1. Introduo

O objetivo desse estudo conhecer e utilizar o STEC-NVT (Sistema de tanques para estudo de controle de nvel, vazo e temperatura) que foi concebido para trabalhar de forma distribuda utilizando-se para isso uma rede Fieldbus Foundation.Sistemas distribudos so compostos por diversos elementos, distribudos geograficamente, que trabalham de forma simultnea e independente para controlar e monitorar um processo. necessrio que o sistema esteja interligado via uma rede de comunicao de dados para que haja troca de informaes entre os elementos do sistema. A Rede Fieldbus uma Arquitetura, que permite a distribuio de funes de controle para os equipamentos de campo. Para conseguir o controle desejado, os equipamentos devem estar configurados, o que inclui calibrao e, tambm, construo de uma estratgia de controle. A configurao abrangida neste trabalho.

2. Descrio do processo

2.1. O sistema de tanques interativos

O STEC-NVT um sistema composto de trs tanques interligados com as seguintes denominaes: tanque reservatrio, TR, tanque de aquecimento, TQ, e tanque de produto, TP.O tanque Reservatrio alimentado pela gua fria vinda da Rede Hidrulica e recebe gua quente que sai do Tanque de Produto. A sada do Tanque Reservatrio alimenta com gua fria o Tanque de Aquecimento e o Tanque de Produto. O Tanque de Aquecimento recebe gua fria do Tanque Reservatrio, aquecendo-a por meio do contato com um resistor aquecedor, e alimenta o Tanque do Produto com a gua j aquecida. O Tanque de Produto recebe gua quente do Tanque de Aquecimento e gua fria do Tanque Reservatrio. A gua que sai do Tanque de Produto retorna ao Tanque Reservatrio. Um esquema desse fluxo de gua mostrado na Figura 1.

Figura 1 Fluxo de gua entre os trs tanques

A gua fria representada pela cor azul e a quente pela vermelha.O aquecimento da gua feito por meio de um resistor trifsico de 12KW instalado no fundo TAQ.A vazo de gua do TAQ impulsionada pela fora da gravidade, assim, ela bastante influenciada pelo nvel do TAQ. O Tanque de Produto e o Tanque Reservatrio tm um circuito hidrulico que permite fazer a circulao da gua no tanque. O Tanque de Produto tem quatro vlvulas manuais que permitem mandar a gua para a sada de esgoto.O sistema possui duas bombas, B1 e B2, ambas de CV.

B1 ligada sada do TR e permite a transferncia por meio da vlvula automtica LCV1, e TP por meio da vlvula LCV2. Usando essa bomba tambm possvel fazer a gua recircular dentro do prprio TR, por meio da vlvula manual de recirculao do TR. B2 ligada sada de TP e permite a transferncia da gua de TP para TR por meio da vlvula FCV1, e/ou a recirculao dentro do prprio TP, por meio da vlvula manual de recirculao do TP.

O sistema possui quatro vlvulas de vazo de Controle Industrial, esfricas, com acionamento pneumtico e sinal de controle 4-20 mA. A variao do sinal de controle (4 a 20 mA) corresponde abertura das vlvulas de 0 a 100%. As vlvulas so descritas a seguir:

TCV1 atua na vazo do TAQ para o TPFCV1 atua na vazo do TP para o TRLCV1 atua na vazo do TR para o TAQLCV2 atua na vazo do TR para o TP

Existem dois sensores de temperatura, ambos do tipo Pt100 (bulbo resistncia de 100 ohms a 0C):

TE1 instalado no TAQTE2 instalado no TP

Estes sensores variam sua resistncia eltrica de acordo com a temperatura. A informao de cada sensor lida pelo transmissor de temperatura TT302 interligado rede Fieldbus Foundation. Cada transmissor/controlador de temperatura, TT302, conecta at dois sinais vindos de termoresistncias ou termopares.Existem tambm sensores para medio de vazo, do tipo orifcio integral, adequado para pequenas vazes. Cada sensor de vazo est acoplado a um transmissor diferencial de presso LD302, interligados rede Fieldbus. So medidas quatro vazes:

FIT1 mede a vazo do TR para o TAQFIT2 mede a vazo do TAQ para o TPFIT3 mede a vazo do TR para o TPFIT4 mede a vazo do TP para o TR

A medio de nvel realizada por meio de dois transmissores/controladores LD302 conectados rede Fieldbus. So medidos os seguintes nveis:LG1 nvel do tanque TAQLG2 nvel do tanque TP

O projeto de controle para o STEC-NVT tem cinco malhas independentes de controle, sendo duas para o tanque TAQ e trs para o tanque TPMalha de controle de nvel do TP medido pelo sensor de nvel LG2 e manipulado por meio da vlvula LCV2 que atua na vazo do TR para o TP.Malha de controle de nvel do TAQ medido pelo sensor de nvel LG1 e manipulado por meio da vlvula LCV1 que atua na vazo do TR para o TAQ.Malha de controle de vazo de sada do TP medida com o auxlio do sensor de vazo instalado nessa sada e manipulada por meio da vlvula FCV1 que atua diretamente nessa vazo.Malha de controle de temperatura do TP medida pelo sensor de temperatura TE1 e manipulada por meio da vlvula TCV1 que atua na vazo do TAQ para o TP. Malha de controle de temperatura do TAQ medida pelo sensor de temperatura TE2 e manipulada por meio do resistor de aquecimento que atua na taxa de transferncia de calor.

A rede Fieldbus Foundation interage com o CLP (LC700 da Smar) atravs de um carto Fieldbus scanner FB700, conectado ao rack do CLP. O CLP responsvel pelo intertravamento do sistema, garantindo assim a segurana operacional. A configurao da rede fieldbus feita em um computador por meio de um software especfico (SYSCON) e enviada aos instrumentos. A comunicao entre o computador e a rede Fieldbus realizada atravs de um mdulo especfico para gerenciamento da rede DFI302 (Fieldbus Universal Bridge). Este dispositivo permite a comunicao da rede Fieldbus como os aplicativos por meio da rede Ethernet e protocolo OPC. Os demais dispositivos interligados na rede Fieldbus so:

LD302 - LT1 transmissor/controlador de nvel do TAQ;LD302 - LT2 transmissor/controlador de nvel do TP ;TT302 - TT1 transmissor/controlador temperatura do TP e transmissor de temperatura do TAQ;LD302 - FTI transmissor de vazo de entrada do TAQ;LD302 - FT2 transmissor de vazo de entrada de gua quente do TP;LD302 - FT3 transmissor de vazo de entrada de gua fria do TP;LD302 - FT4 transmissor/controlador de vazo de sada do TP;FI302 - FI1 e FI2 conversores de Fieldbus para 4 a 20 mA (3 canais de sada cada).

As malhas de controle so implementadas utilizando-se os blocos funcionais dos instrumentos da rede Fieldbus. Cada transmissor/controlador possui internamente um bloco para execuo de um controlador PID.As variveis controladas (LT1, LT2, TT1, TT2 e FT4) no medidas por instrumentos conectados rede, no entanto, os instrumentos para as variveis manipuladas, ou seja, as vlvulas de controle de vazo e o circuito de aquecimento, no esto conectados diretamente rede.O STEC-NVT possui cinco variveis manipuladas (TCV1, FCV1, LCV1, LCV2, TC2) cujos instrumentos utilizam sinal de 4-20 mA ou 0 a 10 V para atuao. No caso das vlvulas para restrio das vazes, a atuao de 4-20 mA corresponde a variao na abertura da vlvula de 0 a 100%, e no caso da temperatura, a atuao de 0 a 10 V corresponde a variao no ngulo de disparo de 0 a 180 graus. Como os valores dessas variveis manipuladas so calculados pelos blocos funcionais PID dos instrumentos Fieldbus, preciso utilizar os dispositivos FI302, denominadas FT1 e FT2, para converte o sinal gerado pela rede Fieldbus para um sinal de corrente na faixa de 4-20 mA.Para o Tanque de Aquecimento, o controle da dissipao de energia no resistor de aquecimento feito por meio de trs pontes thiristorizadas, uma para cada elemento resistivo. O sinal de varivel manipulada disponvel na rede Fieldbus convertido, por meio do dispositivo FI2, para um sinal de 4-20 mA que novamente convertido para um sinal de 0 a 10 V. Um sinal de 0 V implica em um ngulo de disparo de zero grau, que, por sua vez, ir produzir uma dissipao mxima de energia no resistor. Para um sinal de 10 V, o ngulode disparo ser de 180 graus e a dissipao de energia ser zero. O resistor foi projetado para aquecer a gua do tanque cheio de 20C a 60C em 9 minutos. O dispositivo FI1 responsvel pela converso dos sinais LC1 e TCV1, enquanto o dispositivo FI2 responsvel para converso dos sinais LCV2, TC2 e FCV1.O sistema de superviso utilizado no STEC/MTV GENESIS 32, da Iconics, funcionando em ambiente Windows XP. O Genesis um aplicativo do tipo SCADA, que, neste sistema, est configurado para executar as funes de visualizao do processo, por meio de telas sinticas e grficos de tendncia, e para armazenar dados histricos. A comunicao entre o sistema de superviso e a rede Fieldbus via rede Ethernet e protocolo OPC, da mesma forma que o aplicativo de configurao.

2.2. Identificao dos elementos do sistema

Os elementos do sistema foram identificados na planta, representados na Figura 2. O Tanque Reservatrio no foi mostrado na foto, pois se encontra fora do laboratrio. Como a foto no muito clara, sua identificao est representada atravs do sintico do supervisrio, representado na Figura 3. As descries dos elementos foram feitas no item 2.1 Foram identificados os seguintes elementos:

Trs tanques reservatrio TR, aquecedor TAQ e produto TPDuas bombas B1 e B2Quatro vlvulas de controle de vazo TCV1, FCV1, LCV1 e LCV2Dois transmissores de nvel LT1 e LT2 Dois transmissores de temperatura TE1 e TE2Quatro transmissores de vazo FT1, FT2, FT3 e FT4Um circuito de aquecimento.

Figura 2 Elementos do sistema na planta

Figura 3 Elementos do sistema no sintico de superviso

2.3. Identificao de elementos na arquitetura do sistema

Na planta so identificados os seguintes elementos, representados nos diagramas das Figuras 4 e Figura 5. As caractersticas dos elementos foram detalhadas no item 2.1.Micro computador para configurao/operao do sistemaControlador lgico programvel LC700Cartes de I/O do controlador L700Instrumentos da rede FieldbusInterface entre o computador e o CLPInterface entre o CLP e a rede Fieldbus

Figura 4 Instrumentos da arquitetura do sistema

Figura 5 Instrumentos da arquitetura do sistema`

2.4. Mdulos clientes e servidores OPC

O digrama da Figura 5 foi refeito, de modo a mostrar os mdulos clientes e servidores OPC. O sistema composto por dois clientes OPC o sistema SCADA Genesis 32 e o Syscom e por dois servidores OPC um acoplado rede Ethernet, para interface computador-rede, e o outro para interface computador-controlador. Os sistemas citados j foram descritos no item 2.1. O diagrama modificado mostrado na Figura 6.

Figura 6 Clientes e servidores OPC3. Projeto de malha de controle de nvel

Nesta prtica deveramos selecionar uma das cinco malhas de controles possveis da planta STEC e coletar os dados para, futuramente, fazermos uma modelagem matemtica do sistema e, ento, projetar o controlador.Optamos por fazer a anlise da malha de controle de nvel do Tanque de Produto e, uma vez selecionada a malha, realizamos um ensaio para coletarmos dados.Analisando a forma de atuao no Nvel do TP identificamos as relaes entre as variveis do processo e levantamos o modelo para o controle, apresentado na pgina seguinte.

Figura 7 Malha de controle de nvel do tanque de produto

Na Figura 7, G1, G2 e G3 representam as funes de transferncia da planta STEC relacionadas, respectivamente, vlvula de controle de nvel, vlvula de controle de temperatura e vlvula de controle de vazo. Tambm na Figura 7, SP o Set Point do nvel definido pelo operador da planta. Este valor comparado ao nvel lido pelo transmissor LT e gera um sinal que ser repassado ao controlador PID que atuar na vlvula de nvel LCV.Iniciou-se um novo projeto no SYSCON adicionando e configurando os blocos que seriam utilizados no controle do nvel do Tanque de Produto (malha selecionada anteriormente). Dessa forma entenderamos como se executa um projeto de um controlador utilizando uma rede Fieldbus Foundation com controle distribudo. Realizou-se uma nova configurao da rede Fieldbus pelo programa SYSCON, adicionamos a ponte de comunicao/configurao DFI e em seguida adicionamos os dispositivos fsicos (sensores, atuadores, conversores e controlador) que existem na planta, na rede atravs da interface do SYSCON.As nomenclaturas adotadas para os dispositivos foram as mesmas j existentes no projeto base utilizado para demonstrar o funcionamento da planta STEC. A Figura 8 mostra como ficou a configurao aps a adio dos instrumentos.

Figura 8 Dispositiva na rede Fieldbus Foundation

Em seguida foram adicionados os blocos de funes (FBs) dos sensores que seriam necessrios para efetuar o controle de nvel do Tanque de Produto.Temperatura do TP e TAQVazo de Sada TPVazo de Entrada TPNvel TPConversor 1 e 2A Figura 9 mostra os instrumentos com os blocos adicionados.

Blocos de Funo e Principais Propsitos:AI Analog Input possibilita setar os valores de atuadores na plantaAO Analog Output - permite acesso ao valor de sada do sensorRSC Rescource Block - bloco que descreve o dispositivo (fabricante, n srie, etc)TRD Transducer Block - bloco para configurao de escala e calibrao do sensor, entre outros,PID PID Control Bloco utilizado para fazer o controle PID em malha fechada As nomenclaturas utilizadas nos FBs tambm foram as mesmas do projeto base. Essa reutilizao de nomes permite que ao ir para o estado on-line o software ajuste a nova configurao de rede setando os IDs dos dispositivos e blocos de funes de acordo com a configurao previa existente no hardware evitando erros de endereamento e identificao na rede FieldBus .Em seguida passamos a verificar qual a funo dos principais parmetros de cada bloco no manual Fieldbus[2].

Figura 9 Configurao do transdutor de temperatura do TP e TAQ

- Resource block:- MANUFAC_ID: identificao de fabricante- DEV_TYPE: tipo de dispositivo- DEV_REV: reviso do dispositivo- DD_REV: reviso da descrio do dispositivo

- Bloco do transdutor:- PRIMARY_VALUE_TYPE: unidade de medida do valor primrio- PRIMARY_VALUE: valor medido- PRIMARY_VALUE_RANGE: faixa de valores do valor primrio- SENSOR_TYPE: tipo de sensor- SENSOR_CONECTION: tipo de conexo do sensor- SECONDARY_VALEU: valor secundrio- SECONDARY_UNIT: unidade de engenharia do valor secundrio- SENSOR_TRANSDUCER_TYPE: tipo do transdutor

- Bloco de entrada analgica- PV: varivel de processo- OUT: valor calculado como resultado da funo em execuo- SIMULATE: valor que pode ser ajustado para simulaes- XD_SCALE: escala para valores mximos e mnimos do valor que vem do transdutor- OUT_SCALE: idem, s que para o sinal de entrada- CHANNEL: nmero do dispositivo lgico para transdutor que est conectado ao bloco de entrada e sada- FIELD_VALUE: valor no tratado do dispositivo em percentual do range de PV

- Bloco PID- PD: varivel de processo e valor de entrada do PID- SP: set point analgico- OUT: valor de sada do PID- PV_SCALE: escala do PV e do SP- OUT_SCALE: escala de sada- IN: valor primrio para entrada do PID (normalmente PV)- SP_HI_LIM: limite superior do SP- SP_LO_LIM: limite inferior do SP- GAIN: valor de Kp do PID- RESET: tempo de integrao- RATE: tempo derivativo- OUT_HI_LIM: limite superior da sada- OUT_LO_LIM: limite inferior da sada

- Bloco de sada analgica:- PV: valor do processo- SP: set point- OUT: valor de sada do bloco do transdutor- SIMULATE: usado para simulaes- PV_SCALE: valor mximo e mnimo da escala para PV- XD_SCALE: valor mximo e mnimo da escala para o transdutor- READBACK: indica a leitura da posio atual do transdutor em unidade de engenharia- SP_HI_LIM: limite superior do SP- SP_LO_LIM: limite inferior do SP- CHANNEL: nmero do dispositivo lgico para transdutor que est conectado ao bloco de entrada e sado

Identificamos nos blocos de I/O e transdutor existem escalas que devem ser configuradas de acordo como sensor para que seja feita as converses de Unidades de Engenharia para sinal 4 20 mA ou 0 10 V. Vimos a converso de valores utilizada no sensor de presso para que o mesmo fosse utilizado como sensor de nvel nos tanques.Criados os elementos fsicos do sistema, iniciou-se a interligao e configurao lgica do projeto. A lgica simples: a sada do sensor (LT02 OUT) enviada para a entrada controlador (LC02 IN), que recebe do sinptico o Setpoint. O controlador, ento, envia o sinal de controle (sua sada LC02 OUT) para a vlvula de controle (LCV2 CAS_IN). A sada da vlvula de controle (BKCAL_OUT) realimentada no controlador (BKCAL_IN). Deste modo o controlador consegue diagnosticar se sua ao est sendo devidamente executada e compensar qualquer falha da vlvula. Essa lgica mostrada na Figura 10.

Figura 10 Interligao lgica do sistema

Os dispositivos e respectivos blocos funcionais e parmetros configurados, presentes na parte lgica do projeto, so mostrados na Figura 11. Figura 11 Dispositivos, blocos funcionais e parmetros configurados da parte lgica

Aps efetuar-se a configurao da rede Fieldbus, para a malha de controle de nvel do tanque de produto, foi colocado o sistema em funcionamento. Com isso, foi definido o set-point ,para o nvel do tanque ,em 330 mm .Ao final do funcionamento , foram obtidos grficos de nvel e temperatura do sistema, como esto demonstrados nas figuras 12,13,14 e 15.

Figura 12-Nvel do tanque de produto x tempo

Figura 13-Nvel do tanque de aquecimento x tempo

Figura 14-Temperatura do tanque de produto x tempo

Figura 15-Temperatura do tanque de produto x tempo

Como se pode observar, inicialmente houve um aumento no nvel do tanque de produto,levando at a um pequeno overshoot,que aconteceu devido a uma maior ao de controle ,ou seja, um alto valor da varivel manipulada. Com isso, ocorreu uma diminuio do nvel do tanque de aquecimento e conseqentemente um aumento na temperatura do TP e diminuio no TAQ.

4. Concluso

O estudo da planta STEC nos proporcionou uma compreenso completa dos 3 primeiros nveis da pirmide da automao: Instrumentao, Controlador e SCADA.Conhecemos softwares que facilitam a implementao da lgica de controle de rede Fieldbus atravs interfaces grficas intuitivas e de fcil parametrizao, Entendemos o percurso de um sinal por toda rede industrial com as converses de escalas e formas de transmisso (Digital Fieldbus, 4 20 mA)

5. Bibliografia

[1] PERSECHINI, Maria Auxiliadora Muanis, Roteiro de Aula Sistemas digitais de controle distribudo, 2010.[2] Manual de configurao da rede Fieldbus Foundation.