Henrique _Freitas_Alabi_de_Souza.pdf

ISBN 978-85-8084-603-4

Anais Eletrnico

VVIIIIII EEPPCCCC EEnnccoonnttrroo IInntteerrnnaacciioonnaall ddee PPrroodduuoo CCiieennttffiiccaa CCeessuummaarr UNICESUMAR Centro Universitrio Cesumar

Editora CESUMAR Maring Paran Brasil

CONTROLE PID DE NVEL VIA DEVICENET

Henrique Freitas Alabi de Souza; Leonardo Farias Ronchi**; Rosa Maria Ribeiro *** RESUMO: Este projeto foi desenvolvido objetivando verificar a importncia da utilizao do ensino didtico-pedaggico de redes industriais, sistemas de controle e automao e instrumentao industrial. Para o desenvolvimento da pesquisa foram utilizados materiais didticos especficos da rea de sistemas de controle no intuito de se obter um controlador PID de nvel controlado por uma rede DeviceNet. Foi elaborado dentro de um CLP um supervisrio que controlou o nvel de um tanque interligado a um secundrio para sua alimentao, gerando assim grficos onde a partir deste foi verificado a estabilizao e o erro de ganho do processo. O controle PID foi desenvolvido atravs da funo transferncia obtida pela modelagem do sistema. PALAVRAS-CHAVE: Controlador PID, DeviceNet, CLP. ABSTRACT: This project was developed to verify the importance of teaching industrial networks, industrial instrumentation, controls and automation. For the research and development of the project specific materials about control systems were used to get a PID level controller to communicate with DeviceNet to control the system. Using PLC, a program was developed to control the first tank, where a second tank was used just to feed the first one. This program was able to generate graphics to verify the stability and error of the overall gain of the system. The PID controller was developed using a transfer function, which was obtained by modeling the system.

KEYWORDS: PID controller, DeviceNet, PLC.

1. INTRODUO

Com o desenvolvimento tecnolgico atual, o ambiente digital est cada vez mais presente em nosso meio, principalmente nos arredores da automao industrial. Essas transformaes vieram para reduzir custos na produo, aumentar a produtividade e lucros, juntamente com os controles automticos que desempenham um papel fundamental no avano da engenharia e da cincia.

Segundo Silveira e Santos (1998, p.2), o homem sempre buscou simplificar seu trabalho de forma a substituir o esforo braal por outros meios e mecanismos. O primeiro trabalho significativo de controle automtico foi o regulador centrfugo construdo por James Watt em meados do sculo XVlll.

_______________________________________ *Acadmico do Curso de Engenharia de Controle e Automao do Centro Universitrio de Maring UNICESUMAR, Maring - PR. Bolsista do Programa de Bolsas de Induo Cientfica do UNICESUMAR (PROIND). E-mail: [email protected] **Acadmico do Curso de Engenharia de Controle e Automao do Centro Universitrio de Maring UNICESUMAR, Maring - PR. Bolsista do Programa de Bolsas de Induo Cientfica do UNICESUMAR (PROIND). E-mail: [email protected] ***Orientadora, Docente Doutora do Curso de Engenharia de Controle e Automao do Centro Universitrio de Maring CESUMAR. E-mail: [email protected]

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Diante disso foi observada a necessidade de se elaborar um controlador de nvel de fludos em processos industriais, para agilizar e dar maior exatido produtividade.

Norman Nise (2011, p.4), refere o incio da engenharia de sistemas em controle do nvel de um lquido aos gregos por volta de 300 a. C. Estes criaram um relgio de gua inventado por Ktesbios, que operava por meio do gotejamento de gua para o interior do reservatrio medidor a uma taxa constante. O nvel de gua em um reservatrio medidor pode ser usado para informar o tempo decorrido. Para conseguir um gotejamento a uma taxa constante, o reservatrio de alimentao tinha de ser mantido a um nvel constante. Isso foi conseguido utilizando uma boia semelhante do controle de nvel de gua das caixas de descarga dos vasos sanitrios atuais.

Sistemas de controle de nvel, principalmente para controlar o parmetro manipulvel do nvel do liquido, tem nas indstrias uma ampla gama de aplicaes em diversos domnios. O processo de produo industrial possui diferentes locais que se v a necessidade de controlar o nvel do liquido mantendo-o em uma faixa de valores pr-determinados (setpoint).

Neste projeto o controle PID de nvel realiza a leitura de um set-point pr-definido pelo proprietrio, controlando o nvel de um tanque, por meio de uma bomba de entrada de fluxo e uma vlvula de controle de fluxo de sada. Todo processo, comandado por uma rede industrial ligada a um CLP.

O Controle de nvel utilizado em diversas reas do nosso cotidiano, sejam elas industriais, residenciais, rurais, entre outras. Nas industriais o controle de nvel utilizado em vrios tipos de processos, como de envasamento, arrefecimento, ou seja, processos que os nveis de lquidos necessitem serem mantidos em patamares desejados para o sucesso da produo.

Caixas dgua, piscinas, reservatrios solares e pluviomtricos entre outros so exemplos de controles automticos de nveis na rea residencial. No mbito rural o controle pode ser utilizado para monitorar o reabastecimento dos cochos de animais, tanques de combustveis utilizados por mquinas agrcolas.

Erros nas medies acarretam em perca de produto gerando prejuzos pensando nisto, este projeto, no intuito de qualificar um processo que sane erros de medies, props-se realizar um sistema controlador do nvel de um tanque. Este garantiu que o processo permanecesse constante, mantendo os tanques em nveis seguros, para que no houvesse um escoamento total de fludo e nem que ultrapassasse a sua capacidade de armazenamento.

Portanto este trabalho objetivou o desenvolvimento de dois tanques interligados por uma bomba, onde nesta, foi aplicado o controle PID de nvel entre os tanques, fazendo a comparao do setpoint (SP) desejado com a varivel de processo (PV). 2. MATERIAIS E MTODOS

2.1 MATERIAIS

Os materiais usados para o desenvolvimento do trabalho foram:

Supervisrio Elipse Scada, para controlar as variveis de processo.

Software Rockwell Automation, onde foi desenvolvida toda programao e a emulao do processo.

Sistema fsico dos tanques, onde permitiu elaborar a modelagem matemtica.

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2.2 METODOS

Desenvolvimento do Modelo Matemtico

Inicialmente, foi feito um levantamento bibliogrfico sobre redes industriais e controles PIDs, para o desenvolvimento matemtico do controle PID de nvel, encontrando a funo transferncia pela modelagem do sistema. Em seguida, o desenvolvimento de um supervisrio para o controle do nvel de dois tanques, fazendo o levantamento da funo transferncia atravs da modelagem do sistema, para assim integrar esta ao desenvolvimento da programao.

Segundo OGATA, (2003, p.125), para se modelar um sistema de nvel de liquido de um sistema laminar, partindo da equao 1, necessrio conhecer a resistncia do fluxo (eq.2), a relao entre vazo em regime permanente e a altura do nvel em regime permanente (eq.3) e a capacidade de um reservatrio (eq.4), que definida como a variao na quantidade de liquido armazenado necessrio para causar uma mudana unitria no potencia (altura).

Q

H

dQ

dHR equao (1)

KHQ equao (2)

21

)(

hh

qoqiC

equao (3)

Em sistemas de nvel de liquido com interao a modelagem efetuada pelas definies analisando

a Figura 1, atravs das equaes (5), (6), (7), (8) e (9), segundo (OGATA, 2003, p.126):

11

21q

R

hh

equao (4)

11

1 qqdt

dhC equao (5)

22

2q

R

h equao (6)

212

2 qqdt

dhC equao (7)

Considerando q1 como a entrada e 2q como a sada do sistema, a funo de

transferncia do mesmo, pode ser expressa pela equao (8).

1)122211(2211

122

sCRCRCRsCRCRQ

q equao (8)

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Figura 1: Sistema de nvel de lquido com interao

Nesta fase do projeto, empregou-se um controlador PID e de acordo com Ogata

(2003, p.557), mais da metade dos controladores industriais em uso atualmente empregam esquemas de controle PID ou PID modificado.

Este controle um dos mais utilizados em ambientes industriais por possuir uma simplicidade relativa em ser implantado com um desempenho satisfatrio a uma vasta gama de processos. O controlador PID consiste na soma de trs aes de controle, a ao proporcional, a ao integral e a ao derivativa, como pode ser observado na Figura 2.

Segundo Visioli (2006, p.5), a ao proporcional tem a funo de reduzir o erro de controle que um sistema pode possuir atravs de um ganho proporcional, mas nunca levando este erro a zero, ou seja, aps ser implementado possui a funo de variar a varivel de controle de acordo com o erro do sistema. Normalmente este passo representado por Kp, tendo o significado de ganho proporcional do sistema.

Figura 2: Diagrama de blocos do controlador PID (VISIOLI, 2006).

A integral possui como objetivo reduzir o erro do sistema a zero atravs de um ganho integral Ki, esta ao capaz de definir automaticamente o valor correto do ganho a ser aplicado no sistema proporcional, deixando a curva de estabilidade em parmetros exatos do desejado pelo ponto definido (setpoint), por esta razo esta ao tambm chamada reinicializao automtica.

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Segundo Visioli (2006, p.6), j a ao derivativa possui a funo de prever futuros erros que poo existir no sistema, atravs do ganho derivativo Kd esta ao capaz de eliminar erros futuros como rudos que possam influenciar na

desestabilizao do sistema.

Com a combinao destas trs aes possvel elaborar o clculo do controlador PID atravs da equao (9).

dt

tdeKddtteKiteKptu

t )(.)(.)(.)(

0 equao (9)

Onde Kp representa a parte proporcional, e(t) a parte integral e de(t), a derivativa do sistema. 3. RESULTADOS E DISCUSSO

Com a modelagem matemtica, e a programao do sistema proposto, para o controle de nvel de fludos utilizado a tcnica PID, pode-se analisar e modelar os grficos de ganhos do processo, bem como o erro entre o setpoint (SP) e a varivel de processo (PV), como observado na Figura 3.

Figura 3: Programao utilizando a funo PID.

De acordo com a Figura 4, a programao desenvolvida utilizou a funo diagrama de blocos no programa Rockwell Software Rslogix 5000, mostrando as variveis implementadas no processo.

Figura 4: Programao utilizando Block Diagram.

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Em seguida, a Figura 5, mostra a janela PID.

Figura 5: Janela de configurao dos ganhos PID, varivel de processo (PV) e o Setpoint (SP).

Visualizando a Figura 5, observa-se a janela PID Setup do programa Rslogix 5000,

onde neste integrado os ganhos PID e o Setpoint (SP) definido do tanque utilizado. Ao ativar o modo Run, verifica-se a varivel de processo e o seu erro sendo atualizados de acordo com a modelagem matemtica levantada do processo.

Na Figura 6, observa-se a tela de controle desenvolvida no Software Elipse Scada. Nessa, foi colocado os tanques de controle e de reserva (alimentao), bem como o sensor de nvel, bomba de alimentao e a vlvula de controle de sada do fluxo utilizado na simulao do supervisrio. Esta Figura mostra todo o controle do Processo proposto neste projeto.

Figura 6: Tela de controle desenvolvida do supervisrio, no Software Elipse Scada.

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Assim sendo, fazendo-se uma anlise de todos os grficos obtidos do processo, pode-se observar pelo comportamento dos traados que todo o sistema se mantem estvel aps aproximadamente um minuto de execuo, com o tanque vazio at o nvel definido pelo Setpoint. A Figura 7 a seguir, mostra a estabilidade do sistema.

Figura 7: Grfico de estabilizao da varivel de controle e a de processo.

4. CONCLUSES

Com o desenvolvimento do projeto, pode-se verificar o momento de estabilizao entre a varivel de controle e a varivel de processo, j aps alguns segundos de execuo. Sendo que esta estabilizao possui uma taxa de atualizao a cada 10ms. E, fazendo uma anlise dos grficos pertinentes ao processo, pode-se afirmar que o sistema se mantm totalmente estabilizado aps aproximadamente um minuto de execuo, com o tanque vazio at o nvel definido pelo Setpoint.

Pode-se ento concluir que as perspectivas com as quais o trabalho cientfico foi desenvolvido foram alcanadas, uma vez que foi elaborado um sistema controlador do nvel de um tanque, ou seja, um controlador PID de nvel. Este garantiu a constncia do processo, mantendo os tanques em nveis seguros, no havendo escoamento total de fludo e nem ultrapassando sua capacidade de armazenamento. 5. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ENGEL, Y. A.; CIMBALA, J. Mecnica dos Fluidos: Fundamentos e Aplicaes. So Paulo: Mc Graw Hill, 2007. NISE, N. S. Engenharia de Sistemas de Controle. 5. ed. Rio de Janeiro : LTC, 2011. OGATA, K. Engenharia de Controle. 4. ed. So Paulo: Pretice Hall, 2003. SILVEIRA, P. R. D.; SANTOS, W. E. Automao e Controle Discreto. So Paulo: rica, 2003. VISIOLI, A. Practical PID Control. Brescia: Springer, 2006.

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