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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA -UDESC CURSO: GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA DISCIPLINA: SISTEMAS DE CONTROLE I PROFESSOR: SILAS DO AMARAL
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Alunos:
1 -
Nota:
2 - Data:
Introdução ao Sistema de Controle de Processos “MPS-PA – Estação Compacta”
1.1 Objetivo Este texto descreve sucintamente a estação compacta da Festo para experimentos em
controle de processos e apresenta diversas formas de efetuar leituras de seus sensores e acionar suas saídas.
Além da familiarização com os componentes e a configuração da estação, o principal objetivo a ser alcançado é equipar o aluno com ferramentas que lhe permitam analisar e controlar os processos ali implementados.
1.2 Introdução
Em variados processos industriais, é comum haver necessidade de controlar o nível de um
reservatório, ou a temperatura de um ambiente, ou a vazão numa tubulação ou a pressão num cilindro, entre muitas outras situações. Normalmente, não são sistemas de controle isolados, mas interligados, formando complexas plantas industriais.
Entretanto, não importa quão complexo seja o sistema, ele é sempre composto de subsistemas mais simples. Por isso, a assimilação dos conceitos básicos de controle e da tecnologia de aquisição de dados em uma estação compacta como esta da Festo é um primeiro e importante passo para a compreensão, a análise e o projeto de sofisticados sistemas de controle.
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1.3 Descrição dos Componentes do Processo Nesta seção, apresenta-se a bancada “MPS-PA – Estação Compacta” (Figura 1); seus
principais componentes (Tabela 1) e outros dispositivos importantes (Tabela 2) são brevemente descritos.
Além disso, o mapeamento dos endereços do EasyPort para cada entrada ou saída do processo é fornecido na Tabela 3.
Figura 1 – Bancada didática MPS-PA – Estação Compacta
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Tabela 1 - Descrição dos componentes da bancada didática
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B101 - Sensor Ultrassônico
Saída Analógica
02
Tanque de 10 litros
03
V102 - Válvula de esfera com
atuador pneumático
Controle Digital
04
V106 - Válvula 2/2
vias proporcional
Controle
Analógico
05
B102 - Sensor de vazão
optoeletrônico
Leitura Analógica
06
E104 Aquecedor
Controle Digital
07
M101 - Bomba Centríuga
Controle Digital ou Analógico
08
Fonte de alimentação da
bancada em 24V CC
09
CLP Siemens S7-300 10
Botoeiras NA, NC e
comandado por chave. Entradas
digitais do CLP
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I/O Board com conversores de
sinal e controlador do
motor
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B103 - Sensor de Pressão com célula cerâmica
Saída Analógica
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B104 - Sensor de temperatura
tipo PT100
Saída Analógica
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Trolley
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Tabela 2 - Outros dispositivos importantes
B113 e B114 Sensor Capacitivo de Monitoramento
do Nível
Saída Digital
S112 – Sensor de nível do tipo flutuador para detectar o aumento ou decréscimo de nível.
S117 e S111 – Sensor de nível do tipo flutuador de segurança para que o aquecedor só ligue se
imerso totalmente e para que não exceda o volume do tanque 101.
Saída Digital
Manômetro Analógico
Leitura até 1 bar
Válvula Manual Controle do circuito
do fluído
Easyport: Placa de aquisição
de dados
Festo Simulation Box. Emulador de sinais de
entrada e saída analógica.
Tabela 3- Mapeamento de entradas e saídas do Easyport
Digital Analógico
Dispositivo Bit Dispositivo No.
B102 0
S111 1 B101 0
S112 2
B113 3 B102 1
B114 4
S115 5 B103 2
IN
S116 6 B104 3
V102 0
E104 1 M101 0
Modo Bomba: 0 Digital – 1 Analógico 2
M101 3
OUT
V106 4
V106 1
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1.4 Descrição dos Componentes de Controle
A bancada “MPS-PA – Estação Compacta” da FESTO pode ser controlada de diferentes formas, com a utilização de diferentes recursos. Nesta seção, são apresentados alguns recursos que poderão ser utilizados ao longo da disciplina.
Festo Simulation Box
O Simulation Box serve para comissionamento da estação e verificação das entradas e
saídas digitais e analógicas. Para utilizá-lo, basta conectá-lo diretamente à estação com os cabos syslink crossover digital e analógico.
Figura 2 – Simulation Box
Easy Port
O EasyPort é o dispositivo de aquisição de dados que permite o controle de processos via computador através de um software supervisório desenvolvido pela Festo (FluidLab), através do Simulink ou LabVIEW.
Figura 3 – Easyport
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FluidLab
Para utilizar o software FluidLab, deve-se abrir o atalho FluidLab-PA (CWS or EduKit PA) disponível na área de trabalho. Ao abrir é preciso aguardar até que o software identifique o EasyPort USB; caso ele não identifique, é necessário desconectar e conectar novamente o cabo USB do computador.
Figura 4 – Fluid Lab (Supervisório desenvolvido pela FESTO) Simulink
Para poder controlar os processos da bancada através do Simulink, é imprescindível a OPC Toolbox, já disponível no pacote MATLAB./Simulink
Labview
É possível controlar os processos da bancada através da utilização do LabVIEW 8.2 ou superior. Para tal, deve-se utilizar o Easy Port ActiveX Control disponibilizado pela FESTO.
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1.5 Trabalho em Laboratório
Tarefa 1: Conexão e uso do Simulation Box
Conecte o dispositivo Festo Simulation Box conforme mostra a Figura 5.
Figura 5 – Esquema de conexão do Simulation box
A seguir, configure a direção das válvulas da bancada de tal forma a permitir um fluxo de
água circulando entre os dois tanques. Utilizando o Simulation Box, ative saídas analógicas e digitais de tal forma a realizar as
seguintes atividades: 1. Na cartela de etiquetas do Simulation Box, anote o mapeamento de todas as
entradas e saídas; 2. Leia os valores máximo e mínimo fornecidos pelo sensor de nível e indique a
correspondência (em tensão) de tanque cheio e vazio; 3. Leia os valores máximo e mínimo fornecidos pelo sensor de vazão e indique a
correspondência (em tensão) de vazão mínima e vazão máxima.
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Tarefa 2: Conexão do EasyPort e uso do FluidLab para leituras e acionamentos
Conecte o EasyPort conforme indicado na Figura 6.
Figura 6 – Esquema de conexão do EasyPort
A Figura 7 apresenta a janela de configuração do FluidLab, um aplicativo que permite ler as
variáveis acessíveis do sistema e acionar as suas saídas.
Figura 7 – Janela de configuração do FluidLab
Execute o FluidLab e, através do setup, realize as seguintes atividades:
1. Confira o mapeamento de entradas e saídas com os componentes da bancada; 2. Leia os valores máximo e mínimo do volume (em litros) indicados pelo FluidLab.
Para conseguir isso, é necessário encher o tanque 2; 3. Leia os valores máximo e mínimo da vazão (em litros/minuto) indicados pelo
FluidLab (faça a bomba atingir a capacidade máxima, partindo do repouso); 4. Leia os valores máximo e mínimo de pressão (em bar) indicados pelo FluidLab
(faça a bomba atingir a capacidade máxima, partindo do repouso).
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Tarefa 3: Usando o Simulink para acionamento de saídas e aquisição de sinais do processo
Num novo arquivo de simulação do Simulink, adicione o bloco OPC Configuration. Este bloco serve para configurar a conexão da bancada com o Simulink utilizando o protocolo de comunicação OPC. Clique duas vezes neste bloco para abrir a janela Block Parameters: OPC Configuration; nesta janela, clique em Configure OPC Clients e, então, em ADD. Na janela OPC Server Properties, clique em Select e selecione o servidor FestoDidactic.EZOPC.1. As entradas e saídas digitais e analógicas já estarão disponíveis para serem utilizadas.
Bloco de Configuração Bloco de Leitura Digital e Analógico
Bloco para Escrita de saídas digitais e analógicas
Figura 8 - Descrição dos blocos para aquisição de dados através do Simulink
Para ler ou escrever numa das variáveis do processo, basta clicar duas vezes sobre o bloco OPC Read ou OPC Write, clicar em Add Items e selecionar o endereço delas.
Os sinais analógicos de entrada são representados por números inteiros de 16 bits, variando de 0 até 32735.
Para testar o Simulink, escolha um dos processos, monte o diagrama de blocos para ensaio de acordo com a Figura 9 e aplique uma entrada degrau de 25000. Simule durante um tempo apropriado e armazene a entrada e a saída para análise posterior.
Figura 9 - Diagrama de blocos para análise
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Tarefa 4: Utilizando o Labview para acionamento de saídas e aquisição de sinais do processo
Inicialmente, monte o Painel conforme apresentado na Figura 10.
Figura 10 - Painel frontal do sistema de aquisição
A seguir, conecte os diagramas de bloco, conforme a Figura 11.
Figura 11 - Parte inicial do diagrama de blocos, com abertura de conexão
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Esta primeira parte mostra a inicialização do sistema de aquisição. O primeiro bloco da esquerda para a direita corresponde ao Activex Container, no qual deve ser carregado o ActiveX disponibilizado pela Festo Didactics. O segundo bloco é um ponteiro para o ActiveX do Container. O terceiro bloco é um método do ActiveX Easy Port, denominado Connect, que serve para conectar a uma determinada COM da porta serial; como resultado, devolve o número de dispositivo dentro de um conjunto de possíveis easyports ligadas no sistema.
A segunda parte corresponde à implementação do ciclo de leitura e escrita das entradas/saídas analógicas/digitais (Figura 12).
Figura 12 - Leitura e escrita de dados
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Segundo as características do ActiveX apresentadas pela FESTO, a função de leitura da entrada analógica não opera simultaneamente com as outras funções do ActiveX. Para lidar com este problema, sugere-se que a função de entrada analógica opere a cada ciclo par da estrutura While, enquanto as demais funções operem a cada ciclo ímpar.
Dentro deste loop while, destacam-se as seguintes funções: i) Saída analógica 0 conforme apresentada na Figura 13.
Figura 13 - Saída analógica 0
ii) Saída digital conforme apresentada na Figura 14.
Figura 14 - Saída digital
iii) Entrada digital conforme apresentada na Figura 15.
Figura 15 - Entrada digital
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iv) Entrada analógica 0 conforme apresentada na Figura 16.
Figura 16 - Entrada analógica 0
Observa-se que o tratamento da saída analógica só é executado em ciclos ‘pares’ da
estrutura While. Maiores detalhes serão passados em sala de aula. Finalmente, na última parte (Figura 17), apresenta-se o fechamento da conexão.
Figura 17 - Fechamento da conexão
Após seguir estas instruções e testar o aplicativo Labview, realize as seguintes tarefas:
1. Acrescente ao aplicativo componentes para exibir a simulação em gráfico e armazená-la em arquivo na forma de tabela para posterior análise. O diagrama de blocos da Figura 18 apresenta os blocos adicionais necessários para armazenar 2 vetores de dados num arquivo de texto.
Figura 18 - Blocos adicionais para salvar em um arquivo
2. Escolha o mesmo processo da tarefa anterior e aplique uma entrada em degrau de 25000. Para ser comparável com a tarefa anterior, o tempo de simulação deverá ser compatível. Os resultados da simulação deverão ser salvos em um arquivo.
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1.6 Questionário e Atividades Extraclasse Parte I: Referente às tarefas 1 e 2
1. A partir da cartela de mapeamento obtido na tarefa 1, monte uma tabela descritiva e compare com os dados fornecidos pelo fabricante (Tabela 3). Descreva as suas impressões.
2. Para cada um dos processos (nível, pressão e vazão), apresente, através de uma tabela, o mapeamento da escala de tensão com as suas respectivas unidades. Por exemplo, para o processo de nível, uma escala de “valor mínimo em tensão” até um “valor máximo em tensão” corresponde a “valor mínimo em litros” até um valor “máximo em litros”. Comente as suas impressões.
Parte II : Referente às tarefas 3 e 4
1. Com os dados salvos das tarefas 3 e 4, use o Matlab para sobrepor num mesmo gráfico os resultados da simulação de ambas tarefas. Descreva as suas impressões.
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