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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

1

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

01

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13

14


3

Tabela 1 - Descrição dos componentes da bancada didática

01

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

11

I/O Board com conversores de

sinal e controlador do

motor

12

B103 - Sensor de Pressão com célula cerâmica

Saída Analógica

13

B104 - Sensor de temperatura

tipo PT100

Saída Analógica

14

Trolley


4

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


12

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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