Universidade da Beira InteriorDepartamento de Engenharia EletromecnicaCurso de Mestrado em Engenharia Eletromecnica1 Ano, 2 SemestreAutomao Industrial

Controlo de Nvel de gua numa Tina

Discentes:Antnio Pedro da Fonseca Firme N. E7990 Joo Miguel Lemos Sena N. E8002Tobias Marques Abrantes N. E7989

Docentes: Slvio Jos Pinto Simes Mariano, Diogo Verssimo Correia e Pedro Miguel de Figueiredo Dinis Oliveira Gaspar

Covilh, 2013

ndice1.Introduo32.Fundamentos Tericos43.Descrio dos equipamentos utilizados53.1Autmato TSX P57 362353.2Carta analgica TSX AEY 41463.3Carta analgica TSX ASY 41073.4Mdulo discreto TSX DSY 16T273.5Mdulo discreto TSX DEY 16D283.6Mdulo de Comunicao TSX ETY PORT83.7Rack TSX RKY83.8Hub83.9Sensor ultra-snico93.10Vlvula Proporcional93.11Consola Magelis XBT GT1335104.Softwares utilizados114.1 PL7 Pro114.2Vijeo Designer125.Controlo de Nvel de gua135.1Funcionamento135.2Esquema de Montagem135.3Configuraes no Autmato145.4Programa desenvolvido145.4.1Limites da Tina155.4.3 Ativao da Bomba165.4.3Controlo de nvel166.Anlise de resultados25

Introduo

No mbito da unidade curricular de Automao Industrial foi nos proposto um trabalho que consiste no controlo de nvel de gua numa tina, este trabalho visa simular o controlo numa mini-hdrica para gerao de energia eltrica.O controlo processado por um autmato ao qual esto ligados diversos componentes, estes podem fornecer informao ao autmato (inputs) ou serem acionados de forma automtica pelo autmato (outputs). O modo como as variveis so processadas regido por um programa transferido para o autmato, este programa desenvolvido num ambiente de programao convencional neste caso o PL7 Pro. O programa desenvolvido tem como base um controlo proporcional integral derivativo denominado de PID, tcnica diversamente utilizada na indstria para controlo de variveis fsicas como por exemplo temperatura e presso, para melhor perceo do controlo proporcional integral derivativo e otimizao da resposta foi proposto um estudo do processo com vrios valores para os diferentes parmetros do PID.De forma a complementar a nossa formao na rea da automao foi tambm nos possibilitado desenvolver e interagir com uma consola, esta permite uma interface muito mais comoda com o utilizador, sendo possvel alterar os parmetros e efetuar a leitura de informaes relativas a sensores e atuadores.Este tipo de trabalhos que tm por base situaes reais so completamente enriquecedores para a nossa formao, pois so situaes semelhantes que vamos encontrar no mundo do trabalho, da a motivao e interesse gerado nos alunos.

Fundamentos Tericos

O controlo PID utilizado para controlar e manter processos, podendo ser utilizado para controlar variveis fsicas tais como a temperatura, presso, fluxo e o nvel de um tanque. Esta tcnica utilizada na indstria de transformao moderna para obter um controlo preciso das diversas condies de processo. PID simplesmente uma equao que o controlador usa para avaliar as variveis controladas. Um controlador PID calcula um valor de "erro" como a diferena entre a medidada varivel de processoe uma medida desejadanominal.O controlador tenta minimizar o erro atravs do ajustamento das entradas de controlo de processo. O clculo do controlador PIDalgoritmoenvolve trs parmetros constantes separados, e , por vezes chamado de controlo de trs termos:osproporcionais, osintegraiseos derivativos.Estes valores podem ser interpretados em termos de tempo:Pdepende dopresenteerro,Idepende da acumulao de errosno passado,eD uma previso de futuroserros, com base na taxa atual de mudana,a soma ponderada destas trs aes usada para ajustar o processo atravs de um controlo de elemento, tal como a posio de umavlvula de controlo, umamortecedor, ou a potncia fornecida a um elemento de aquecimento.

Descrio dos equipamentos utilizados

0. Autmato TSX P57 3623

Existem inmeros autmatos no mercado, todos eles desenvolvidos atendendo as necessidades sentidas na indstria de sistemas de automao. Para a realizao do nosso trabalho foi proposto a utilizao do processador MODICOM PREMIUM TSX P573623M pertencente a Telemecanique Sheneider Electric, este processador bastante vantajoso encontrando-se a sua principal caracterstica diferenciadora, na incorporao de uma porta Ethernet TCP/IP que permite ligaes em redes industriais. Este processador tem ainda capacidade de suportar 1024 I/O discretos, 128 I/O analgicos, 32 canais de aplicaes especficas e at 16 racks de expanso. Quanto a memria, tm disponvel 64Kwords de memria RAM, com possibilidade de ser expandida atravs da introduo de cartas de expanso de memria PCMCIA, a rea de aplicao de dados sempre na memria RAM interna, j os programas de aplicao e as constantes podem ser guardados na memria RAM interna ou no carto de memria PCMCIA.Na figura 1 abaixo encontra-se representado o autmato utilizado.

Figura 1 Processador TSX P573623M

0. Carta analgica TSX AEY 414

A carta analgica TSX AEY 414 caracteriza-se por apresentar 4 canais de entradas isolados, um ciclo de aquisio de 550ms para os 4 canais e um conversor analgico/digital de 16bits. Para cada uma das entradas o mdulo disponibiliza, 32 gamas de leitura que podem ser configuradas canal a canal. O seu funcionamento pode ser explicitado usando uma sequncia de seis pontos-chave:

1 Processar e ler os sinais de entrada.2 Digitalizar os sinais de leitura analgica.3 Transformao das leituras de entrada numa unidade que possa ser usada pelo utilizador.4 Interface e comunicao com a aplicao.5 Alimentao do mdulo.6 Monitorizao do mdulo e notificao de possveis falhas aplicao.

Figura 2 TSX AEY 414 Sada analgica

0. Carta analgica TSX ASY 410

A carta analgica TSX ASY 410 composta por 4 sadas analgicas isoladas independentemente, sendo na configurao feita a seleo da qual dependera a gama de possibilidades de sadas. Estes valores so escritos em palavras de %Qwy.i.0 a 3 para os canais do mdulo. Este mdulo admite valores de sada num formato padro, que vai de -10000 a +10000 caso a sada seja +/- 10V, e 0-10000, em intervalos de 0-20mA e 4-20mA. Quanto ao modo de funcionamento dividido em sete pontos importantes e necessrios que so os seguintes: Ligao ao processo, adaptao aos diferentes atuadores, converso dos dados digitais em sinais analgicos, interface de comunicao com a aplicao, alimentao do mdulo e vigilncia e notificao de possveis erros na aplicao.

Figura 3 TSX ASY 410 Sada analgica

0. Mdulo discreto TSX DSY 16T2

O mdulo discreto de sadas disponveis TSX DSY 16T2, apresenta 16 sadas que podem ser destinadas a funes especficas, sendo acionadas atravs de rels e triacs protegidos por um fusvel que garante a segurana do equipamento. Estas sadas desempenham a funo de armazenar as ordens dadas pelo processador para assim permitir o comando dos pr-atuadores atravs de circuitos de desconexo e de amplificao.0. Mdulo discreto TSX DEY 16D2

O mdulo discreto de entradas TSX DEY 16D2 possui, 16 entradas, que recebem dados provenientes dos sensores. Poendo realizar funes como aquisio, adaptao, filtragem e proteo contra interfaces de sinal.

0. Mdulo de Comunicao TSX ETY PORT

O mdulo de comunicao encontra-se acoplado ao processador, permitindo a comunicao em arquiteturas ETHERNET. Existe assim uma maior facilidade e rapidez na transmisso de dados, logo uma maior eficincia.

0. Rack TSX RKY

O rack corresponde a um elemento bsico do sistema de controlo das plataformas de automao Premium, que permite a fixao do conjunto dos mdulos e assegura a distribuio de energia atravs de um bus, responsvel pela alimentao necessria para cada mdulo e pelo envio de dados para o conjunto da estao do autmato.

0. Hub

Trata-se de um dispositivo que utilizado como um ponto de ligao entre os componentes de rea local. Assim, atravs da ao do cubo conseguido que vrios equipamentos sejam ligados a uma rede comum de rea local, sendo para isso utilizadas diversas portas a partir das quais a informao distribuda, permitindo que um pacote de dados que entra numa das portas seja retransmitindo pelas portas para os restantes componentes formando-se assim uma rede.

Figura 5 Hub de ETHERNET para implementao de redes

0. Sensor ultra-snico

Os sensores ultra-snicos emitem e recebem ondas de alta frequncia, calculando o intervalo entre o envio do sinal e a receo do eco, possibilitando a determinao da distncia exata ao objeto. O sensor utlizado tem uma sensibilidade de 8 a17 mV/mm podendo variar mediante regulao, a tenso de sada funciona numa gama de 0 a 10 V e o alcance mximo de 1200mm.So necessrios sensores para dois modos de funcionamento distintos, pelo que o sensor utilizado verstil permitindo a mxima sensibilidade, pequenas variaes de distncia e a mxima distancia, medio de distncia mais longas.

0. Vlvula Proporcional

A valvulada proporcional servo operada por uma solenoide, foi a utlizada para a realizao deste trabalho, atua nos dois sentidos contendo tambm ligao para as tubagens de 3/4. A alimentao da vlvula feita a 20V estando totalmente aberta quando a corrente na bobine atinge o valor mximo e totalmente fechada quando o valor de corrente na bobine mnimo.0. Consola Magelis XBT GT1335

A consola utilizada para a interface com o operador e da gama Magelis XBT GT 1335, esta consola dispem de um ecr tctil que pelas suas dimenses se adequa para ambientes onde existe a necessidade de painis de controlo de pequeno porte. A interface existente permite a parametrizao de processos da mquina, sendo assim possvel a leitura de informaes relativas a sensores e atuadores.Toda a configurao desta consola pode ser feita atravs, de um software de programao em conformidade com o programa do autmato.A versatilidade uma caracterstica que tambm impera nesta consola, podendo comunicar com diversos equipamentos quer da Telemecanique quer de outras marcas desempenhando diversas funes como a visualizao de dados provenientes do autmato, modificao de parmetros do autmato e controlo de automatismos implementados na consola.Abaixo encontra-se a consola Magelis utilizada.

Figura 6 Consola Magelis XBT GT 1335

Softwares utilizados

4.1 PL7 Pro

O programa PL7 Pro, apresenta-se como um software de programao para autmatos TSX Micro e TSX Premium, este software permite criar, ler e modificar aplicaes. O PL7 Pro uma poderosa ferramenta permitindo desenvolver aplicaes numa vasta gama de autmatos e em quatro linguagens distintas permitindo ainda a sua utilizao em simultneo, simplificando assim a programao. Atendendo as linguagens que este autmato permite, podemos definir esta versatilidade como um ponto muito forte deste programa, as quatro linguagens passiveis de ser utlizadas so a linguagem ladder que assenta no auxlio grfico para programar, no qual as funes lgicas so representadas atravs de contatos e bobinas, de modo anlogo a um esquema eltrico com os contatos dos transdutores e dos atuadores, a linguagem ST (Texto Estruturado), que consiste num tipo de programao na qual no se impe ordem de execuo, e assim como na linguagem Pascal e Basic, utiliza o hbito de relacionar valores e variveis, a linguagem IL (Lista de Instrues) uma linguagem textual, prxima do cdigo de mquina, ideal para resolver problemas simples onde existem poucas quebras no fluxo de execuo e por ultima a linguagem SFC (Sequencial Function Chart) que constitui uma forma padronizada para representar graficamente o comportamento da parte de comando de um sistema automatizado baseando-se numa simbologia grfica com arcos orientados que interligam etapas e transies, por uma interpretao das variveis de entrada e sada da parte de comando caracterizado como recetividades e aes, e por regras de evoluo que definem formalmente o comportamento dinmico dos elementos comandados

0.11 Vijeo Designer

O software Vijeo designer um configurador pertencente a famlia da schneider Electric, o qual permite desenvolver ambientes grficos para consolas de interface grfica. A apresentao verstil deste programa transforma-se numa fcil, rpida e simples forma de desenvolvimento de projetos devido sua extensa gama de imagens, cones e a sua ergonomia, qualquer esquema industrial representado na ntegra.

Controlo de Nvel de gua

0. Funcionamento

Como referido anteriormente este trabalho consiste no controlo de nvel de gua numa tina, para isso o autmato ir atuar sobre uma vlvula proporcional situada sada da tina. A ativao da entrada de gua na tina ser efetuada por uma turbina que se encontra ligada rede.O valor do nvel de gua pretendido ser introduzido a partir de uma consola com ecr ttil, na consola ser tambm possvel verificar o nvel de gua bem como a alterao de alguns parmetros e controlo.

0. Esquema de Montagem

Com intuito de poder controlar o nvel de gua numa tina, efetuou-se a montagem de acordo com a figura abaixo.Na montagem representada temos um autmato, os sensores de nvel, o sensor ultrassnico, a consola o PC, o Hub, a Tina construda em inox e acrlico e a vlvula proporcional.

Figura 7 Esquema de montagem

Ligao PLCLigao Maquete

%IW2.0Sensor

%QW3.0Valvula

%Q4.0Activao bomba

%I5.0Sensor nvel inferior

%I5.1Sensor nvel superior

Tabela 1- Ligaes PLC

0. Configuraes no Autmato

Para se proceder ao desenvolvimento do programa no autmato foi necessrio primeiro configurar o hardware. Deste modo, comeou-se pela configurao dos mdulos TSX usados, a posio 0 e 1 ocupada pelo processador, visto que o modelo em causa tm a porta ETHERNET incorporada.Na posio 2 e 3 encontram-se os mdulos analgicos de entrada e sada respetivamente e na posio 4 e 5 os mdulos discretos de entrada e sada.Quanto configurao dos mdulos foram utilizados valores pr-definidos, exceto nos mdulos analgicos de entrada e sada, no mdulo de entrada as gamas de entrada do sensor ultrassnico foram alteradas para 0-10V. Para a vlvula proporcional que se encontra ligada ao mdulo analgico de sada o seu funcionamento vai ocorrer numa gama de -/+ 10V.

Figura 8 Configurao dos mdulos

5.4 Comunicao em rede

Para fazer a comunicao simultnea entre o autmato a consola e o computador foi criada uma rede interna que funciona segundo o protocolo Ethernet TCP/IP. De modo a que os trs equipamentos pudessem comunicar em simultneo foi utilizado um HUB. Como presente na figura seguinte cada dispositivo tem um endereo IP e X-Way.

Figura 9 Seco limite da tina

As comunicaes com o autmato so feitas atravs de cabo RS232 e Ethernet, a comunicao entre a consola e o autmato efetuada por Ethernet.

0. Programa desenvolvido

Para se desempenhar as funes pretendidas ser necessrio desenvolver o programa, o desenvolvimento de um programa neste software passa pela criao de seces.As seces desenvolvidas no programa sero mostrados e descritos a seguir.

TABELA

15. Limites da Tina

Esta seco foi desenvolvida com o intuito de proteger a montagem de excesso ou falta de gua, assim se o sensor de Nivel_Superior ou o Sensor_altura forem ativos a vlvula ser aberta ao mximo.Numa situao oposta se o Nivel_superior ou Sensor_altura forem ativos a vlvula ir fechar-se.Para a ativao do Sensor_altura foi utilizado um bloco de comparao e para o acionamento da vlvula utilizado um bloco de operao como ilustrado na figura seguinte.

Figura 9 Seco limite da tina

5.4.3 Ativao da Bomba Para que a bomba seja ativa somente quando a vlvula estiver aberta foi criada a seguinte seco:

Figura 10 Seco ativao da bomba

Esta seco tem como funo fazer circular a gua quando a vlvula estiver aberta e proteger a bomba quando a vlvula fechar, caso contrrio a bomba ficaria a funcionar sem gua.

15. Controlo de nvel

Para o controlo do nvel de gua presente na tina recorreu-se a uma funo j definida no software PL7, a funo PID (Proporcional Integral Derivativo).Esta funo proporciona uma correo PID, a partir de uma medida analgica lida de um sensor e de um ponto pretendido (Set point).A funo PID representada da seguinte forma: PID (TAG, UNIT, PV, AUTO, PARA) os respetivos parmetros tem uma configurao que ir definir o comportamento da regulao pretendida.

TAGParmetro de entrada que define o nome do controlador e tem um tamanho mximo de 8 caracteres.

UNIT

Parmetro de entrada que define as unidades de medida usadas e tem um tamanho mximo de 6 caracteres. PV

Parmetro de entrada que representa a medida para o controlador. Pode ser do tipo %MWi ou %IWxy.i.j.

OUT

Parmetro de sada analgica do controlador com gama de [0-10000] ou [0-5000] se TI=0. Pode ser do tipo %MWi ou %IWxy.i.j

AUTO

Parmetro de entrada e sada que define o modo de funcionamento do PID, manual se tiver valor lgico 0 ou automtico se tiver valor lgico 1. Pode ser do tipo %MWi, %IWxy.i.j ou %Qxy.i.

PARA

Parmetros de entrada e sada que definem os bits internos do PID, sero descritos na Erro! A origem da referncia no foi encontrada.. Este parmetro escrito na forma %MWi:43. O valor 43 uma valor informativo que indica o espao de memria necessrio estar livre para o funcionamento correcto do controlador, no caso do PID so 43 posies de memria seguidas ao parmetro PARA.

Figura 11 Definio dos parmetros PARA

Figura 12 Seco controlo de nvel

5.4.4 Unidade

De forma a facilitar a introduo do nvel pretendido e leitura do nvel de gua foi necessrio fazer uma converso do valores para escalas mtrica, neste caso o milmetro.A abertura da vlvula foi tambm convertida em percentagem de forma a sua leitura seja mais percetvel. Para que os valores introduzidos e lidos correspondam ao nvel de gua de baixo para cima realizou-se a operao de 10000-sensor-altura.De forma a efetuar as operaes necessrias para converso dos valores, estes foram convertidas em nmeros reais pela funo Int_to_Real.Para converter os valores para milmetros foi necessrio criar uma relao com o valor medido pelo sensor ultrassnico (0-10000). Com a ajuda de uma rgua foram medidos os seguintes valores:

altura (mm)sensor10000 - sensor

3080002000

6076662334

10071752825

15065753425

20059804020

22556854315

25054004600

30048005200

35042005800

40036056395

45030106990

50024257575

Tabela 2 Medies de altura

Com os valores obtidos criaram-se os seguintes grficos que possibilitaram chegar as equaes das retas para se proceder as operaes.

Figura 13 Grfico 10000-sensor

Figura 14 Grfico sensor

Uma das retas foi criada para converter o valor medido pelo sensor em milmetros e a outra para que o valor de Setpoint introduzido pelo utilizador fosse convertido no valor de 0 a 10000, valor que entra na funo PID.

Figura 15 Seco de unidades

5.4.5. Tabela

Para ser possvel o estudo das respostas com diferentes valores nos parametros do PID foi necessrio criar uma seco que fizesse corresponder os valores de nvel de agua medidos em tempos diferentes a memorias, para posteriormente serem extrados para uma folha de Excel e depois analisados.De forma a efetuar medies de 1 em 1 segundo foi utilizado o bit S6 ligado ao CU (conting) do contador, este foi configurado com um present value de 500 de forma a efetuar 500 medies.Num bloco de operao associou-se o current value a uma memria, de modo a que as medies ficassem associadas a memrias diferentes utilizou-se outro bloco de operao para incrementar a memria associada ao current value a outra memria e igualar ao nvel de gua.Um bit memria foi ligado ao D do contador para se proceder ao reset do mesmo. A sada Dfica a nvel1 quando current value igual a presente value.

Figura 16 Seco Tabela

1. Programao consola

No programa Vijeo designer comeamos por criar um novo projeto no qual foi possvel conceber todo o layout da consola. Comeamos por idealizar os painis necessrios para a criao do interface por nos desejado, achamos que a criao de trs painis eram suficientes para o desejado, desde a visualizao do nvel de gua, alterao dos parmetros do PID e grfico do nvel de gua em tempo real. No primeiro painel foi criado um menu inicial onde possvel visualizar atravs de displays de mostragem o nvel da altura de gua, a percentagem da abertura da vlvula e ainda um display de configurao que permite alterar o valor da altura do nvel de gua pretendida (Setpoint). ainda possvel visualizar se o nvel alto ou o nvel baixo se encontram ativos atravs de umas luzes situadas no cimo e no fundo da tina, alm disso possvel verificar se a bomba se encontra ativa ou no atravs de uma luz. Ainda inserimos um grfico de barras onde se poder ver o nvel de gua em tempo real. Por fim criamos botes que nos permitem mudar para os painis desejados.

Figura 17 Primeiro painel

No segundo painel colocamos todas as variveis do PID com displays de configurao que permite alterar os valores dessas variveis. Esta ainda presente um boto auto que permite escolher entre operao automtica ou manual, se auto estiver a nvel baixo a operao ser manual e para isso encontra-se disponvel um display que permite alterar o valor da vlvula de forma manual. No final foi ainda criado um boto que permite regressar ao primeiro painel (menu principal).

Figura 18 Segundo painel

No terceiro painel desenvolvemos um grfico que permite visualizar a variao da altura de gua em funo do tempo, por fim foi colocado um boto que nos permite aceder ao primeiro painel (menu principal).

Figura 19 Terceiro painel

Aps a conceo e preenchimento dos painis com os vrios itens foram adicionadas as variveis necessrias para o funcionamento dos itens inseridos nos vrios painis. De referir ainda que todas as variveis que pretendamos utilizar na consola foram criadas em bits de memria para poderem ser utilizadas na consola.

Figura 20 Variveis na consola

1. Anlise de resultados

De forma a analisar e compreender melhor as respostas do sistema que usa como funo o controlo Proporcional integral derivativo foram recolhidos valores de altura para diferentes parmetros do PID. Para que todas as medies correspondessem as mesmas condies, estas foram realizadas na gama de alturas de 100mm a 150mm, sendo que cada medio era iniciada com a alterao do setpoint quando o valor de nvel estava estabilizado no 100mm. No grfico seguinte possvel observar vrias respostas do sistema para um controlador P, atravs da variao do ganho Kp.

Figura 21 Grfico com variao do Kp

Pela anlise do grfico pode-se concluir que quanto maior for o valor de Kp mais rpido ocorre a resposta, de notar ainda que ocorrem algumas flutuaes a volta do valor pretendido (setpoint).Nas medies efetuadas para um controlo P+PI e P+PD obtiveram-se as seguintes medies:

Figura 22 Grfico com variao de vrios parmetros

Nas medies com o controlo PD verifica-se que a resposta se torna muito instvel e incapaz de se chegar perto do valor pretendido. Atravs do controlo PI verifica-se que o sistema responde de forma muito lenta mas de forma estvel, sendo tambm incapaz de se aproximar do nvel de gua pretendido.Da forma estvel que o controlo PI responde, este pode ser bastante eficaz se for utilizado depois de o controlo P fixar a resposta no nvel pretendido, resultando assim numa estabilizao do sistema no nvel desejado. Contudo podemos concluir que neste sistema o controlo somente P bastante eficaz no modo como responde e se estabiliza.