Post on 28-Dec-2015
Universidade Federal do Maranhão
NI LABVIEW STUDENT AMBASSADOR PROGRAM
RELATÓRIO DE
ESTÁGIO EXTRA-CURRICULAR
NATIONAL INSTRUMENTS BRASIL
ROBERTO ARTURO QUEZADA SALES
São Paulo, SP
2012
Folha de Aprovação
Relatório de Estágio Extra-curricular aceito em 27/07/2012:
______________________________
Roberto Arturo Quezada Sales
Estagiário
______________________________
Ilton Ancelmo Pereira Junior
Gerente da Engenharia de
Aplicações da NI-Brasil
______________________________
Maria de Fáima Santos
Coordenadora do Curso de
Engenharia Elétrica da UFMA
______________________________
Jose Roberto Quezada Peña
Chefe de Departamento do Curso de
Engenharia Elétrica da UFMA
Relatório de Estágio Extra-curricular
Aluno: Roberto Arturo Quezada Sales
Orientador: Ilton Ancelmo Pereira Junior
Empresa: National Instruments do Brasil
Endereço: Av. Paulista, 509 21° andar
01311-910 – São Paulo-SP
Telefone: (11)3149 3149
Site: http://www.ni.com/
N° de horas: 138
Agradecimentos
Meus sinceros agradecimentos a National Instruments Brasil, na figura
do Senhor Carlos Devesa, pela oportunidade brindada e, em especial aos
Senhores Arnaldo Clemente, Cinthia Santini e Jacqueline Bezerra, pelo seu
apoio e empenho na realização da formação nas tecnologias NI e em
particular nesta ação. Finalmente, agradecemos à equipe da Engenharia de
Aplicações da NI-Brasil, na figura do Eng.Ilton Ancelmo Jr, por todo o apoio
que culminou para o sucesso na realização deste estágio.
Relatório de Estágio Extra-curricular
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Sumário 1. Introdução ................................................................................................................................ 1
2. A Empresa................................................................................................................................. 2
3. Atividades Desenvolvidas ......................................................................................................... 3
3.1. Treinamentos ..................................................................................................................... 3
3.2. Projeto de Controle e Simulação: Plataforma Quanser ..................................................... 4
3.2.1. Descrição do Hardware ............................................................................................... 4
3.2.2. Descrição do Software ................................................................................................ 9
3.2.3. 1° Etapa: Computacional ............................................................................................. 9
3.2.4. 2° Etapa: Simulação ................................................................................................... 14
4. Conclusão ............................................................................................................................... 17
5. Referências ............................................................................................................................. 18
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1. Introdução
Este relatório tem como objetivo descrever as atividades desenvolvidas
no estágio extra-curricular, requisito para qualificação ao Programa
Ambassador NI, que foi realizado na empresa National Instruments Brasil,
na cidade de São Paulo - SP, no período compreendido entre 27 de Junho
de 2012 a 27 de Julho de 2012.
O estágio foi realizado na Divisão de AE da NI-Brasil (Application
Engineering), que é responsável pelo suporte pós-vendas aos usuários da
NI no país, além de treinamentos, preparação de demos sobre as
tecnologias NI, suporte técnico por telefone, e-mail ou através de fórum de
discussões.
Como o estágio foi de apenas um mês, as atividades desenvolvidas no
mesmo se focaram no desenvolvimento de aplicações de controle,
direcionando as táticas de projeto para uma abordagem voltada para a
Certificação CLD (Certified LabVIEW Developer), que é também um dos
objetivos do estágio.
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2. A Empresa
A National Instruments é uma empresa pioneira em desenvolvimento de
softwares de Instrumentação Virtual, ela prove para engenheiros e
cientistas ferramentas que aceleram a produtividade, inovação e pesquisa.
A National Instruments foi fundada em 1976 por dois professores da
Universidade do Texas, que desenvolveram o software de Sistemas
Gráficos NI LabVIEW. A empresa conta hoje com mais de 4 mil
colaboradores atuando em 40 países e com uma receita anual de cerca de
$1,04 bilhões (2011).
A National Intruments já está no Brasil há 15 anos. O escritório sede
está localizado no estado de São Paulo e o mesmo atende a todo o
território nacional. No Brasil, sua área de atuação é, principalmente, a
indústria automobilística, porém, também atua nas áreas acadêmicas, de
petróleo e gás natural e aeroespacial, dentre várias outras. Um dos maiores
usuários das tecnologias NI no Brasil é a EMBRAER.
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3. Atividades Desenvolvidas
Como já mencionado anteriormente, as atividades na empresa iniciaram
em 27 de junho, data em que cumprimos apenas com toda a tramitação
documental e formal necessária para iniciar o estágio dentro da empresa.
Nos cinco dias seguintes foi realizado o treinamento LabVIEW Advanced,
que é um treinamento NI avançado voltado para realização de boas práticas
de projeto e também para a certificação CLD. Após o treinamento, o estágio
foi direcionado para um segmento prático específico que foi o
desenvolvimento de um Projeto de Controle e Simulação baseado na
plataforma Quanser para Controle de Motores CC, o DC MOTOR
CONTROL TRAINER (DCMCT). Já nesta etapa foi passada a orientação,
por parte de nosso supervisor técnico dentro da NI, de dedicar diariamente
horas para estudo sobre o hardware e software utilizados, e finalmente
realizar a implementação.
Infelizmente, devido ao curto tempo de Estágio, não pudemos interagir
diretamente com a área de suporte propriamente dita, assim, o estágio ficou
resumido à nossa participação em treinamentos e ao desenvolvimento de
projetos fazendo uso das tecnologias NI.
3.1. Treinamentos
No curso de LabVIEW Advanced: Desenvolvimento de Grandes
Aplicações, aprendemos a utilizar ferramentas e técnicas para melhorar o
desenvolvimento de grandes projetos LabVIEW, baseados em trabalho com
equipes. Além disso, obtivemos experiência para desenvolver as
habilidades necessárias para selecionar e desenvolver gabaritos e padrões
de projetos utilizados em grandes aplicações de projetos com LabVIEW. O
curso ensinou ainda práticas comuns para administrar o desenvolvimento
de grandes projetos de aplicações orientadas à equipes, da especificação à
organização.
Durante o período do estágio também foi oferecido pela empresa um
treinamente rápido (2 dias) de Excel básico, visando o aproveitamento do
maior número de informações de forma mais organizada possível durante a
elaboração de relatórios.
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3.2. Projeto de Controle e Simulação: Plataforma Quanser
O objetivo do projeto é colocar em prática a teoria de controle, onde temos que ajustar (Tunning) os parâmetros de resposta de uma malha de controle para um motor CC. A metodologia de controle utilizada baseia-se na teoria de controle clássica, na qual através de experimentação de diferentes teorias pode-se comparar estratégias de controle P, PI e PID. Sendo o PID o controlador que apresentou melhores resultados. Para fazer essa análise utilizaremos os hardwares cRIO (Compaqt Reconfigurable I/O) com seus módulos Quanser Engineering Trainer - DC Motor Control e os softwares National Instruments.
O projeto foi dividido em duas etapas principais. A primeira etapa foi meramente computacional, onde foi desenvolvido um código em LabVIEW para análise do sistema de controle de motor DC. Já a segunda etapa foi experimental utilizando os hardwares NI e Quanser, onde testamos o controlador e incorporamos não-linearidades do mundo real.
3.2.1. Descrição do Hardware
cRIO-9025
A controladora embarcada de Tempo Real NI cRIO-9025 é
parte da Plataforma de alta performance CompactRIO de
Controladores Programavéis para Automação (PAC). Possui um
processador industrial Freescale em Tempo Real de 800MHz,
para aplicações determinísticas e confiáveis em tempo real, e
contém 512MB de memória DDR2 RAM e 4GB de
armazenamento não-volátil para a realização de programas e
registro de dados.
Esta controladora robusta e confiável é projetada para fazer
uso de baixo consumo de energia com duas entradas de 9 a
35VCC, que fornecem energia isolada para os chassis
CompactRIO/módulos, e uma faixa operacional de temperatura de
-40 a 70 graus centígrados. O cRIO-9025 aceita 9 a 35VCC de
entrada de fornecimento de energia ao ligar, e de 6 a 35VCC de
entrada de fornecimento de energia durante a operação normal.
Desta forma, ela pode funcionar por longos períodos de tempo em
aplicações remotas através do uso de uma bateria ou energia
solar.
A controladora fornece duas portas de comunicação
Ethernet 10/100 que podem ser usadas para conduzir
comunicação programática através da rede, e servidores de
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arquivos (FTP) e web (http) integrados. As portas são também
compatíveis com o chassi de expansão NI-9144, da série C, de
forma que você possa conectar mais portas de I/O determinísticas
para sua aplicação.
Para criar capacidade de armazenamento adicional para
sua aplicação embarcada de registro de dados, o cRIO-9025 tem
uma porta de host USB de alta velocidade na qual você pode
conectar uma mídia de armazenamento externo baseada em
USB (pen drives e discos rígidos). Além disso, a controladora
possui um sistema de arquivos tolerante a falhas, que fornece
maior confiabilidade para aplicações de registro de dados. A Fig.1
abaixo ilustra o NI cRIO9025
Figura 1 – NI cRIO9025.
cRIO-9241 (encoder de quadratura para ler velocidade)
O NI-9401 é um módulo série C de 8-canais bidirecionais digitais de 100ns projetado para qualquer chassi CompactDAQ ou cRIO. Você pode configurar a direção das linhas digitais do NI-9401 para entradas ou saídas através da programação de uma porção de código (4 bits). Desta forma, o NI-9401 pode ser programado para três diferentes configurações: oito entradas digitais, oito saídas digitais ou quatro entradas e quatro saídas digitais. Com a tecnologia de reconfiguração de I/O (RIO, aplicável apenas para o cRIO), você pode utilizar o módulo LabVIEW FPGA (Field Programable Gate Array) para programar o NI-9401 para implementações customizadas de contadores/temporizadores de alta velocidade, protocolos de comunicação digital, geração de pulsos e muito mais. A Fig. 2 abaixo ilustra o NI cRIO9241.
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Figura 2 – NI cRIO9241.
cRIO-9263 (responsável pelo comando do motor)
Módulo de saídas analógicas de alto desempenho
projetado para sistemas cRIO, chassis de expansão da série R e
NI-CompactDAQ. O módulo prove geração precisa de sinais
analógicos.
Cada módulo incorpora recursos internos de condicionamento de sinal e um conector integrado com fixação por parafuso ou opção a cabo, para permitir conexão dos sinais de forma flexível e de baixo custo. Todos os módulos atendem às características de certificação NI CompactRIO de operação extrema. A Fig. 3 abaixo ilustra o NI cRIO9263.
Figura 3 – NI cRIO9263.
cRIO-911X (chassis)
Os chassis reconfiguráveis para NI Compact RIO são o
coração dos sistemas Compact RIO, pois são neles que se
encontram o núcleo reconfigurável de I/O (RIO). Você programa o
núcleo RIO (FPGA), que possui uma conexão individual para
cada módulo de I/O, que, por sua vez, possuem as funções
elementares de I/O, fáceis de usar, para ler ou escrever as
informações de sinais a partir dos mesmos. Visto que não existe
um barramento de comunicação compartilhada entre o núcleo
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FPGA e os módulos de I/O, você pode sincronizar de forma
precisa a operação de I/O em cada módulo com um looping de
interação de 25 ns. O núcleo RIO pode executar processamento
local de sinais, baseado em inteiro ou ponto-fixo, tomadas de
decisão e passar sinais diretamente de um módulo ao outro. O
núcleo RIO está conectado à controladora em tempo real
CompactRIO através de um barramento de interfaceamento local
PCI. O controlador em tempo real pode recuperar dados a partir
de qualquer controle ou indicador no painel frontal de uma
aplicação RIO FPGA, através de uma interface de digitalização de
uso fácil ou de uma simples função FPGA de leitura/gravação. A
FPGA RIO pode também gerar requisições de interupção (IRQs)
para sincronizar a execução do software em tempo real com a
mesma. Tipicamente, a controladora em tempo real é utilizada
para converter os dados de I/O baseados em inteiros para
números escalonados em ponto flutuante. Além disso, ela executa
o controle de um único ponto, a análise da forma de onda, log de
dados e comunicação Ethernet/Serial. O chassi reconfigurável, a
controladora em tempo real e os módulos de I/O se combinam
para criar um sistema embarcado completo. A Fig. 4 abaixo ilustra
o NI cRIO911X.
Figura 4 – NI cRIO911X.
DC Motor Control Trainer (DCMCT)
É uma plataforma versátil projetada para ensinar os fundamentos de servo controle de motores CC de diversas maneiras. O sistema pode ser rapidamente configurado para controlar a posição do motor, a velocidade e a corrente. Os usuários podem programar o PC para realizar o controle em tempo real, sendo compativel com os boards E-Series da National Instruments, bem como o LabVIEW. A Fig. 5 abaixo ilustra o Quanser Engineering Trainer (QET)
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Figura 5 – Quanser Engineering Trainer.
. A Fig. 6 abaixo ilustra o Diagrama de conexão dos dispositivos. Vale
lembrar que o cRIO funciona também de maneira autônoma.
Figura 6 – Diagrama de Conexão dos Dispositivos.
A Fig. 7 abaixo ilustra a montagem experimental do sistema
Figura 7 – Diagrama de Conexão dos Dispositivos.
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3.2.2. Descrição do Software
Measurement & Automation Explorer (MAX) É um software que fornece acesso a todos os NI, tais como: DAQ, GPIB, IMAQ, entre outros. Com o MAX você pode configurar o hardware National Instruments e software, adicionar novos canais, interfaces e instrumentos virtuais, executar diagnósticos do sistema e visualizar os dispositivos e instrumentos ligados ao seu sistema. No nosso caso, o MAX foi utilizado para configurar a controladora NI cRIO juntamente com seus módulos.
LabVIEW 2011 Service Pack 1 É um ambiente de programação gráfica criado para aplicações de testes, medição e controle. Através dele você pode adquirir sinais do mundo real, realizar análises para identificar dados significativos e comunicar ou armazenar resultados usando diversos recursos com rapidez e facilidade. Para o nosso exemplo utilizamos efetivamente a aba de controle e simulação do LabVIEW para desenvolver o código.
3.2.3. 1° Etapa: Computacional
A etapa computacional foi dividida em três etapas principais:
Modelagem, Análise em Malha Aberta e Análise em Malha Fechada. A Fig.8 ilustra a interface de usuário que foi desenvolvida para a tela inicial.
Figura 8 – Tela Inicial.
Um sistema de controle consiste inicialmente da modelagem ou
determinação dos parâmetros do mesmo. Estes são determinados por meio
de equações matemáticas, com parâmetros obtidos experimentalmente, ou
ainda, podem ser determinados pelo método de identificação de sistemas.
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Durante esta etapa são inseridas todas as variáveis do projeto,
juntamente com seus respectivos valores, para geração de uma função de
transferência e posterior análise. A Tabela 1 ilustra algumas das variáveis,
obtidas experimentalmente, como: Constante de Torque, Resistência,
Indutância entre outros, além de seus respectivos valores.
Tabela 1 – Especificações do Projeto.
Motor Valor Unidade Simbolo
Constante de Torque 0,052 Nm/Amp Km
Resistência Terminal 10,6 S Rm
Indutância Terminal 0,82 mHenry Lm
Inércia do Rotor 11,6 gm-cm2 Jm
Torque Máximo 0,07 Nm Tmax
A Equação 1 ilustra a planta do nosso sistema (Posição) e, em seguida,
a A Fig. 9 ilustra o código do projeto referente à esta etapa.
Posteriormente, a Fig. 10 ilustra a interface que foi gerada.
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mmeq
m
KsRJ
K (1)
Figura 9 – Aquisição de Dados.vi.
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Figura 10 – Aquisição de Dados (interface).
Uma vez adquiridas as variáveis com seus respectivos valores, é hora
de analisar as respostas do sistema. Em um sistema de malha aberta é
utilizado um dispositivo de atuação para controlar diretamente o processo,
sem usar retroação, ou seja, a saída não possui nenhuma influência sobre a
resposta do sistema. Neste caso, usamos as funções da aba Control Design
& Simulation para implementar esta operação de análise. A Fig. 11 ilustra a
VI Análise em Malha Aberta. Em seguida, a A Fig. 12 ilustra a interface
criada para esta etapa onde é possível visualizar alguns dados importantes
como a função de transferência de malha aberta Fig. 12(a) resposta ao
impulso Fig. 12(b), resposta ao degrau Fig. 12(c) e lugar das raízes Fig.
12(d).
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Figura 11 – Analise sem Controlador.vi.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 12 – Analise sem Controlador (interface): (a)Função de Transferência, (b)Resposta ao Impulso, (c)Resposta ao Degrau, (d)Lugar das Raizes.
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Ainda durante a análise, fechamos a malha com um controle e então
percebemos uma melhora significativa na resposta do nosso sistema. A
análise em malha fechada consiste na utilização da saída e a retroação
deste sinal para compará-lo com a saída desejada, ou seja, a saída
influencia na entrada do sistema. Neste caso, foram acrescentadas as
funções de controle que, no nosso caso, foram o controle PID Parallel
(Continuous) Fig. 13(a) e a realimentação Fig. 13(b)
(a) (b)
Figura 13 Funções de Controle: (a)PID Parallel(Continuous).vi,
(b)Unit Feedback.vi.
A Fig. 14 ilustra a VI Análise em Malha Fechada. Em seguida, a A Fig.15
ilustra a interface criada para esta etapa onde é possível visualizar uma
analise para os controladores Proporcional Fig. 15(a), Proporcional Integral
Fig. 15(b) e Proporcional Integral Derivativo Fig. 15(c).
Figura 14 – Analise com Controlador.vi.
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(a) (b)
(c)
Figura 15 – Analise com Controlador (interface): (a)Proporcional,
(b)Proporcional Integral, (c)Proporcional Integral Derivativo.
3.2.4. 2° Etapa: Simulação
Após simulado o comportamento do sistema, acrescenta-se o hardware
para analisar as respostas do sistema.
Inicialmente, adicionamos os drives NI Scan Engine e o Control Design
Simulation no cRIO, através do MAX. Em seguida, já no LabVIEW, criamos
um novo projeto e adicionamos o cRIO ao projeto, no modo Scan Engine, e
fazemos as seguintes configurações:
1. Configurar Scan Engine:
a. Período = “5ms”;
b. Network Publishing Period (ms) = “100ms” (padrão).
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2. Configurar NI-cRIO 9401:
a. Specialty Digital Configuration >> Specialty Mode >>
“Quadrature”;
b. Input Filter >> “Disabled”;
c. Velocity Time Base = “8192us” (todos os canais);
d. Index Mode = “Disable”.
Após finalizado a configuração do hardware, foi desenvolvido uma VI
usando a estrutura Simulation Module, que é semelhante à estrutura while com
um período de tempo pré-definido, além de ser compatível com o LabVIEW RT
CompactRIO. A Fig. 16 ilustra a VI Controle de Velocidade.
Figura 16 – Controle de Velocidade.vi.
A Fig. 17 abaixo ilustra a interface de usuário gerada para o Controle de
Velocidade. Através desta interface é possível ajustar os ganhos do controlador
e editar o set point para aumentar ou diminuir a velocidade, além de visualizar
a resposta do sistema em tempo real.
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Figura 17 – Controle de Velocidade (interface).
Observa-se nitidamente que a melhor adequação em termos de resposta
ao degrau é obtida com o controlador PID, ficando o erro de regime quase nulo,
o overshoot bem baixo e um bom tempo de acomodação. Ainda que o método
usado neste trabalho para determinação dos ganhos do controlador não nos
forneça diretamente esses valores, vemos que o resultado obtido foi bastante
satisfatório. Além disso, para aplicações comuns, como o caso do controle de
posição e velocidade do motor de corrente contínua apresentada aqui, esta
teoria se mostrou bastante útil. Podemos também mostrar o potencial das
ferramentas National Instruments. Dessa forma, este exemplo demonstra a
validade da teoria de controladores PID e as diferenças entre o “mundo real” e
o “mundo simulado”.
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4. Conclusão
As atividades realizadas durante o período de estágio foram de extrema
valia na formação de um engenheiro, tanto pelo aspecto técnico, como já foi
descrito no item anterior, como também do ponto de vista profissional, de
trabalhar em uma empresa multinacional, respeitando todas suas políticas e
regras.
Outro ponto que merece destaque é a interação com os engenheiros de
suporte. Na Engenharia de Aplicações foi possível ver que os desafios que
surgem no dia a dia são sempre diferentes e é preciso estar preparado.
Isso, sem dúvida alguma, torna a experiência do estágio muito mais
completa.
Assim, percebe-se que o estágio curricular vem cumprindo sua
finalidade de ser um período de experiência para o futuro engenheiro,
agregando tanto informações técnicas como também o desenvolvimento
das relações interpessoais.
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5. Referências
Quanser Corporation, Quanser Engineering Trainer DC Motor Control –
User Guide, Quanser Inc, 1ª Edition, Markham, 2008.
FRANKLIN, G. F.; POWELL, J. D.; EMAMI-NAEINI, A. Feedback
Control of Dynamic Systems, Addison-Wesley Publishing Company,2ª
Edition, Massachusetts, 1991.
http://brasil.ni.com/