o

controle automático mais eficiente e seguro.

Uma malha de controle pode estar configurada de duas formas, aberta ou

fechada.

1.1 Sistemas de controle em malha aberta

São aqueles em que o sinal de saída não exerce nenhuma ação de controle do

sistema, não sendo este medido nem realimentado para comparação com a entrada. A

cada entrada de referência corresponde a uma condição fixa de operação (OGATA,

2003, pg. 5)

14

Um exemplo simplificado para entendimento seria o de manter a velocidade

constante de 80 Km/h de um automóvel sem velocímetro. O motorista estima então com

qual pressão ele deve pisar no acelerador e mantém o acelerador com esta pressão.

A figura 03 representa em forma de diagrama de blocos um sistema de controle

feito em malha aberta. Onde a saída do controlador é enviada ao processo resultando em

uma saída. Percebe-se que a saída do processo para este caso não exerce nenhum efeito

sobre o controlador do mesmo, não o corrigindo caso necessário.

Figura 03-Representação de controle em malha aberta

A figura 04 ilustra um exemplo de controle em malha aberta, sendo este um

trocador de calor para aquecimento de fluido com vapor.

Para este exemplo o fluido a ser aquecido entra com certa quantidade, é aquecido com o

vapor oriundo de outra tubulação limitado por uma válvula manual, saindo aquecido em

outra extremidade, onde é quantificada sua temperatura por meio de um instrumento de

medição. Ficando claro que a temperatura de saída do fluido não se mantém constante

caso a quantidade de vapor e/ou fluido na entrada varie, pois não haverá correção da

válvula em relação à entrada de vapor para estabilizar o processo.

Figura 04-Exemplo de sistema em malha aberta

Fonte: COELHO. 2009. pg. 6

1.2 Sistemas de controle de malha fechada

Caracterizam-se pelo sinal de erro atuante, que é a diferença entre o sinal de

entrada e o de realimentação (podendo ser o próprio sinal de saída ou uma função do

sinal de saída), realimenta o controlador, de modo que minimize o erro manipulando a

saída do sistema ao valor desejado, chamado de set point (SP).

Na prática, os termos controle de malha fechada e com realimentação (feedback)

são usados indistintamente. Pois um controle realimentado é o que estabelece uma

15

relação de comparação entre a saída e a entrada de referencia, utilizando a diferença

como meio de controle. (OGATA, 2003, pg 5)

Considerando o mesmo exemplo do automóvel, mas supondo agora que ele

possui um velocímetro. O motorista recebe a informação de como o sistema está

reagindo em relação à pressão no acelerador. Baseado nesta informação ele pode

aumentar ou reduzir a pressão a fim de manter o carro na velocidade constante de 80

Km/h.

A figura 05 representa um diagrama de blocos com um controle em malha

fechada. Sendo que para este existe um sinal de realimentação oriundo da saída do

processo obtido através do elemento de medida, atuando este diretamente no

controlador caso o processo necessite de correção da variável.

Figura 05-Representação de controle em malha fechada

Baseando-se no mesmo exemplo da figura 04, a figura 06 ilustra um controle em

malha fechada, com adição de um controlador e substituição da válvula manual por uma

de controle automático. O elemento primário mede a temperatura da água aquecida na

saída do processo, envia este sinal ao controlador que compara a um valor determinado

(set point), estando este fora dos padrões estabelecidos há um acionamento do elemento

final de controle (válvula) fazendo-a abrir ou fechar. Sendo que para este caso a

temperatura de saída do fluido se mantém o mais próximo de um valor estabelecido,

caso a quantidade de vapor e/ou fluido na entrada variem, havendo a abertura ou

fechamento da válvula em relação à entrada de vapor caso seja necessário.

16

Figura 06-Exemplo de sistema em malha fechada

Fonte: COELHO. 2009. pg 5

1.3 Sistemas de Controle em malha aberta versus malha fechada

É fato que o sistema em malha fechada apresenta inúmeros beneficios

princialmente no que diz respeito ao controle de variáveis presentes nos processos

industriais, contudo a escolha de um sistema de malha sendo ele aberta ou fechada deve

ser feita perante varios aspectos. Pois cada um deles apresenta suas vantagens e

desvantagem em sua utilização.

Sistemas de controle em malha fechada basicamente se fazem mais vantajosos

na presença de distúrbios e/ou alterações não previsiveis nos componentes do sistema,

sendo insensivel a perturbações externas (distúrbios externos) e internas nos parametros

do sistema. Apresentando a possibilidade de utilização de componentes baratos e não

precisos para obter sistemas com controles precisos de alta qualidade. Todavia

apresentam a principal desvantagem em relação à instabilidade devido a tendencia de

correção de erros além do necessário, causando oscilações de amplitude constantes ou

variável. (OGATA, 2003, pg 6)

Sistemas de controle em malha aberta se fazem mais vantajosos onde a relação

entre a entrada e a saída for conhecida não havendo distúrbios internos ou externos.

Sendo de mais simples construção (menos componentes) apresentando fácil manutenção

e menores custos, não apresentam problemas de estabilidade, sendo ainda apropriados

quando existem dificuldades de avaliação da saída ou quando a medição precisa da

saída não é economicamente possível. Tendo esses sistemas as principais desvantagens

de que distúrbios e mudanças na calibração causam erros, e a saída pode apresentar

diferenças em relação ao padrão esperado, sendo ainda para a saída manter a qualidade

requerida, é necessária uma regulagem periódica. (OGATA, 2003, pg 6)

17

Sendo assim fica claro que cada sistema apresenta seus prós e contras, onde cada

qual se adéqua a uma determinada situação, sendo empregados de acordo com as

necessidades de controle de cada processo.

1.4 Instrumentos da Malha

As diversas funções necessárias para o correto funcionamento de uma malha de

controle são desempenhadas por dispositivos chamados de instrumentos para controle

de processos. Onde a associação desses dispositivos dá origem ao que se conhece como

malha de controle.

Os instrumentos mais comumente encontrados em malhas de controle

automático são o elemento primário ou sensor, transmissor, indicador, registrador,

transdutor, controlador, contador, e o elemento final de controle. Estando estes

divididos de acordo com suas funções desempenhadas em dispositivos de painel e de

campo. (RIBEIRO, 2005, pg. 38)

A figura 07 ilustra uma malha de controle de processo com seus elementos mais

comuns, sendo esta para controle de fluxo de um determinado fluido. È possível

visualizar os dispositivos responsáveis pela leitura, transmissão, indicação, registro,

controle, conversão e manipulação da variável do processo.

Figura 07-Instrumentos comumente encontrados em uma malha de controle

Apesar de possuírem muitos elementos, as malhas de controle podem ser

simplificadas em apenas três, sendo eles o transmissor/sensor, controlador e elemento

final de controle.

A figura 08 ilustra uma malha típica de controle, sendo esta, a de mais simples

configuração em malha fechada composta por um transmissor eletrônico um controlador

e uma válvula automática que representa o elemento final de controle.

18

Figura 08-Malha típica de controle: transmissor, controlador e válvula de controle

Fonte: RIBEIRO. 2005. pg. 38

No presente trabalho será utilizada uma malha de controle simplificada

semelhante ao layout da figura 08 contendo seus três elementos principais. Sendo esta

detalhada de forma mais especifica no Capitulo III.

Será descrito nos próximos tópicos cada dispositivo presente em uma malha

básica de controle, semelhante à ilustrada na figura 07.

1.4.1 Elemento primário ou Sensor

Parte de um instrumento que primeiro sente o valor da variável de processo

(PV). O elemento primário é o componente básico na medição. Sendo este parte de um

instrumento integrante, como um transmissor ou controlador. Dependem basicamente

da variável medida, podendo ser de natureza mecânica ou eletrônica. (RIBEIRO, 2005,

pg. 39)

A figura 09 representa um elemento primário de medição utilizado para leitura

da variável pressão, geralmente encontrado em tubulações, donde se baseia no principio

piezoresistivo (variação de resistência de um componente em função de sua deformação

mecânica).

Figura 09-Transdutor de pressão

Fonte: Metrolog

Já a figura 10 representa um elemento primário de medição utilizado para leitura

da variável temperatura, baseado no principio termoelétrico (aparecimento de tensão

elétrica mediante ao aquecimento de dois condutores diferentes).

19

Figura 10-Termopar Fonte: EXACTA

1.4.2 Transmissor

É o instrumento que sente uma variável de processo por meio de um elemento

primário e que produz uma saída cujo valor é geralmente proporcional ao valor da

variável do processo. (RIBEIRO, 2005, pg. 39)

Os elementos primários podem o não ser parte integrante do transmissor,

gerando estes, valores tidos como padrão para transmissão de sinais. Um exemplo mais

comum é o de corrente de 4 a 20 mA, dentre outros existentes.

A figura 11 ilustra um transmissor de sinal utilizado para padronização e

transmissão de sinal referente a instrumentos de medição de temperatura (termopar e

termoresistencia).

Figura 11-transmissor de sinal

Fonte: TERMOSEG

O transmissor eletrônico representado na figura 12 trata-se de um instrumento

responsável pela indicação, padronização e transmissão de sinal referente à pressão

medida em uma tubulação. Estes instrumentos são muito utilizados em malhas de

controle, devido principalmente a sua confiabilidade nas medições e por apresentarem a

redução de instrumentos presentes na mesma.

20

Figura 12-Transmissor eletrônico de pressão

Fonte: SMAR. 2010

1.4.3 Indicador

Este instrumento é o responsável por fornecer uma indicação visual da situação

das variáveis no processo, podendo ser analógico ou digital. Indicadores analógicos

dispõem de ponteiros e uma escala graduada na qual se pode ler o valor da variável. Já

os digitais mostram a variável em forma numérica com dígitos ou barras gráficas.

(ALVES, 2005, pg 12)

A figura 13 ilustra um manômetro, sendo este citado como um indicador

analógico muito comum em processos que envolvam manipulação de pressão.

Figura 13-Manômetro

Fonte: Salvi Casagrande

A figura 14 representa um indicador digital universal aplicável para indicação de

leitura dos principais tipos de termopares, termoresistências e sinais lineares como os de

4 a 20 mA e 4 a 20 mV.

Figura 14-Indicador digital

Fonte: NOVUS

1.4.4 Registrador

Esse dispositivo é destinado ao armazenamento dos valores de uma determinada

variável de controle sendo este feito de forma analógica em traço contínuo ou pontos em

21

um gráfico, ou de forma digital sendo a mais utilizada atualmente. (ALVES, 2005, pg

12)

Um exemplo de registrador gráfico digital é o ilustrado na figura 15 contendo

este display LCD para visualização, entradas universais para registro de grandezas

analógicas (tensão, corrente, resistência), digitais, pulso, freqüência, etc.

Figura 15-Registrador digital Fonte: INTERENG – Automação Industrial

A figura 16 ilustra um registrador gráfico analógico sendo este utilizado para

registro de temperaturas em processos através de leitura de vários tipos de termopares e

termoresistências. Possuindo este display analógico e entradas universais pré-

configuradas.

Figura 16-Registrador analógico

Fonte: ECIL

1.4.5 Controlador

Sua função é receber o sinal da medição da variável, compará-lo com um valor

de referência e atuar no processo para que a medição seja igual ou próxima ao valor de

referência. Normalmente recebe o sinal do transmissor e envia o sinal para o elemento

final de controle. (RIBEIRO, 2005, pg. 40).

Este dispositivo é o principal instrumento da malha de controle, sendo este o

responsável por manter em um valor pré-determinado uma variável do processo.

A figura 17 ilustra um controlador específico para controle de processos que

envolvam variáveis como temperatura, pressão, nível, vazão, corrente, tensão, entre

outros.

22

Figura 17 – Controlador universal

Fonte: Contemp

Na figura 18 é representado um controlador muito utilizado para controle de

processos industriais, o controlador lógico programável (CLP). Justificado

principalmente por sua versatilidade em função de tarefas que podem realizar

simultaneamente. Sendo empregados tanto para controle de processos simples como

máquinas operatrizes, até os que exijam manipulação de grande numero de varáveis

como linhas de produção.

Figura 18-Controlador lógico programável (CLP)

Fonte: CSW AUTOMAÇÃO

1.4.6 Conversor

Estes elementos são os que emitem um sinal de saída padronizado modificado

em relação á natureza do correspondente sinal de entrada. O conversor é também

conhecido como transdutor, sendo que este trabalha apenas com sinais de entrada e

saída padronizados. (ALVES, 2005, pg 13)

A figura 19 representa um conversor Eletro-pneumático, utilizado para

conversão de uma corrente elétrica continua em sinal pneumático para acionamento de

um elemento sendo estes geralmente válvulas pneumáticas.

Figura 19-Conversor eletro-pneumático

23

1.4.7 Elemento final de controle

São dispositivos responsáveis por atuar diretamente no processo, sendo

manipulados pelo sinal de saída do controlador regulando o fluxo de energia ou material

para um processo. (RIBEIRO, 2005, pg. 40)

Este dispositivo geralmente é resultante da composição de alguns elementos,

sendo estes os responsáveis pelo acionamento e controle da variável do processo.

Um dos elementos bastante utilizado em processos industriais são as válvulas de

controle. Podendo ser citados ainda outros como conversores de velocidade, relés

eletromecânicos e de estado sólido, motores, etc.

A válvula de controle com atuador pneumático ilustrada na figura 20 é um dos

exemplos de elementos finais de controle, sendo encontradas geralmente em tubulações

para dosagem de fluidos. Onde recebem o sinal do controlador e através do atuador, o

converte em força e movimento, variando a abertura da válvula para a passagem do

fluido.

Figura 20-Válvula de controle com atuador pneumático

Fonte: RIBEIRO. 2005. pg. 40

A figura 21 representa um motor elétrico utilizado em aplicações onde se faz

necessária a variação de rotação de um determinado elemento, podendo ser citados

bombas de dosagem ou drenagem de fluidos em reservatórios, ventiladores para

ventilação de ambientes, esteiras de produção, dentre outros. Sendo bastante

empregados com controladores que variam a freqüência elétrica de alimentação do

motor fazendo variar a rotação em seu eixo.

Figura 21-Motor elétrico trifásico

Fonte: WEG

24

Capitulo II

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Como visto no capitulo I os sistemas de controle em malha fechada são

constituídos de instrumentos responsáveis por fazerem o controle do processo de

maneira automática. Tendo como elemento principal os controladores automáticos, cuja

função é justamente controlar de forma automática e mais eficiente possível a planta

industrial como um todo.

Controladores automáticos são bastante difundidos na atualidade, sendo

empregados tanto em aplicações industriais de grande complexidade, até as mais

simples do dia-a-dia.

A maneira pelas quais esses controladores produzem o sinal de controle é

chamada de ação de controle podendo esta ser reversa ou direta. Na ação reversa se a

variável de processo (PV) aumenta, a variável manipulada (MV) diminui, sendo

tipicamente utilizada em controles de aquecimento, ao ponto que se a variável do

processo (PV) aumenta, a variável manipulada (MV) também aumentará, sendo este

bastante empregado em controles de refrigeração. (OGATA, 2003, pg. 02)

A maioria dos controladores industriais utiliza eletricidade ou fluido

pressurizado, como óleo ou ar, como fontes de energia. Também podem ser

classificados de acordo com a espécie de energia empregada na operação, como

controladores pneumáticos, hidráulicos ou eletrônicos. A escolha do tipo de controlador

a ser utilizado deve ser decidida com base na natureza da planta e nas condições de

operação, incluindo certas considerações, como segurança, disponibilidade, precisão,

peso e tamanho, etc. (OGATA, 2003, pg. 02)

A figura 22 ilustra um diagrama de blocos de um sistema de controle automático

de um processo industrial, donde se pode evidenciar o controlador responsável pelo

controle de todo o sistema mediante a correção da variável manipulada. O elemento

final de controle e o sistema de medição. Sendo visto ainda as respectivas

nomenclaturas utilizadas nas etapas do sistema.

25

Figura 22 – Diagrama de blocos de um sistema de controle automático

Fonte: GONÇALVES. 2003. pg. 87

2.1 Controladores PID

Controladores do tipo proporcional, integral e derivativo, comumente chamados

de controladores PID podem ser entendidos como sistemas de controle baseados em

resposta a uma equação matemática.

Esses tipos de controladores são os mais populares algoritmos de controle

feedback usados na indústria. Sendo utilizados em mais da metade dos controladores

industriais em uso atualmente, empregando configurações do controle PID ou PID

modificado para controle de variáveis (pressão, vazão, etc.). (OGATA, 2003, pg. 557)

O funcionamento desses controladores se baseia no cálculo inicial do erro entre

a variável controlada (medida no processo) e seu valor desejado (set point). O algoritmo

PID usa o erro em três módulos distintos (proporcional, integral e derivativo) para

produzir o sinal de saída de forma a estabilizar e manter estável o sistema da melhor

forma possível.

Em particular, quando o modelo matemático da planta não é conhecido e,

portanto, métodos de projeto analítico não podem ser utilizados, controles PID se

mostram os mais úteis. (OGATA, 2003, pg. 557)

Na área dos sistemas de controle de processos, as configurações básicas de

controle PID e os PID modificados provaram sua utilidade conferindo um controle

satisfatório.

Apesar de se ter a disponibilidade das ações destes três módulos, em muitas

aplicações industriais não se faz necessária à utilização de um ou mais destes

parâmetros. Assim, é bastante comum encontrar os seguintes tipos de controladores:

- Controlador Proporcional (P);

- Controlador Proporcional e Integral (PI);

26

-

- Controlador Proporcional, Integral e Derivativo (PID);

2.1.1 Controlador proporcional (P)

Nesse tipo de controlador a ação de controle, ou seja, a saída do controlador é

diretamente proporcional ao erro atuante oriundo do elemento de medição. Sua saída

depende apenas da amplitude do erro num instante de tempo, sendo o controlador

simplesmente um amplificador com um ganho constante, onde um grande erro em

algum instante de tempo acarreta um valor alto na saída do controlador nesse instante de

tempo. (CAMPOS, 2010, pg 25)

O algoritmo de posição do sinal de saída do controlador P (u(t)) mediante ao

erro (e(t)) atuante, é dado por.

)()( teKtu p

Onde Kp é uma constante, comumente chamada de ganho proporcional do

controlador, definindo esta o quanto a variável de controle deve variar em

correspondência a uma variação unitária do sinal de erro.

Sendo sua função de transferência escrita como:

pKsE

sU

)(

)(

A figura 23 ilustra a ação do controlador proporcional para um erro em forma de

degrau, onde o mesmo apresenta a mesma dinâmica que o sinal do erro (um degrau),

sendo sua magnitude diretamente proporcional ao erro multiplicado pelo fator Kp (que

neste caso é 3). Dessa forma se o erro não variar a saída do controlador também não irá

variar, permitindo um erro em regime permanente.

(2.2)

(2.1)

27

Figura 23-Ação proporcional mediante ao erro em forma de degrau

Fonte: CAMPOS. 2010. pg. 25.

A figura 24 ilustra a resposta de um sistema sob aplicação de ação proporcional.

Sendo quanto maior o ganho Kp, menor o erro em regime permanente, entretanto nunca

será possível anular completamente o erro. Por outro lado, quanto maior o ganho, mais

oscilatório tente a ficar o comportamento transitório do sistema em malha fechada, ou

seja, o aumento excessivo do ganho proporcional pode levar o sistema à instabilidade.

Figura 24-Saídas de sistema com controle proporcional, para Kp=1(contínuo),

Kp=2(tracejado) e Kp=4(pontilhado) Fonte: JUNIOR. 2000. pg. 15

Uma desvantagem do controlador proporcional é sua incapacidade, em geral, de

eliminar erros estacionários, que surgem após uma mudança de set point ou uma

perturbação constante na saída. (OGATA, 2003, pg. 230)

A figura 25 ilustra a resposta de um controlador proporcional no qual possui o

erro em regime permanente (offset).

28

Figura 25-Erro de offset causado após uma mudança de setpoint

Fonte: CRUZ. 2004. pg. 46

Em diversas aplicações de controle em que offsets podem ser tolerados, o

controle proporcional é o mais atraente, sendo justificado por apresentar grande

simplicidade.

Um exemplo pode ser dado para alguns problemas de controle de nível, onde a

manutenção do nível de líquido exatamente no valor do set point não é necessária, uma

vez que basta que o líquido não extravase ou que o tanque se esvazie por completo.

Em muitos controladores industriais (em especial os modelos mais antigos)

especifica-se o valor percentual da banda proporcional (Pb), ao invés do ganho

proporcional (Kp). A banda proporcional equivale ao erro que provoca uma variação de

100% na saída do controlador. Ou seja, é a percentagem do range do instrumento que

corresponde ao curso completo do elemento final de controle. (CAMPOS, 2010, pg 24)

A relação entre a banda proporcional e a constante proporcional é dada por:

KpPB

100

Onde PB é á banda proporcional.

A figura 26 ilustra a relação entre o sinal de erro e a ação de controle gerada pelo

modo de controle proporcional, sendo visto a banda proporcional mediante ao ganho do

controlador, constatando que quanto maior KP menor será a banda proporcional.

Figura 26-Ação de controle em função do sinal de erro gerado

Fonte: NOVUS. 2003. pg 04

(2.3)

29

Um exemplo de aplicação da banda proporcional seria se em uma válvula de

controle, onde Pb fosse 20%. Isso significaria que uma variação de 20% no erro

produzirá uma variação de 100% na saída, ou seja, a válvula se moverá de totalmente

aberta para totalmente fechada ou vice versa.

Sendo que se Pb for maior que 100%, não ocorrerá o curso completo da válvula de

controle.

Na figura 27 pode ser visualizada a ação da banda proporcional mediante a

resposta de um sistema. Em (A) tem-se um sistema com grande banda proporcional,

acarretando em um alto erro de regime. Em (B) temos uma banda proporcional de valor

ótimo, com um pequeno erro de regime e sem oscilações. Em (C) a banda proporcional

é muito pequena, onde provoca oscilações no sistema.

Figura 27 – Resposta de um sistema para três valores de PB


2.1.2 Controlador proporcional e integral (PI)

Neste tipo de controlador tem-se a ação conjunta de dois tipos de controle. O

modo proporcional e o integral.

A ação integral ocasiona uma correção tal que sua velocidade é proporcional à

amplitude do desvio. Resumidamente pode-se dizer que a intervalos regulares, a ação

integral corrige o valor da variável manipulada (MV), somando a esta o valor do desvio

(erro). (CAMPOS, 2010, pg 26)

A resposta da ação integral é dada como sendo proporcional à integral do sinal

de erro ao longo do tempo.

A saída do controle integral é dada pelo algoritmo.

dtteTi

tu )(1

)(

Onde Ti é chamado de tempo integral ou tempo de reset ou ainda conhecida por

controle de reset, tendo este dimensão de tempo (normalmente em minutos). Sendo nos

controladores comerciais um parâmetro ajustável.

(2.4)

30

O controle integral raramente é utilizado sozinho, pois tende a piorar a

estabilidade do sistema uma vez que, para que a variável de controle atinja um valor

significativo, é preciso que o erro persista por certo tempo. Por outro lado, o controle

proporcional atua simultaneamente com a ocorrência de um erro, ou seja, o controlador

proporcional toma uma ação corretiva tão logo um erro seja detectado. Por esta razão, o

controle integral é normalmente utilizado em conjunto com o controle proporcional,

constituindo esta combinação o controlador proporcional integral (PI). (CAMPOS,

2010, pg 28)

Sendo a equação do algoritmo de posição deste controlador dada por:

)(

1)()( te

TiteKptu

Sabendo que 1/Ti é uma constante de ajustagem (ganho integral) ou número de

repetições por segundo. Representando o número de vezes por unidade de tempo que a

parte da ação proporcional da ação de controle é duplicada.

Ou, equivalentemente, em termos de sua função de transferência.

sTiKp

sE

sU 11

)(

)(

A figura 28 ilustra a ação de um controlador integral (I) e proporcional integral

(PI) em relação a um erro em forma de degrau. Onde a ação integral isolada aumenta ou

diminui a saída do controlador indefinidamente enquanto houver erro. Já a ação do

controlador PI cuja ação proporcional (supondo Kp=3) muda instantaneamente a saída

na ocorrência do erro, e a ação integral continua mudando esta saída enquanto existir o

erro. Ficando evidente que após o tempo integral (2 segundos) a ação integral repete a

ação proporcional. Isto é, ocorrendo o erro de 1%, a saída do controlador será 3%

devido à ação proporcional, e após o tempo integral (2 segundos) a saída é 6% devido à

ação integral de 3% somada á ação proporcional, que continua em 3%.

(2.5)

(2.6)

31

Figura 28-Sinal de saída de um controlador com ação proporcional e integral

Fonte: CAMPOS. 2010. pg. 28

Na figura 29 é ilustrada a influência da sintonia do parâmetro Ti na resposta do

sistema proporcional e integral, considerando-se o sistema com KP=1, e Ti em 2

segundos para a linha pontilhada, 4 segundos para a tracejada e 10 segundos a continua.

Figure 29-Saída com ação PI: Para KP=1; Ti=2(pontilhado), Ti=4(tracejado) e

Ti=10(contínuo) Fonte: JUNIOR. 2000. pg. 16

Uma desvantagem do uso da ação integral é que ela tende a produzir respostas

oscilatórias e, portanto, reduzir a estabilidade do sistema. Uma pequena oscilação

normalmente é tolerada, uma vez que isto está em geral associado com uma rápida

resposta. (CAMPOS, 2010, pg 28)

Os efeitos indesejáveis da ação integral podem ser reduzidos por meio da

sintonia apropriada do controlador ou incluindo a ação derivativa, que tende a

compensar os efeitos desestabilizastes.

32

2.1.3 Controlador proporcional e derivativo (PD)

Este controlador é resultado da associação entre o controlador proporcional e o

derivativo.

A ação derivativa tem o efeito de reduzir a velocidade das variações da variável

do processo (PV), evitando que se eleve ou reduza muito rapidamente durante

perturbações ou na partida do processo. Sempre atua no sentido de atenuar as variações,

reagindo antecipadamente ao comportamento futuro do sinal de erro com base na sua

taxa de variação (caráter antecipatório), tendo como principal função melhorar o

desempenho do processo durante os transitórios. (CAMPOS, 2010, pg 30)

O algoritmo de saída do controlador derivativo é expresso como:

dt

tdeTdtu

)()(

Onde Td é chamado de tempo derivativo e tem dimensão de tempo

(normalmente minutos). Representando o avanço introduzido pela ação derivativa.

Dotando o controlador de uma capacidade de se antecipar à ocorrência do erro futuro.

Dessa maneira, o avanço produzido pelo termo derivativo pode compensar o

atraso introduzido por praticamente todas as malhas de controle.

A função de transferência desta ação é dada por:

sTdsE

sU

)(

)(

A ação derivativa nunca é utilizada sozinha, pois se o erro fosse constante, o

valor do controle seria nulo. Então, sempre é usada em conjunto com um controlador

proporcional que resulta no controlador PD, cujo algoritmo é dado por. (OGATA, 2003,

pg. 234)

dt

tdeTdteKptu

)()()(

Sendo sua função de transferência:

sTdKpsE

sU 1

)(

)(

A figura 30 ilustra a ação de um controlador derivativo (D) e proporcional

derivativo (PD) em relação a um erro em formato de rampa. Sendo que a ação do

controlador puramente derivativo é um valor constante e em forma de degrau, que no

inicio do erro (tempo zero) inicia-se em 15% .

(2.7)

(2.8)

(2.9)

(2.10)

33

Já no controlador PD o tempo derivativo (Td = 5) antecipa a ação do proporcional

(ganho Kp=3) que só iria ocorrer no tempo 5 segundos depois. Se não existisse a ação

derivativa, a saída do controlador só seria igual a 15% após 5 segundos. Entretanto com

o tempo derivativo (5 segundos), a saída do controlador já é igual a 15 % no tempo

zero, assim que o controlador calcula a derivada do erro.

Figura 30-Sinal de saída de um controlador com ação proporcional e derivativa


A figura 31 compara respostas hipotéticas de um processo com controle P e PD.

No controle P (figura 31A), devido à banda proporcional pequena observa-se a presença

de overshoot (PV ultrapassa SP antes de estabilizar). Isso ocorre pelo longo tempo em

que MV esteve no seu valor máximo e por ter sua redução iniciada já muito próximo de

SP, quando já é tarde para impedir o overshoot. No controle com ação derivativa (figura

32B) MV diminui se PV cresce muito rápido, ao antecipar a variação de PV, a ação

derivativa reduz ou elimina o overshoot e as oscilações no período.

Figura 31-Comparação de um controle P com um controle PD


Ao incorporar um caráter antecipatório à ação de controle, o modo derivativo

tende a estabilizar o sistema. O controle derivativo também tende a diminuir o erro

estacionário porque é possível trabalhar com valores mais elevados do ganho. Além

34

disso, normalmente melhora a resposta dinâmica do sistema, diminuindo o tempo de

acomodação. (OGATA, 2003, pg. 234)

2.1.4 Controlador proporcional, integral e derivativo (PID)

É o mais sofisticado tipo de controle utilizado em sistemas de malha fechada.

Trata-se da combinação das ações proporcional, integral e derivativa para gerar um só

sinal de controle dando origem ao chamado controlador Proporcional Integral

Derivativo ou simplesmente PID. (CAMPOS, 2010, pg 29)

O objetivo é utilizar as características particulares de cada uma destas ações

obtendo-se uma melhora significativa do comportamento transitório e em regime

permanente do sistema controlado.

Resumidamente a ação proporcional elimina as oscilações, a integral elimina o

desvio de off-set, enquanto a derivativa fornece ao sistema uma ação antecipada

evitando previamente que o desvio se torne maior quando o processo se caracteriza por

ter uma correção lenta comparada com a velocidade do desvio (por exemplo, alguns

controles de temperatura). (RIBEIRO, 2005, pg.72)

O sinal de controle gerado (u(t)) pelo controlador PID é dado como:

dt

tdeTdKpdtte

Ti

KpteKptu

)()()()(

Tendo sua função de transferência dada por:

sTd

sTiKp

sE

sU 11

)(

)(

A equação 2.11 expressa o algoritmo de saída do controlador PID paralelo

clássico, sendo este o mais encontrado na prática. Ele é dito paralelo porque as suas

ações, proporcional (P), integral (I) e derivativa (D) são calculadas em paralelo e em

seguida somadas, originando o sinal de saída.

Figura 32-Configuração de controlador PID em paralelo


(2.11)

(2.12)

35

Utilizando-se desta combinação têm-se três parâmetros de sintonia do

controlador: o ganho proporcional Kp (ação proporcional), o tempo integral Ti (ação

integral) e o tempo derivativo Td (ação derivativa).

Nem sempre, no entanto, faz-se necessário ou é possível o uso das três ações de

controle para controle de variáveis em processos. Pois cada qual possui suas limitações

perante de terminadas situações. (OGATA, 2003, pg. 557)

A figura 33 ilustra o efeito da ação do controle PID sob uma variável de um

processo industrial, lembrando de que as variáveis do controle (Kp, Ti e Td) devem ser

ajustadas para que se obtenha uma resposta satisfatória.

Figura 33-Resposta de um controlador PID


2.2 Sintonia de controladores PID

Uma vez que um sistema de controle esteja instalado, os ajustes dos parâmetros

do controlador devem ser realizados até que o desempenho do sistema seja considerado

satisfatório. Esta atividade é chamada de sintonia do controlador ou sintonia no campo.

Nos métodos práticos de sintonia o primeiro passo na utilização dos

controladores PID deve ser a da escolha dos modos a utilizar (proporcional, derivativo,

integral, ou uma combinação destes). Uma vez tomada à decisão, procede-se ao ajuste

dos parâmetros do controlador. (OGATA, 2003, pg. 558)

Sintonizar, ajustar ou calibrar os parâmetros de um controlador significa atribuir

valores a seus parâmetros, sendo estes o ganho proporcional Kp, tempo integral Ti e o

tempo derivado Td, partindo da resposta do sistema quando este é sujeito a entradas

específicas, determinando valores que vão permitir o cálculo dos referidos parâmetros.

Nos casos em que se dispõe de um modelo matemático para o sistema ou mesmo

de sua resposta em freqüência, várias técnicas de projeto baseados na teoria de controle

36

podem ser utilizados para sua sintonia. Porém, se a planta é tão complicada que seu

modelo matemático não pode ser obtido facilmente, se faz necessário o emprego de

métodos alternativos para se determinar seus parâmetros. (OGATA, 2003, pg. 558)

Tal determinação dos parâmetros de controladores de PID pode ser feita por

engenheiros de campo através de experiências na planta.

Numerosas regras de sintonia para controladores PID vêm sendo propostas

desde a proposta de Ziegler e Nichols, estando disponíveis na literatura dos fabricantes

de tais controladores.

2.2.1 Métodos de Ziegler e Nichols

Ziegler e Nichols sugestionaram regras para sintonia de controladores PID

(pretendendo ajustar os valores de Kp, Ti e Td) baseadas na resposta experimental ao

degrau ou baseado no valor de Kp que resulta em estabilidade marginal, quando só uma

ação proporcional de controle é usada. (OGATA, 2003, pg. 558)

Na realidade, as regras de sintonia de Ziegler-Nichols fornecem estimativas dos

valores dos parâmetros de Kp, Ti e Td que dará uma operação estável do sistema e

proporcionam um ponto de partida na sintonia fina, e não os valores definitivos de Kp,

Ti e Td, logo na primeira tentativa. (OGATA, 2003, pg. 558)

A sintonia dos parâmetros do controlador lógico programável (CLP) utilizado

neste projeto será realizada pelo método da curva de resposta de Ziegler e Nichols.

Sendo este descrito no próximo tópico.

2.2.1.1 Método da Curva de Resposta

Baseia-se num único teste experimental que deve ser realizado com o sistema

em malha aberta (controlador no modo manual), obtendo experimentalmente a resposta

da planta a uma entrada em degrau unitário. Se a planta não possui integradores nem

pólos complexos conjugados dominantes, então essa curva de resposta (curva de reação

do sistema) ao degrau unitário pode ter o aspecto de um “S”, típico de um sistema de

primeira ordem com atraso. Essa curva de resposta ao degrau pode ser gerada

experimentalmente ou a partir de uma simulação dinâmica da planta. (OGATA, 2003,

pg. 559)

A figura 34 representa os aspectos dos sinais de entrada e saida utilizados para

sintonia de controladores pelo método da curva de resposta de Ziegler e Nichols, onde

37

se tem a entrada do sinal na planta (u(t)) em forma de degrau unitário, e a curva de saída

da mesma (c(t)) em forma de “S”.

Figura 34-Resposta ao degrau unitário de uma planta

Fonte: OGATA. 2004, pg. 558

A curva com formato em “S” pode ser caracterizada através de duas constantes,

o atraso L e o tempo T. Sendo estas determinadas desenhando-se uma linha tangente no

ponto de inflexão da curva com formato de S e determinando-se a interseção da linha

tangente com o eixo dos tempos e linha horizontal c (t) = K. (OGATA, 2003, pg. 559)

A figura 35 ilustra a curva de resposta de um processo, sendo esta cortada por

uma linha tangente no ponto de inflexão da curva com formato de “S”, para obtenção

das constantes utilizadas para determinar os parâmetros para sintonia do controlador.

Figura 35-Curva de resposta em forma de S

Fonte: OGATA. 2004, pg. 559

As constantes obtidas pelo gráfico (figura 35) estão relacionadas com o tempo

morto ou atraso L sendo este o tempo que o processo leva para começar a responder à

variação ao degrau. E a constante de tempo T no qual se trata do tempo que o processo

demora, uma vez iniciada a variação da entrada, para a saída chegar aos 63% da

variação total final.

A função de transferência C(s)/U(s) pode ser aproximada por um sistema de

primeira ordem com um atraso de transporte, como se segue:

1)(

)(

sT

eK

sU

sC sL

Ziegler e Nichols sugeriram para fixar os valores de Kp, Ti e Td em relação as

constantes L e T as equações mostrada na tabela 01.

(2.13)

38

Tabela 01-Regras de sintonia de Ziegler-Nichols baseada na resposta ao degrau da

planta

Tipo de

Controlador pK

iT dT

P

L

T

0

PI

L

T9,0

3,0

L

0

PID

L

T5,0

L2 L5,0

Fonte: OGATA. 2004. pg. 559

O controlador PID sintonizado por este método é expresso pela seguinte

equação:

s

Ls

TsGc

21

6,0)(

Sendo que o controlador PID tem um pólo na origem e zeros duplos em s = -1/L.

Essas relações para a sintonia do controlador foram obtidas empiricamente com

o objetivo de conseguir uma taxa de decaimento da ordem de ¼.

2.3 Controladores lógicos programáveis

Controladores lógicos programáveis (CLPs) podem ser definidos de maneira

genérica como dispositivos de estado sólido. Um computador industrial, capaz de

armazenar instruções para implementação de funções de controle (seqüência lógica,

temporização e contagem, por exemplo), além de realizar operações lógicas e

aritméticas, manipulação de dados e comunicação em rede, sendo utilizado no controle

de sistemas automatizados. (GIORGINI, 2006, pg 48)

O CLP Independente do tamanho, custo ou complexidade apresenta seu

funcionamento de forma seqüencial, fazendo um ciclo de varredura em algumas etapas,

como em todo sistema microprocessado. É importante observar que quando cada etapa

do ciclo é executada, as outras etapas ficam inativas.

Os principais blocos que compõem os CLPs são:

- Unidade Central de Processamento (CPU);

- Circuitos ou módulos de entradas e saídas (E/S);

- Fonte de alimentação;

(2.14)

39

- Base ou Rack;

A figura 36 representa de uma forma simplificada o funcionamento de um CLP

A CPU executa a leitura dos status (condições, estados) dos dispositivos de entrada.

Esses status são armazenados na memória RAM sendo processados pelo programa de

aplicação (desenvolvido pelo usuário e armazenado em memória RAM, EPROM ou no

CLP). Após a execução programa de aplicação, o processador atualiza os status dos

dispositivos de saída, realizando a lógica de controle.

Figura 36-Representação da estrutura básica do CLP

Fonte: GIORGINI. 2006. pg. 49

A figura 37 ilustra um CLP disponível no mercado, onde pode ser visto a

distribuição de seus blocos fisicamente. Fonte de alimentação, CPU, módulos de

entradas e saídas e a base ou rack (responsável pela sustentação física dos blocos

descritos anteriormente).

Figura 37-Partes construtivas de um CLP disponível no mercado

Fonte: GIORGINI. 2006, pg. 49

2.3.1 Unidade central de processamento (CPU)

Compreende os elementos que formam a “inteligência” do sistema. Composto

basicamente pelo processador (microprocessador, microcontrolador ou processador

dedicado), sistema de memória (ROM e RAM), além dos circuitos auxiliares de

controle. Sendo o responsável pela gerencia do sistema, através do sistema operacional,

armazenamento dos programas aplicativos, armazenamento dos estados das entradas e

saídas e execução do programa aplicativo. (GIORGINI, 2006, pg 54)

40

Na figura 38 é ilustrado uma representação dos componentes internos da CPU e

sua lógica de funcionamento. Onde o processador interage continuamente com o

sistema de memória por meio do programa de execução, interpreta e executa o

programa de aplicação, e gerencia todo o sistema. Os circuitos auxiliares de controle

atuam sobre os barramentos de dados, endereços, e de controle, conforme solicitado

pelo processador, de forma similar a um sistema convencional baseado em

microprocessador.

Figura 38-Estrutura básica da CPU

Fonte: GIORGINI.2006. pg. 54

2.3.1.1 Processador

É responsável pelo gerenciamento total do sistema, controlando os barramentos

de endereços, de dados e de controle.

Conforme determinado pelo programa de execução, interpreta e executa as

instruções do programa de aplicação, controla a comunicação com dispositivos

extremos e verifica a integridade de todo o sistema (diagnósticos). (GIORGINI, 2006,

pg 54)

2.3.1.2 Sistema de memória

É composto pela memória do sistema de operação (programa de execução ou

firmware, e rascunho do sistema) e pela memória de aplicação (programa de aplicação e

tabela de dados). (GIORGINI, 2006, pg 55)

A figura 39 ilustra de forma simplificada a divisão do sistema de memória do

CLP.

Figura 39-Estrutura básica do sistema de memória


41

- Memória do sistema de operação

Programa de execução (Firmware): Constitui o programa desenvolvido pelo

fabricante do CLP, o qual determina como o sistema deve operar, incluindo a execução

do programa de aplicação, controle de serviços periféricos atualização dos módulos de

I/O, etc. Sendo o responsável pela „tradução‟ do programa de aplicação desenvolvido

pelos usuários, para instruções que o processador da CPU possa executar em linguagem

de maquina. É armazenado em memória não volátil tipo ROM, e normalmente EPROM.

Rascunho do sistema: Trata se de uma área de memória reservada para o

armazenamento temporário de uma quantidade pequena de dados utilizados pelo

sistema de operação para cálculos e controle (calendários e relógios internos,

sinalizadores de alarmes e erros). Uma característica dessa área de memória é o acesso

rápido, sendo tipo RAM.

- Memória de aplicação ou memória do usuário

Programa de aplicação: nessa área é armazenado o programa desenvolvido pelo

usuário para a execução do controle desejado. Trata-se normalmente de memória

EEPROM, podendo ser também EPROM, ou ainda RAM com bateria de segurança.

Tabela de dados: Armazena dados que são utilizados pelo programa de

aplicação, como valores atuais e pré-configurado de temporizadores/contadores e

variáveis do programa, alem dos status dos pontos de entrada e de saída (tabela de

imagem das entradas e tabela de imagem da saída), que são lidas e escritas pelo

programa de aplicação, respectivamente.

2.3.2 Circuitos/Módulos de Entrada/Saída

Esses módulos ou circuitos de entrada e saída são responsáveis por fazerem a

comunicação entre a CPU e o meio externo (por meio dos dispositivos de entrada e

saída), além de garantir isolação e proteção á CPU. Podem ser discretos (sinais digitais),

ou analógicos. (GIORGINI, 2006, pg 58)

A figura 40 exemplifica uma representação genérica de um CLP com seus

dispositivos de entrada (botoeira, sensor e termostato) e saída (bobina, lâmpada e

transdutor). Onde a comunicação desses dispositivos com a CPU é realizada por

circuitos de entrada e saída, que nada mais são do que conectores elétricos dispostos em

barramentos.

42

Figura 40-Representação dos conectores utilizados para entrada de sinal através de

dispositivos em campo

A diferenciação de nomenclatura entre, circuitos de E/S ou módulos de E/S,

deve-se ao tipo de CLP. Nos CLPs compactos a CPU e as E/S estão alojados em um

único invólucro, usando-se circuitos de E/S. Para os CLPs modulares a CPU e as E/S

estão disponíveis de forma independente, usando-se módulos de E/S. (GIORGINI,

2006, pg 58)

A figura 41 ilustra um CLP compacto, que apresentam circuitos E/S como

dispositivos para entrada e saída de dados.

Figura 41-CLP Compacto da Schneider Electric

Fonte: Schneider Electric

A figura 42 ilustra um CLP modular, que apresentam módulos E/S como

dispositivos para entrada e saída de dados.

Figura 42-CLP Modular da SST

Fonte: LPC

43

2.3.2.1 Módulos ou circuitos de entrada

São responsáveis por receberem os sinais dos dispositivos de entrada, tais como:

sensores, chaves e transdutores, e os converterem em níveis adequados para serem

processados pela CPU. Podendo estes ser analógicos ou digitais. (GIORGINI, 2006, pg

60)

- Módulos ou circuitos de entradas discretas

Tratam sinais digitais, ou seja, que possuem apenas dois estados (ligado ou

desligado). São utilizados em sistemas seqüenciais e na maioria das aplicações, mesmo

como parte de sistemas contínuos.

Como exemplos de dispositivos que produzem sinais digitais podem ser citados

as botoeiras, chaves fim de curso, chaves comutadoras, termostatos, pressostatos, etc.

As entradas digitais podem ser projetadas para operarem em corrente continua (12 Vcc,

24Vcc) ou em corrente alternada (127 Vca ou 220 Vca). (GIORGINI, 2006, pg 60)

A figura 43 ilustra tipos de botoeiras. Sendo estes exemplos de dispositivos que

produzem sinais digitais.

Figura 43-Dispositivos utilizados para entradas discretas (botoeiras)

Fonte: Eletrotécnica Vera Cruz

- Módulos ou circuitos de entradas analógicas

São os que possibilitam ao CLP manipular sinais analógicos (tensão, corrente,

temperatura, por exemplo), provenientes dos dispositivos de entrada que quantificam

grandezas analógicas (transdutor, conversor, termopar), em sinais digitais por meio de

conversor analógico/digital, disponibilizando-os adequadamente ao barramento da CPU.

(GIORGINI, 2006, pg 65)

São utilizados em sistemas contínuos ou como parte de sistemas seqüenciais.

Para tensão as faixas de utilização são normalmente de 0 a 10 Vcc, 0 a 5 Vcc, 1 a 5 Vcc,

-10 a +10Vcc (interfases que permitem entradas positivas e negativas são chamadas de

entradas diferenciais), e no caso de corrente 0 a 20 mA, 4 a 20mA, etc. (GIORGINI,

2006, pg 66)

44

Como exemplos de dispositivos comumente empregados para fazer interface das

entradas analógicas podem ser citados os transdutores de pressão, transmissores de

temperatura, etc.

A figura 44 ilustra um exemplo de dispositivo (transmissor de pressão)

responsável por fornecer sinal analógico (tensão), mediante a medição de pressão em

tubulações.

Figura 44-Transmissor de pressão

Fonte: Danfoss

2.3.2.2 Módulos ou circuitos de saída

São os que realizam o envio dos sinais aos dispositivos de saída, tais como:

motores, atuadores e sinalizadores. Esses sinais podem ser resultantes da lógica de

controle, pela execução do programa de aplicação, ou “forçados” pelo usuário,

independente da lógica de controle. (FRANCHI, 2009, pg 41)

- Módulos ou circuitos de saídas discretas

Tratam sinais digitais (ligado/desligado), Sendo bastante comuns em sistemas

seqüências e na maioria das aplicações industriais.

Podendo ser citados dispositivos acionados por saídas digitais os relés,

contatores, solenóides, válvulas, dentre outros.

A figura 45 ilustra uma válvula solenóide, sendo esta um exemplo clássico de

dispositivo acionado por saída digital. Empregada para uso em linhas de água, vapor e

fluidos especiais.

Figura 45-Exemplo de saída discreta (Válvula solenóide)

Fonte: THERMOVAL

45

As saídas digitais apresentam normalmente faixa de tensão entre 24 Vac, 127

Vac ou 220 Vac (a TRIAC ou SCR), para alimentação de cargas em corrente alternada,

5 Vcc, 12 Vcc, 24 Vcc (transistor bipolar ou MOS-FET) para cargas acionadas em

corrente continua, ou a relé tanto em corrente continua como alternada. (GIORGINI,

2006, pg 63)

- Módulos ou circuitos de saídas analógicas

Possuem a finalidade de converterem sinais digitais, disponíveis no barramento

da CPU, em sinais analógicos por meio de conversor digital/analógico enviando-os aos

dispositivos de saída (driver, amplificador). As faixas de operação dos canais são

comumente utilizados para corrente 0 a 20 mA, 4 a 20 mA e tensão 0 a 5 V, 0 a 10 V.


Podem ser tidos como exemplos de dispositivos que utilizam sinais analógicos

oriundos das saídas de CLPs: válvulas proporcionais, posicionadores, atuadores,

inversores de freqüência, dentre outros.

A figura 46 ilustra um dispositivo (inversor de freqüência) que utiliza saída

analógica do CLP como sinal de entrada. Sendo este responsável pelo acionamento de

motores elétricos.

Figura 46-Dispositivo que utiliza saída analógica do CLP (inversor de freqüência)

Fonte: Envasa

2.3.3 Fonte de alimentação

As fontes de alimentação são as responsáveis pela alimentação elétrica da CPU e

circuitos/módulos de E/S (desde que respeitado o limite de corrente). Sendo

responsáveis ainda por funcionarem como dispositivo de proteção, garantindo a

segurança e a integridade da tensão de alimentação para todo o sistema, por meio do

monitoramento constante dos níveis de tensão e de corrente fornecidos, onde geralmente

do tipo chaveada com tensão de saída de 24 Vcc. (FRANCHI, 2009, pg 31)

46

2.3.4 Base ou Rack

A base ou rack é o que sustenta mecanicamente os elementos que compõem o

CLP. Contem o barramento que fazem à conexão elétrica ente eles, no qual estão

presentes os sinais de dados, endereço e controle (necessários para comunicação entre a

CPU e os módulos de E/S), além dos níveis de tensão fornecidos pela fonte de

alimentação (necessários para que a CPU e os módulos E/S possam operar).


A figura 47 ilustra um exemplo de rack disponível no mercado, donde se pode

visualizar a disposição mecânica dos módulos do CLP fixados nos mesmos.

Figura 47-Modelo de Rack disponível no mercado

Fonte: ROSSI.2008. pg. 30

2.3.5 Linguagens de programação

Existem vários tipos de linguagens de programação para CLPs, sendo a

padronização dessas linguagens feita pelo IEC (Comissão Eletrotécnica Internacional),

através da norma IEC 61131-3.

Essa norma (IEC 61131-3) estabelece padrões para a sintaxe e componentes

específicos das linguagens de programação para CLPs. Detalhando vários métodos de

programação que devem ser empregados, os tipos de dados que devem estar

disponíveis. Além disto, cria um modelo de software e estabelece padrões para a

estruturação de programas em CLPs, definindo também funções pré-definidas que tem

que ser disponibilizadas pelas ferramentas de software fornecidas pelos fabricantes de

CLPs. (GIORGINI, 2006, pg 85)

A norma IEC 61131-3 define duas linguagens gráficas e duas linguagens

baseadas em texto para a programação de CLPs. As linguagens gráficas usam símbolos

para representar as instruções do programa de controle, enquanto as linguagens

baseadas em texto usam palavras como instruções. (GIORGINI, 2006, pg 85)

47

2.3.5.1 Linguagens gráficas

- Linguagem Ladder (LD)

O nome ladder deve-se a representação da linguagem se parecer com uma escada

(Iadder), na qual duas barras verticais paralelas são interligadas pela lógica de controle,

formando os degraus da escada. Esses degraus representam contatos, como se fosse um

comando elétrico na horizontal. (GIORGINI, 2006, pg 84)

Nessa linguagem se faz possível desenvolver lógicas combinacionais,

seqüenciais e circuitos que envolvam ambas, utilizando como operadores para estas

lógicas: entradas, saídas, estados auxiliares e registros numéricos. (FRANCHI, 2009, pg

106)

A Tabela 02 ilustra os três principais símbolos utilizados na programação

ladder. Os contatos aberto e fechado (usados para dispositivos de entrada) e a bobina

(símbolo para as saídas).

Tabela 02-Principais símbolos utilizados na programação ladder

Tipo Símbolo

Contato aberto

Contato fechado

Saída

A figura 48 representa um exemplo simples de programação em linguagem

ladder, e como os contatos e bobinas estão distribuídos no ambiente de programação.

Figura 48-Exemplo de programação em linguagem ladder


Além de simples contatos e bobinas, atualmente dispõem de contatos utilizados

para várias situações (contatos de comparação, temporizadores, contadores, blocos de

processamento, etc)

- Diagrama de blocos de função (FBD)

Trata-se de uma linguagem gráfica que permite aos elementos do programa,

representados como blocos, serem conectados entre si de forma semelhante a um

48

diagrama de circuito eletrônico. Essa linguagem é apropriada para aplicações que

envolvam fluxo de informação, ou dados, entre os componentes de controle.


A figura 49 ilustra um exemplo simples de programação em linguagem de

diagrama de blocos de função, onde se pode visualizar seu estilo de programação.

Figura 49-Exemplo de programação em linguagem de blocos de função

Fonte: ROSSI. 2008. pg. 8

No presente trabalho a implementação do controlador PID do CLP será realizada

pela linguagem de diagrama de blocos de função. Sendo esta detalhada mais afundo no

capitulo III.

2.3.5.2 Linguagens baseadas em texto

- Lista de Instruções (IL)

É uma linguagem de baixo nível. Na qual permite apenas uma operação por

linha, definindo textualmente os componentes e as instruções que o CLP deverá realizar

passo a passo. Sua utilização é viável em aplicações menores, ou para otimização de

partes de uma aplicação mais complexa. (GIORGINI, 2006, pg 85)

A Figura 51 representa um exemplo simples de programação em linguagem de

lista de instruções, donde se constata três colunas. A do endereço onde se encontra a

entrada física, a da instrução a ser imposta para tal entrada e a de operação donde se

encontra o elemento que será estimulado.

Figura 50-Exemplo de programação em linguagem de lista de instrução


49

- Texto Estruturado (ST)

É a linguagem de alto nível. Essa linguagem pode ser usada para expressar

declarações complexas envolvendo variáveis que representa uma ampla faixa de dados

de diferentes tipos, incluindo valores analógicos e digitais. A linguagem ST lembra

muito as linguagens de programação de computadores BASIC e PASCAL (GIORGINI,

2006, pg 86)

Havendo também tipos de dados específicos para gerenciamento de horas, datas

e duração de tempo, utilizados em aplicações de processamento de produtos, por

exemplo.

A figura 51 representa um exemplo simples de programação em linguagem de

texto estruturado.

Figura 51-Exemplo de programação em linguagem de texto estruturado


2.3.6 Ferramentas para Programação de PLCs

As principais Ferramentas para Programação disponível atualmente para CLPs

encontrados no mercado são o programador manual e o software de programação para

computador. Ambas as ferramentas possuem recursos para monitoramento de condições

internas a CPU (diagnósticos e erros, por exemplo), verificação da execução do

programa de aplicação de controle sobre os modos de operação, entre outros.

2.3.6.1 Programador Manual

Está é ferramenta de menor custo e utilizada para pequenas alterações.

Normalmente, possui um display de cristal liquido com duas linhas para apresentação

das informações (endereço e dados do programa, condição dos pontos de E/S e

diagnósticos internos, por exemplo) e um teclado de membrana para entrada dos dados.


São bastante úteis como Ferramenta de Manutenção para campo (chão de

fabrica), proporcionando visualização, monitoramento e alteração de parâmetros e do

50

programa de aplicação rapidamente, com a vantagem de ser portátil e resistente ao

ambiente industrial. É conectado a CPU do CLP por meio de cabo apropriado, pelo qual

recebe a tensão de alimentação necessária a sua operação. (GIORGINI, 2006, pg 88)

2.3.6.2 Software de Programação

Trata-se de uma ferramenta mais poderosa disponível atualmente. Proporcionam

edição/ alteração do programa de aplicação em ambiente gráfico (Linguagem Ladder,

por exemplo), permite visualização e controle total do sistema (documentação e

impressão da aplicação desenvolvida), varias formas de armazenamento de backup

(disquete, HD, CD, etc.) e recursos avançados para depuração e manutenção. O

computador deve atender as configurações de hardware (processador, quantidade de

memória RAM, espaço livre em HD, portas seriais) e de software(Sistema Operacional)

indicadas pelo fabricante do CLP. (GIORGINI, 2006, pg 89)

A comunicação entre o computador e a CPU do CLP é feita por meio de um

cabo apropriado, pela porta serial (RS-232) na maioria dos casos. Podendo utilizar ainda

o padrão RS-422 ou RS-485 para conexão. Havendo aquelas que utilizam padrão

próprio e necessitam de interface dedicada instalada no PC. (GIORGINI, 2006, pg 89)

2.4 Modulação de Largura de Pulso (PWM)

De uma forma simplificada o PWM trata-se de uma técnica para controle de

potencia em cargas elétricas, fazendo variar a potência entregue as mesmas entre um

valor mínimo (0%) e máximo (100%), em relação à fonte de alimentação.

Esta técnica é bastante difundida na atualidade em inúmeras aplicações que se

faça necessário o controle de potencia em cargas elétricas, podendo ser citadas as fontes

chaveadas, solenóides, aquecedores, lâmpadas incandescentes, motores de corrente

contínua ou alternada. Em motores elétricos se faz possível o controle de sua

velocidade, mantendo o torque ainda que em baixas velocidades o que garante partidas

suaves mesmo quando há uma carga maior sobre os motores. (GHIRARDELLO. 2008.

pg. 02)

Seu principio de funcionamento baseia-se na idéia de um circuito formado por

um interruptor de ação muito rápida e uma carga a ser controlada. Quando o interruptor

está aberto não há corrente na carga e a potência aplicada é nula, no instante em que o

interruptor é fechado a carga recebe a tensão total da fonte e a potência aplicada é

máxima. (GHIRARDELLO. 2008. pg. 02)

51

A figura 52 representa o princípio de funcionamento do PWM onde se tem um

interruptor controlado que quando acionado faz com que o motor receba 6 Volts da

fonte de alimentação e funcione com 100% de potência, e quando não acionado o motor

não recebe energia e simplesmente não funciona.

Figura 52-Circuito elétrico controlado por interruptor

A parte fundamental desta técnica é justamente o controle utilizado para ligar e

desligar o “interruptor”. Se supondo conseguir controlar o acionamento do interruptor

um grande número de vezes por segundo de tal forma que metade do tempo ele fica

ligado e metade desligado o resultado seria uma onda quadrada com amplitude igual a

da fonte.

A figura 53 ilustra a curva de resposta para o circuito da figura 53 donde se tem

o tempo “t1” corresponde ao tempo que o interruptor fica pressionado e “t2” o tempo

que ele fica livre. Como neste caso t1 é igual a t2, isto significa que durante a metade do

tempo (t) o motor recebe tensão (6 Volts) e corrente da fonte e na outra metade deixa de

receber tensão (0 Volts) e corrente. A tensão média resultante aplicada ao motor é neste

caso de 3 Volts, ou seja, 50% da tensão da bateria.

Figura 53-Ciclo ativo de 50%

Fonte: GHIRARDELLO. 2008. pg. 02

O interruptor fechado neste caso pode definir uma largura de pulso pelo tempo

em que ele fica nesta condição, e um intervalo entre pulsos pelo tempo em que ele fica

aberto. Os dois tempos juntos definem o período e, portanto, uma freqüência de

controle.

52

A relação entre o tempo que se tem entre o pulso e a duração do ciclo completo

de operação do interruptor nos define ainda o ciclo ativo.

A figura 54 ilustra a resposta de um circuito PWM, no qual fica visível que o

ciclo ativo (t1) trata-se do tempo em que se tem o pulso em relação ao ciclo completo de

operação (t) sendo este o período.

Figura 54-Definição do ciclo ativo


Sendo assim a variação da largura do pulso ligado (ciclos ativos diferentes),

resulta no controle de potência média aplicada a uma carga. Assim, quando a largura do

pulso varia de zero até o máximo, a potência também varia na mesma proporção.

(GHIRARDELLO. 2008. pg. 03)

Supondo este controle empregado na variação da rotação de motores, para se

diminuir sua rotação basta reduzir a largura dos pulsos, mantendo o motor menos tempo

ligado. Caso contrário se aumenta a largura do pulso mantendo o motor mais tempo

ligado resultando em um aumento de sua rotação.

A figura 55 representa uma saída com ciclo ativo de 1%, donde apresenta uma

pequena potencia entregue a carga.

Figura 55-Potencia aplicada com ciclo ativo de 1%


A figura 56 representa uma saída com ciclo ativo de 99% donde apresenta uma

potencia entregue a carga quase total em relação a fonte de alimentação.

Figura 56-Potencia aplicada com ciclo ativo de 99%


53

Capitulo III

DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO

Neste capitulo será descrita a parte prática do projeto, especificando as

dificuldades encontradas com a sua realização, além dos detalhes de seus aspectos

construtivos (partes constituintes e montagem), implementação do algoritmo de controle

no CLP e testes práticos com o protótipo.

3.1 Descrição dos componentes

As partes construtivas da mini-planta a ser construída com o objetivo de simular

de maneira realista o controle de uma variável de processo (nível) através de uma

técnica de controle e medição alternativa, se encontram divididas basicamente em três

partes, a saber, sendo esta mecânica, hidráulica e eletrônica.

3.1.1 Mecânica

Tratam das partes mecânicas da planta, ou seja, as que darão sustentação as

demais partes do projeto. Detalhes construtivos podem ser vistos no apêndice deste

trabalho.

A figura 57 ilustra a estrutura mecânica montada sendo esta constituída em

madeira e aço.

Figura 57-Estrutura montada para suporte dos demais elementos

54

3.1.2 Hidráulica

Compreendem os componentes hidráulicos, sendo estes os responsáveis pelo

armazenamento e movimentação do fluido entre os reservatórios (reservatórios,

tubulação, conexões).

(a) (b)

Figura 58-Recipientes usados como reservatório: inferior (a) e superior (b)

Figura 59-Luva PVC soldável ½ para ¾ ”

Figura 60-Flange de PVC soldável ¾”

Figura 61- Joelho 90º soldável ¾”

Figura 62-Tubo de PVC ¾”

55

3.1.3 Eletrônica

È a que trata dos componentes da malha de controle, sendo estes o elemento

primário de medição, controlador e o elemento final de controle.

3.1.3.1 Elemento primário

O elemento primário utilizado para medição da pressão na linha de recalque foi

o MPX5010 GP, sendo este um transdutor de pressão fabricado pela Motorola, fora

escolhido, sobretudo pela disponibilidade, alto nível de precisão, ser compacto,

apresentar alimentação de 5 volts e grande sensibilidade.

De acordo com especificações (datasheet) esse transdutor tem como elemento

sensível um piezoresistor de silício monolítico, que faz variar a tensão de saída

conforme a pressão aplicada, sendo o elemento resistivo, que constitui o medidor de

pressão uma implantação de íon em um fino diafragma de silício.

A pressão aplicada sobre o diafragma resulta em uma variação de resistência no

medidor de pressão que, por conseguinte, promove uma variação na tensão de saída

diretamente proporcional à pressão aplicada. Segundo o fabricante, o medidor de

pressão é uma parte integrante do diafragma de silício, não sofrendo efeito de

temperatura devido a diferenças de dilatação térmica no medidor de força e no

diafragma.

Figura 63-Transdutor de pressão MPX5010 GP

Fonte: MOTOROLA

As especificações do transdutor utilizado são apresentadas pelo respectivo

fabricante podendo ser observadas na Tabela 03.

Tabela 03-Características Operacionais do sensor de pressão

Característica Símbolo Mínimo Típico Máximo Unidade

Intervalo de pressão PoP 0 - 10 Kpa

Tensão de suprimento Vs 4,75 5 5,25 Vcc

Corrente de alimentação Io - 7 10 mAcc

Fundo de escala (Vs=5,0 V) VFSS - 4,5 - Vcc

Offset (Vs=5,0 V; 0° a 85° ) Voff -2,0 - 2,0 MV

Sensibilidade V/P - 0,450 - V/Kpa

Precisão (0 a 85°) - - ±5,0 %VFSS

Histerese de pressão - - ±2,5 %VFSS

Tempo de resposta TR - 1,0 - ms

Fonte: Motorola. 2001

56

Esse transdutor pode ser empregado, pois como observado na tabela 03 sua faixa

de pressão vai de 0 a 10 KPa o que equivale a aproximadamente 1 mH2O, o suficiente

para simular o funcionamento do protótipo.

Este transdutor foi montado em uma placa de fenolite, donde será presa a

estrutura de madeira através de parafusos. Sua tensão de alimentação será proveniente

da fonte de alimentação (12 Vcc) e regulada em 5 Vcc através de um circuito tendo este

como componente principal o 7805, encontrado na mesma placa de fenolite junto ao

transdutor. Sua saída (0 a 5 Volts) mediante a pressão mensurada na tubulação será

transmitida em uma das entradas analógicas do mesmo CLP.

A figura 64 ilustará o circuito eletronico e o transdutor de pressão empregados

no projeto.

Figura 64-Transdutor de pressão e circuito eletroeletrônico montados em placa

3.1.3.2 Controlador

O controlador (CLP) utilizado para implementação do algoritmo de controle é o

CD600 da fabricante SMAR. Seu emprego para este projeto se justifica pela

disponibilidade por possuir o bloco PID destinado a controle de processos e

disponibilidade de utilização do equipamento.

As descrições das características técnicas do CLP se encontram no apêndice I

deste trabalho.

A figura 65 ilustra o CLP utilizado no projeto, bem como os conectores e

entrada e saída.

57

Figura 65-CLP utilizado no projeto (CD600)

3.1.3.3 Elemento final de controle

Neste projeto este elemento corresponde ao conjunto motobomba (bomba

hidráulica centrifuga e motor elétrico de 12 Volts em corrente continua), sendo este o

elemento responsável pela transmissão de energia ao fluido para sua locomoção dentro

da tubulação de um reservatório a outro.

Esta bomba fora escolhida devido as suas características técnicas (vide anexo I)

ressaltando principalmente a alta pressão em baixas rotações.

A figura 66 ilustra a motobomba utilizada no projeto do protótipo.

Figura 66-Conjunto motobomba

58

Para o controle da rotação do motor da bomba, a fim de recalcar água ao

reservatório superior se fez necessário a construção de um driver baseado na lógica

PWM. Sendo que este receberá um sinal de corrente (4 a 20 mA) oriundo da saída do

CLP.

Mais detalhes deste driver podem ser vistos no apêndice IV.III deste trabalho.

A figura 67 ilustra o drive para controle da rotação do motor montados, onde

observa-se que o drive fora dividido em duas partes (controle e potencia) e conectados

através de cabos elétricos.

Figura 67-Drive de controle (à esquerda) e potencia (á direita) do motor da bomba

Estes circuitos foram colocados dentro de um recipiente plástico, a fim de evitar

eventuais danos.

A figura 68 ilustra o recipiente destinado a colocação do circuito montado, sendo

visto a chave destinada ao controle em malha aberta presente na tampa.

Figura 68-Recipiente plástico envolvendo o circuito

59

3.2 Montagem da planta

De posse das partes individuais foi montado o protótipo para teste, sendo este

ilustrado na figura 69.

A figura 69 ilustra o protótipo com suaas partes fisicas montadas, sendo estas a

estrutura mecanica e parte hidraulica.

Figura 69-Protótipo montado

60

3.3 Implementação do controle PID

3.3.1-Obtenção dos parâmetros

Para obtenção dos parâmetros para sintonia do controlador PID presente no CLP

será utilizado o método já exemplificado no capitulo II (tópico 2.2.1.1).

A curva de resposta do sistema será obtida no software Excel 2007, através de

pontos colhidos de tensão em função do tempo, através de um multímetro digital.

Para acionamento do conjunto motobomba em malha aberta (controlador no

modo manual) visando obter experimentalmente a resposta da planta a uma entrada em

degrau unitário, será utilizada uma simples chave (liga-desliga) conectada no drive de

potencia construído, mencionado anteriormente. A resposta da planta será à saída de

tensão do circuito do transdutor em função da pressão no reservatório.

A figura 70 ilustra o teste sendo feito em malha aberta para aquisição de dados a

fim de construir o gráfico da curva de resposta.

Figura 70-Equipamentos montados para inicio da aquisição de dados

A tabela 04 expressa os valores de tensão colhidos com o multímetro digital na

saída do circuito do transdutor em função do tempo.

61

Tabela 04-Tensões obtidas na saída do circuito do transdutor em função do tempo

Tempo (s) Tensão (V)

0 0,24

3 0,76

6 3

9 4,12

12 4,31

15 4,35

18 4,38

21 4,45

24 4,55

27 4,63

30 4,73

33 4,74

36 4,8

39 4,83

42 4,85

45 4,87

48 4,9

A figura 71 ilustra o gráfico da curva de resposta oriunda do sistema em função

da pressão na linha de recalque do reservatório obtido com as tensões de saída do

transdutor listadas na tabela 03.

62

Figura 71-Gráfico da curva de resposta do sistema

De posse da curva de resposta do sistema se faz possível sua análise para

obtenção das constantes (T e L) no qual se tem que para L o valor encontrado foi igual a

1,875 s e T igual a 6,75 s.

Conforme a tabela 01 (capitulo II) os valores dos parâmetros do PID obtidos a

partir destas constantes (T e L) estão listados na tabela 05.

Tabela 05-Parâmetros obtidos a partir dos valores de “T” e “L”

Kp Ti (s) Td (s)

P 3,6 infinito zero

PI 3,24 6,25 zero

PID 1,8 3,75 0,94

A função de transferência C(s)/U(s) do controlador PID segundo a equação

(2.14) mediante as constantes obtidas no gráfico pode ser escrita como.

s

sssGc

13,146,405,4)(

2

(3.01)

63

3.3.2-Implementação do bloco PID

De posse dos parâmetros do controlador PID colhidos e mencionados na tabela

05, se faz possível a programação dá lógica de controle responsável pelo controle de

nível da planta no CLP tendo este como principal elemento o bloco PID.

A elaboração da malha de controle e implementação do bloco PID será realizada

no software de programação (CONF600). Esta ferramenta desenvolvida pela empresa

SMAR, é responsável pelo desenvolvimento da malha de controle e configuração dos

parâmetros da mesma.

A descrição da ferramenta de programação (CONF600) e das características dos

blocos utilizados na implementação do algoritmo PID se encontram no apêndice II e III

respectivamente deste trabalho.

A figura 72 ilustra a malha do programa elaborado no programa CONF600 com

a finalidade de controlar o nível da planta. Sendo esta composta pelos blocos de entrada

analógica (AI), PID, estação automática/manual (A/M), saída em corrente (CO), seleção

de Set point Local/Remoto (L/R) e frontal do Controlador (FV).

Figura 72-Programa desenvolvido para o controle da planta

64

Os parâmetros do bloco PID ajustados para esta malha serão inicialmente

escolhidos de acordo com os valores previamente definidos graficamente. Esses

parâmetros são descritos previamente na tabela 06.

A tabela 06 revela os parâmetros (configuração e constantes) do bloco PID e a

descrição dos mesmos.

Tabela 06-Descrição dos parâmetros atribuídos ao bloco PID para controle da planta

Parâmetros Descrição

CTYP Tipo de algoritmo

CACT Tipo de ação

AKp Ganho proporcional

ATr Tempo integral

ATd Tempo derivativo

ABIA Bias

CARL Limite inferior de anti-resete wind-up

CARU Limite superior de anti-resete wind-up

A figura 73 ilustra os parâmetros (configuração e constantes) do bloco PID a

serem configurados para controle da planta através do software CONF600.

Figura 73-Valores dos parâmetros do bloco PID

Para a programação do CLP se fez necessário uma interface de comunicação

entre os padrões RS232 (oriunda do computador) e RS485 (de entrada do CLP).

65

A figura 74 ilustra a interface para comunicação entre o computador e o

controlador. De modo que fosse descarregado o programa de execução.

Figura 74-Interface RS232/RS485

A figura 75 ilustra o cabo de comunicação utilizado para transmitir os dados do

computador para a interface de comunicação.

Figura 75-Cabo de comunicação RS232

66

3.4 -Testes práticos

Para os testes das respostas do protótipo se faz necessário montar a malha de

controle completa, juntamente com as fontes de alimentação (para o drive de

acionamento e transdutor e da motobomba) como pode ser visto na figura 76.

A figura 76 ilustra as partes do projeto todas montadas e interligadas.

Figura 76-Planta montada com malha de controle e fonte de alimentação

Um problema encontrado foi a medida erronia do transdutor obtida na saida do

circuito eletronico que afetava diretamente a resposta do controlador devido a falta de

estabilidade na leitura. Este problema fora solucionado mudando o ponto de medição na

tubulação e atribuindo um tubo de caneta no interior do adaptador que ficara voltado

para cima na parede interna do tubo. Com isso diminuiu-se drasticamente as

oscilasções, e fora possivel fazer as leituras com poucos erros.

67

A figura 77 ilustra a mudança do ponto de medição a fim de diminuir os erros de

leitura.

Figura 77-Mudança do ponto de medição da pressão

A figura 78 ilustra a adaptação feita com o tubo de caneta no adaptador colocado

para encaixe da mangueira.

Figura 78-Adaptação feita para melhor leitura do transdutor

3.4.1- Primeira etapa

Inicialmente foram atribuídos os valores das constantes do PID teórico obtidos

na tabela 05, sendo SP (valor de set point) definido em 80% do volume total. Foram

modificados também os parâmetros CACT “tipo de ação” para 4 “ação reversa” e

CTYP “tipo de algoritmo” para 4 “PID hart”.

A figura 79 ilustra os parâmetros teóricos atribuídos ao bloco PID para obtenção

da resposta do sistema.

68

Figura 79-Parâmetros atribuídos ao bloco para o PID teórico

A resposta obtida através da IHM do CLP revela que PV (variável do processo)

com os parâmetros ilustrados na figura 79 em relação a SP (set point) não foram

satisfatórios. O valor da variável do processo ultrapassou o valor do set point quando

partindo o processo do inicio.

A figura 80 ilustra PV (variável do processo) que ultrapassa SP com um valor de

quase 3%.

Figura 80-Resposta de PV em relação a SP

69

Quando submetido a um distúrbio o sistema também não reage conforme o

esperado apresentando uma variação muito grande e não mantendo o nível estabilizado.

A figura 81 ilustra a resposta de PV quando submetido a um distúrbio

(ocasionado por uma válvula manual na parte inferior do reservatório superior)

chegando a quase 4%.

Figura 81-Resposta de PV em relação a SP em relação a um disturbio

Se pode concluir que os parâmetros do PID teóricos não são satisfatórios para o

controle do nível. Sendo ainda que a ação derivativa deva ser retirada devido a algumas

oscilações provocadas pelo transdutor devido ao sistema de bombeamento.

70

3.4.2- Segunda etapa

Como uma segunda tentativa foi usada os valores das constantes da tabela 05

sendo agora somente para os parâmetros PI.

A figura 82 ilustra os parâmetros atribuídos para PI.

Figura 82-Parâmetros atribuídos ao bloco para o PI teórico


com os parâmetros ilustrados na figura 82 em relação a SP (set point) também não

foram satisfatórias, o valor da variável do processo demora muito para atingir o set

point quando iniciado o processo do inicio, o que torna a resposta do sistema muito

lenta.

A figura 83 ilustra PV (variável do processo) respondendo lentamente ao erro e

ultrapassando SP em quase 1,5%.


71

Quando submetido a um distúrbio o sistema reage lentamente o que gera um

desvio representando uma variação muito grande e não mantendo o nível estabilizado.

3.4.3-Terceira etapa

Como os valores obtidos teoricamente não foram satisfatórios para o controle da

planta, teve-se que recorrer ao método alternativo de tentativa e erro. Foram testados

alguns valores mantendo o algoritmo em PI, onde chegou-se aos valores das constantes

vistas na figura 84 nos quais se obteve uma resposta satisfatória da variável do processo

da planta.

A figura 84 ilustra os parâmetros atribuídos para PI no controle da planta.

Figura 84-Parâmetros atribuídos ao bloco para o PI prático


com os parâmetros ilustrados na figura 84 em relação a SP (set point) foram

satisfatórias, o valor da variável do processo responde rapidamente quando á um desvio

em relação ao set point, o que torna a resposta do sistema rápida. Conforme pode ser

visualizado na figura 85 PV ultrapassa SP em aproximadamente 1,6%, este erro pode

ser relevado sendo que é de pequena amplitude justificado principalmente pela inércia

do sistema e demais fatores relacionados à parte eletrônica e hidráulica da planta.

72

A figura 85 ilustra PV (variável do processo) respondendo ao erro e

ultrapassando SP em 1,6%.


Quando submetido a um distúrbio o sistema reage conforme o esperado

mantendo o nível o mais estável possível.

A figura 86 ilustra a resposta de PV quando submetido a um distúrbio

(ocasionado por uma válvula manual na parte inferior do reservatório superior) ficando

visível a pequena variação existente em relação ao set point.

Figura 86-Resposta de PV em relação a SP em relação a um distúrbio

73

CONCLUSÃO

Ao final deste trabalho podemos concluir a importância do controle de processos

em meio aos dias de hoje, bem como poder entender o funcionamento em uma

aplicação prática do popular algoritmo de controle PID, e de como usufruir do mesmo

da melhor forma possível através de métodos de sintonia, sendo este o algoritmo de

controle bastante difundido nos dias de hoje em vários campos de atuação,

principalmente na indústria.

Os resultados obtidos na prática com a planta se mostraram satisfatórios perante

o objetivo mencionado inicialmente, controlando o nível do reservatório da melhor

forma possível mediante a um sinal de pressão, através de um sistema de bombeamento,

levando em conta as limitações de tal protótipo e seu circuito de controle.

As variações presentes nos resultados obtidos podem ser justificadas

principalmente pela inércia do sistema, ocasionadas pela parte de controle da

motobomba e oscilações na medição feita pelo transdutor de pressão.

74

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77

APENDICES

APENDICE I - Controlador lógico programável

O CD600 é um poderoso controlador digital de processos (Multi-Loop), capaz

de controlar simultaneamente até 4 malhas de controle, com até 8 blocos PID e mais de

120 blocos de controle avançado.Projetado, desenvolvido e fabricado pela SMAR,

pioneira e líder na fabricação de controladores digitais, o CD600 reúne toda a

experiência e conhecimento adquiridos num equipamento poderoso, versátil, confiável e

de fácil operação.

A programação é feita ou pela livre combinação de mais de 120 blocos de

controle avançado, ou pela seleção de uma configuração, pré-programada dentre as

várias disponíveis. Podendo ser configurado via Terminal Portátil ou pelo CONF600.

Características construtivas

Até 4 malhas de controle independentes com até 8 PIDs;

8 entradas analógicas, 4 entradas digitais, 8 saídas analógicas e 8 saídas digitais;

Estação de backup incorporada para ambas as saídas analógicas e digitais;

Display digital alfanumérico de 8 dígitos no painel frontal;

Fonte de alimentação 24 Vdc, 160 mA para até 8 transmissores;

Tecnologia SMD (montagem em superfície);

Mais de 120 blocos de controle avançado disponíveis para livre configuração;

Inúmeras configurações pré-programadas, incluindo controle cascata, relação,

antecipativo, split range, nível de caldeira a 3 elementos, coluna de destilação e

muitas outras;

Configuração via PC ou terminal portátil;

Ajuste das ações de controle pelo painel frontal.

Ilustração e descrição dos comandos da IHM

Figura 01-Vista frontal e funções das teclas do IHM do CD600

78

Tabela01-Descrição das teclas da IHM do CD600

Teclas Descrição

Seleciona a Variável a ser mostrada no display alfanumérico.

Seleciona o Loop a ser mostrado no painel frontal.

Aumenta o valor da Variável mostrada no display.

Diminui o valor da Variável mostrada no display.

Seleciona Setpoint Local ou Setpoint Remoto, do loop monitorado.

Reconhecimento de Alarme.

Seleciona modo Automático ou Manual do loop monitorado.

Aumenta o valor de MV, quando o controle está em Manual.

Quando pressionada, mostra o valor da saída no display.

Diminui o valor de MV, quando o controle está em Manual.

Quando pressionada, mostra o valor da saída no display.

Quando aceso, indica que o controlador está em situação de falha.

Pisca a cada 10 ciclos, durante o ajuste do tempo do ciclo (ver

seção 8 comunicação).

Quando aceso, indica que a variável, que está sendo mostrada no

display, pode ter seu valor alterado pelas teclas <Δ> e <∇>.

1, 2, 3 ou 4- Quando aceso, indica que as variáveis mostradas nas

barras gráficas e no display referem-se ao respectivo loop.

L - Quando aceso, indica que o respectivo loop está trabalhando

com Setpoint Local. L apagado significa que o loop está em

Setpoint Remoto.

M - Quando aceso, indica que o respectivo loop está trabalhando no

modo Manual. M apagado significa operação em Automático.

- Quando acesos, indicam a ocorrência de alarmes de alto

( ) e baixo ( ).

79

Tabela 02-Características técnicas

Entradas

Analógicas

1 a 5 Vdc ou 0 a 5 Vdc, com impedância de entrada de 1 MΩ

4 a 20 mAdc ou 0 a 20 mAdc, com resistores shunt de 250 Ω

(removível)

Entradas

Digitais

Contato de Abertura: 10 kΩ (mínimo) ou 3 a 24 Vdc

Contato de Fechamento: 200 Ω (máximo) ou 0 a 1.7 Vdc (máximo)

2 entradas podem ser usadas para freqüência, de 0 Hz a 10 KHz

Saída

Analógica

4-4 a 20 mAdc ou 0 a 20 mAdc com carga máxima de 750 Ω

4-1 a 5 Vdc ou 0 a 5 Vdc com carga mínima de 1500 Ω

Saída Digital Coletor Aberto, 45 Vdc, 100 mA carga máxima ou resistiva

Alimentação 24 Vdc

110/127/220/240 Vac - 60/50 Hz

Alimentação

Auxiliar 24 Vdc, 160 mA máximo para até 8 transmissores de campo

Indicação e

Controle

Barras gráficas de 101 leds para indicação do Setpoint e da

Variável de Processo;

Barra gráfica de 41 leds para indicação da saída de processo (mV);

Display alfanumérico de 8 dígitos para indicações em geral;

LEDs para indicação de "estado", alarmes e monitoração de loop;

Teclas funcionais.

Porta de

Comunicação

Serial

EIA-485

Definição de

Configuração

Blocos funcionais interligados por software (programação livre) ou

configurações de controle pré-programados

Configuração

de Entrada Terminal Hand-held ou compatível com IBM-PC

Limites de

Temperatura 0 a 43 ºC (32 a 109.4 ºF)

Limite de

Umidade 20 a 90% RH

Consumo

Básico: 12.5 VA (ac) / 10 W (dc)

Backup 10 VA (ac) / 8 W (dc)

Adicionar 0.7 VA (ac) ou 0.5 W (dc) / transmissor alimentado

Dimensões 2.834 x 5.669 x 19.468 (in) e 72 x 144 x 494 (mm)

80

APENDICE II - Software de programação

O CONF600Plus é uma interface de configuração do CD600Plus desenvolvida

para plataforma windows que oferece recursos gráficos e interface homem máquina de

fácil operação.

Sua utilização possibilita criar, editar, otimizar e descarregar estratégias de

controle do CD600Plus com ele também é possível calibrar entradas e saídas monitorar

os blocos de função online, configurar os parâmetros dos blocos, acondicionar notas e

imprimir toda documentação.

A alteração dos parâmetros é feita ON-LINE. As entradas e saídas de cada bloco

podem ser monitoradas simultaneamente. A utilização do CONF600 torna praticamente

dispensável a consulta ao manual, já que a maior parte das informações do bloco é

mostrada na tela. A depuração da configuração fica muito mais rápida e fácil.

O CONF600plus constantemente guia o usuário para o próximo passo, durante a

configuração, praticamente eliminando a necessidade de consulta ao manual. A maioria

das informações dos blocos de função são mostradas durante a edição ou a criação da

estratégia de controle.

A configuração da malha de controle é feita de modo gráfico na forma de um

diagrama similar à norma ISA, permitindo ao usuário visualizar e implementar

facilmente a estratégia de controle. O carregamento da configuração no CD600Plus é

feito em menos de 2 segundos.

Interface gráfica no ambiente Windows.

Formas geométricas, cores e comentários podem ser facilmente inseridas.

Exporta/Importa configurações para o Mobile Conf600 plus

Pronto para documentação com visualização prévia de impressão

Possui ferramentas de edição, calibração, otimização e monitoração “on line”.

Multiniveis da ferramenta desfazer alterações

Figura 02-Ambiente de programação do CONF600

http://www.smar.com/brasil2/products/cd600plus.asp

81

APENDICE III – Blocos funcionais utilizados

Bloco PID simples

Figura 03-Bloco PID simples

Este bloco oferece uma gama variada de algoritmos de controle tendo como base

os modos Proporcional (P), Integral (I) e Derivativo (D).

Os tipos de algoritmos utilizados podem ser do tipo paralelo (ideal) ou não

interativo (Clássico ou ISA) selecionáveis pelo parâmetro CACT, dotados de controle

de saturação da integral (anti-reset windup). Os limites de saturação são ajustáveis pelo

usuário, característica única dos controladores CD600 da SMAR, que possibilita

flexibilização na configuração da estratégia de controle.

A transferência Automática para Manual pode ser bumpless ou hard. A

transferência bumpless faz com que o modo Automático assuma o valor do Manual

antes do chaveamento. A transferência hard adicionará a este valor a ação proporcional

(KP.e). Em ambos os casos o sinal de saída do bloco da Função 08 - Estação

Auto/Manual, deve ser conectado à entrada D (Track FB).

TIPO DE PID (CTYP)

PI.D - As ações P e I atuam sobre o erro e a ação D sobre a Variável de

Processo. Desta forma o sinal de saída acompanha as mudanças de Setpoint segundo as

ações Proporcional e Integral, mas não dá uma variação indesejável devido à ação

Derivativa. É o mais recomendado para a maioria das aplicações com Setpoint ajustável

pelo operador.

PID- As ações P, I e D atuam sobre o erro. Desta forma o sinal de saída é

alterado quando há mudanças na Variável de Processo ou no Setpoint. É recomendado

para controle de relação ou para controle escravo de uma cascata.

I.PD - Neste tipo somente a integral atua sobre o erro. Mudanças no Setpoint

provocam a variação no sinal de saída de maneira suave. É recomendado para processos

que não podem ter variações bruscas na variável em função da mudança do Setpoint. É

o caso de processos de aquecimento com Ganho muito alto.

AÇÃO (CACT)

Existem processos que requerem que o sinal de saída aumente quando a Variável

de Processo aumenta, enquanto que outros requerem o contrário.

A escolha do tipo de ação é feita através do parâmetro CACT:

TIPO 0, 2,4 ou 6 - Saída diminui com aumento de PV.

e = (SP - PV)

82

TIPO 1, 3, 5 ou 7 - Saída aumenta com o aumento de PV

e = (PV - SP)

Para efeito de normalização de operação, deve-se considerar sempre que o sinal

de saída MV = 100% significa válvula aberta e que o sinal de saída MV = 0% significa

válvula fechada. A operação das teclas segue a mesma linha

Figura 04-Botões de operação

Se o atuador da válvula é "ar-para-abrir", MV = 100% deve ser equivalente a 20

mA. Válvulas do tipo "ar-para-fechar" terão 100% equivalente a 4 mA. Isto pode ser

selecionado na Função 02 - Saída em Corrente.

Sintonia pelo Frontal do Controlador

O parâmetro CACT também define se o bloco permite mudanças nos

parâmetros de sintonia através do frontal do controlador (Ver Constantes PID adiante).

Ajustes pelo frontal são habilitados com CACT=0, 1, 4 ou 5.

Algoritmos de Controle

O CD600 oferece 2 tipos de controle:

Paralelo Ideal

Não interativo ou ISA

Parâmetro CACT igual a 0, 1, 2 ou 3 seleciona o algoritmo paralelo ideal.

Parâmetro CACT igual a 4, 5, 6 ou 7 seleciona o não interativo ou ISA. Para o não

interativo quando KP = 0, o controlador opera como um ID.

ANTI SATURAÇÃO PELO MODO INTEGRAL (CARL E CARU)

O algoritmo de controle pára automaticamente a contribuição do modo integral,

quando o sinal de saída atinge os limites de 0% ou 100%. As contribuições dos modos

Proporcional e Derivativo não são afetadas.

O CD600 tem uma característica única que é a de permitir que a saturação pelo

modo integral seja ajustável.

Normalmente ela é fixada em 0% (CARL) e 100% (CARU), mas pode ser

estreitada, permitindo respostas mais rápidas e evitando "overshoot" em processos de

aquecimento, por exemplo.

83

CONSTANTES DO PID (AKp, ATr, ATd)

A tabela é auto explicativa. Vale a pena lembrar que o modo Proporcional é

Ganho e não Banda Proporcional. A integral está em termos de minutos por repetição,

não repetição por minutos. TP menor significa ação integral maior. As constantes do

PID podem ser ajustadas pelo Terminal Portátil ou pelo frontal do controlador (veja

ajustes de sintonia). Para inibir os ajustes de sintonia pelo frontal, basta configurar o

parâmetro CACT com 2, 3, 6 ou 7 em lugar de 0, 1, 4 ou 5.

BIAS (ABIA)

Neste parâmetro é possível ajustar o valor inicial do sinal de saída quando o

controle é transferido de Manual para Automático. Isto pode ser feito somente se a

entrada de Feedback não estiver conectada (LIC=0).

Para a transferência de Manual para Automático Bumpless, a entrada C deve ser

conectada à saída do bloco A/M e a entrada D deve ser conectada à saída de indicação

de status do bloco A/M.

Neste caso o parâmetro ABIA é usado para mudar a saída do bloco durante

operação automática. O sinal de saída está sujeito a uma variação do tipo step se o valor

de ABIA é modificado. Amplitude e direção deste step são equivalentes à diferença

entre o valor anterior e o novo valor de ABIA.

Durante a transferência de Manual para Automático, é possível adicionar ao

sinal de saída (em ambos os casos acima), um valor equivalente ao ganho proporcional

(AKp) multiplicado pelo erro naquele momento. Este tipo de transferência é chamada

HARD e pode ser obtida com o parâmetro CTYP igual a 3 ou 4.

Tabela 03-Características do bloco PID

Número de bytes por tipo de parâmetro: A = 12 C = 8 L = 8

84

AI - Entrada analógica

Figura 05-Bloco de entrada analógica

Todas as entradas analógicas (bornes do controlador) possuem um

correspondente bloco de entrada analógica. A entrada analógica 2, por exemplo, a qual é

conectada ao terminal 17A, corresponde ao bloco BLK002. A entrada do circuito é

sempre um sinal de voltagem de 0-5 Vdc ou 1-5 Vdc. Para sinais em corrente de 0-20

mA ou 4-20 mA, um resistor "shunt" de 250Ω deve ser colocado no bloco terminal

correspondente à entrada escolhida.

O sinal de entrada é filtrado digitalmente com constante de tempo ajustável e se

necessário linearizado de acordo com a curva estabelecida na Função 31 - Curva de

Linearização (Blocos 109 a 116), configurados no Loop G. Esta curva é selecionada no

parâmetro CLIN e pode ser configurada com 13 ou 26 pares de pontos X, Y,

interconectados por segmentos de reta.

Pode-se ainda optar pela extração de raiz, selecionado pelo parâmetro CSQR,

com ajuste do ponto de corte inferior (ACUT). Todos os valores abaixo do ponto

ajustável pelo ACUT são considerados 0%. O parâmetro CSQR permite também a

seleção do sinal de entrada entre 4-20 mA/1-5 V ou 0-20 mA/0-5 V.

Em caso de Burnout (sinal menor que -2% ou maior que 102% do span

calibrado) um alarme é indicado no frontal do controlador (se CFRT = 1) e será ativada

uma saída discreta (0 ou 100%). Este sinal pode ser utilizado em outros blocos do

controlador, como por exemplo nos blocos da Função 29 - Seletor de Entrada, ou para

forçar a saída do controlador para uma posição de segurança.

Tabela04- Características do bloco de entrada analógica


85

L/R – Seleção SP Local/Remoto

Figura 06-Bloco de seleção SP local/remoto

Este bloco permite selecionar Setpoint Local/Remoto através da tecla <L/R>, e a

atuação do Setpoint através das teclas <Δ> e <∇>, além de diversas funções

relacionadas com o Setpoint.

A atuação local é possível de duas formas:

a) Pelo registro interno do bloco diretamente associado às teclas <Δ> ou <∇> no frontal

do painel, quando o Setpoint é selecionado no display. A saída desse bloco deve ser

conectada a um bloco da Função 06 - Frontal do Controlador ou Função 32 -

Visualização Geral.

b) Através da entrada B, pode ser ligado um bloco gerador de sinal ou a saída de um

outro bloco. O uso dessa entrada cancela automaticamente o atuador de registro interno.

A transferência Local/Remoto é possível de 2 modos:

a) Pela tecla <L/R> do frontal associada a chave CH1 do bloco. Neste caso o LED "L"

do loop correspondente ficará aceso quando em modo Local.

b) Através da entrada C, que quando ativada (nível lógico 1) ativa CH2 e força o modo

Local. Neste caso o LED "L" do loop correspondente ficará piscando, enquanto C

estiver em nível alto. As tabelas a seguir resumem a situação do bloco para as várias

combinações de CH1, CH2 e entrada B.

O controlador também pode ser bloqueado em Local ou Remoto pelo parâmetro

CLKR. No caso de interrupção na alimentação o controlador retornará à operação no

modo selecionado pelo parâmetro CTON (Local ou Remoto), caso o parâmetro CLKR

esteja em Zero.

Tabela 05-Saída do bloco e ação do led conforme posição de CH1 e da entrada C,

com "B" não conectada.

86

Tabela 06-Saída do bloco e ação do led conforme posição de CH1 e da entrada C, com

"B" conectada.

A transferência de Remoto para Local é balanceada isto é, o registrador local

segue o Setpoint Remoto. Isto pode ser usado para implementar o Setpoint Tracking

quando o loop está em Manual. Na transferência de Local para Remoto uma variação

brusca no Setpoint pode ser evitada pelo ajuste do parâmetro ASLW que limita a taxa

de variação do sinal de saída do bloco.

Em uma configuração de Setpoint Tracking, SP = PV, quando no modo Manual.

A PV é manualmente ajustada para o Setpoint desejado, através das teclas de MV <∇> e

MV <Δ>. Em seguida ele chaveia de volta para o modo Automático e o Setpoint

permanecerá com o valor anterior. O bloco LOG inverte o sinal do status MANUAL

para um sinal AUTOMÁTICO, desde que o Setpoint Local desejado esteja no modo

Automático.

Os limites máximo e mínimo para o gerador local de Setpoint são fixados pelos

parâmetros ALOW e AUPP.

No caso de se necessitar limitar o sinal de Setpoint quando em modo Remoto

deve-se usar os blocos limitadores de sinal da Função 23 - Limitador com Alarme.

Além do sinal de saída gerado pelo registro interno (quando em Local), ou do externo

(quando em Remoto) o bloco possui mais duas saídas discretas.

A primeira em nível lógico 1, quando o bloco estiver em modo Remoto e a

segunda em nível lógico

1, quando estiver em modo Local.

Quando uma das saídas 225/226/227 ou 228 é visualizada no display e o bloco

estiver em modo local, o registrador interno pode ser atuado pelas teclas <Δ> e <∇> do

frontal (Setpoint Local). Com o bloco em modo Remoto, qualquer bloco gerador de

sinal conectado às entradas A ou B pode ser atuado também pelas teclas <Δ> e <∇> do

frontal do controlador.

Figura 07 - Configuração para Seletor L/R com Atuador de Registro Interno ou Externo

Na configuração acima, quando em modo local, a atuação é efetuada no registrador do

Bloco 031 e quando em Remoto pelo Bloco 099.

87

Tabela 07-Características do bloco de seleção SP local/remoto


A/M – Estação Automático/Manual

Figura 08-Bloco estação automático manual

Este bloco permite ao operador atuar diretamente na saída do controlador. Na

utilização mais comum, a saída de um bloco PID é conectada a entrada A do bloco A/M

e sua saída a um bloco de saída em corrente. Se as demais entradas, desse bloco, não

forem utilizadas as chaves CH2 e CH3 devem permanecer na posição "0".

A chave CH1 pode ser atuada pela tecla <A/M> no frontal do painel, permitindo

dois tipos de operação:

a) AUTOMÁTICO (CH1 na posição "0"): a letra "M" do loop correspondente fica

apagada. A entrada A é direcionada à saída através do limitador de velocidade

(parâmetro ASLW) e do limitador de sinal (parâmetros ALOW e AUPP).

b) MANUAL (CH1 na posição "1"): a letra "M" do loop correspondente permanecerá

acesa. O sinal de saída será ajustado pelas teclas <∇> e <Δ>, com velocidade de atuação

fixada pelo parâmetro ASPD e limitado pelos parâmetros ALOW e AUPP.

A Transferência Manual para Automático pode ser balanceada ou não. Os dois

modos são descritos nos blocos de PID.

A transferência Automático para Manual é sempre balanceada. O registro,

atuado pelas teclas <∇> ou <Δ> sempre acompanham a saída do limitador de

velocidade quando em operação Automática.

88

Após uma queda de energia ou um reset manual, a chave CH1 retorna à

operação de acordo com o parâmetro CHST, isto é retorna em Manual, Automático ou

na posição anterior à queda de energia ou ao Reset Manual.

Também é possível bloquear a função <A/M> em Automático ou Manual, através do

parâmetro CCH1.

Manual Forçado

O modo Manual forçado pode ser ativado pela chave CH2 em função do sinal de

entrada em D:

a) Nível lógico "0" em D mantém CH2 na posição "0" (OPERAÇÃO NORMAL).

b) Nível lógico "1" em D chaveia CH2 para a posição "1" (MANUAL FORÇADO).

Nesta situação, o registro atuado por <∇> e <Δ> assume o valor da posição "0", antes

do chaveamento.

Outras configurações podem ser adicionadas a este modo. Para outras

informações, veja descrição dos parâmetros CCH1, CST1, CLAM e CLMV.

Saída de Segurança

A saída do controlador pode seguir o sinal conectado à entrada B (Situação de

Segurança), pelo chaveamento de CH3 para a posição "1" mediante um sinal de nível

lógico 1 na entrada C. O sinal em B pode ser constante ou variável dependendo de qual

bloco está conectado.

Com CH1 em "1" (posição Manual) a letra M do loop correspondente

permanecerá acesa e o sinal de saída será o sinal da entrada B antes do chaveamento de

CH3.

Com CH1 em "0" (posição Automático), a letra M do loop correspondente

piscará mais rápido do que em manual forçado e o sinal da saída seguirá o sinal presente

na entrada B.

A posição da chave CH1 após a entrada C retornar ao nível lógico "0" é

determinada pelo parâmetro CSA1, com as seguintes opções: última posição, posição

"1" (Manual) ou posição "0" (Automático).

Outras configurações podem ser adicionadas a este modo. Para outras

informações, veja a descrição dos parâmetros CCH1, CST1, CLAM e CLMV.

Tabela 08-Origem da saída e estado do led "M" em função das entradas C e D e das

chaves CH3, CH1 e CH2 (com entrada B conectada).

Observar que os parâmetros CCH1, CST1 e CSA1 podem afetar a posição de

CH1 em função do status das entradas C e/ou D, independentemente da atuação da tecla

89

A/M. Portanto, a configuração destes parâmetros pode alterar automaticamente a linha

da tabela, bem como suprimir algumas linhas.

CCH1 - Atuação de CH1

Este parâmetro determina se a chave CH1 será atuada somente pelo frontal ou

junto com CH2 e/ou CH3, ou se irá ser travada em "0" (Auto) ou em "1" (Manual).

A chave CH1 é atuada simultaneamente com CH2 ou CH3 quando as entradas C

ou D são levadas a nível lógico 1. A posição de CH1, quando atuada por CH2 e/ou CH3

é definida no parâmetro CST1. A posição de CH1, quando CH3 retorna para a posição

"0" é definida pelo parâmetro CSA1.

CST1 - Posição de CH1 com CH2 e CH3 Atuadas

Este parâmetro determina a posição de CH1 quando as entradas C ou D estão em

nível lógico "1" e o parâmetro CCH1 é programado com o valor 3, 4 ou 5.

Quando a entrada C retorna ao nível lógico "0", a chave CH1 assumirá a posição

determinada pelo parâmetro CSA1. Após CH1 ser ativada pela entrada D, ela poderá ser

operada pela tecla <A/M> desde que não bloqueada (parâmetro CLAM = 1 ou 3). A

posição de CH1 quando a entrada D retorna ao nível lógico "0" será a mesma posição

que tinha antes do chaveamento de CH2.

Tal posição é indicada no frontal como segue:

- "M" piscando: CH1 na posição "0" (equivalente ao Automático quando CH2 retorna à

posição "0").

- "M" aceso: CH1 na posição "1" (equivalente ao Manual).

CLAM - BLOQUEIO DA TECLA A/M

Este parâmetro bloqueia a tecla <A/M> do frontal, evitando a atuação de CH1

quando as entradas C e/ou D estiverem em nível lógico "1". Esta situação evita que o

operador atue a tecla <A/M> durante situações de "Saída de Segurança" ou "Manual

Forçado".

CLMV - BLOQUEIO DAS TECLAS <∇> E <Δ>

Este parâmetro bloqueia as teclas <∇> e <Δ>, evitando a alteração do valor de

saída enquanto em Manual, quando as entradas C e/ou D estiverem em nível lógico

"1". Isto evita que o operador mude o sinal de saída durante situações de "Saída de

Segurança" ou "Manual Forçado".

CHST - PARTIDA A QUENTE

Este parâmetro configura o modo de operação do respectivo loop depois de uma

interrupção de energia.

CLIM - LIMITADOR DE SAÍDA NO MODO AUTOMÁTICO

Os limitadores de saída atuam normalmente tanto em Automático como em Manual.

CLIM permite que os limitadores atuem somente em Automático.

90

Tabela 09-Características do bloco de estação automático/manual


CO – Saida de Corrente

Figura 09-Bloco de saida em corrente

A entrada do bloco em porcentagem,é calibrada e convertida em sinal analógico

de corrente. Uma realimentação desta saída é enviada a um comparador que recebe

também o sinal calibrado da entrada. Se houver um desvio superior ao estipulado no

parâmetro ADEV, será ativada uma saída discreta (0 ou 100%) que poderá por exemplo

ser ligada na entrada H do bloco da Função 06 - Frontal do Controlador, fazendo

com que a indicação da MV pisque, avisando o operador de alguma falha ou uma

interrupção no loop de corrente.

O parâmetro CVTP permite mudar a saída de acordo com o tipo de atuador

usado.

91

Tipo de Atuador:

- "Ar para Abrir" - CVTP = 0 ou 2 / saída 0-100% correspondendo a 4-20 mA

- "Ar para Fechar" - CVTP = 1 ou 3 / saída 0-100% correspondendo a 20-4 mA

Isto possibilita ao operador ter sempre 0% correspondendo à válvula fechada e 100% à

válvula aberta. É essencial calibrar a saída de acordo com as especificações. Por

exemplo, para um sinal de 0-20 mA no bloco 11, a corrente de saída do terminal 8B

deverá ser calibrada com 0-20 mA e CVTP deverá ser 2.

Tabela 10-Caracteristicas do bloco de saida em corrente


FV – Frontal do Controlador

Figura 10-Bloco do frontal do controlador

Este bloco direciona as entradas A, B e C respectivamente para as barras SP, PV

e MV e associa a elas os mnemónicos SP, PV e MV, como default. Portanto, esse bloco

é limitado a um por loop. As entradas A, B, D, E, F e G poderão ser visualizadas no

display alfanumérico e selecionadas pela tecla <DSP>. A entrada C será visualizada

somente quando a saída manual for operada pelas teclas < Δ > ou <∇ >.

Blocos que possuem ajuste manual, operados pelas teclas <Δ> ou <∇> devem

ser conectados a um bloco de visualização. Uma alteração só pode ser efetuada se o seu

valor estiver sendo visualizado, ou seja, quando o LED "Adjust" estiver acesso.

Os blocos com ajuste manual são: Chave Local/Remoto, Gerador de Setpoint,

Estação Automático/Manual, Seletor Interno/Externo e Atuador de Registro. Estes

blocos com capacidade de ajuste têm suas saídas identificadas por números iguais ou

maiores que 225. O bloco seletor de entrada também permite entrada proveniente de

blocos de ajuste. Observe que seus números de saída são maiores que 225.

92

Visualização

Todas as entradas exceto C e G, podem ter seus mnemônicos de 3 caracteres

alterados e a indicação configurada em unidades de engenharia.

Entrada C aparece no display quando as teclas <Δ> ou <∇> são operadas.

Entrada G se conectada a um bloco da Função 18 - Totalização Analógica ou

da Função 19 - Entrada para Totalização de Pulsos, irá apresentar um display de 8

dígitos. Conectado a qualquer outro bloco, irá operar com 4 dígitos.

Entrada H pode ser utilizada para piscar a barra da saída manual (MV) quando

em nível lógico 1. Esta entrada pode ser utilizada, por exemplo, para acusar um desvio

ou interrupção no circuito de corrente de saída (Blocos da Função 02 - Saída em

Corrente).

Caso qualquer uma das entradas A, B, D, E ou F apresentadas no display

alfanumérico exceder a 10000 (em unidades de engenharia), a mensagem apresentada

será "++++". Se a indicação for menor que -10000 a mensagem mostrada será "- - - -".

Tabela 11-Caracteristicas do bloco frontal do controlador


93

APENDICE IV- Partes Construtivas

IV.I - Layout da estrutura montada

Figura 11-Layout da estrutura construída

94

IV.II - Circuito do transdutor

Tabela 12-Descrição e componentes utilizados na placa

Componente Descrição Quantidade

MPX5010GP Transdutor de pressão 1

LM7805 Regulador de tensão 1

Led vermelho – alto brilho 1

Resistor 220 Resistor 1/4W 1

Capacitor 1uF/25V Capacitor eletrolítico 1

Conector Parafusável – 3 vias Conector da Alimentação DC e sinal

de controle

1

Figura 12-Layout da posição dos componentes do circuito do transdutor de pressão

Figura 13-Layout das trilhas do circuito do transdutor de pressão

Figura 14-Circuito e transdutor montados em placa

95

IV.III - Drive de controle e acionamento do motor

Para a confecção das placas foram utilizados os software Proteus 7.0 e real-PCB

(Crocodile Technology 6.7).

Drive de controle

Destinado ao controle do drive de potencia utilizando-se da lógica PWM, tendo

este como componente principal o DRV 102 (Driver PWM para válvula solenóide).

Este circuito integrado gera internamente o PWM e o aplica na base de um transistor

BJT (transistor de junção bipolar) de potência, também interno. Para o controle do Ciclo

ativo é necessário uma tensão de referência que pode ser obtida por um potenciômetro

ou por um sinal. No circuito em questão o sinal de referência do ciclo ativo é obtido

através de um loop de corrente de 4 a 20mA enviado pelo CLP.

Para o circuito eletrônico desenvolvido foram utilizados os seguintes

componentes:

Tabela 13-Características dos componentes utilizados na placa


DRV102 Driver PWM para válvula solenóide 1

LM7805 Regulador de tensão 1

1N4004 Diodo 1

Led vermelho – 5 mm 1

Resistor 5 K Resistor 1/4W 1




Resistor de 10K Resistor 1/4W 1

Conector Parafusável – 3 vias Conector da Alimentação DC e sinal

de controle

1

Conector Parafusável – 2 vias Saída de tensão do drive 1

Figura 15-Simulação do circuito do driver de controle do motor CC

96

Figura 16-Layout da posição dos componentes do driver de controle do motor CC

Figura 17-Layout das trilhas do driver de controle do motor CC

97

Figura 18-Driver de controle do motor CC montado em placa

Drive de potencia

Drive destinado ao acionamento direto do motor DC através da tensão de saída

do módulo PWM do circuito de controle. Este por sua vez tem como elemento principal

o transistor de potencia TIP 140, sendo o responsável efetivamente pelo controle do

motor através de chaveamento.

Para o circuito eletrônico desenvolvido foram utilizados os seguintes

componentes:

Tabela 14-Características dos componentes utilizados na placa


UF5404 Diodo 1

Resistor de 1K Resistor 1/4W 1

TIP 140 Transistor darlington 1

Conector Parafusável

(2 vias)

- Conector da Alimentação DC

- Conector da Alimentação do motor

- Conector da Alimentação de controle

- Conector de fechamento em malha aberta

4

98

Figura 19-Layout da posição dos componentes do driver de acionamento do motor CC

Figura 20-Layout das trilhas do driver de acionamento do motor CC

Figura 21-Driver de acionamento do motor CC montado em placa

99

Como o transistor trabalha em freqüências altas de chaveamento, foi colocado

um dissipador de calor em seu invólucro a fim de dissipar melhor o calor.

100

ANEXOS

ANEXO I - Especificação da motobomba

Figura 01-motobomba utilizada

Fabricante: SHURflo

Modelo: 1901-0003 OEM – 191-0013 A/M

Pressão: 30 PSI ou aproximadamente 2,1bar

Corrente máxima: 2 Amperes – 12 Volts

Dimensões: 16 x 8 x 11 cm

Saída para mangueira: ½”

Vazão máxima: 3.8 Litros por minuto [l/m]

OBS: Possui sistema de desligamento/ligamento automático com pressostato.

ANEXO II – Custos envolvidos no projeto

Tabela 01-Custo das partes do projeto

Componente Custo (R$)

Transdutor de pressão (MPX5010) 80,00

Moto bomba 200,00

DRV102 40,00

LM7805 1

Diodos (1N4004, UF5404) 0,50

Leds 0,50

Resistores (5 K, 100, 180, 220, 10K) Ω 0,80

Conector Parafusável – 3 vias 0,80

Conector Parafusável – 2 vias 2,50

Placa de fenolite 2,00

Parte hidráulica (tubo, cotovelo, flanges,

luvas, recipientes)

30,00

Estrutura 20,00

TOTAL 378,1

Controle de Nível de Reghghgservatório Utilizando o Algoritmo PID Implementado Em CLP

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