TCC Leonardo Biancolini R6

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA

ENGENHARIA MECATRÔNICA (CONTROLE E AUTOMAÇÃO)

CONTROLE DE UMA PLANTA DE PROCESSO DE NÍVEL ATRAVÉS DE SISTEMA

REMOTO UTILIZANDO LABVIEW

CURITIBA

2009

LEONARDO BIANCOLINI



Monografia de Projeto Final apresentada ao Curso de Engenharia Mecatrônica (Controle e Automação), Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia da Pontifícia Universidade Católica do Paraná PUCPR, como requerimento parcial para obtenção do título de Engenheiro. Orientador: Prof. Luciano A. Mendes

CURITIBA

2009

LEONARDO BIANCOLINI

ENGENHARIA MECATRÔNICA (CONTROLE E AUTOMAÇÃO)



Esta monografia, que é requisito indispensável para a aprovação na disciplina de

Projeto Final do curso de Engenharia Mecatrônica (Controle e Automação) do Centro

de Ciências Exatas e de Tecnologia da Pontifícia Universidade Católica do Paraná

PUCPR, foi julgada e aprovada pela seguinte banca examinadora:

Orientador: Prof. Luciano A. Mendes

Colaborador: Prof. Fernando Deschamps

CURITIBA, 15 DE JUNHO DE 2009

ii

DEDICATÓRIA

Dedicamos a Deus que sempre nos deu força, aos nossos pais,

companheiros e amigos que sempre nos incentivaram nos momentos mais difíceis.

iii

AGRADECIMENTOS

A Deus, por sempre abrir a porta da percepção de nossas mentes, das quais

atravessamos, em direção aos nossos sonhos.

À minha esposa e filha, pelo carinho, amor, atenção, a meus pais por me

conduzirem pelo caminho certo, pelos ensinamentos que não se aprende em

nenhum centro acadêmico, e por me proporcionar às experiências que tive.

A todos que direta ou indiretamente contribuíram para que este trabalho fosse

realizado.

iv

RESUMO

Neste trabalho é apresentada a elaboração de um sistema de monitoração e controle de ensaios experimentais através de uma rede de computadores. É proposta uma infra-estrutura com base em instrumentação virtual e uma metodologia para o desenvolvimento de um laboratório virtual, utilizando LabVIEW da National Instruments, com acesso via Internet através de página Web. O principal objetivo é o controle dos parâmetros de funcionamento de um sistema real de controle de nível, através da Internet, utilizando uma interface amigável e intuitiva. A proposta geral é contribuir com a aquisição de dados a distância através da Internet para auxiliar no estudo de sistemas reais que disponham de controle e a disposição de dados para elaboração de um relatório didático.

Palavras-Chave: LabVIEW, Internet, aquisição de dados, rede de computadores.

v

ABSTRACT

His work presents the elaboration of a monitoring system and control of experimental assays through a computer network. An infrastructure is proposal on the basis of virtual instrumentation and a methodology for the development of a virtual laboratory, using LabVIEW of National Instruments, with access saw Internet through Web page. The objective is the control of the parameters of functioning of a real system of level control, through the Internet, using friendly interface. The proposal general is to contribute with the acquisition of data in the distance through the Internet to assist in the study of real systems that make use of control and the disposal of data for elaboration of a didactic report. Key word: LabVIEW, Internet, data acquisition, computer network.

vi

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS.............................................................................................................................VII

LISTA DE TABELAS............................................................................................................................VIII

LISTA DE GRÁFICOS............................................................................................................................IX

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS..................................................................................................X

LISTA DE SÍMBOLOS............................................................................................................................XI

1. INTRODUÇÃO.................................................................................................................................1

2. LABORATÓRIOS VIRTUAIS COM ACESSO À DISTÂNCIA .........................................................5

2.1. A INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL E O LABVIEW ..................................................................5

2.2. UTILIZANDO LABVIEW 7.1 PARA PROGRAMAÇÃO...........................................................6

2.3. A INTERNET...........................................................................................................................8

2.3.1. PROTOCOLOS NA INTERNET.....................................................................................8

2.3.2. O FUTURO DO IP (IPv6) ...............................................................................................9

2.3.3. O MODELO CLIENTE SERVIDOR................................................................................9

2.3.4. OS SERVIÇOS DA INTERNET ...................................................................................10

2.3.5. REPRESENTAÇÃO DE DOCUMENTO NA INTERNET .............................................10

2.3.6. DOCUMENTOS ATIVOS NA WEB..............................................................................11

2.3.7. A LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO JAVA ..............................................................12

2.3.8. PLUG-IN.......................................................................................................................12

2.3.9. PUBLICANDO PÁGINA WEB COM LABVIEW............................................................12

3. AQUISIÇÃO DE DADOS DO EXPERIMENTO .............................................................................13

3.1. TRANSMISSÃO DE DADOS VIA USB.................................................................................16

3.2. AQUISIÇÃO DE DADOS COM DAQ-mx..............................................................................17

3.3. CONVERSOR TENSÃO CORRENTE..................................................................................18

3.3.1. CONVERSOR TENSÃO CORRENTE COEL ..............................................................18

3.4. CONVERSOR CORRENTE TENSÃO NO SINAL DE SAÍDA..............................................19

3.5. TRANSFORMAÇÕES DE UNIDADES E SUAS FUNÇÕES................................................20

3.6. LAYOUT ENTRE O SERVIDOR E A PLANTA.....................................................................23

4. A PLANTA DE CONTROLE DE NÍVEL.........................................................................................25

5. INTERFACE EXPERIMENTO USUÁRIO......................................................................................27

5.1. FUNÇÕES DO TAB CONTROL ...........................................................................................28

5.2. ACESSO DAS FUNÇÕES VIA WEB....................................................................................31

5.3. O SISTEMA DE VISÃO ........................................................................................................31

5.4. SUB VI’S INCORPORADOS NO PROGRAMA....................................................................32

5.5. SEGURANÇA DE OPERAÇÃO............................................................................................33

6. CONTROLADORES DA PLANTA.................................................................................................34

6.1. O CONTROLADOR PID .......................................................................................................34

6.1.1. ENTENDENDO O FUNCIONAMENTO DO CONTROLADOR PID.............................36

6.2. IDENTIFICAÇÃO DE SISTEMAS.........................................................................................37

vii

6.2.1. IDENTIFICAÇÃO DO SISTEMA DA PLANTA DE NÍVEL............................................38

6.3. SINTONIA DO CONTROLADOR PID...................................................................................41

7. COMUNICAÇÃO ENTRE USUÁRIOS ..........................................................................................43

8. CONCLUSÃO ................................................................................................................................44

9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..............................................................................................46

10. APÊNDICE ................................................................................................................................49

10.1. APÊNDICE 1 – PROTOCOLO TCP/IP.............................................................................49

10.2. APÊNDICE 2 – CRIANDO PAINEL REMOTO COM LABVIEW ......................................52

10.3. APÊNDICE 3 – CONFIGURAÇÃO DA PLACA USB-6008 ..............................................55

10.4. APÊNDICE 4 – TRANSMISSÃO DE DADOS VIA USB...................................................57

10.5. APÊNDICE 5 – MÉTODOS DE ZIEGLER-NICHOLS ......................................................60

11. ANEXOS....................................................................................................................................63

FOTO DO EXPERIMENTO ......................................................................................................63

12. GLOSSÁRIO .............................................................................................................................64

viii

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1. Laboratório virtual controlado pela internet. ..........................................................................3

FIGURA 2. Representação de um laboratório virtual...............................................................................5

FIGURA 3. Componentes de um sistema de aquisição de dados...........................................................6

FIGURA 4. Exemplo de painel frontal no labview. ...................................................................................7

FIGURA 5. Exemplo de diagrama e blocos no labview. ..........................................................................7

FIGURA 6. Cliente-servidor comunicação através de protocolo TCP/IP.................................................9

FIGURA 7. Funcionamento da Internet (Cliente/Servidor) ....................................................................11

FIGURA 8. Representação de documento ativo....................................................................................11

FIGURA 9. Painel remoto.......................................................................................................................13

FIGURA 10. Placa de aquisição de dados USB-6008...........................................................................14

FIGURA 11. Atribuições dos terminais analógicos e digitais.................................................................15

FIGURA 12. Descrições dos sinais ........................................................................................................16

FIGURA 13. Velocidade de transmissão de dados USB .......................................................................17

FIGURA 14. Interface conversor tensão corrente marca COEL............................................................19

FIGURA 15. Esquema elétrico de ligação do sinal de saída .................................................................19

FIGURA 16. Bloco de conversão tensão para nível ..............................................................................21

FIGURA 17. Bloco de conversão nível para tensão ..............................................................................22

FIGURA 18. Layout geral .......................................................................................................................23

FIGURA 19. Esquema elétrico de ligação da planta..............................................................................24

FIGURA 20. Esquema de funcionamento da planta de nível ................................................................26

FIGURA 21. Interface para o usuário.....................................................................................................27

FIGURA 22. Tab “PLANTA DE NÍVEL”..................................................................................................28

FIGURA 23. Tab “EXPORTAR DADOS” ...............................................................................................29

FIGURA 24. Tab “GRÁFICOS” ..............................................................................................................30

FIGURA 25. Tab “CÂMERA ON-LINE” ..................................................................................................30

FIGURA 26. Diagrama de blocos da captura de imagem......................................................................32

FIGURA 27. Diagrama de blocos do Controlador PID em Labview ......................................................35

FIGURA 28. Estrutura do controlador PID contínuo ..............................................................................36

FIGURA 29. Estrutura do controlador PID discreto na planta ...............................................................37

FIGURA 30. Modelo de um sistema de 1ª ordem padrão......................................................................38

FIGURA 31. Resposta em malha aberta da planta de nível a uma entrada degrau .............................39

FIGURA 32. Função de transferência da planta de nível ......................................................................40

FIGURA 33. Curva da Função de transferência ....................................................................................40

FIGURA 34. Resposta da planta a entrada com ganho constante........................................................41

FIGURA 35. Resposta da planta de nível com controlador PID ............................................................42

FIGURA 36. Comunicação entre usuários.............................................................................................43

FIGURA 37. As cinco camadas modelo de referência TCP/IP..............................................................49

FIGURA 38. As cinco classe de endereço de IP ...................................................................................50

ix

FIGURA 39. Exemplo número de IP ......................................................................................................51

FIGURA 40. Web publishing tools..........................................................................................................52

FIGURA 41. URL do documento............................................................................................................53

FIGURA 42. Configuração do webserver...............................................................................................53

FIGURA 43. Webserver – visible vi’s .....................................................................................................54

FIGURA 44. Tela do dispositivo USB 6008 instalado............................................................................55

FIGURA 45. Acessando o painel de testes da placa USB 6008 ...........................................................56

FIGURA 46. O painel de testes da placa USB 6008..............................................................................56

FIGURA 47. Cabo USB..........................................................................................................................57

FIGURA 48. Simbologia USB.................................................................................................................58

FIGURA 49. Resposta ao degrau do processo em malha aberta .........................................................61

FIGURA 50. Parâmetros do controlador para o primeiro método..........................................................61

FIGURA 51. Sistema de malha fechada com controle proporcional .....................................................62

FIGURA 52. Resposta ao degrau do processo em malha fechada.......................................................62

FIGURA 53. Parâmetros do controlador para o segundo método.........................................................62

FIGURA 54. Servidor e planta................................................................................................................63

x

LISTA DE TABELAS

TABELA 1. Valores de conversão de corrente para tensão ..................................................................20

TABELA 2. Valores de nível e tensão de entrada/saída........................................................................22

xi

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ARPA - Advanced Research Projects Agency.

DAQ – Data Aquisition.

HTML – HyperText Markup Language.

http – HyperText Transfer Protocol.

IP – Internet Protocol.

NI – National Instruments.

PID – Proporcional Integral Derivativo.

TCP – Transmission Control Protocol.

URL – Uniform Resource Locators.

WWW ou WEB – World Wide Web.

1. INTRODUÇÃO

Através da velocidade em que os meios de comunicação evoluem, a

atualidade necessita de projetos ousados que utilizem a infra-estrutura de

comunicação via rede de computadores. Não é de se imaginar que em pouco tempo,

a maneira como um professor, ou uma instituição de ensino ministrem as suas aulas

seja de maneira completamente diferente das atuais, tendo a seu dispor cada vez

mais tecnologia para desenvolver os assuntos de interesse para os alunos e público

alvo.

Os professores, em qualquer curso presencial, precisam aprender a gerenciar

vários espaços e a integrá-los de forma aberta, equilibrada e inovadora. O primeiro

espaço é o de uma nova sala de aula melhor equipada e com atividades diferentes

[MORAN, 2004].

Descrição do problema

Implementação do conceito de Laboratório Virtual, utilizando uma planta física

e a plataforma LabVIEW, permitindo a operação remota de experimentos, com

aplicação na área de cursos à distância, através da Internet.

A grande vantagem em se ter disponível um sistema de controle de um

determinado experimento remotamente, é que o usuário do sistema pode lançar

informações necessárias e tem a disposição uma resposta deste sistema de maneira

coerente. A coleta de dados de um experimento utilizando um sistema remoto traz

detalhes para o usuário, uma vez que o ambiente de instrumentação virtual

possibilita uma configuração mais amigável, dispondo às vezes, de visualizações de

respostas que o experimento em si não forneceria. Criando um ambiente de

instrumentos virtuais geralmente os experimentos podem ganhar novas funções e ter

cada vez mais uma resposta completa do sistema. Para criar um ambiente virtual de

interface com o processo real, podemos utilizar um aplicativo como o LabVIEW, que

é um programa desenvolvido especialmente para aplicações onde envolvam a

instrumentação virtual.

2

Os laboratórios virtuais, como são chamados, se destacam por disponibilizar a

interface do experimento com o usuário em vários terminais através da Internet

interligada a uma rede de computadores, enquanto que os equipamentos reais que

estão sendo operados estão em um ambiente seguro. Os experimentos reais podem

muitas vezes ser especiais e com eles atribuídos custos elevados devido aos

componentes que os compõem. Estando dispostos de um ambiente virtual, os

usuários, podem conhecer o experimento real a operar, e então coletar os dados

necessários sem a presença física com o experimento.

A popularização da Internet vem como a principal ferramenta de integração

aos ambientes virtuais. Atualmente com a expansão e investimento na área de

informática e transmissão de dados, através do aumento de banda, a Internet,

possibilitará uma conexão cada vez maior de usuários interligados, ficando fácil a

interação dos usuários com sistemas conectados através da Internet.

Objetivos

• Controle e acompanhamento remoto do experimento;

• Compatibilidade entre as plataformas;

• Interface com o usuário facilitando o uso, principalmente por alunos da

graduação, com o primeiro contato em instrumentação e controle de plantas

deste nível;

• Gerenciamento e controle do ambiente.

• Disponibilizar ao usuário interação remota com a planta LABVOLT, acionando

dispositivos, lendo sensores e determinando parâmetros de um algoritmo de

controle da planta rodando no servidor local.

• Monitoramento em tempo real dos instrumentos e componentes da planta

física;

• Oferecer ao usuário imagens reais da planta física de “NÍVEL” (LABVOLT)

através de um sistema de visão através de uma WEB CAM.

• Inclusão de uma tela para preenchimento de um relatório didático com os

resultados do experimento e sua interpretação.

Para ilustrar como seria possível atingir os objetivos e criar um ambiente virtual para

operação de uma planta de controle de nível, propõe-se estudar as tecnologias da

3

Internet e os meios de comunicação, os WebServers, as conexões USB, os sistemas

de visão com a utilização de web cam, a criação de ambiente virtual de

instrumentação com o aplicativo LabVIEW e, entre outras, a comunicação de

usuários com um sistema como o Skype, por exemplo. A figura 1 ilustra, de maneira

geral, o experimento proposto.

FIGURA 1. Laboratório virtual controlado pela internet.

FONTE: O AUTOR

Este trabalho será organizado como segue:

No capítulo 1 é detalhado o ambiente de instrumentação virtual para criação

de laboratórios virtuais, e a descrição de como podemos interagir com uma rede de

computadores, disponibilizando o experimento através da Internet.

No capítulo 2 é descrita uma proposta de comunicação entre o servidor de

dados (WebServer) e a planta de controle de nível, através da placa de aquisição de

dados da fabricante National Instruments.

No capítulo 3 é mencionada uma nova tecnologia de transmissão de dados

utilizando uma interface USB.

No capítulo 4 é detalhada a planta de nível da marca Labvolt, suas principais

funções, os componentes que a constitui, os instrumentos e as funcionalidades.

No capítulo 5 são discutidas as funcionalidades do programa que será criado

utilizando a tecnologia de interface virtual, com a plataforma LabVIEW, suas

principais funções e limitações e como funcionará o sistema de visão.

No capítulo 6 é detalhado o controlador PID utilizado na programação. Sua

dedução de contínuo para discreto e como entrar com os ganhos.

4

Por fim, no capítulo 7 são apresentadas algumas tecnologias de comunicação

entre usuários do programa, utilizando programas desenvolvidos e disponível via

Internet, como o Skype, por exemplo.

Justificativas

• Promover o interesse pela disciplina ou curso, facilitando assim o melhor

aproveitamento dos recursos da planta física.

• Possibilitando maior número de usuários estudarem parâmetros na mesma

planta

• Melhoria da qualidade do Ensino à Distância, ampliando as possibilidades em

áreas que requerem o uso de laboratórios.

Como resultado final deste trabalho é disponibilizado um laboratório virtual

que permite o acesso, o controle e a monitoração de experimentos em tempo real,

em forma remota através da Internet.

5

2. LABORATÓRIOS VIRTUAIS COM ACESSO À DISTÂNCIA

Um laboratório virtual é definido como um laboratório controlado por computador

que pode ser acessado e controlado, através de um meio de comunicação como a

Internet, por outros computadores que se conectem ao experimento. Neste caso, um

laboratório virtual é representado por um processo onde estará conectado a um

servidor executando um programa de aquisição de dados, mas com a habilidade de

ser monitorado e controlado com a Internet através de um programa executado em

um navegador web. No caso deste trabalho, o experimento estará conectado no

servidor, através de comunicação com interface USB, e o servidor estará conectado

na Internet. Os clientes são quaisquer computadores que estão conectados na

Internet e que tenham disponíveis navegadores web. No navegador web estará um

painel frontal onde estarão disponíveis as funções do programa que controla o

experimento real.

Na figura 2 está ilustrada como funciona um ambiente de laboratório virtual.

FIGURA 2. Representação de um laboratório virtual

Fonte: Próprio Autor

2.1. A INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL E O LABVIEW

A idéia da instrumentação virtual surgiu, pensando-se em colocar em uma placa

de aquisição de dados ligada diretamente no computador, condicioná-lo e convertê-

lo à forma digital. Através de um software as formas de onda adquirida pela placa

6

podem ser exibidas na tela do computador. Com as interfaces gráficas de usuário,

tornou-se possível reproduzir na tela o próprio painel dos instrumentos, tal como se o

computador emulasse os instrumentos. Daí o termo instrumento virtual.

A instrumentação virtual destaca-se pela flexibilidade com que pode se adaptar

aos experimentos, aliás, é com esse intuito que a tecnologia da instrumentação

evoluiu para esse patamar. A redução de custo e tempo com a implementação de

novas funções para aquisição de dados é a principal vantagem da instrumentação

virtual.

Na figura 3 é apresentada uma das opções de ligação para aquisição de dados

utilizando a instrumentação virtual.

FIGURA 3. Componentes de um sistema de aquisição de dados.

Fonte: ni.com

2.2. UTILIZANDO LABVIEW 7.1 PARA PROGRAMAÇÃO

O LabVIEW é um software de programação, muito utilizado para criar um

ambiente virtual de operação de instrumentos. Sua especialidade é substituir os

antigos aparelhos analógicos de medição junto a uma estrutura de placa de

aquisição de dados.

O software LabVIEW, será utilizado para implementação das funções deste

trabalho. Basicamente o LabVIEW é composto por dois ambientes de programação.

O painel frontal, onde há a interface com o usuário, tanto diretamente no LabVIEW,

7

como também a tela publicada para o browser na Internet e também o diagrama de

blocos onde é o ambiente de programação das funções do aplicativo.

O painel frontal é a forma de interface com o usuário, sua construção utiliza

controles e indicadores quais representam as entradas e saídas do projeto. Os

controles são representados pelos botões, “knobs” e outros dispositivos que

representem uma entrada. Os indicadores são representados pelos gráficos, LED’s e

outros dispositivos que representem uma saída [NATIONAL INSTRUMENTS, 2005].

FIGURA 4. Exemplo de painel frontal no labview.

Fonte: ni.com

O diagrama de blocos representa, de forma gráfica, a lógica utilizada para a

programação das funções do painel frontal. Basicamente o diagrama de blocos pode

representar os controles e indicadores do painel frontal através de ícones ou como

símbolos. Os controles, representados através de símbolos, recebem bordas

grossas e os indicadores recebem bordas finas [NATIONAL INSTRUMENTS, 2005].

FIGURA 5. Exemplo de diagrama e blocos no labview.

Fonte: ni.com

8

2.3. A INTERNET

Nos EUA, por volta do ano de 1970, nascia a primeira rede de computadores. A

ARPA, como era chamada na época teve fortes investimentos para criar o que hoje

chamamos de Internet.

Focalizado nas pesquisas de rede a ARPA fez contratos para transformar os

projetos em um sistema operante chamado ARPANET. Nos anos 70, a ligação inter-

redes tinha se tornado o foco principal da pesquisa da ARPA, e a Internet inicial

tinha surgido. A pesquisa continuou nos anos 80, com a Internet se tornando um

sucesso comercial nos anos 90 [COMER, 2001].

Desde aquela época de grandes pesquisas, aos tempos atuais o crescimento de

computadores conectados a Internet cresceu de maneira exponencial, tanto que

atualmente temos mais de 30 milhões de computadores interligados no mundo

inteiro.

2.3.1. PROTOCOLOS NA INTERNET

A grande preocupação no surgimento da Internet foi o gerenciamento do

endereço dos computadores. Após vários testes foram criados softwares que

fornecem uma interface conveniente de alto nível para aplicativos.

Esses softwares resolvem aos problemas com a comunicação de baixo nível

possibilitando que os aplicativos se comuniquem facilmente [COMER, 2001].

A comunicação na rede de computadores deve concordar com um conjunto

de regras chamado de protocolo. Para resumir, os protocolos de rede interagem com

os softwares de protocolo, que seguem regras de comunicação.

Os protocolos definidos são um meio que a comunicação entre diversos

computadores interligados na Internet não chegue ao destino errado, ou não seja

perdido pelo caminho, é atribuído um endereço numérico a cada computador

conectado à rede, também chamado de host, que o identifica de maneira única.

Esse endereço é denominado de endereço de IP, é constituído por quatro campos,

separado entre si por pontos. Por exemplo: 255.255.198.200.

As classes de endereço de IP e os detalhes do protocolo são apresentados

no Apêndice A.

9

2.3.2. O FUTURO DO IP (IPv6)

O sucesso que teve o protocolo IP para Internet Ipv4 dura até os atuais dias. O

protocolo acompanhou mudanças tecnológicas de hardware e de topologias de rede.

A atual versão Ipv4 estará sendo substituída pela nova versão Ipv6 em algum tempo

devido ao grande crescimento que a Internet providenciou [GASPARINI, 1994].

A maior alteração nos protocolos é o do Ipv6 apresentar 128 bits em seu

endereço contra 32 bits do Ipv4. Com esta alteração o protocolo é grande o

suficiente para acomodar o crescimento contínuo da Internet global por muitas

décadas.

2.3.3. O MODELO CLIENTE SERVIDOR

O termo cliente-servidor é dado a dois computadores que através da Internet

estão se comunicando.

Os termos Cliente e Servidor se referem aos dois aplicativos envolvidos em uma

comunicação. O aplicativo que começa ativamente o contato é chamado de cliente,

ao passo que o aplicativo que espera passivamente por contato é chamado de

servidor. [COMER, 2001].

Os computadores que estão conectados a rede de computadores podem ser

clientes ou servidores. Para que o cliente e o servidor estabeleçam uma

comunicação é necessário que eles se reconheçam na rede através de um

protocolo, que seria o protocolo TCP/IP já apresentado.

FIGURA 6. Cliente-servidor comunicação através de protocolo TCP/IP

Fonte: Comer, 2001.

10

Como mostra a figura 6, um aplicativo de cliente servidor interage diretamente

com um protocolo da camada de transporte para estabelecer uma comunicação para

enviar ou receber comunicação. O protocolo utiliza camadas mais baixas para enviar

e receber mensagens, desta maneira um computador necessita de uma pilha

completa de protocolos para rodar um cliente ou um servidor. [COMER, 2001].

2.3.4. OS SERVIÇOS DA INTERNET

Os serviços da Internet são baseados no modelo cliente-servidor e o

funcionamento de troca de informações é a de um cliente solicitar, através do

browser de www, acesso a uma página da Internet hospedada no servidor. O

servidor recebe a informação do cliente e lhe envia os dados necessários através do

endereço de IP a resposta, de modo que a informação aparece no browser do

cliente, de maneira formatada, como solicitado.

A World Wide Web (www) é um repositório on-line de informações que os

usuários podem acessar utilizando um programa chamado de browser (navegador).

A maioria dos navegadores tem uma interface de apontar e clicar – o navegador

mostra informações na tela do computador e permite a um usuário navegar usando o

mouse. As informações mostradas incluem texto e imagens gráficas. Além disso,

algumas das informações exibidas são destacadas para indicar que um item é

selecionável. Quando o usuário coloca o cursor sob um item selecionável e clica

com o botão do mouse, o navegador exibe novas informações que correspondem ao

item selecionado. [COMER, 2001].

2.3.5. REPRESENTAÇÃO DE DOCUMENTO NA INTERNET

Os documentos, na Internet, são representados através de páginas web

suportadas pelo padrão http (HiperText Transfer Protocol) que possuem conteúdo

hipermídia, ou seja, além de textos as páginas possuem figuras, vídeos, etc.

Cada página da Web que contém um documento hipermídia usa uma

representação padrão. Conhecido como HyperText Markup Language (HTML), o

padrão permite especificar o conteúdo da página. O formato HTML das páginas web

permitem que seja decidido o tamanho de fonte, cor das letras, etc. Dependendo do

tipo de navegador, pode haver uma representação diferente dos itens selecionáveis.

11

FIGURA 7. Funcionamento da Internet (Cliente/Servidor)


2.3.6. DOCUMENTOS ATIVOS NA WEB

As páginas web que tem documentos ativos foram criadas para receber

atualização contínua de novas informações.

Basicamente, a idéia da técnica dos documentos ativos foi transferir a carga de

trabalho de atualização das informações do servidor para os clientes.

A atualização das informações fica por conta dos navegadores de Internet. A

representação dos documentos ativos funciona com programas que traduzem e

transportam o documento ao servidor. [COMER, 2001].

FIGURA 8. Representação de documento ativo

Fonte: Comer, 2001.

12

2.3.7. A LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO JAVA

Ao criar um documento ativo, o programador escreve o programa em uma

linguagem fonte. A linguagem Java tenta tornar conveniente a escrita e a leitura de

programas fonte.

Segundo (Comer, 2001) a tecnologia Java foi desenvolvida pela Sun

Mycrosistems. O Java é uma linguagem para criar e executar documentos ativos.

2.3.8. PLUG-IN

O plug-in, na área de informática, tem o significado de um programa leve que

auxilia outros programas maiores, quando há a necessidade de se ter algumas

funções específicas. Um exemplo típico são os plug-ins para “rodar” arquivos

multimídia dentro de programas como o Internet Explorer da Microsoft, Mozila

FireFox e o Netscape, entre outros navegadores de Internet.

O plug-in Run Time Engine tem a função de auxiliar os navegadores de Internet a

interpretar os comandos executados pelo painel frontal desenvolvido no LABVIEW. A

versão do plug-in testada e utilizada neste trabalho foi o Run Time Engine version

7.1.1 for windows 2000/NT/XP. Este plug-in instalado nas plataformas windows

mencionadas tem a capacidade de executar os comandos desenvolvidos somente

através do LABVIEW 7.1 (qual foi escolhido para desenvolver o trabalho). Para

versões diferentes do programa é necessária a instalação de outras versões de plug-

ins. A versão 7.1.1 do plug-in, entre outras necessárias, estão disponíveis para

dowload no site da National Instruments (www.ni.com) em support-> Drivers and

Updates.

2.3.9. PUBLICANDO PÁGINA WEB COM LABVIEW

As funcionalidades de um programa criado na plataforma LabVIEW pode ser

disponibilizado em um browser. O LabVIEW obtém seu sucesso, utilizando as

plataformas JAVA inseridas nos browsers e não necessitam de nenhuma

programação adicional para obterem as funcionalidades. Com essa tecnologia, o

usuário, pode acessar o experimento através de um browser.

13

FIGURA 9. Painel remoto


A aquisição de dados ocorre no computador servidor, mas o usuário remoto tem

o controle total e a funcionalidade idêntica da aplicação à distância. Outros usuários

em qualquer lugar da rede e interligado na Internet acessando o mesmo endereço

URL terá a visualização do experimento também. Para o sistema não se tornar

confuso, apenas um cliente poderá controlar o experimento, podendo passar o

controle para outros clientes pelo run-time. O operador do servidor pode inviabilizar o

controle dos clientes e depois tornar a disposição.

Com as ferramentas de publicação contidas no LabVIEW, é muito fácil tornar o

experimento remoto. Através do Apêndice B – Painel remoto com LabVIEW, estão

disponíveis todos os passos para publicar uma página na Web com os controles do

experimento.

3. AQUISIÇÃO DE DADOS DO EXPERIMENTO

A aquisição de dados, na nova era da instrumentação virtual, é fornecida através

das placas de aquisição de dados. Existem vários tipos de placas de aquisição de

dados, dependendo do tipo de interface utilizada, tal como, USB, GPIB, Serial,

Paralela, etc. Para integrar a planta de Nível da Labvolt com o servidor, neste

trabalho, utilizaremos a placa de aquisição de dados da national instruments. A USB-

6008, é uma placa de aquisição de dados com interface USB.

A placa a ser utilizada tem todos os recursos necessários para comunicação com

a planta. A USB-6008 contém 8 canais de entrada analógica, 2 canais de saída

14

analógica, 12 canais de entrada/saída digital e um contador de 32-bits [USB-

6008/6009 User Guide and Specification].

FIGURA 10. Placa de aquisição de dados USB-6008

1 – Identificação e orientação dos pinos 2 – Conector Jack 3 – Etiqueta dos sinais

4 – Cabo USB.

FONTE: National Instruments

A placa de aquisição de dados possui fisicamente dois lados, o lado com as

conexões dos canais digitais e o lado das conexões dos canais analógicos.

Os canais analógicos podem ser conectados em modo simples ou em modo

diferencial. O modo simples, single-ended, utiliza-se a conexão com uma entrada e o

terra (GND). No modo diferencial utilizam-se duas entradas. A diferença entre elas é

que a conexão em modo diferencial permite uma leitura de canais com referências

independentes, já o modo single-ended exige uma referência comum para todos os

canais. No modo diferencial podemos obter ±20V, ±10V, ±5V, ±4V, ±2.5V, ±2V,

±1.25V, ±1V.

As entradas/saídas analógicas terão disponíveis uma tensão de até +5V e uma

corrente máxima de 200mA.

15

FIGURA 11. Atribuições dos terminais analógicos e digitais

Fonte: National Instruments

16

FIGURA 12. Descrições dos sinais


3.1. TRANSMISSÃO DE DADOS VIA USB

A conexão USB (Universal Serial Bus), na atualidade, é a tecnologia mais

abrangente em termos de transmissão de dados. Vários dispositivos diferentes

podem se conectar ao computador, bastando apenas ter um conector USB e o

“driver” que gerencia a dispositivo. A porta USB, não apenas traz a facilidade de

conexão com os dispositivos, como também transmite energia, além de dados. A

possibilidade de transmissão de energia é que faz possível a utilização da placa

USB-6008 da National neste trabalho.

17

A velocidade da transmissão de dados via USB melhorou bastante e

atualmente pode ser utilizada para várias aplicações. Na figura 13 podemos verificar

a evolução da velocidade de transmissão via USB comparada com as principais

tecnologias nessa área.

FIGURA 13. Velocidade de transmissão de dados USB

Fonte: ni.com

No Apêndice 4 – Pode-se verificar algumas características dessa tecnologia.

3.2. AQUISIÇÃO DE DADOS COM DAQ-mx

As placas de aquisição de dados, de qualquer modelo, necessitam de um

controlador de sinais. O DAQ-mx é um pacote de drivers e controlador de sinais para

reconhecer as placas da National Instruments que tem interface USB.

O software da National Instruments chamado DAQ-mx é utilizado para controlar

os dados dos dispositivos de aquisição como o USB-6008. O DAQ-mx tem uma

extensa biblioteca de VI’s para o LabVIEW. O software DAQ-mx tem um “driver” que

é uma interface de programação e aplicação (API), qual é uma biblioteca de VI’s,

funções, classes, atributos e propriedades para criar aplicações para os dispositivos.

O “DAQ Assistant” é um meio gráfico para configurar os canais virtuais e as

tarefas de medição para o dispositivo.

O pacote de programas e driver para o DAQ-mx, além de possibilitar uma

interface ao usuário é um importante controlador de dados para porta USB.

18

A configuração da placa de aquisição de dados USB-6008 que iremos utilizar, é

de fácil configuração. No Apêndice C podemos acompanhar a configuração da

placa.

3.3. CONVERSOR TENSÃO CORRENTE

Utilizando-se, o sistema de aquisição de dados da National instruments, o USB

6008, o mesmo não permite enviar ou receber sinal de corrente diretamente, como

visto no item anterior a placa só envia ou recebe sinais de tensão. A planta de nível

da LABVOLT só transmite através do sinal de corrente de 4 a 20mA, tanto para o

sinal de entrada como o sinal de saída.

O envio de sinal de entrada na planta foi solucionado com a inclusão de um

conversor de tensão / corrente da marca COEL.

O sinal de saída da planta foi convertido de corrente para tensão acoplando um

resistor conhecido de 250Ω em série com o circuito. Com isso medimos uma

diferença de potencial, cujo resistor é conhecido e, portanto, a tensão é conhecida

também. No trabalho a conversão será de 4 a 20mA para 1 a 5V.

3.3.1. CONVERSOR TENSÃO CORRENTE COEL

O conversor da COEL funciona com uma alimentação de tensão de 24Vcc e

transforma tensões de 0 a 10V para 0 a 20mA. Para atender a necessidade da

conversão no projeto, o conversor foi ajustado para transformar 1 a 5V à 4 a 20mA,

através dos ajustes de zero e faixa no painel frontal.

19

FIGURA 14. Interface conversor tensão corrente marca COEL

Fonte: COEL

1) led “GERAL”: aceso indica interface alimentada

2) trimpot “ZERO”: ajusta o mínimo sinal de saída

3) trimpot “FAIXA”: ajusta o máximo sinal de saída

4) terminais de alimentação

5) terminais do sinal de entrada

6) terminais do sinal de saída

3.4. CONVERSOR CORRENTE TENSÃO NO SINAL DE SAÍDA

O sinal de saída da planta de nível, que vem do sensor de nível da SMAR, é um

sinal de corrente 4 a 20mA. Para fazer a conversão para tensão foi utilizado um

resistor de 250Ω conforme descrito no item 3.3.

FIGURA 15. Esquema elétrico de ligação do sinal de saída

Fonte: O autor

20

O circuito representado na Figura 15 interpreta a maneira como foi concluída a

conversão de corrente para tensão na saída. A conversão é feita medindo a queda

de tensão no resistor de 250Ω.

i

UR =

Trabalha-se a equação, tem-se:

iRU .=

Ou seja, tem-se a transformação que necessita. Os cálculos e os valores das

transformações são representados na tabela 1:

Cálculos:

VU

U

iRU

1

10.4.250

.

3

=

=

=

−

VU

U

iRU

5

10.20.250

.

3

=

=

=

−

TABELA 1. Valores de conversão de corrente para tensão

CORRENTE TENSÃO

MÍNIMA 4 mA 1V

MÁXIMA 20 mA 5V

3.5. TRANSFORMAÇÕES DE UNIDADES E SUAS FUNÇÕES

O processo de nível recebe dois sinais para controle. As transformações de

unidade serão de tensão para centímetros, e de centímetros para tensão. Portanto é

preciso determinar a função que representa a transformação entre o sinal de entrada

e o real nível do tanque e o nível do tanque e o sinal de saída. Resumidamente as

transformações serão:

Entrada: 1 a 5V para nível de 0 a 100%.

Saída: nível de 0 a 100% para 1 a 5V.

21

Para representar, os valores de tensão e nível presentes no projeto, tem-se a

tabela a seguir:

A função de entrada é representada por:

25.25 −= UN

Ou seja, o nível é representado por 25 vezes o valor da tensão de entrada menos

25, onde o nível é representado por N e a tensão é representada por U.

Para representar o cálculo da função acima, foi construído um sub vi dentro do

labview chamado de conversor 2, e representado pelo seguinte bloco:

FIGURA 16. Bloco de conversão tensão para nível

Fonte: O autor

A função de saída é representada por:

125

+=N

U

Ou seja, a tensão de saída é representada pela divisão do nível 25 vezes mais 1.

Para representar o cálculo da função acima, foi construído um sub vi dentro do

labview chamado de conversor 1, e representado pelo seguinte bloco:

22

FIGURA 17. Bloco de conversão nível para tensão

Fonte: O autor

Na tabela 2 estão representados alguns sinais de entrada, nível e saída que

representam o sistema.

TABELA 2. Valores de nível e tensão de entrada/saída

VOLTS % VOLTS VOLTS % VOLTSENTRADA NÍVEL SAÍDA 2,5 50 3

0 0 1 2,6 52 3,080,1 2 1,08 2,7 54 3,160,2 4 1,16 2,8 56 3,240,3 6 1,24 2,9 58 3,320,4 8 1,32 3 60 3,40,5 10 1,4 3,1 62 3,480,6 12 1,48 3,2 64 3,560,7 14 1,56 3,3 66 3,640,8 16 1,64 3,4 68 3,720,9 18 1,72 3,5 70 3,81 20 1,8 3,6 72 3,88

1,1 22 1,88 3,7 74 3,961,2 24 1,96 3,8 76 4,041,3 26 2,04 3,9 78 4,121,4 28 2,12 4 80 4,21,5 30 2,2 4,1 82 4,281,6 32 2,28 4,2 84 4,361,7 34 2,36 4,3 86 4,441,8 36 2,44 4,4 88 4,521,9 38 2,52 4,5 90 4,62 40 2,6 4,6 92 4,68

2,1 42 2,68 4,7 94 4,762,2 44 2,76 4,8 96 4,842,3 46 2,84 4,9 98 4,922,4 48 2,92 5 100 5

Fonte: O autor

23

3.6. LAYOUT ENTRE O SERVIDOR E A PLANTA

O layout de controle da planta de nível, que está ilustrado na figura 16, tem

acoplado o servidor de dados, os conversores, a placa de aquisição de dados e a

planta de nível da LABVOLT. As conexões serão através de cabos de cobre de área

24 AWG. Para executar o controle temos basicamente dois sinais a serem

controlados. O sinal de entrada que irá controlar o conversor I/P (conversor corrente

pressão), que irá comandar o elemento final de controle que é a válvula

proporcional. O sinal de saída vem do sensor de nível que converte pressão em

corrente (D/P diferencial de pressão).

As características da planta estão representadas no capítulo 4 – A planta de

controle de Nível.

FIGURA 18. Layout geral

Fonte: Próprio autor

24

FIGURA 19. Esquema elétrico de ligação da planta


25

4. A PLANTA DE CONTROLE DE NÍVEL

A Labvolt é uma empresa que desenvolve plantas didáticas para aplicação

acadêmica, e treinamento de técnicos para simulação das atividades reais em

campo. A Labvolt fabrica várias plantas, tais como: vazão, nível, temperatura,

pressão, entre outras, onde elas podem funcionar tanto de maneira simples, como

também serem interligadas. Por exemplo, poder-se-ia interligar as plantas de vazão

e nível para tornar a operação mais complexa. A intenção de utilizar plantas com a

tecnologia de instrumentação é que se pode exercitar a operação simples da planta,

calibração de instrumentos, operação de micro controlador e controle de processo

em malha fechada.

A planta utilizada para a execução deste trabalho, foi a planta de nível, do

modelo Level plant station (3503) da Labvolt.

A planta de Nível tem as seguintes características:

• Um tanque aberto;

• Um tanque principal;

• Uma bomba;

• Uma válvula proporcional;

Instrumentações presentes na planta;

• Conversor I/P;

• Medidor de nível por diferença de pressão;

• Indicador de vazão;

• Controlador PID FOXBORO 761;

Em geral a planta apresenta um painel de fácil acesso com conexões de

engate rápido para aplicar um sistema de controle externo, ou através do controlador

da FOXBORO presente na própria planta.

O funcionamento básico da planta de nível acontece da seguinte forma:

• A planta só pode ser ligada manualmente. Abre-se a passagem de ar e

também se habilita a “alimentação” elétrica dos componentes.

• A bomba ligada parte em uma rotação pré-estabelecida e mantém-se

constante.

26

• A bomba succiona o fluido do reservatório e “alimenta” o tanque

principal.

• Para controlar o nível do tanque principal, após a bomba, há uma válvula

de controle proporcional (CV-1) que é responsável por obstruir de forma

variável a passagem do fluido, fazendo com que o nível do tanque

altere.

• No fundo do tanque principal existe uma passagem onde o fluido volta

para o reservatório, permanecendo neste ciclo, como na figura19.

• Existem, na planta, algumas válvulas manuais para permitir conectar a

planta de nível a outras plantas, caso fosse necessário.

Com os passos acima, a intenção é manter o nível do tanque principal

exatamente no valor de “set-point” passado para o sistema.

FIGURA 20. Esquema de funcionamento da planta de nível


27

5. INTERFACE EXPERIMENTO USUÁRIO

Neste capítulo será apresentado o programa, em Labview, que o usuário terá

à disposição para controle e operação da planta de nível da LABVOLT.

A interface apresentada ao usuário está representada na figura abaixo, e a

descrição das funções conforme legenda da figura.

FIGURA 21. Interface para o usuário


Onde:

1 – Indicadores da planta, nessa barra é possível verificar o status “LIGADO”

ou “DESLIGADO”. O nível mínimo “MIN”, máximo “MÁX” ou limite máximo “LIMITE

MÁX”. Quando a planta acende a indicação de limite máximo, a mesma fecha a

válvula automaticamente, a fim de evitar transbordamento do tanque.

2 – Seleção, pelo usuário, pelo tipo de controlador desejado, “MANUAL” ou

“PID”.

3 – Seleção, pelo usuário, do canal de comunicação da placa USB-6008.

4 – Visualização do nível do tanque on-line.

5 – Controle manual da válvula proporcional.

6 – Entrada de dados do controlador PID. “SET POINT”, “Kp”, “Ti” e “Td”.

1 2 3

4 5

6

7

28

7 – Visualizações das demais funções no Tab control explicadas no item 5.1.

5.1. FUNÇÕES DO TAB CONTROL

Na tab control o usuário terá disponível as seguintes funções:

• Planta de Nível,

• Exportar dados,

• Gráficos,

• Câmera on-line.

A tag “Planta de Nível” é a tela onde o usuário tem disponível a visualização

da planta de nível, a posição dos instrumentos, válvulas, bomba, etc. A visualização

também dos dados de controle, também a estrutura do controlador, como mostra a

figura 22.

FIGURA 22. Tab “PLANTA DE NÍVEL”


1

2

3

4 5

6

29

Onde:

1 – “Set point”

2 – Referência (valor de set point convertido para sinal de 1 a 5V).

3 – Valor do sinal do sensor de nível (1 a 5V).

4 – Valor do erro calculado.

5 – Valor do sinal de controle de abertura da válvula (1 a 5V).

A tag “Exportar dados” é a tela onde o usuário tem disponível a seleção do

local para gravação de dados no servidor, as variáveis “Set point” e “Nível” a serem

gravadas, uma string para escrever o nome da equipe e o botão para iniciar a

gravação dos dados.

FIGURA 23. Tab “EXPORTAR DADOS”


A tag “Gráficos” é a tela onde o usuário poderá visualizar o comportamento da

ação de controle, o set point escolhido e o nível do tanque, on-line.

30

FIGURA 24. Tab “GRÁFICOS”


A tag “Câmera on-line” é a tela onde o usuário poderá visualizar o

experimento através de uma web cam.

FIGURA 25. Tab “CÂMERA ON-LINE”


31

5.2. ACESSO DAS FUNÇÕES VIA WEB

A interface do experimento é acessada por uma página Web. Para acessar os

controles o usuário necessita habilitar a função Request Control. Quando o usuário

tenta habilitar a função acima, duas mensagens podem aparecer:

• Control Granted – usuário está acessando os controles.

• Waiting for control: Either the server is locked or another client has

control – Outro usuário está acessando os controles, Aguarde pelo

controle.

Após a liberação dos controles pelo usuário atual, o usuário que estava em

espera recebe a permissão para acessar os controles. Uma vez que os controles

foram concedidos para o novo usuário, todos os ícones se tornarão ativos para seu

controle.

Para um usuário sair do experimento deve primeiro liberar o controle para os

outros através da opção Releasing Control. Se o usuário esquecer de ativar a opção

o próprio programa desabilitará o controle daquele usuário pelo tempo excedido por

falta de comunicação.

5.3. O SISTEMA DE VISÃO

Algumas funções da planta, que são operadas de forma visual, ou seja, com a

presença do usuário pessoalmente operando a planta, tal como o visor de fluxo e a

própria altura da coluna de liquido dentro do tanque, serão representadas através de

um sistema de visão através de uma câmera acoplada na planta de nível da

LABVOLT.

O sistema de visão será comandado por uma câmera USB, com uma

resolução 320 x 240 e com captura contínua.

A visualização das imagens geradas através da câmera será através de uma

função no programa chamada câmera on-line. A captura das imagens são adquiridas

através de uma biblioteca para câmera USB instalada no LabVIEW. As funções da

biblioteca são abrir comunicação e adquirir imagens de uma câmera acoplada na

porta USB do servidor.

32

FIGURA 26. Diagrama de blocos da captura de imagem


Os blocos da esquerda para a direita.

1 – Inicia Câmera; 2 - Grava as imagens; 3 - Monta a figura;

4 - Disponibiliza para tela; 5 - Finaliza a Captura;

5.4. SUB VI’S INCORPORADOS NO PROGRAMA

Algumas funções básicas, como transformação de unidades, conversões

necessárias ao funcionamento do programa podem ser resumidas como sub vi’s.

Além de deixar a tela do diagrama de blocos mais “limpa” os sub vi’s podem ser

editados fora do programa que eles atualizam-se automaticamente. Nesse trabalho

foram utilizados alguns sub vi’s, como segue:

• Conversor 1 a 5V para 0 a 100% - Este sub vi tem uma função

incorporada que permite transformar o valor de tensão para porcentagem,

ou seja 1V igual a 0% e 5V igual a 100%. Este bloco é representado pelo

ícone

• Conversor 0 a 100% para 1 a 5V – Ao contrário do primeiro vi esse bloco

converte a porcentagem em tensão, ou seja, 0% igual a 1V e 100% igual a

5V. Esse bloco é representado pelo ícone

33

• Conversor ms para s - Este sub vi tem uma função de converter

milisegundos para segundos. Essa função é importante para entrar com o

valor de segundos na equação do PID. Esse bloco é representado pelo

ícone

• Conversor Td para Kd - Este sub vi tem uma função de converter o valor

do tempo derivativo para ganho derivativo. Essa função depende das

entradas Td (tempo derivativo), Kp (Ganho proporcional) e T (período de

amostragem) e a saída torna-se Kd (Ganho derivativo). Esse bloco é

representado pelo ícone

• Conversor Ti para Ki - Este sub vi tem uma função de converter o valor do

tempo integral para ganho integral. Essa função depende das entradas Ti

(tempo integral), Kp (Ganho proporcional) e T (período de amostragem) e

a saída torna-se Ki (Ganho integral). Esse bloco é representado pelo ícone

5.5. SEGURANÇA DE OPERAÇÃO

No programa desenvolvido implementou-se uma função de segurança a fim

de evitar o transbordamento do tanque durante a sua operação. Invisível aos olhos

do operador a função tem o objetivo de fechar a válvula proporcional quando o

tanque estiver com 98% de sua capacidade. Esta função é importante pois evita o

descuidado de operação manual, bem como a tentativa de controlar o tanque a um

nível alto. A função também garante que o tanque pare e encher se a conexão entre

o servidor e o cliente “cair”.

34

6. CONTROLADORES DA PLANTA

Através do painel de controle do experimento, o usuário terá possibilidade de

controlar o experimento através de um controle manual e um controle PID

(Proporcional integral derivativo).

Através do controle manual o usuário poderá verificar a resposta da planta em

malha aberta, aplicando um valor de abertura na válvula proporcional e verificando a

resposta do nível no tanque. Essa opção será utilizada para identificação do sistema

através da curva de reação, por exemplo.

Através do controlador PID o usuário passará os valores do ganho

proporcional Kp, do tempo integral Ti e do tempo derivativo Td, mais o set-point

desejado e poderá acompanhar a resposta do sistema através da interface gráfica.

6.1. O CONTROLADOR PID

O controlador PID analógico pode ser aplicado na maioria dos processos que

necessitam de controladores. Para implementar o controlador PID contínuo no

experimento em questão, será necessário discretizar a função desse, a fim de obter

a equação do PID discreto para implementação em Labview.

O controlador PID analógico é dado como segue:

])(

)(1

)([)(

0

∫ ++=

t

dt

tdeTddtte

TiteKtm (1)

Aplicando-se a transformada inversa de LaPlace obtem-se

]..

11[

)(

)(STd

STiK

SE

SU++= (2)

Substituindo o “S” da parte integral por Tustin:

1

1.

2

+

−=

z

z

TS (3)

35

Substituindo o “S” da parte derivativa por Backward:

zT

zS

.

1−= (4)

Obtem-se a equação PID discreta como segue:

)]1(1

[)(

)( 1

1

−

−−+

−

+= zKdz

KiKp

ZE

ZU (5)

Onde:

2

KiKKp −= ;

Ti

TKKi

.= ;

T

TdKKd

.= e T é o período de amostragem.

Finalmente para implementação em labview da função PID discreta,

aplicamos a transformada z inversa na equação de U(Z) / E(Z), obtendo assim a

seguinte função:

))2()1(.2)(()(..))1()(()1()( −+−−++−−+−= kekekeT

KdkeTKikekeKpkuku (6)

FIGURA 27. Diagrama de blocos do Controlador PID em Labview


Onde:

1 – Set-point; 2 – e(k) 3 – e(k-1) 4 – e(k-2) 5 – u(k-1)

6 – u(k) 6 – formula de u(k) 7 – saturador de sinal (1 a 5)

1

2 3

4

7

8

5 6

36

6.1.1. ENTENDENDO O FUNCIONAMENTO DO CONTROLADOR PID.

O controlador PID é utilizado, na sua grande maioria, para controle de

processos lineares, como o controle de nível, por exemplo. Um grande desafio para

o profissional de automação, porém, é sintonizar os parâmetros do controlador para

que ele mantenha-se robusto o suficiente e manter a planta estável. Existem três

parâmentros de ajuste nesse controlador, que são:

• Ganho proporcional Kp.

• Ganho integral Ki;

• Ganho derivativo Kd.

Para obter esses parâmetros de forma didática, podemos utilizar um dos

métodos de Ziegler-Nichols, mostrados no APÊNDICE 5. No item 6.3 será dado um

exemplo de como sintonizar o controlador.

A estrutura básica do controlador PID contínuo é mostrada na figura abaixo.

FIGURA 28. Estrutura do controlador PID contínuo


No experimento proposto neste trabalho, o controlador implementado é o PID

discreto e terá estrutura como na figura 29:

37

FIGURA 29. Estrutura do controlador PID discreto na planta


A estrutura funciona da seguinte maneira:

O controlador recebe um sinal de erro e(k), que é a comparação do sinal do

sensor de nível y(k), com a referência (Set Point). Através da função implementada

no controlador PID discreto, composta dos parâmetros Kp, Ki e Kd, calcula-se um

sinal de entrada para planta u(k). O posicionador pneumático irá atuar conforme o

sinal recebido, “mandando” a válvula abrir ou fechar. Novamente há a leitura do

sensor de nível e recomeça o looping.

6.2. IDENTIFICAÇÃO DE SISTEMAS

A identificação de sistemas advém da aplicação de sinais de entrada e saída

a um determinado processo. A análise direta desses sinais para determinação de

seus parâmetros se dá pela identificação em malha aberta.

Na identificação direta, geralmente se utiliza um sinal degrau para entrada.

A identificação se baseará no sistema de primeira ordem, mais indicado para

representar sistemas de nível, por exemplo, e cuja curva de resposta se encaixa.

38

FIGURA 30. Modelo de um sistema de 1ª ordem padrão


Onde y é a saída, Ks é o ganho estático e τ é a constante de tempo.

Os parâmetros Ks eτ podem ser obtidos através da resposta em regime,

y(∞), da amplitude de entrada, U, e do tempo de resposta a 5%, t5% ou do tempo de

resposta a 0,632 y(∞):

U

yK s

)(∞=

3

%5t=τ )(632,0)( ∞= yy τ

O tempo de resposta a 5%, é o tempo necessário para o sinal atingir e

permanecer dentro de uma faixa de 5% de seu valor de regime.

Para um sistema de primeira ordem,

)(95,0)( %5 ∞= yty

6.2.1. IDENTIFICAÇÃO DO SISTEMA DA PLANTA DE NÍVEL

A fim de identificar o sistema que representa a planta de nível da Labvolt,

aplicou-se a técnica de identificação de sistemas de 1ª ordem direta.

Primeiramente obte-se a curva de reação da planta, representada pela figura

31:

39

FIGURA 31. Resposta em malha aberta da planta de nível a uma entrada degrau


Onde:

Curva em azul (abaixo) é a entrada degrau.

Curva em vermelho (acima) é a resposta em malha aberta.

A figura 31 foi obtida através do comando de exportar dados do programa em

labview, e posteriormente traçado o gráfico com a ferramenta Matlab.

Com esses dados pode-se fazer os cálculos para identificação do sistema,

como segue:

00,500,1800,23 =−=U

95,1874,4269,61)( =−=∞y

79,35

95,18)(==

∞=

U

yK s

00,1895,18*95,0)(95,0)( %5 ==∞= yty

st 260%5 =

67,863

260

3

%5===

tτ

40

A função de transferência do sistema fica a seguinte:

167,86

79,3

1)(

+

=

+

=

SS

KSF S

τ

Para verificar se a função de transferência é válida vamos plotar junto com a

resposta do sistema. Utilizando o Simulink do Matlab cria-se o bloco representado na

figura 32.

FIGURA 32. Função de transferência da planta de nível


Comparando a resposta da simulação acima com a resposta da planta,

obtem-se:

FIGURA 33. Curva da Função de transferência

Com o gráfico da figura 33, fica válida a representação da função de

transferência da planta de nível.

41

6.3. SINTONIA DO CONTROLADOR PID

A sintonia do controlador PID poderá ser feita aplicando uma das duas

técnicas de Ziegler Nichols mostradas no APÊNDICE 5. Devido a resposta do

sistema de nível não ter tempo morto, fica muito sutil a aplicação do 1° método de

Ziegler Nichols para sintonia do controlador, visto que sem tempo morto a inclinação

máxima da reta que representa a curva de resposta se dar no primeiro instante da

resposta. Fica portanto inviável a aplicação do 1° método.

O segundo método de sintonia dos parâmetros do controlador PID de Ziegler

Nichols leva em consideração a resposta oscilatória do sistema a um ganho

constante.

Aplicando-se um ganho de Ku igual a 8,3 obteve-se a resposta apresentada

na figura abaixo:

FIGURA 34. Resposta da planta a entrada com ganho constante

Utilizando a tabela do 2° método de Ziegler Nichols temos:

42

A partir da tabela acima obtem-se os parâmetros do controlador

Kc, ou Kp = 5, Ti = 4,5 e Td = 1,125.

Aplicando-se os valores encontrados no controlador do programa, obtive-se a

resposta da figura 35:

FIGURA 35. Resposta da planta de nível com controlador PID

A figura 35 mostra o controlador em ação em diferentes set-points. A princípio

iniciou-se o processo no set-point (nível) igual a 50, elevou-se a 55, 75, voltou para

50, desceu a 25, subiu a 50 e 55 finalmente.

Com a resposta acima também é possível chegar a conclusão de que o

sistema pode controlar a planta de nível em vários set-points.

43

7. COMUNICAÇÃO ENTRE OS USUÁRIOS

Os usuários do sistema, poderão se comunicar entre si utilizando um

programa de computador como o Skype por exemplo.

O Skype é um programa que permite aos usuários se comunicarem entre si.

Os usuários podem se comunicar através de voz como também através de

mensagens instantâneas de texto, basta apenas criar a conta Skype e procurar por

amigos.

A figura abaixo representa como o Skype pode interligar os usuários.

O servidor de dados pode receber o nome de “Planta de Nível” para que os

clientes possam fazer qualquer comunicação que desejem a ele.

A idéia de ter um sistema como Skype, é de ter um usuário local à planta

onde os clientes poderão solicitar algumas atividades a ele, como o de ligar e

desligar a chave principal da planta. Os usuários entre si poderão trocar mensagens

de texto tirando algumas dúvidas sobre o experimento, perguntar qual usuário está

conectado e quanto tempo pretende utilizar o programa. Os usuários também podem

combinar uma fila para utilização do programa.

FIGURA 36. Comunicação entre usuários


44

8. CONCLUSÃO

Este trabalho de conclusão de curso mostra que se pode desenvolver de

maneira cada vez mais amigável um ambiente interessante para operação de

sistemas de controle, e chamar a atenção de alunos, operadores a desenvolver mais

e mais ferramentas para esse tipo de ambiente, pois quando começa a programação

de software, como o proposto, é visto que várias aplicações podem ser melhoradas

e implementadas a fim de tornar mais vantajoso esse tipo de aplicação.

Pode-se dizer que a proposta inicial de criar um ambiente amigável de

programação foi atingida, mas esse trabalho, porém deve ser o começo para outros

trabalhos futuros, ou a própria melhoria desses, visto que ainda podem-se atribuir

outras funções, controladores, tipos de exportação de dados que não foram

abordados aqui.

A instrumentação virtual é o grande salto para modernidade de controle de

processos, pois se muito bem implementados, com hadwares confiáveis, trás a

custos baixos a atribuições de novas funções a processos onde a instrumentação

analógica seria de alto custo, muitas vezes até de difícil instalação. Com o trabalho

apresentado foram criados alguns recursos, via Labview, como a do painel da

planta, com visualizações de gráfico, controlador PID, entre outras; e até funções

que vão mais além, que é a possibilidade de ativar os controles da planta via remoto

através de uma página web.

Aplicando uma metodologia, que o aluno deverá desenvolver durante

atividades envolvendo esse experimento, pode-se sintonizar o controlador PID da

planta, com os dados apresentados na resposta avalia-se que o código do

controlador mostra-se confiável, bastando desenvolver a partir daqui novos

parâmetros e buscando cada vês mais aperfeiçoar a sua resposta.

Para trabalhos futuros envolvendo esse programa inicial, pode-se

implementar mais códigos de controladores através da ferramenta Mathscript do

labview, essa ferramenta permite ao programador copiar códigos desenvolvidos em

Matlab para o ambiente da instrumentação virtual, com isso pode-se atribuir

controladores tais como, o controlador PID adaptativo direto de ZhuZhi, o controlador

de variância mínima generalizado GMV, o controle preditivo baseado em modelo

não paramétrico MAC (Model Algorithm Control), o controlador preditivo DMC

45

(Dinamic Matrix Control), entre outros. Com mais controladores implementados

pode-se comparar a eficiência de cada um. Outra melhoria para trabalhos futuros é a

aquisição do pacote de ferramentas chamado Office Toolkit desenvolvido para

labview. Com essa ferramenta pode-se pode-se ter uma apresentação mais

profissional dos relatórios gerados pelo programa através dos dados do experimento

que o programa poderá apresentar. Com esse pacote a implementação fica a um

passo de se tornar realmente profissional.

Contudo, busca-se cada vez mais o aperfeiçoamento de controle de sistemas,

com a implementação da instrumentação virtual a esses processos, torna-se cada

vez mais interessante a análise de dados e também a apresentação deles. No

entanto, a implementação do programa proposto não deve parar por aqui, e deve

sim ser somente o começo do aperfeiçoamento da planta de controle de nível da

Labvolt.

46

9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[ASTRÖM, 1997] ASTRÖM, Karl J.; WITTENMARK, Björn. Computer controlled

systems: theory and design. 3rd ed. New Jersey: Prentice Hall, 1997.

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develop custom USB peripherals. Madison, WI: Lakeview Research. 1999.

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programming, data acquisition and analysis. Upper Saddle River: Prentice Hall

PTR, 2001. 105 p. 2001.

[BORGES, 2002] BORGES. Instrumentação Virtual Aplicada a Um Laboratório

com Acesso Pela Internet: São Paulo 2002. TCCP (Mestrado em Engenharia

Elétrica) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 2002.

[COMER, 2001] COMER, Douglas. Redes de Computadores e Internet: abrange

transmissão de dados, ligação inter-redes e WEB. 2. ed. Porto Alegre: Bookman,

2001. 522 p.

[GASPARINI, 1994] GASPARINI; BARCELLA. TCP/IP : solução para

conectividade. 2 ed. São Paulo: Érica, 1994. 309 p.

[JAMAL, 1999] JAMAL; PICHLIK. LabVIEW: applications and solutions. Upper

Saddle River: Prentice Hall PTR, c1999. 468 p. 1999.

[KAUFMAN, 1984] KAUFMAN; WILSON, J. A. Eletrônica básica. São Paulo:

(McGraw-Hill), 1984.

[MORAN, 2004] MORAN. Os Novos espaços de atuação do professor com as

tecnologias= Los nuevos espacios de actuación del professor con las

tecnologías. Revista Diálogo Educacional, Curitiba , v.4, n.12 , , p. 13-21, maio/ago.

2004.

47

[NATIONAL INSTRUMENTS, 2005] LabVIEW – LabVIEW Fundamentals. National

Instruments, August, 2005.

[NATIONAL INSTRUMENTS, 2006] Building an interactive web page with

dataSocket. National Instruments, February, 2006.

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Prentice Hall, c1995. 745

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approach to learning virtual instrumentation. Upper Saddle River: Prentice Hall PTR,

1999. 316 p. 1999.

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ativos : teoria, projetos, aplicações e laboratório. 5 ed. São Paulo: McGraw-Hill,

1996. 359 p.

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2007.

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[LINK 4] http://www.gta.ufrj.br/grad/01_1/usb/usb.htm Acesso em: Maio de 2007.

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[LINK 6] http://ci.ufpel.edu.br/treinamento/apostilas/multimidia/skype.pdf. Acesso em:

Junho de 2007.

48

[LINK 7] http://www.foxboro.com. Acesso em: Junho de 2007.

[LINK 8] http://www.smar.com.br Acesso em: Junho de 2007.

49

10. APÊNDICE

10.1. APÊNDICE 1 – PROTOCOLO TCP/IP

A tecnologia inter-rede se tornou uma das idéias mais importantes na área

moderna de redes. A maioria das grandes organizações utiliza inter-redes como

meio de comunicação entre computadores. As inter-redes e o protocolo TCP/IP

possibilitaram a Internet.

Os pesquisadores desenvolveram o protocolo de comunicação TCP/IP com 5

camadas. O modelo de camadas do TCP/IP é também chamado de modelo de

camadas inter-redes e é representado na figura24, como segue:

FIGURA 37. As cinco camadas modelo de referência TCP/IP

Aplicativo Camada 5

Transporte Camada 4

Internet Camada 3

Interface de Rede Camada 2

Físico Camada 1

Fonte: Comer, 2001.

Camada 1 – Físico

A camada 1 corresponde ao hardware de rede básico.

Camada 2 – Interface de Rede

Os protocolos da camada 2 especificam como organizar dados em quadros e

como um computador transmite quadros através da Internet.

Camada 3 – Internet

Os protocolos da camada 3 especificam o formato dos pacotes enviados através

da Internet como também os mecanismos usados para encaminhar pacotes a partir

de um computador até um destino final.

50

Camada 4 – Transporte

Os protocolos da camada 4 especificam como assegurar transferência confiável.

Camada 5 – Aplicação

Os protocolos da camada 5 especificam como um aplicativo usa uma inter-rede.

Os protocolos de comunicação TCP/IP possibilitam que qualquer host se

comunique, apesar das diferenças de hardware. Podemos ter um servidor com uma

CPU “lenta” e outra “rápida” que a comunicação estará estabelecida com o protocolo

TCP/IP.

Para fornecer um endereçamento uniforme em uma inter-rede, o software de

protocolo define um esquema de endereçamento abstrato que atribui a cada host um

endereço único. Usuários, programas e aplicativos e camadas mais altas de

software de protocolo usam os endereços abstratos para se comunicar.

Na pilha de protocolos TCP/IP, o endereçamento é especificado pelo protocolo

de internet (IP). O padrão IP especifica que cada host é atribuído um número de 32

bits único. Cada pacote enviado através da Internet contém o endereço de IP de 32

bits do remetente como também do receptor pretendido (destino). Deste modo

sempre é necessário saber o endereço de IP do computador remoto para qual as

informações estão sendo enviadas.[COMER, 2001].

Conceitualmente cada endereço de IP de 32 bits é dividido em duas partes:

prefixo e sufixo: a hierarquia é projetada para fazer uso eficiente do roteamento. O

prefixo do endereço identifica a rede física, enquanto o sufixo identifica um

computador individual naquela rede. Em uma mesma rede não podemos ter dois

computadores com o mesmo sufixo.

Atualmente a Internet possui 5 classes de endereço de IP como podemos ver na

figura 38.

FIGURA 38. As cinco classe de endereço de IP

Bits 0 1 2 3 4 8 16 24 31

Classe A 0 Prefixo Sufixo

Classe B 1 0 Prefixo Sufixo

Classe C 1 1 0 Prefixo Sufixo

Classe D 1 1 1 0 Endereço Multicast

Classe E 1 1 1 1 Reservado para uso Futuro

Fonte: Comer, 2001.

51

As classes A, B e C são chamadas de classes primárias porque são usadas para

endereços de hosts. A classe D é usada para multicasting, que permite a entrega a

um conjunto de computadores.

Os endereços de IP de 32 bits são representados para o usuário através de uma

nomenclatura chamada notação decimal pontilhada como representado na figura 39

a seguir:

FIGURA 39. Exemplo número de IP

Número Binário de 32 bits Notação Decimal Pontilhada Equivalente

10000001 00110100 00000110 00000000 129.52.6.0

11000000 00000101 00110000 00000011 192.5.48.3

00001010 00000010 00000000 00100101 10.2.0.37

10000000 00001010 00000010 00000011 128.10.2.3

10000000 10000000 11111111 00000000 128.128.255.0

Fonte: Comer, 2001.

52

10.2. APÊNDICE 2 – CRIANDO PAINEL REMOTO COM LABVIEW

Para transformar o experimento em um laboratório remoto, é importante

certificar-se que o VI a ser publicado está aberto no LabVIEW. Em seguida,

seleciona a opção Web Publishing Tool no menu Tools. Na figura abaixo está

representada a tela padrão para publicação do laboratório remoto.

FIGURA 40. Web publishing tools


O Document Title, ou título do documento já recebe o nome do experimento, os

campos Header e Footer (Cabeçalho e rodapé) estão disponíveis para edição da

página Web.

A segunda etapa é ativar o botão “Start Web Server”. Esse botão pressionado

ativa a função do web server interno do LabVIEW que controla a página Web na

Internet.

Após ativado o servidor web salvar a página para ser acessada pela Internet.

Clicando em “Save to Disk” o programa criará a página em HTML e guardará na

pasta www padrão do LabVIEW. Após a página salva, abre uma caixa de mensagem

com a URL para acesso da página via Web, como na figura 41.

53

FIGURA 41. URL do documento


Clicar em OK no Document URL e em seguida em Done no Web Publishing

Tools.

Para configurar o Web Server, deve-se acessar o menu WebServer:

Cofiguration em Tools>>Options. Na tela pode-se configurar o diretório em que

estará disponível a página Web para o servidor LabVIEW, a porta padrão para

acesso da rede e o tempo de espera do servidor. Os detalhes estão na figura 42.

FIGURA 42. Configuração do webserver


A última configuração necessária, para solução completa de acesso remoto ao

experimento, é a configuração dos sub VI’s visíveis aos clientes. Além das sub VI’s

visíveis também se pode configurar o tempo de acesso onde um cliente pode

continuar vendo um VI remoto depois que um outro cliente pede o acesso. O tempo

padrão é de 300s, como na figura 43.

54

FIGURA 43. Webserver – visible vi’s


55

10.3. APÊNDICE 3 – CONFIGURAÇÃO DA PLACA USB-6008

A configuração da placa USB-6008 é acessada pelo programa Measurement &

automation e seguir o caminho Iniciar>>programas>>National Instruments>>

Measurement & automation.

Como pode-se verificar na figura 44, encontraremos o dispositivo na tela da

esquerda, em configuração. Buscar o item devices and interfaces, com o botão

direito do mouse seleciona-se a opção criar novo. Em uma lista de opções é só

selecionar a placa USB-6008, seguir os passos de instalação e o programa

reconhecerá o dispositivo USB-6008 plugado na porta USB.

Assim o dispositivo estará pronto para ser configurado através do painel de

testes.

FIGURA 44. Tela do dispositivo USB 6008 instalado


Alguns dispositivos, como a USB-6008, têm um painel de teste para testar

algumas funcionalidades, tais como a geração e aquisição de sinais.

Para acessar o painel de testes devemos abrir o programa Measurement &

automation, como no item anterior e selecionar o dispositivo USB-6008 em devices &

interfaces. O dispositivo aparecerá na tela da direita. Como o botão direito do mouse

selecionar a opção “Test panel” e aparecerá uma tela como a da figura 32.

56

FIGURA 45. Acessando o painel de testes da placa USB 6008


FIGURA 46. O painel de testes da placa USB 6008


Navegando pelas “tabs” do painel de teste podemos configurar vários parâmetros

para geração e aquisição de sinais. Basicamente a placa USB-6008 tem 4 opções

de configuração. A entrada e saída analógica e a entrada e saída digital. Utiliza-se,

neste trabalho, por não haver sinais digitais na planta de nível da Labvolt, somente

as entradas e saídas analógicas.

57

10.4. APÊNDICE 4 – TRANSMISSÃO DE DADOS VIA USB

CARACTERÍSTICA TÉCNICA

Uma característica importante e interessante do USB, é que sua interface

permite que o dispositivo conectado seja alimentado pelo cabo de dados. É

importante frisar que os cabos USB devem ter até 5 metros de comprimento. A

velocidade de transmissão de dados da porta USB 1.1 varia de 1,5 a 12 Mbps. A

porta USB 2.0 (última tecnologia) já suporta uma taxa de transmissão de dados à

400Mbps, já é comparável a tecnologias como o FireWare. [LINK 4].

CARACTERÍSTICA FÍSICA

As transferências de sinal e eletricidade são feitas através de um cabo, com

quatro fios, como na figura 32:

FIGURA 47. Cabo USB

Fonte: USB Complete

A transmissão de dados ocorre em dois fios, ponto a ponto, em cada

segmento.

O clock é transmitido, codificado, junto com os dados diferenciais (utiliza-se

um par diferencial para a transmissão de dados). O esquema NRZI (Non Return to

Zero Invert) é utilizado para codificar o clock. Neste método de codificação de dados

serias, zeros e uns são representados pelo oposto em voltagens, alta e baixa,

alternadas onde não há retorno para a voltagem zero (referência) entre bits

codificados. Elimina-se então a necessidade por pulsos de clock. [AXELSON, 1999]

O cabo possui dois fios (VBUS e GND) que distribuem energia aos

dispositivos. Nominalmente a tensão em VBUS é de +5V.

A simbologia utilizada para representar fisicamente um conector USB está

representada na figura 33. O símbolo está presente em todos os conectores que

58

dispõem da conexão USB.. As figuras geométricas diferentes representam os vários

tipos de dispositivos que podem ser acoplados a ela.

FIGURA 48. Simbologia USB


DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA

Cada porta USB fornece, pelo cabo, uma quantidade de energia aos

dispositivos USB conectados diretamente. Esses dispositivos são chamados de

dispositivos alimentados pelo barramento (bus-powered devices). [LINK 4].

A placa de aquisição de dados da National Instruments, a USB 6008 (utilizada

para conexão neste trabalho), bem como as demais placas da linha USB da National

Instruments, são dispositivos que são alimentados pelo barramento. A placa USB

6008 é simplesmente conectada a porta USB de um servidor e disponível para

aquisição, sem necessitar de qualquer fonte externa.

GERENCIAMENTO DE ENERGIA

Um servidor deve ter um sistema de gerenciamento de energia independente

do USB. O software de sistema do USB interage com o gerenciador de alimentação

do servidor para manipular os eventos elétricos do sistema, como a suspensão e a

interrupção do fornecimento [LINK 4].

No experimento em questão foi instalado o software DAQmx da National

Instruments, qual fará a função acima. O DAQmx, além de reconhecer a placa USB

6008 tem a função de gerenciar a energia à placa.

PROTOCOLO USB

O USB é um barramento receptor. O controlador do servidor (por exemplo, o

DAQmx da NAtional Instruments) inicia todas as transferências de dados.

Todas as transações do barramento envolvem a transmissão de até três

pacotes. Cada transação se inicia quando o controlador do servidor envia um pacote

59

USB descrevendo o tipo e a direção da transação, o endereço do dispositivo USB e

o número do ponto final (endpoint). O ponto final é a porção endereçável deste que é

a fonte de informação em um fluxo de comunicações entre o servidor e o próprio. O

número de endpoint é um valor de 4 bits. Este primeiro pacote é conhecido como

"pacote de sinal" (token packet) [AXELSON, 1999].

O dispositivo USB, que é endereçado, seleciona a si mesmo pela

decodificação do endereço apropriado. A direção da transferência é especificada no

token packet. A fonte da transação envia então um pacote de dados ou indica que

não há mais dados para serem transferidos. O destinatário, em geral, responde com

um "pacote aperto de mão" (handshake packet), indicando o sucesso da

transferência [AXELSON, 1999]

O modelo para transferências de dados entre a fonte ou um destino no host e

um ponto final de um dispositivo é conhecido como pipe (tubo ou canal). Existem

dois tipos de pipe: correntes (stream) e mensagens.[LINK 4].

60

10.5. APÊNDICE 5 – MÉTODOS DE ZIEGLER-NICHOLS

Os métodos de sintonia de Ziegler-Nichols são utilizados para controladores

P, PI e PID. Estes métodos são recomendados para rejeição a perturbações.

Quando aplicados em seguimento de referência apresentam sobre-sinal elevado,

tipicamente 25%.

Há dois experimentos utilizados para obter os parâmetros do controlador a

partir das tabelas:

• Primeiro método: experimento de malha aberta.

• Segundo método: experimento de malha fechada.

PRIMEIRO MÉTODO

No primeiro método obtém-se a resposta da planta a uma entrada degrau

(Figura 49). Este método pode ser aplicado a plantas que não envolvam

integradores nem pólos complexos dominantes. A resposta ao degrau apresenta a

forma de curva S. A função de transferência pode ser aproximada por um sistema de

primeira ordem com tempo morto (atraso de transporte).

Tse

s

KpsG

−

+

=

1)(

τ (7)

Os parâmetros do controlador são ajustados para se obter uma razão de

decaimento de ¼ entre os dois primeiros picos da resposta transitória a uma entrada

degrau.

Estrutura do controlador:

]..

11[)( STd

STiKpsC ++= (8)

61

FIGURA 49. Resposta ao degrau do processo em malha aberta


Através da determinação dos parâmetros Kp, T e τ obtidos da figura acima

pode-se determinar Kc Ti e Td através da figura abaixo.

FIGURA 50. Parâmetros do controlador para o primeiro método


SEGUNDO MÉTODO

As regras de ajuste de parâmetros de controladores descritas nesta seção

foram desenvolvidas a partir das experiências de Ziegler realizadas em diversos

processos e também dos métodos de análise de Nichols. Os ajustes propostos são

dados em termos do ganho de um controlador proporcional que leva o sistema ao

limite de estabilidade, Kosc, e do correspondente período de oscilação Posc (Figura

38).

62

FIGURA 51. Sistema de malha fechada com controle proporcional


FIGURA 52. Resposta ao degrau do processo em malha fechada


FIGURA 53. Parâmetros do controlador para o segundo método


63

11. ANEXOS

FOTO DO EXPERIMENTO

FIGURA 54. Servidor e planta


64

GLOSSÁRIO

API – (Application Program Interface, ou Interface de Programa Aplicativo)

O conjunto de procedimentos que um programa de computador pode chamar

para acessar um serviço em particular.

Endereço IP

Um endereço de 32 bits atribuído a um computador que utiliza protocolos

TCP/IP. O remetente deve conhecer o endereço IP do destino antes de enviar um

pacote.

Host

Um computador de usuário final conectado a uma rede. Em uma inter-rede,

cada computador é classificado como um host ou um roteador.

HTML (HiperText Markup Language)

A forma origem usada para documentos na World Wide Web. O HTML

embute comandos que determinam a formatação do texto a ser exibido.

HTTP (HiperText Transport Protocol)

O protocolo usado para transportar uma página da World Wide Web de um

computador para outro.

Java

Uma linguagem de programação definida pela Sun Microsystems para uso de

documentos ativos da World Wide Web. Os programas Java são compilados em

uma representação bytecode. Após um navegador carregar um programa Java, o

programa executa localmente para controlar a tela.

Mbps (Mega bit por segundo)

Uma unidade de transferência de dado igual a 1024 Kbps.

65

Navegador (Browser)

Um programa de computador que acessa e exibe informações da World Wide

Web. Um navegador contém múltiplos programas aplicativos e utiliza o nome de um

objeto para determinar qual aplicativo deve ser usado para acessar o objeto. Ver

URL.

TCP/IP

O suíte de protocolos utilizado na Internet. Embora o suíte contenha muitos

protocolos, o TCP e o IP são dois dos mais importantes.

Web

Um sinônimo para World Wide Web.

WWW (World Wide Web)

O sistema hipermídia usado na Internet no qual uma página de informações

pode conter texto, imagens, clipes de áudio ou vídeo e referências a outras páginas.

TCC Leonardo Biancolini R6

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