instruÇÕes e controles de sinais analÓgicos para micrologix

INSTRUES E CONTROLES DE SINAIS ANALGICOS PARA OS CONTROLADORES MICROLOGIX.Sinais analgicos so sinais contnuos e que variam sua amplitude no tempo. No ambiente industrial, estes sinais so utilizados para o registro e controle de grandezas mensurveis, tais como: temperatura, nveis, vazo, presso, etc. Os sinais analgicos padronizados para o ambiente industrial hoje so os sinais com variao de 0-10 Vcc e 4-20 mA, sendo o sinal 4-20 mA o mais utilizado. Neste captulo mostraremos como trabalhar (coletar, manipular e atuar) com este tipo de sinal nos controladores da famlia Micrologix, da Rockwell Automation (Allen Bradley).

Conversor A/D:

Os

controladores

programveis

atualmente

possuem

microprocessadores digitais. Em funo de suas caractersticas construtivas, estes microprocessadores manipulam apenas variveis digitalizadas, ou seja, nmeros que so o resultado da converso de um sinal analgico para digital nmeros binrios. O circuito eletrnico que realiza a operao de converso dos sinais analgicos para sinais digitais denominado de conversor A/D. O circuito eletrnico que realiza a operao inversa (sinal digital para sinal analgico) denominado de coversor D/A. Uma caractersitca interessante dos conversores A/D e D/A o menor valor que o circuito consegue converter dentro da faixa de operao. Esta caracterstica medida pela quantidade de bits do circuito conversor. Isto influencia da preciso do valor convertido. Os mdulos analgicos para o Micrologix1500, em geral, possuem conversores A/D e D/A de 16 bits. Isto significa que a converso vai gerar um nmero na faixa de -32768 a 32767 (215 = 32768, sendo considerando apenas 15 bits pois o ltimo refere-se ao sinal).

Ronaldo Vieira RinconEspecialista em Automao [email protected]

Assim, quando fazemos a leitura de um valor analgico na tabela de dados do controlador (veja figura 1 abaixo) visualizaremos um valor dentro dessa faixa.

Acesso a tabela de dados Leitura de sinal analgico

Figura 1 visualizando leitura de sinais analgicos na tabela de dados do controlador.

Instrues de Converso de Escala:

Os valores lidos na tabela de dados do controlador no fornecem uma visualizao direta da varivel real medida. Por exemplo, se estamos fazendo a leitura de uma temperatura que varia de 0C 100C, veremos no controlador uma posio de memria que varia de 0 a 32767. Para que visualizarmos na tabela de dados do controlador uma medio que corresponda exatamente uma varivel real precisamos realizar uma converso de escala. Para isto utilizado uma instruo chamada SCP (esta instruo faz parte do grupo Advanced Math no RSLogix500). A instruo SCP produz um valor de sada escalonado que tem uma relao linear entre os valores escalonados e a entrada. Essa instruo resolve a equao apresentada abaixo para determinar a sada escalonada:


( y y0 ) y= 1 ( x x0 ) + y 0 ( x1 x0 )

Algumas consideraes sobre o uso da instruo SCP: se algum dos parmetros (exceto de sada) for NAN (no nmero), infinito ou no normalizado, o resultado ser NAN; se y1 - y0 ou x1 - x0 resultar em um overflow, o resultado ser NAN; se y1 - y0 = 0, o resultado se tornar o valor de partida escalonado; se x1 - x0 = 0 e x = x0, o resultado se tornar o valor de partida escalonado; se x1 - x0 = 0 e x no for igual a x0, o resultado se tornar um overflow negativo (para valores inteiros) ou um NAN negativo (para valores de ponto flutuante). Na figura abaixo mostrado a representao da instruo SCP em linguagem Ladder.

Figura 2 instruo SCP.

Instrues de Comparao:

Com o valor medido convertido para uma escala apropriada na memria do controlador, podemos utilizar este valor na programao para obtermos controle sobre algum processo ou varivel. As instrues bsicas, que geralmente so utilizadas para controles on-off (com ou sem histerese), so as instrues de comparao. Atravs destas instrues possvel realizar todas as comparaes possveis para uma tomada de deciso (igual, diferente, maior, maior ou igual, menor, menor ou igual e limites). Estas instrues em linguagem Ladder so mostradas na figura 3 abaixo.


Figura 3a instrues igual e diferente.

Figura 3b instrues menor e menor ou igual.

Figura 3c instrues maior e maior ou igual.


Figura 3d instruo limite.

Instruo de Controle de Processo:

A instruo PID normalmente controla uma malha fechada utilizando entradas de um mdulo de entrada analgica e fornecendo uma sada para um mdulo de sada analgica. Para o controle de temperatura, possvel converter a sada analgica em uma sada de ativao/desativao (on/off) com tempo proporcional para acionar um aquecedor ou equipamento de refrigerao. A instruo PID pode ser operada no modo temporizado ou no modo STI. No modo temporizado, a instruo atualiza sua sada periodicamente de acordo com a taxa selecionada pelo usurio. No modo STI, a instruo deve ser inserida na sub-rotina de interrupo STI. Dessa forma, sua sada ser atualizada sempre que for realizada uma varredura na sub-rotina STI. A taxa de atualizao do intervalo de tempo STI e da malha PID devem ser iguais para que a equao seja executada de forma adequada. O controle de malha fechada PID mantm uma varivel de processo em um setpoint desejado. Um exemplo de nvel de fluido/taxa de fluxo mostrado na figura 4 abaixo.


Figura 4 exemplo de controle para nvel/ taxa de fluxo.

A equao de PID controla o processo, enviando um sinal de sada para a vlvula de controle. Quanto maior o erro entre o setpoint e a entrada da varivel do processo, maior o sinal de sada. Da mesma forma, quanto menor o erro, menor o sinal de sada. Um valor adicional (feed forward ou bias) pode ser acrescentado sada de controle como um offset (compensao). O resultado PID (varivel de controle) leva a varivel de processo em direo ao setpoint. A instruo PID utiliza os seguintes algoritmos:

A expresso derivativa (taxa) possibilita estabilizao atravs de um filtro passa-baixas (low pass). A freqncia de corte do filtro 16 vezes maior que a freqncia de corner da expresso derivativa.


A instruo PID do Micrologix 1500 utiliza um arquivo de dados PD. possvel compor um arquivo de dados PD criando um novo arquivo de dados e classificando-o com um tipo de arquivo PD. O RSLogix cria automaticamente um novo arquivo PD ou um subelemento PD sempre que uma instruo PID programada em uma linha. O arquivo de dados PD aparece na lista de Arquivos de Dados como mostrado na figura 5.

Figura 5 arquivo PD criado no RSLogix500 para enderear as instrues PID.

Cada arquivo de dados PD tem, no mximo, 255 elementos e cada instruo PID requer um elemento PD exclusivo. Cada elemento PD composto por 20 subelementos, incluindo bit, inteiro e dados de inteiro longo. Todos os exemplos deste captulo utilizam o arquivo PD 10 e o subelemento 0. A figura 6 abaixo ilustra a instruo PID em linguagem Ladder.

Figura 6 instruo PID em linguagem Ladder.


Recomenda-se colocar a instruo PID em uma linha sem qualquer lgica convencional. Se a lgica convencional existe, a sada Varivel de Controle permanece com seu ltimo valor e a expresso CVP CV% e a expresso integral so removidas quando a linha falsa. Para interromper e reiniciar uma instruo PID, necessrio criar uma transio de linha de falsa para verdadeira. O exemplo da figura 7 abaixo mostra uma instruo PID em uma linha do software de programao RSLogix 500.

Figura 7 instruo PID em linguagem Ladder.

Durante a programao, a tela de configurao permite acesso aos parmetros de configurao da instruo PID. A ilustrao da figura 8 abaixo mostra a tela de configurao do RSLogix 500.

Figura 8 tela de configurao da instruo PID.


A tabela abaixo mostra os endereos dos parmetros de entrada, os formatos dos dados e os tipos de acesso ao programa do usurio.

A tabela abaixo mostra os endereos dos parmetros de sada, os formatos dos dados e os tipos de acesso ao programa do usurio.

A tabela abaixo mostra os endereos dos parmetros de ajuste, os formatos dos dados e os tipos de acesso ao programa do usurio.


Ajuste da Instruo PID:

O ajuste do PID requer um conhecimento do controle de processo. H vrias tcnicas que podem ser usadas para ajustar uma malha de PID. O mtodo de ajuste de PID a seguir geral e limitado em termos de tratamento das interferncias da carga. Durante o ajuste, recomendamos que essas alteraes sejam feitas no modo MANUAL, com retorno posterior ao AUTO. A limitao da sada aplicada no modo MANUAL. Esse mtodo requer que a instruo PID controle uma aplicao que no abrange aspectos crticos quanto segurana de pessoal e danos ao equipamento.


O procedimento de ajuste de PID pode no funcionar para todos os casos. Recomendamos que voc use um pacote de ajuste de malha PID para obter os melhores resultados.

Procedimento:

1. Crie o seu programa de lgica ladder. Certifique-se de que voc tenha feito a converso da entrada analgica para a faixa da varivel de processo (PV) e a converso da varivel de controle (CV) para a sada analgica de forma correta.

2. Conecte o equipamento de controle de processo aos mdulos analgicos. Descarregue o seu programa no processador. Deixe o processador no modo de programa.

3. Insira os seguintes valores: valor de setpoint (SP) inicial, um reset Ti 0, uma taxa Td 0, um ganho Kc 1 e uma atualizao de malha 5. Defina o modo PID como STI ou Timed (Temporizado), de acordo com a sua lgica ladder. Se STI for selecionado, certifique-se de que o tempo de atualizao da malha seja igual ao intervalo de tempo STI. Insira os ajustes opcionais necessrios (limitao de sada, alarme de sada, converso MaxS - MinS, feed forward).

4. Prepare-se para registrar em um grfico a variao da varivel de controle (CV), da varivel de processo (PV), da entrada analgica ou da sada analgica em funo do tempo e do valor de setpoint (SP).

5. Coloque a instruo PID no modo MANUAL e o processador no modo RUN (operao).

6. Enquanto estiver monitorando o display de PID, ajuste o processo manualmente escrevendo no valor de porcentagem CO.


7. Quando voc perceber que o processo est sob controle no modo manual, coloque a instruo PID no modo AUTO.

8. Ajuste o ganho durante a observao da relao da sada com o setpoint em funo do tempo.

9. Quando voc observar que o processo est oscilando acima e abaixo do setpoint de forma regular, registre o tempo de 1 ciclo; ou seja, obtenha o perodo natural do processo.

Perodo Natural 4x tempo morto Registre o valor do ganho. Retorne ao modo MANUAL (interrompa o processo, se necessrio).

10. Defina o tempo de atualizao da malha (e o intervalo de tempo do STI, se aplicvel) com um valor 5 a 10 vezes mais rpido que o perodo natural. Por exemplo, se o tempo de ciclo de 20 segundos e voc optou por definir o tempo de atualizao da malha como 10 vezes mais rpido que a taxa natural, defina esse tempo como 200, o que resultar em uma taxa de 2 segundos.

11. Defina o valor do ganho Kc como 1/2 do ganho necessrio para obter o perodo natural do processo. Por exemplo, se o valor do ganho registrado na etapa 9 foi 80, defina o ganho como 40.

12. Defina a expresso de reset Ti de forma a ficar prxima do perodo natural. Se o perodo natural for de 20 segundos, como no nosso exemplo, defina a expresso de reset como 3 (0,3 minutos por repetio fica prximo de 20 segundos).


13. Agora, defina a taxa Td igual a 1/8 do valor da expresso de reset. No nosso exemplo, o valor 4 usado para fornecer uma expresso da taxa de 0,04 minutos por repetio.

14. Coloque o processo no modo AUTO. Se o processo estiver funcionando de forma ideal, o ajuste do PID estar concludo. 15. Para realizar ajustes nesse momento, coloque a instruo PID no modo MANUAL, faa o ajuste e coloque a instruo PID novamente no modo AUTO.

A tcnica de passar para o modo MANUAL e depois retorna retornar para o modo AUTO garante que a maior parte do erro de ganho seja removida quando se realiza um ajuste. Isso permite que voc observe os efeitos de cada ajuste imediatamente. A alternncia da linha PID permite que a instruo PID reinicie por si mesma, eliminando todo o desenvolvimento do integral. possvel alternar a linha falsa da instruo PID durante o ajuste para eliminar os efeitos de ajustes anteriores.


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