relatório estagio ni

Universidade Federal do Maranhão

NI LABVIEW STUDENT AMBASSADOR PROGRAM

RELATÓRIO DE

ESTÁGIO EXTRA-CURRICULAR

NATIONAL INSTRUMENTS BRASIL

ROBERTO ARTURO QUEZADA SALES

São Paulo, SP

2012

Folha de Aprovação

Relatório de Estágio Extra-curricular aceito em 27/07/2012:

______________________________

Roberto Arturo Quezada Sales

Estagiário

______________________________

Ilton Ancelmo Pereira Junior

Gerente da Engenharia de

Aplicações da NI-Brasil

______________________________

Maria de Fáima Santos

Coordenadora do Curso de

Engenharia Elétrica da UFMA

______________________________

Jose Roberto Quezada Peña

Chefe de Departamento do Curso de

Engenharia Elétrica da UFMA

Relatório de Estágio Extra-curricular

Aluno: Roberto Arturo Quezada Sales

Orientador: Ilton Ancelmo Pereira Junior

Empresa: National Instruments do Brasil

Endereço: Av. Paulista, 509 21° andar

01311-910 – São Paulo-SP

Telefone: (11)3149 3149

Site: http://www.ni.com/

N° de horas: 138

http://www.ni.com/

Agradecimentos

Meus sinceros agradecimentos a National Instruments Brasil, na figura

do Senhor Carlos Devesa, pela oportunidade brindada e, em especial aos

Senhores Arnaldo Clemente, Cinthia Santini e Jacqueline Bezerra, pelo seu

apoio e empenho na realização da formação nas tecnologias NI e em

particular nesta ação. Finalmente, agradecemos à equipe da Engenharia de

Aplicações da NI-Brasil, na figura do Eng.Ilton Ancelmo Jr, por todo o apoio

que culminou para o sucesso na realização deste estágio.


STUDENT AMBASSADOR PROGRAM

Sumário 1. Introdução ................................................................................................................................ 1

2. A Empresa................................................................................................................................. 2

3. Atividades Desenvolvidas ......................................................................................................... 3

3.1. Treinamentos ..................................................................................................................... 3

3.2. Projeto de Controle e Simulação: Plataforma Quanser ..................................................... 4

3.2.1. Descrição do Hardware ............................................................................................... 4

3.2.2. Descrição do Software ................................................................................................ 9

3.2.3. 1° Etapa: Computacional ............................................................................................. 9

3.2.4. 2° Etapa: Simulação ................................................................................................... 14

4. Conclusão ............................................................................................................................... 17

5. Referências ............................................................................................................................. 18



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1. Introdução

Este relatório tem como objetivo descrever as atividades desenvolvidas

no estágio extra-curricular, requisito para qualificação ao Programa

Ambassador NI, que foi realizado na empresa National Instruments Brasil,

na cidade de São Paulo - SP, no período compreendido entre 27 de Junho

de 2012 a 27 de Julho de 2012.

O estágio foi realizado na Divisão de AE da NI-Brasil (Application

Engineering), que é responsável pelo suporte pós-vendas aos usuários da

NI no país, além de treinamentos, preparação de demos sobre as

tecnologias NI, suporte técnico por telefone, e-mail ou através de fórum de

discussões.

Como o estágio foi de apenas um mês, as atividades desenvolvidas no

mesmo se focaram no desenvolvimento de aplicações de controle,

direcionando as táticas de projeto para uma abordagem voltada para a

Certificação CLD (Certified LabVIEW Developer), que é também um dos

objetivos do estágio.



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2. A Empresa

A National Instruments é uma empresa pioneira em desenvolvimento de

softwares de Instrumentação Virtual, ela prove para engenheiros e

cientistas ferramentas que aceleram a produtividade, inovação e pesquisa.

A National Instruments foi fundada em 1976 por dois professores da

Universidade do Texas, que desenvolveram o software de Sistemas

Gráficos NI LabVIEW. A empresa conta hoje com mais de 4 mil

colaboradores atuando em 40 países e com uma receita anual de cerca de

$1,04 bilhões (2011).

A National Intruments já está no Brasil há 15 anos. O escritório sede

está localizado no estado de São Paulo e o mesmo atende a todo o

território nacional. No Brasil, sua área de atuação é, principalmente, a

indústria automobilística, porém, também atua nas áreas acadêmicas, de

petróleo e gás natural e aeroespacial, dentre várias outras. Um dos maiores

usuários das tecnologias NI no Brasil é a EMBRAER.



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3. Atividades Desenvolvidas

Como já mencionado anteriormente, as atividades na empresa iniciaram

em 27 de junho, data em que cumprimos apenas com toda a tramitação

documental e formal necessária para iniciar o estágio dentro da empresa.

Nos cinco dias seguintes foi realizado o treinamento LabVIEW Advanced,

que é um treinamento NI avançado voltado para realização de boas práticas

de projeto e também para a certificação CLD. Após o treinamento, o estágio

foi direcionado para um segmento prático específico que foi o

desenvolvimento de um Projeto de Controle e Simulação baseado na

plataforma Quanser para Controle de Motores CC, o DC MOTOR

CONTROL TRAINER (DCMCT). Já nesta etapa foi passada a orientação,

por parte de nosso supervisor técnico dentro da NI, de dedicar diariamente

horas para estudo sobre o hardware e software utilizados, e finalmente

realizar a implementação.

Infelizmente, devido ao curto tempo de Estágio, não pudemos interagir

diretamente com a área de suporte propriamente dita, assim, o estágio ficou

resumido à nossa participação em treinamentos e ao desenvolvimento de

projetos fazendo uso das tecnologias NI.

3.1. Treinamentos

No curso de LabVIEW Advanced: Desenvolvimento de Grandes

Aplicações, aprendemos a utilizar ferramentas e técnicas para melhorar o

desenvolvimento de grandes projetos LabVIEW, baseados em trabalho com

equipes. Além disso, obtivemos experiência para desenvolver as

habilidades necessárias para selecionar e desenvolver gabaritos e padrões

de projetos utilizados em grandes aplicações de projetos com LabVIEW. O

curso ensinou ainda práticas comuns para administrar o desenvolvimento

de grandes projetos de aplicações orientadas à equipes, da especificação à

organização.

Durante o período do estágio também foi oferecido pela empresa um

treinamente rápido (2 dias) de Excel básico, visando o aproveitamento do

maior número de informações de forma mais organizada possível durante a

elaboração de relatórios.



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3.2. Projeto de Controle e Simulação: Plataforma Quanser

O objetivo do projeto é colocar em prática a teoria de controle, onde temos que ajustar (Tunning) os parâmetros de resposta de uma malha de controle para um motor CC. A metodologia de controle utilizada baseia-se na teoria de controle clássica, na qual através de experimentação de diferentes teorias pode-se comparar estratégias de controle P, PI e PID. Sendo o PID o controlador que apresentou melhores resultados. Para fazer essa análise utilizaremos os hardwares cRIO (Compaqt Reconfigurable I/O) com seus módulos Quanser Engineering Trainer - DC Motor Control e os softwares National Instruments.

O projeto foi dividido em duas etapas principais. A primeira etapa foi meramente computacional, onde foi desenvolvido um código em LabVIEW para análise do sistema de controle de motor DC. Já a segunda etapa foi experimental utilizando os hardwares NI e Quanser, onde testamos o controlador e incorporamos não-linearidades do mundo real.

3.2.1. Descrição do Hardware

cRIO-9025

A controladora embarcada de Tempo Real NI cRIO-9025 é

parte da Plataforma de alta performance CompactRIO de

Controladores Programavéis para Automação (PAC). Possui um

processador industrial Freescale em Tempo Real de 800MHz,

para aplicações determinísticas e confiáveis em tempo real, e

contém 512MB de memória DDR2 RAM e 4GB de

armazenamento não-volátil para a realização de programas e

registro de dados.

Esta controladora robusta e confiável é projetada para fazer

uso de baixo consumo de energia com duas entradas de 9 a

35VCC, que fornecem energia isolada para os chassis

CompactRIO/módulos, e uma faixa operacional de temperatura de

-40 a 70 graus centígrados. O cRIO-9025 aceita 9 a 35VCC de

entrada de fornecimento de energia ao ligar, e de 6 a 35VCC de

entrada de fornecimento de energia durante a operação normal.

Desta forma, ela pode funcionar por longos períodos de tempo em

aplicações remotas através do uso de uma bateria ou energia

solar.

A controladora fornece duas portas de comunicação

Ethernet 10/100 que podem ser usadas para conduzir

comunicação programática através da rede, e servidores de



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arquivos (FTP) e web (http) integrados. As portas são também

compatíveis com o chassi de expansão NI-9144, da série C, de

forma que você possa conectar mais portas de I/O determinísticas

para sua aplicação.

Para criar capacidade de armazenamento adicional para

sua aplicação embarcada de registro de dados, o cRIO-9025 tem

uma porta de host USB de alta velocidade na qual você pode

conectar uma mídia de armazenamento externo baseada em

USB (pen drives e discos rígidos). Além disso, a controladora

possui um sistema de arquivos tolerante a falhas, que fornece

maior confiabilidade para aplicações de registro de dados. A Fig.1

abaixo ilustra o NI cRIO9025

Figura 1 – NI cRIO9025.

cRIO-9241 (encoder de quadratura para ler velocidade)

O NI-9401 é um módulo série C de 8-canais bidirecionais digitais de 100ns projetado para qualquer chassi CompactDAQ ou cRIO. Você pode configurar a direção das linhas digitais do NI-9401 para entradas ou saídas através da programação de uma porção de código (4 bits). Desta forma, o NI-9401 pode ser programado para três diferentes configurações: oito entradas digitais, oito saídas digitais ou quatro entradas e quatro saídas digitais. Com a tecnologia de reconfiguração de I/O (RIO, aplicável apenas para o cRIO), você pode utilizar o módulo LabVIEW FPGA (Field Programable Gate Array) para programar o NI-9401 para implementações customizadas de contadores/temporizadores de alta velocidade, protocolos de comunicação digital, geração de pulsos e muito mais. A Fig. 2 abaixo ilustra o NI cRIO9241.



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cRIO-9263 (responsável pelo comando do motor)

Módulo de saídas analógicas de alto desempenho

projetado para sistemas cRIO, chassis de expansão da série R e

NI-CompactDAQ. O módulo prove geração precisa de sinais

analógicos.

Cada módulo incorpora recursos internos de condicionamento de sinal e um conector integrado com fixação por parafuso ou opção a cabo, para permitir conexão dos sinais de forma flexível e de baixo custo. Todos os módulos atendem às características de certificação NI CompactRIO de operação extrema. A Fig. 3 abaixo ilustra o NI cRIO9263.


cRIO-911X (chassis)

Os chassis reconfiguráveis para NI Compact RIO são o

coração dos sistemas Compact RIO, pois são neles que se

encontram o núcleo reconfigurável de I/O (RIO). Você programa o

núcleo RIO (FPGA), que possui uma conexão individual para

cada módulo de I/O, que, por sua vez, possuem as funções

elementares de I/O, fáceis de usar, para ler ou escrever as

informações de sinais a partir dos mesmos. Visto que não existe

um barramento de comunicação compartilhada entre o núcleo



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FPGA e os módulos de I/O, você pode sincronizar de forma

precisa a operação de I/O em cada módulo com um looping de

interação de 25 ns. O núcleo RIO pode executar processamento

local de sinais, baseado em inteiro ou ponto-fixo, tomadas de

decisão e passar sinais diretamente de um módulo ao outro. O

núcleo RIO está conectado à controladora em tempo real

CompactRIO através de um barramento de interfaceamento local

PCI. O controlador em tempo real pode recuperar dados a partir

de qualquer controle ou indicador no painel frontal de uma

aplicação RIO FPGA, através de uma interface de digitalização de

uso fácil ou de uma simples função FPGA de leitura/gravação. A

FPGA RIO pode também gerar requisições de interupção (IRQs)

para sincronizar a execução do software em tempo real com a

mesma. Tipicamente, a controladora em tempo real é utilizada

para converter os dados de I/O baseados em inteiros para

números escalonados em ponto flutuante. Além disso, ela executa

o controle de um único ponto, a análise da forma de onda, log de

dados e comunicação Ethernet/Serial. O chassi reconfigurável, a

controladora em tempo real e os módulos de I/O se combinam

para criar um sistema embarcado completo. A Fig. 4 abaixo ilustra

o NI cRIO911X.

Figura 4 – NI cRIO911X.

DC Motor Control Trainer (DCMCT)

É uma plataforma versátil projetada para ensinar os fundamentos de servo controle de motores CC de diversas maneiras. O sistema pode ser rapidamente configurado para controlar a posição do motor, a velocidade e a corrente. Os usuários podem programar o PC para realizar o controle em tempo real, sendo compativel com os boards E-Series da National Instruments, bem como o LabVIEW. A Fig. 5 abaixo ilustra o Quanser Engineering Trainer (QET)



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Figura 5 – Quanser Engineering Trainer.

. A Fig. 6 abaixo ilustra o Diagrama de conexão dos dispositivos. Vale

lembrar que o cRIO funciona também de maneira autônoma.

Figura 6 – Diagrama de Conexão dos Dispositivos.

A Fig. 7 abaixo ilustra a montagem experimental do sistema

Figura 7 – Diagrama de Conexão dos Dispositivos.



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3.2.2. Descrição do Software

Measurement & Automation Explorer (MAX) É um software que fornece acesso a todos os NI, tais como: DAQ, GPIB, IMAQ, entre outros. Com o MAX você pode configurar o hardware National Instruments e software, adicionar novos canais, interfaces e instrumentos virtuais, executar diagnósticos do sistema e visualizar os dispositivos e instrumentos ligados ao seu sistema. No nosso caso, o MAX foi utilizado para configurar a controladora NI cRIO juntamente com seus módulos.

LabVIEW 2011 Service Pack 1 É um ambiente de programação gráfica criado para aplicações de testes, medição e controle. Através dele você pode adquirir sinais do mundo real, realizar análises para identificar dados significativos e comunicar ou armazenar resultados usando diversos recursos com rapidez e facilidade. Para o nosso exemplo utilizamos efetivamente a aba de controle e simulação do LabVIEW para desenvolver o código.

3.2.3. 1° Etapa: Computacional

A etapa computacional foi dividida em três etapas principais:

Modelagem, Análise em Malha Aberta e Análise em Malha Fechada. A Fig.8 ilustra a interface de usuário que foi desenvolvida para a tela inicial.

Figura 8 – Tela Inicial.

Um sistema de controle consiste inicialmente da modelagem ou

determinação dos parâmetros do mesmo. Estes são determinados por meio

de equações matemáticas, com parâmetros obtidos experimentalmente, ou

ainda, podem ser determinados pelo método de identificação de sistemas.



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Durante esta etapa são inseridas todas as variáveis do projeto,

juntamente com seus respectivos valores, para geração de uma função de

transferência e posterior análise. A Tabela 1 ilustra algumas das variáveis,

obtidas experimentalmente, como: Constante de Torque, Resistência,

Indutância entre outros, além de seus respectivos valores.

Tabela 1 – Especificações do Projeto.

Motor Valor Unidade Simbolo

Constante de Torque 0,052 Nm/Amp Km

Resistência Terminal 10,6 S Rm

Indutância Terminal 0,82 mHenry Lm

Inércia do Rotor 11,6 gm-cm2 Jm

Torque Máximo 0,07 Nm Tmax

A Equação 1 ilustra a planta do nosso sistema (Posição) e, em seguida,

a A Fig. 9 ilustra o código do projeto referente à esta etapa.

Posteriormente, a Fig. 10 ilustra a interface que foi gerada.

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mmeq

m

KsRJ

K (1)

Figura 9 – Aquisição de Dados.vi.



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Figura 10 – Aquisição de Dados (interface).

Uma vez adquiridas as variáveis com seus respectivos valores, é hora

de analisar as respostas do sistema. Em um sistema de malha aberta é

utilizado um dispositivo de atuação para controlar diretamente o processo,

sem usar retroação, ou seja, a saída não possui nenhuma influência sobre a

resposta do sistema. Neste caso, usamos as funções da aba Control Design

& Simulation para implementar esta operação de análise. A Fig. 11 ilustra a

VI Análise em Malha Aberta. Em seguida, a A Fig. 12 ilustra a interface

criada para esta etapa onde é possível visualizar alguns dados importantes

como a função de transferência de malha aberta Fig. 12(a) resposta ao

impulso Fig. 12(b), resposta ao degrau Fig. 12(c) e lugar das raízes Fig.

12(d).



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Figura 11 – Analise sem Controlador.vi.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 12 – Analise sem Controlador (interface): (a)Função de Transferência, (b)Resposta ao Impulso, (c)Resposta ao Degrau, (d)Lugar das Raizes.



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Ainda durante a análise, fechamos a malha com um controle e então

percebemos uma melhora significativa na resposta do nosso sistema. A

análise em malha fechada consiste na utilização da saída e a retroação

deste sinal para compará-lo com a saída desejada, ou seja, a saída

influencia na entrada do sistema. Neste caso, foram acrescentadas as

funções de controle que, no nosso caso, foram o controle PID Parallel

(Continuous) Fig. 13(a) e a realimentação Fig. 13(b)

(a) (b)

Figura 13 Funções de Controle: (a)PID Parallel(Continuous).vi,

(b)Unit Feedback.vi.

A Fig. 14 ilustra a VI Análise em Malha Fechada. Em seguida, a A Fig.15

ilustra a interface criada para esta etapa onde é possível visualizar uma

analise para os controladores Proporcional Fig. 15(a), Proporcional Integral

Fig. 15(b) e Proporcional Integral Derivativo Fig. 15(c).

Figura 14 – Analise com Controlador.vi.



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(a) (b)

(c)

Figura 15 – Analise com Controlador (interface): (a)Proporcional,

(b)Proporcional Integral, (c)Proporcional Integral Derivativo.

3.2.4. 2° Etapa: Simulação

Após simulado o comportamento do sistema, acrescenta-se o hardware

para analisar as respostas do sistema.

Inicialmente, adicionamos os drives NI Scan Engine e o Control Design

Simulation no cRIO, através do MAX. Em seguida, já no LabVIEW, criamos

um novo projeto e adicionamos o cRIO ao projeto, no modo Scan Engine, e

fazemos as seguintes configurações:

1. Configurar Scan Engine:

a. Período = “5ms”;

b. Network Publishing Period (ms) = “100ms” (padrão).



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2. Configurar NI-cRIO 9401:

a. Specialty Digital Configuration >> Specialty Mode >>

“Quadrature”;

b. Input Filter >> “Disabled”;

c. Velocity Time Base = “8192us” (todos os canais);

d. Index Mode = “Disable”.

Após finalizado a configuração do hardware, foi desenvolvido uma VI

usando a estrutura Simulation Module, que é semelhante à estrutura while com

um período de tempo pré-definido, além de ser compatível com o LabVIEW RT

CompactRIO. A Fig. 16 ilustra a VI Controle de Velocidade.

Figura 16 – Controle de Velocidade.vi.

A Fig. 17 abaixo ilustra a interface de usuário gerada para o Controle de

Velocidade. Através desta interface é possível ajustar os ganhos do controlador

e editar o set point para aumentar ou diminuir a velocidade, além de visualizar

a resposta do sistema em tempo real.



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Figura 17 – Controle de Velocidade (interface).

Observa-se nitidamente que a melhor adequação em termos de resposta

ao degrau é obtida com o controlador PID, ficando o erro de regime quase nulo,

o overshoot bem baixo e um bom tempo de acomodação. Ainda que o método

usado neste trabalho para determinação dos ganhos do controlador não nos

forneça diretamente esses valores, vemos que o resultado obtido foi bastante

satisfatório. Além disso, para aplicações comuns, como o caso do controle de

posição e velocidade do motor de corrente contínua apresentada aqui, esta

teoria se mostrou bastante útil. Podemos também mostrar o potencial das

ferramentas National Instruments. Dessa forma, este exemplo demonstra a

validade da teoria de controladores PID e as diferenças entre o “mundo real” e

o “mundo simulado”.



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4. Conclusão

As atividades realizadas durante o período de estágio foram de extrema

valia na formação de um engenheiro, tanto pelo aspecto técnico, como já foi

descrito no item anterior, como também do ponto de vista profissional, de

trabalhar em uma empresa multinacional, respeitando todas suas políticas e

regras.

Outro ponto que merece destaque é a interação com os engenheiros de

suporte. Na Engenharia de Aplicações foi possível ver que os desafios que

surgem no dia a dia são sempre diferentes e é preciso estar preparado.

Isso, sem dúvida alguma, torna a experiência do estágio muito mais

completa.

Assim, percebe-se que o estágio curricular vem cumprindo sua

finalidade de ser um período de experiência para o futuro engenheiro,

agregando tanto informações técnicas como também o desenvolvimento

das relações interpessoais.



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5. Referências

Quanser Corporation, Quanser Engineering Trainer DC Motor Control –

User Guide, Quanser Inc, 1ª Edition, Markham, 2008.

FRANKLIN, G. F.; POWELL, J. D.; EMAMI-NAEINI, A. Feedback

Control of Dynamic Systems, Addison-Wesley Publishing Company,2ª

Edition, Massachusetts, 1991.

http://brasil.ni.com/

http://brasil.ni.com/

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