CENTRO FEDERAL DE EDUCAO TECNOLGICA DE PELOTAS GERNCIA DE ENSINO SUPERIOR CURSO DE AUTOMAO INDUSTRIAL FABRCIO PADILHA BARCELLOS Sistema Didtico para Controle de Nvel e Temperatura Monografia submetida avaliao, como requisito parcial para a concluso da disciplina de Projeto de Graduao Prof. Msc. Jair Jonko Araujo Orientador Pelotas, outubro de 2005. AGRADECIMENTOS Euagradeosseguintespessoasquetornarampossvela realizao deste trabalho: minha esposa Cristiane Mackedanz Lapschis Barcellos. AosprofessoresJairJonkoAraujo,MauroAndrBarbosaCunha, PauloRenatoAvendanoMotta,AndrArthurPerlembergLerm,LcioAlmeida Hecktheuer e Gladimir Pinto da Silva. AoscolegasDaltroBenHurRamosdeCarvalhoFilhoeMarcos Geovane Quevedo Rijo. Ao gerente Srgio Lus Baruffi, ao supervisor de manuteno eltrica RobertoTavaresMoutinhoeaoinstrumentistaFbioPedrosoChimda empresa Bunge Alimentos S.A.. AoSr.EdysTeixeiraPadilhaeSra.WilmaArnoldPadilhaque fizeramopossvelparaqueeupudesseconcluiroscursostcnicoe tecnolgico. SUMRIO LISTA DE ABREVIATURAS OU SIGLAS........................................................... 4 LISTA DE FIGURAS............................................................................................ 6 LISTA DE TABELAS........................................................................................... 8 RESUMO.............................................................................................................. 9 ABSTRACT........................................................................................................ 10 1 INTRODUO................................................................................................ 11 1.1 Contextualizao do Trabalho .................................................................. 11 1.2 Objetivos do Trabalho................................................................................ 13 1.3 Organizao do Texto................................................................................ 14 2 PRINCIPAIS ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE AUTOMAO INDUSTRIAL...................................................................................................... 15 2.1 Atuadores e Sensores................................................................................ 15 2.2 Controladores Programveis .................................................................... 16 2.3 Sistemas Supervisrios............................................................................. 19 3 LIGAES E EQUIPAMENTOS UTILIZADOS.............................................. 20 4 PROGRAMAO DO CONTROLADOR........................................................ 25 4.1 Caractersticas do Controlador Compact Logix 5320 ............................. 25 4.2 Configurao do Controlador ................................................................... 29 4.3 Programao do Controlador.................................................................... 36 5 ATUADORES E SENSORES UTILIZADOS................................................... 42 5.1 Acionamento da Bomba ............................................................................ 42 5.2 Acionamento da Resistncia..................................................................... 44 5.3 Sensor de Temperatura ............................................................................. 48 5.4 Sensor de Nvel .......................................................................................... 50 6 AQUISIO DE DADOS................................................................................ 52 7 SINTONIA DOS CONTROLADORES ............................................................ 55 7.1 Sistemas de Controle................................................................................. 55 7.2 Sistema de Controle de Nvel .................................................................... 64 7.3 Sistema de Controle de Temperatura....................................................... 70 8 CONCLUSES............................................................................................... 76 REFERNCIAS.................................................................................................. 78 ANEXO A LEDS DE SINALIZAO DA CPU .............................................. 80 ANEXO B TAGS DO CONTROLADOR.......................................................... 81 ANEXO C DIAGRAMA LADDER ................................................................... 83 ANEXO D PROGRAMAO DO SUPERVISRIO....................................... 84 LISTA DE ABREVIATURAS OU SIGLAS ADAnalgico / Digital; ASCIIAmerican Standard Code for Information Interchange; BATBattery; BIOSBasic Input Output Systems; CICircuito Integrado; CLPControlador Lgico Programvel; CPUCentral Processing Unit; DADigital / Analgico; DDEMicrosofts Dynamic Data Exchange; DHData Highway link; DINDeutsches Institut fr Normung; EEPROMElectrical Erasable Programmable Read Only Memory; EPROMElectrically Programmable Read Only Memory; I/OInput / Output; LEDLight Emitting Diode; OLEObject Link Embedding; OPCOLE for Process Control; PCPersonal Computer; PIProporcional Integral; PIDProporcional Integral Derivativo; PLCProgrammable Logical Controller; PROGProgrammer; RAMRandom Access Memory; REMRemote; ROMRead Only Memory; RUNRunning; SCADASupervisory Control & Data Acquisition Systems;SCRSilicon Controlled Rectifier; TCP/IPTransmission Control Protocol/ Internet Protocol; TRIACTriode Alternating Current. LISTA DE FIGURAS Figura 1.1: Diagrama conceitual bsico de um sistema de controle ................ 12 Figura 1.2: Hierarquia bsica de um sistema de automao industrial ............ 12 Figura 3.1: Fotos da ligao dos equipamentos............................................... 23 Figura 3.2: Esquema de ligao dos equipamentos......................................... 24 Figura 4.1: CPU do controlador programvel ................................................... 25 Figura 4.2: Conectores de ligao da fonte e mdulos de entrada e sada ..... 27 Figura 4.3: Ligao do mdulo digital............................................................... 28 Figura 4.4: Tipos de ligao do mdulo analgico ........................................... 29 Figura 4.5: Criao do projeto e definio do controlador ................................ 29 Figura 4.6: Definio dos mdulos de entrada e sada .................................... 30 Figura 4.7: Seleo do mdulo digital .............................................................. 31 Figura 4.8: Configurao do mdulo digital ...................................................... 31 Figura 4.9: Seleo do mdulo analgico ........................................................ 32 Figura 4.10: Configurao do mdulo analgico.............................................. 32 Figura 4.11: Tags relacionadas ao mdulo digital ............................................ 33 Figura 4.12: Ajuste de caminho pelo RSLinx.................................................... 34 Figura 4.13: Envio do programa ao controlador ............................................... 34 Figura 4.14: Data Types Predefinido e Definido pelo Mdulo...................... 36 Figura 4.15: Habilitao da Mscara de Fora .............................................. 37 Figura 4.16: Bloco PID no diagrama ladder ..................................................... 38 Figura 4.17: Habilitao dos atuadores e sensores ......................................... 38 Figura 4.18: Ajustes do bloco PID.................................................................... 39 Figura 4.19: Configurao do bloco PID .......................................................... 40 Figura 4.20: Alarmes do bloco PID................................................................... 40 Figura 4.21: Converso de escala do bloco PID.............................................. 41 Figura 4.22: Tag do bloco PID.......................................................................... 41 Figura 5.1: Bomba centrfuga........................................................................... 42 Figura 5.2: Amplificador de acionamento da bomba ........................................ 43 Figura 5.3: Variao da tenso do amplificador de acionamento da bomba.... 43 Figura 5.4: Esquema de ligao do amplificador.............................................. 44 Figura 5.5: Relao entre a tenso de controle e a potncia aplicada s resistncias ............................................................................................... 45 Figura 5.6: Esquemtico da placa.................................................................... 47 Figura 5.7: Curva de resistncia versus temperatura do PT-100 ..................... 48 Figura 5.8: Esquema de ligao do PT-100 com o transmissor de temperatura.................................................................................................................. 49 Figura 5.9: Sensor ultrassnico........................................................................ 50 Figura 5.10: Relao de calibrao do sensor ultrassnico ............................. 51 Figura 6.1: Tela geral do programa de aquisio de dados ............................. 52 Figura 6.2: Arquivo gerado pelo programa de aquisio.................................. 53 Figura 6.3: Tabela de dados no Microsoft Access............................................ 53 Figura 7.1: Critrio de Smith para identificao de sistemas de primeira ordem.................................................................................................................. 57 Figura 7.2: Resposta ao degrau unitrio para sistemas de primeira ordem..... 58 Figura 7.3: Parmetros de resposta transitria ................................................ 59 Figura 7.4: Aplicao de 8,4V .......................................................................... 66 Figura 7.5: Aplicao de 10,8V ........................................................................ 67 Figura 7.6: Aplicao de 13,2V ........................................................................ 67 Figura 7.7: Nvel em malha fechada com ganhos calculados .......................... 69 Figura 7.8: Nvel em malha fechada com ganhos arbitrados ........................... 70 Figura 7.9: Aplicao de 30W.......................................................................... 72 Figura 7.10: Aplicao de 60W........................................................................ 73 Figura 7.11: Aplicao de 200W...................................................................... 73 Figura 7.12: Nvel malha fechada com ganhos calculados .............................. 75 Figura D.1: Ferramentas de configurao do sistema e das telas ................... 84 Figura D.2: Caminho de comunicao com o controlador (no compatvel) .... 85 Figura D.3: Criao de uma tag ....................................................................... 86 Figura D.4: Exemplo de uma biblioteca de imagens disponveis ..................... 87 Figura D.5: Ferramentas de alarmes, lgica e controle.................................... 88 Figura D.6: Configurao do plano de fundo.................................................... 90 Figura D.7: Configurao de um grfico........................................................... 91 Figura D.8: Configurao de ao a um boto de comando ............................ 92 Figura D.9: Tela Geral ...................................................................................... 93 Figura D.10: Tela Nvel 1min............................................................................ 93 Figura D.11: Tela Nvel 10min.......................................................................... 94 Figura D.12: Tela Temperatura 10min ............................................................. 94 Figura D.13: Tela Temperatura 1h ................................................................... 95 Figura D.14: Tela Ajustes e Ganhos ................................................................ 95 LISTA DE TABELAS Tabela 5.1: Dados do sensor ultrassnico ....................................................... 51 Tabela A.1: LEDs de sinalizao da CPU....................................................... 80 Tabela B.2: Tags do Controlador ..................................................................... 81 Sistema Didtico para Controle de Nvel e Temperatura RESUMO Estetrabalhoimplementaumsistemaparaocontroledenvele temperaturaemumabancadadidticautilizandoumcontroladorprogramvel com mdulos analgicos e digitais de entrada e sada. Para a medio de nvel etemperaturasousadosumsensorultrassnicoeumtransmissorde temperatura.Paraocontroledonvelusadaumabombacentrfugacom tensodealimentaode24Vcceparaocontroledatemperaturauma resistnciaquedissipa1000Wem230V,ambosalimentadospor amplificadoresquerecebemosinaldecontroledocontroladorprogramvel entre 0 e 10Vcc. Sero implementados dois controladores PI para o controle de nveledetemperaturaeseroapresentadasascurvasgeradaspelas aquisies de dados em malha aberta e os resultados em malha fechada. Palavras-chave: controle de nvel, controle de temperatura, controlador programvel e automao. Didactic System to Control of Level and Temperature ABSTRACT This work implements a system for the level and temperature control in a didactic system using a programmable controller with analogical and digital modules of input and output. For the measurement of level and temperature an ultrasonic sensor and a transmitter of temperature are used.In order to control the level a centrifugal pump with 24Vcc voltage is used and for the temperature controlisusedaresistanceof1000W/230V,bothsuppliedbytransducersthat receiveacontrolsignalfromprogrammablecontrollerbetween0and10Vcc. TwocontrollersPIforthetemperatureandlevelcontrolandthecurves generatedfortheacquisitionsofdatainopenmeshandtheresultsinclosed mesh will be presented. Word-keys:levelcontrol,tempetaturecontrol,programmablecontrollerand automation. 1 INTRODUO Nestecaptuloserapresentadaacontextualizaodotrabalho,os seus objetivos e a organizao do texto. 1.1 Contextualizao do Trabalho Aautomaoestrelacionadaaequipamentosquecontrolam processosou plantas. Segundo MIYAGI (1996), controle a aplicao de uma aopr-planejadaparaqueaquiloqueseconsideracomoobjetodecontrole atinja certo objetivo. Genericamenteossistemasdecontrolesoclassificadosemdois tipos:ossistemasdevariveiscontnuasondeoobjetivoigualarovalorde umavarivelfsica,denominadavariveldecontrole,aumvalorde referncia e os sistemas de eventos discretos nos quais a execuo de operaes ocorre conforme procedimentos pr-estabelecidos.Noprimeirocasoodispositivoderealizaodocontrole denominado controlador e responsvel por executar um algoritmo de controle paraajustarosinalrecebidodoprocessoaumvalordereferncia,enquanto nosegundocasotem-seumprocessadordecomandoqueavaliaoestado atualdoprocessoedeterminaaprximatarefaaserexecutada.AFigura1.1 (MIYAGI,1996)representaoscomponentesenvolvidosnaimplementaode um sistema de controle, os quais sero detalhados no captulo 2. Comopodeserobservado,osistemainteragedeumladocomo processoedeoutrocomosusurios.A interaocomoprocesso realizada atravsdossensores(responsveisporcapturarinformaessobreas variveis de interesse) e atuadores (responsveis pela aplicao da energia no 12 processo),enquantoainteraocomousuriotemporobjetivopermitiro ajuste de variveis e a monitorao do processo. Figura 1.1: Diagrama conceitual bsico de um sistema de controle ConformepodeserobservadonaFigura1.2esteconceitose multiplicaemdiversosnveishierrquicos.Emtalfiguraocontrolelocalest sendorealizado por controladores programveis (PLC Programmable Logical Controller).Um(CLPControladorLgicoProgramvel)poderealizarvrios loopsdecontrolerepresentadosnafiguraanteriorenaimplementaodeum processo industrial podem ser necessrios vrios CLPs. Figura 1.2: Hierarquia bsica de um sistema de automao industrial Atualmenteosdispositivosenvolvidosnatarefadecontrole (sensores, atuadores, CLPs, etc.) possuem recursos de comunicao os quais 13 permitematrocadedadoseogerenciamentodeinformaesintegradas desde o cho de fbrica at a gerncia. Aimplementao(instalao,configuraoeprogramao)deum sistemadeautomaoumaatividadecomplexa,oferecendomuitasopes diferenteseexigindoaconvergnciadeconhecimentodediversasreas (instrumentao, controle, eletro-eletrnica, informtica industrial etc.). Autilizaodeequipamentosdidticososquaispossibilitemqueo alunorealizeexperimentoscomrapidez,analisandoosdiferentes comportamentosdeumsistemadecontroleeautomao,permitiruma resposta mais eficiente em situaes prticas. 1.2 Objetivos do Trabalho Estetrabalhotemporobjetivoimplementarumaarquiteturapara ensaiosdecontroledenveletemperaturautilizando-secomodispositivode controle um controlador programvel. Seroestudasasprincipaiscaractersticasdefuncionamentodos diversoscomponentesutilizadosnaimplementaodosistema.Sero abordados: aligaoeaprogramaodocontroladorprogramvelCompactLogix 5320 (ROCKWELL, 2003a); aseleoealigaodossensoreseatuadorescomosrespectivos transdutores, quando houver; adeterminaodasfunesdetransfernciadossistemasdecontrole de nvel e de temperatura e o calculo dos ganhos dos controladores para sintonia dos controladores; a aquisio de dados para levantamento das funes de transferncia e sintonia dos controladores. Inicialmenteotrabalhopreviaacomunicaocomocontrolador utilizando-seumprogramadesuperviso,oqualpermitiriaainteraodo usurio com o sistema de uma forma mais simples. Para isto foi desenvolvido o projetoeaimplementaodeumprogramadesupervisoutilizandoa ferramenta de desenvolvimento RSView 32 (ROCKWELL, 2003a).14 Entretanto,nofoipossvelarealizaodostestescomoprograma desuperviso,poisaversodedemonstraonocomunicacomo controladorprogramvel,permitindoapenasodesenvolvimentodastelas, declaraodastags,dosalarmeseusurios.Estedesenvolvimentoencontra-se no Anexo D, visando servir de suporte para trabalhos futuros. 1.3 Organizao do Texto Naparteinicialdotrabalhoseroapresentadasasdefiniesde comoorganizadoumsistemadeautomaoindustrialeseusprincipais componentes. Aps esta introduo, ser explicado o funcionamento do controlador programvel,asfuncionalidadesdoprogramadeaplicaoeoseu desenvolvimento. Aseguir,serdescritoofuncionamentoeascaractersticasdos atuadoresedossensoresdaplantautilizadanesteprojeto.Sero apresentadas curvas de resposta obtidas experimentalmente. A sintonia dos controladores ser composta pelo referencial terico e pelosmtodosdedeterminaodasfunesdetransfernciaedosganhos doscontroladores.Logoapsseranalisadoocomportamentodosistema. Nesta etapa sero realizas vrias aquisies de dados Aferramentadedesenvolvimentodoprogramadesupervisoeo programadesupervisopropostoencontram-senocaptulodeanexos,tendo emvistaaimpossibilidadederealizaodetestesdevidoalimitaesna comunicao entre o supervisrio e o controlador programvel. 15 2 PRINCIPAISELEMENTOSDEUMSISTEMADE AUTOMAO INDUSTRIAL Amaioriadossistemasdeautomaoindustrialsocompostospor controladoresprogramveisquelemossinaisdossensoresecontrolamo funcionamento dos atuadores. Paraainterfacecomousuriogeralmentesousadosossistemas desuperviso(SCADA:SupervisoryControl&DataAcquisitionSystems)os quaissocompostosportelasquepossibilitamaooperadorinteragircomo sistema, ligando e desligando equipamentos e ajustando o seu funcionamento.Estecaptulotemporobjetivofornecerumavisogeralsobreos diferentescomponentesenvolvidosnaimplementaodeumsistemade automao industrial. 2.1 Atuadores e Sensores Osatuadoresoudispositivosdesadasoelementosdecampo usadosparaexecutarasinstruesdecontrole.Sodispositivosaserem acionadosparaexecutaremumadeterminadaao,definidapelosistemade controle.No caso especfico deste trabalho, a tarefa de controle ser realizada porumcontroladorlgicoprogramvel,assimatensodesadaeas caractersticas de corrente do controlador programvel so os nicos fatores de limitao para aplicao com dispositivos de sada. Ostransdutoressodispositivosquetransmitemsinaissobuma forma de energia de um sistema para outro sistema. Um transdutor PT-100, por exemplo,converteaalteraodaresistnciadosensordeacordocoma temperatura para um sinal eltrico padronizado. Ossensoressoelementosdecampoqueagemcomocoletores de dados do controlador programvel. So definidos como dispositivos sensveis a fenmenosfsicos,taiscomo:temperatura,umidade,luz,presso,etc.Por meio desta sensibilidade os sensores enviam um sinal, geralmente de natureza eltrica, para os dispositivos de controle.16 Umsensorcontmumoumaistransdutorestransmitindosinais analgicos(exemplos:transmissordetemperaturaousensorultrassnico)ou sinaisdigitais(exemplos:sensorindutivo,sensorcapacitivoouchavefim-de-curso). 2.2 Controladores Programveis Ocontroladorprogramvelpodeserdefinidocomoumdispositivo paracontroledesistemasautomatizados,oqualcapazdearmazenar instruesparaimplementaodefunesdecontrole,almderealizar operaeslgicasearitmticas,manipulaodedadosecomunicaoem rede (GEORGINI, 2003). Osprincipaisblocosquecompemumcontroladorprogramvel so a CPU, os mdulos de entrada e sada, a fonte de alimentao e a base. ACPUcompreendeoprocessador,osistemadememriaeos circuitosauxiliaresdecontrole.Oprocessadorinteragecontinuamentecomo sistemadememriapormeiodoprogramadeexecuo(desenvolvidopelo fabricante),interpretaeexecutaoprogramadeaplicao(desenvolvidopelo usurio),egerenciatodoosistema.Oscircuitosauxiliaresdecontroleatuam sobreosbarramentosdedados(databus),deendereos(addressbus)ede controle (control bus), conforme solicitado pelo processador. Oprocessadorresponsvelpelogerenciamentototaldosistema, controlandoosbarramentosdeendereo,dedadosedecontrole.Conforme determinado pelo programa de execuo, interpreta e executa as instrues do programa de aplicao, controla a comunicao com os dispositivos externos e verificaaintegridadedetodoosistema(diagnsticos).Podeoperarcom registrosepalavrasdeinstruo,oudedados,dediferentestamanhos(8,16 ou32bits),determinadopelotamanhodeseuacumuladorepelalistade instrues disponveis para cada CPU. OsistemadememriadaCPUcompostopelamemriado sistemadeoperao(programadeexecuooufirmwareerascunhodo sistema)epelamemriadeaplicao(programadeaplicaoetabelade dados). 17 Oprogramadeexecuo(firmware)constituioprograma desenvolvidopelofabricantedocontroladorprogramvel,oqualdetermina comoosistemadeveoperar,incluindoaexecuodoprogramadeaplicao, controledeserviosperifricos,atualizaodosmdulosdeentradaesada, etc.Eleresponsvelpelatraduodoprogramadeaplicaodesenvolvido pelousurioemlinguagemdealtonvel,parainstruesqueoprocessador daCPUpossaexecutaremlinguagemdemquina.armazenadoem memrianovoltiltipoROM,normalmenteEPROM.Seainstalaooua atualizaodoprogramadeexecuoforinterrompida,ocontroladordeveser enviadoparaosetordemanutenodofabricante,poisoprogramade execuo(firmware)docontroladorprogramvelsemelhanteaBIOSdo computador,acontecendoalgumproblemadeinstalao(quedadeenergia, problemasnosistemaoperacionalounocomputador)aCPUdocontrolador programvel torna-se inoperante. Noprogramadeaplicaoarmazenadooprogramadesenvolvido pelousurioparaexecuodocontroledesejado.Trata-senormalmentede memriaEEPROM, podendo ser tambm EPROM, ou ainda RAM com bateria de segurana. Natabeladedadossoarmazenadososdadosquesoutilizados pelo programa de aplicao, como valores atuais e de preset (pr-configurado), detemporizadores/contadoresevariveisdoprograma,almdosstatusdos pontosdeentradaesada.EssamemriadotipoRAM,sendogeralmente alimentada com bateria de ltio (memria retentiva). Nociclodeexecuo(scan),ocontroladorprogramvelrealizaa atualizaodasentradas,oprocessamentodasinstruesdoprogramaea atualizaodassadas.Otempodesteciclodependedacomplexidadeda lgicadecontrole,donmerodeentradasesadasedavelocidadede processamento da CPU. So comuns valores entre 50 e 100ms. Os mdulos de entrada e sada fazem a comunicao entre a CPU e omeioexterno,sendodotadosdeisolaopticaparaaproteodaCPU, indicadoresdestatusparaauxlioduranteamanutenoeconectores removveis. 18 Osmdulosdeentradarecebemossinaisdosdispositivosde entrada(sensores)eosconvertememnveisadequadosparaserem processados pela CPU. Enquanto que os mdulos de sada enviam sinais para osatuadores,essessinaispodemserresultantesdalgicadecontrole,pela execuodoprogramadeaplicao,oupodemserforadospelousurio independente da lgica de controle. Osmdulosdigitaissoutilizadosemsistemasseqenciais, correspondemaumbitdeumdeterminadoendereodatabeladedados,os sinaisdeentradaassumemdoisvaloresfixosdetenso(0ou10Vcc,0ou 24Vcc,etc.),eassadasestofechadasouabertas,ligandooudesligandoo acionamento do atuador. Osmdulosanalgicosdeentradaconvertemsinaisanalgicos, provenientesdosdispositivosdeentrada,emsinaisdigitaispormeiodo conversoranalgico-digital(conversorAD),disponibilizando-osaobarramento daCPU.Osmdulosanalgicosdesadaconvertemossinaisdigitais, disponveisnobarramentodaCPU,emsinaisanalgicospormeiodo conversordigital-analgico(conversorDA),enviando-osaosdispositivosde sada (driver, amplificador). Cada entrada ou sada analgica denominada de canal em vez de ponto,comonosmdulosdigitais.Ovalorconvertidoreferenteacadacanal analgicodeentrada,ouvaloraserconvertidoeenviadoparacadacanal analgicodesada,armazenadoemumendereoespecficonatabelade dados,determinadopeloprogramadeaplicao,eaquantidadedebits relativos a cada canal depende da resoluo dos conversores AD e DA. Afontedealimentaofornecetodososnveisdetensopara alimentao da CPU e dos mdulos de entrada e sada, funcionando como um dispositivodeproteo,gerandoumainterrupoefazendocomqueaCPU pare aexecuodoprogramadeaplicaose osnveisde tenso excederem os valores nominais. Abase,almdasustentaomecnica,contmobarramentoque possibilitaaconexoeltricaentremdulos,noqual esto presentes os sinais de dados, endereo e controle. 19 Geralmenteacomunicaodocontroladorcomocomputador, necessriaparaaprogramao,configuraoesupervisorealizadapela portaserialnospadresRS-232,422ou485,entretantoosequipamentos atuaiscadavezmaisoferecemoutrospadresdecomunicao,taiscomoos diferentes barramentos padronizados pela norma IEC 61158, alm do TCP/IP. Oprotocolodecomunicaodeterminaaformadetransmissodos dados,definidoporcadafabricanteeataxadetransmissodeterminaa velocidade,expressaembitsporsegundodatransmissodedados.O protocoloTCP/IPutilizadoparaligaroscontroladoresentresiemdistncias maiores e para lig-los aos PCs do sistema supervisrio. 2.3 Sistemas Supervisrios Quandosetrabalhacomsistemasautomatizadoscomplexos,surge anecessidadedesecriarumainterfacequefaciliteotrabalhodeoperao. Estanecessidademotivaautilizaodesistemassupervisrios,osquais podemservistoscomosistemasquesupervisionamemonitoramprocessos executados em uma planta de manufatura ou processo, atravs da visualizao dasvariveisdaplantabemcomodasaestomadaspelooperadorepelo sistema de automao. Osistemasupervisrio(MORAESECASTRUCCI,1996)recebe sinaisdeentradavindosdedispositivosderealizaodecontroledocampo (controladorprogramvel,driversparacomandodemotores,etc.)epode enviar sinais para o mesmo para atuar nos equipamentos instalados na planta. Estacomunicaofeitapormeiodetags,ouseja,mensagensdigitaisque levamconsigoinformaescomooendereodentrodocontrolador programvel,paraocasode retorno dainformaoe otipode tag(analgico, digital ou string). AstagspodemserdotipoDeviceouMemory.Devicesignificaque osdadosseoriginamdoequipamentocontroladoreMemoryqueosdados existem localmente no sistema supervisrio. O sistema supervisrio pode operar em dois modos distintos: 20 MododeDesenvolvimento:oambienteondesecriamosobjetos responsveispelamonitoraoeenviodedadosaoprocesso.Nesta etapasodefinidasastelasgrficascomosalarmes,grficos, animaes,botesdenavegaoentreastelas,declaraodetags, ajuste do caminho de comunicao, etc.; ModoRunTime:oambienteondesemostraajanelaanimadacriada nomododedesenvolvimentoenoqualsedaraoperaointegrada com o processo, durante o funcionamento da planta em tempo real. 21 3 DESCRIO DO SISTEMA Aplantaparaodesenvolvimentodestetrabalhocompostadedois reservatriosdegua,umsuperioreoutroinferior,umavlvulamanualpara regularavazodeguadoreservatriosuperiorparaoreservatrioinferior, umabombacentrfuga24Vccparacontrolaronveldoreservatriosuperior, uma resistncia de aquecimento, sensores de nvel e temperatura, alm de um controlador programvel para realizao das funes de controle. O nvel do reservatrio superior medido por um sensor ultrassnico com sada de 4 a 20mA e alimentao de 24Vcc e o acionamento da bomba regulado por um amplificador com alimentao de 24Vcc, tenso de controle de 0 a 10Vcc e sada de 0 a 24Vcc. Atemperaturadaguadoreservatrioinferiormedidaporuma termorresistnciaPT100conectadaaumtransmissordetemperaturacom alimentaode24Vcc,queenviaumsinalpadronizado,4a20mA,parao controladorprogramvel.Aguaaquecidaporumaresistnciade aquecimento de 1000W/230V, sendo que o seu acionamento feito em tenso varivelentreaproximadamente5e192Vaporumaplacadecontrolede potncia a qual recebe um sinal de controle do CLP entre 2 e 7,5Vcc. Ocontroladorprogramvel,aresistnciaeltrica,aplacade acionamento da resistncia, o sensor PT-100, o transmissor de temperatura e a aquisio de dados foram adicionados planta didtica (FESTO, 1998), pois a mesmautilizavaumcontroladordedicadopararealizarapenasocontrolede nvel e no apresentava a possibilidade de controle de temperatura. OcontroladorprogramvelCompactLogix5320foiutilizadoneste projeto por possuir as caractersticas necessrias para a aplicao, so elas: a)Quatrosadasdigitais,possibilitandohabilitarofuncionamentodo sensor ultrassnico, do amplificador de acionamento da bomba, do transmissor 22 de temperatura e da placa de acionamento da resistncia (ligando a bobina de umcontatorauxiliar),liberandoaenergiaouosinaldecomandoparao funcionamento destes dispositivos; b)Cincoentradasdigitais(24Vcc),sendoqueapenasumafoi utilizadaparaobotodeemergnciaquedesligaabombaearesistncia quando atuado; c)Quatroentradasanalgicas(0a20mAou0a10Vcc),sendoque duas foram utilizadas, uma para ler o sinal do sensor ultrassnico e outra para o transmissor de temperatura, ambas com leitura em sinal de corrente; d)Duassadasanalgicas(0a20mAou0a10Vcc),sendoqueas duas foram utilizadas para gerar sinais de tenso para regular o funcionamento doamplificadordeacionamentodabombaedaplacadeacionamentoda resistncia. Ocontroladorprogramvellossinaisdosensorultrassnicoedo transmissordetemperaturaatravsdeduasentradasanalgicas,executaa funodecontroleeregulaofuncionamentodosatuadores(bombae resistncia eltrica) atravs das sadas analgicas. Asentradasesadasanalgicasdocontroladorprogramvel possuem resoluo de 16 bits, os valores de corrente de 0 a 21mA e tenso de 0 a 10,5V so convertidos em uma escala linear de 0 a 32767. Esta definio importante para realizar a calibrao dos sensores e atuadores. Inicialmente,pretendia-seutilizarumsistemasupervisriopara aquisiodedados,entretantoporrestriesdaversoutilizada,nofoi possvel implementar a comunicao do supervisrio com o controlador. Dessa formaoptou-seporutilizarummultmetrodigitalcomcomunicaoviaporta serial e optoacoplador para a comunicao com o PC atravs do programa UT-60E. Omultmetroutilizadopararealizaraaquisiodedadosmedea corrente do sensor ultrassnico ou do transmissor de temperatura, permitindo a geraodacurvaderespostatransitriadosistemadecontroledenvelede temperatura. A partir da curva pode-se estimar a funo de transferncia. Este multmetro tambm permite a medio direta de temperatura, permitindo utiliz-lo como padro para a calibrao do transmissor de temperatura. 23 A montagem do sistema est representada nas fotos da Figura 3.1.

Figura 3.1: Fotos da ligao dos equipamentos Apartirdasrespostasdinmicascalcularam-seosganhosdos controladores atravs de um projeto de um controlador PI baseado na dinmica dosplosemmalhafechadaparaadequarosparmetrosdemximopicoe tempodeacomodao.Eserofeitasnovasaquisiesparatestaro funcionamento do sistema.AFigura3.2apresentaoesquemadeligaodocontrolador programvel com as fontes externas, a bomba, a resistncia, o amplificador de acionamentodabomba,aplacadecontroledepotncianaresistncia,o 24 sensor ultrassnico,otransmissordetemperatura,oPT-100 eo contator para liberar o funcionamento da placa de acionamento da resistncia. Figura 3.2: Esquema de ligao dos equipamentos 25 4 PROGRAMAO DO CONTROLADOR Nestecaptuloseroestudasasprincipaiscaractersticasdeligao e programao do controlador programvel CompactLogix 5320 e do programa RSLogix 5000, ambos produzidos pela empresa Rockwell Automation. Optou-se por manter este captulo mais detalhado, com o formato de umtutorial,poisotextoapresentadosintetizainformaesesparsasem diversosmanuais,tendosidooriginadoapartirdoestudoparainstalaoe programaodocontrolador,oqualnopoderiaseravaliadoapenaspelo programa apresentado. Acredita-sequeasinformaesseroimportantesparaautilizao da planta didtica, bem como para implementao de trabalhos futuros. 4.1 Caractersticas do Controlador Compact Logix 5320 NaFigura4.1(ROCKWELL,2003a)podeserobservadaaCPUdo controladorprogramveldasrieCompactLogixutilizadonesteprojeto,oqual produzido pela empresa Rockwell Automation. Figura 4.1: CPU do controlador programvel 26 EstecontroladorpossuitrsmodosdeoperaodaCPU:PROG, REM e RUN. NomodoPROG(deprogramao)possveldesligarassadas, carregaredescarregarprojetosentreocontroladorprogramveleo computador,criaremodificarprogramas.Ocontroladornoexecutaciclosde varreduranoprogramaenopermitidomudaromododeoperaoatravs do software de programao. NomodoREM(deremoto)possvelhabilitaromododeoperao pelo programa de aplicao. Trs opes so possveis: -RemoteRun:oprogramaexecutadopelocontrolador programvel,assadasficamhabilitadaseoprogramapodesereditadoem funcionamento; -RemoteProgram:assadasficaminoperantes,possvelcriare modificarprogramas,podeserfeitoodownloaddoprojeto,ovalordastags podem ser modificados, o controlador programvel no executa o programa; - Remote Test: a edio do programa on-line e durante a execuo doprogramaeassadasnofuncionam,podeserutilizadoparatestesem sistemasdecontrole,paraevitarqueumainstabilidadenafasedetestese aquisio de dados cause avaria nos equipamentos. NomodoRUN(deexecutar)possvelexecutaroprogramae habilitarassadas,nopermitidocriarousuprimirtarefas,programas,ou rotinasenopermitidomudaramododeoperaousandoosoftwarede programao. Paraserpossvelaprogramaodocontroladornecessriolig-lo aocomputadoratravsdocaboRS-232(ROCKWELL,1997).Oconector fmeadeveserconectadoaocontroladorprogramvel(Channel0)eo conector macho ao canal 0 da porta RS-232 do computador. Alm disso, um conjunto de LEDs de sinalizao permitem verificar o funcionamento do controlador e alarmar os erros. No Anexo A encontra-se uma tabela de sinalizao de LEDs. Afonte(ROCKWELL,2000)fornecetensocontnuaparao barramento,sendoresponsvelpelofornecimentodetensoestabilizadapara a CPU e para os mdulos. A alimentao da fonte 1769-PA2 feita em tenso 27 alternada com valores entre 120 e 240Vca e freqncia entre 47 e 63Hz. Alm datensofornecidaaobarramento,ela fornece 24Vcc (250mA) para a ligao decircuitosqueacionementradasdigitais24Vccdosmdulosconectadosao mesmo barramento. O aterramento conectado em um conector especfico. NaFigura4.2,sodescritososconectoresexistentesnafontede alimentao e tambm a descrio dos mdulos de entrada e sada. Omdulodigital1769-IQ6XOW4(ROCKWELL,2001a)possui6 canaisdeentrada24Vcc(2mAporcanal)e4canaisdesadaarelde5a 265Vac (2,5A por canal e 8A na soma de todos os canais de sada do mdulo) ou de 5 a 125Vcc (1A por canal). Figura 4.2: Conectores de ligao da fonte e mdulos de entrada e sada NaFigura4.3 est a forma de ligao das entradas e sadas digitais com os dispositivos de campo. 28 Figura 4.3: Ligao do mdulo digital Omduloanalgico1769-IF4OF2(ROCKWELL,2001b)possui4 canaisdeentradae2canaisdesada(0a10Vccou0a20mA).Todosos terminaiscomunsdomdulo(ANLGCOM)estoconectadosnomdulo analgico e o mesmo no est conectado ao terra. Osmdulosdesadapossuemproteocontracurto-circuitoe circuito aberto e os canais no esto isolados uns dos outros. Assadasdetenso(Vout0+eVout1+)estoreferenciadasaos terminaiscomunsANLGCOMearesistnciadecargadeumcanaldesada detensodeveserigualousuperiora1k.Assadasdecorrente(Iout0+e Iout1+)fornecemcorrentesquedevemretornaraoANLGCOM.A resistncia de carga de um canal de sada deve estar entre 0 e 300. AstensesdeVin+,V/Iin-eIin+devemestarnumafaixaentre0e 10VccemrelaoaoANLGCOMeacorrentedoscanaisdeentradade corrente no pode ultrapassar a 21mA. NaFigura4.4,estoasformasdeligaodasentradasesadas analgicas: 29 Figura 4.4: Tipos de ligao do mdulo analgico 4.2 Configurao do Controlador Paraoentendimentododesenvolvimentodaaplicao,sero demonstradososprincipaispassosdeprogramaoeconfiguraodeum projetonoRSLogix5000(ROCKWELL,2003b),(ROCKWELL,2004a), (ROCKWELL, 2004b). Criao do projeto Para a criao de um novo projeto no RSLogix 5000, deve-se abrir o programaeselecionaraopoNovo.Aparecernatelaumajanela(Figura 4.5) de configurao para se definir a referncia do controlador utilizado. Neste projetofoiutilizadooControllerCompactLogix5320,1769-L20eonomedo arquivo com uma descrio. Figura 4.5: Criao do projeto e definio do controlador 30 No caso especfico do controlador utilizado neste projeto necessitou-serealizarumaatualizaodefirmware,disponvelnositedesuportede fabricante(http://support.rockwellautomation.com/ControlFlash).Umcuidadoa sertomadoqueocomputadoreocontroladorprogramveldevemestar ligados a um no-break pois se por algum problema a instalao da firmware for interrompida, o controlador fica sem comunicao ficando inoperante. Seleo dos mdulos de entrada e sada Clicando-secomobotodireitonocampoCompactBusLocale selecionando a opo Novo Mdulo..., aparecer o campo de seleo do tipo de mdulo, conforme a Figura 4.6. Figura 4.6: Definio dos mdulos de entrada e sada Neste projeto, o mdulo digital localizado na primeira ranhura aps a CPU e a fonte o 1769-IQ6XOW4 com entrada de dreno ou fonte de 6 pontos 24VccesadaarelCA/CCde4pontos,a seleodestemdulomostrada na Figura 4.7. 31 Figura 4.7: Seleo do mdulo digital Selecionando-seestemdulopode-seconfigur-locomumnome, umadescrio,aranhura(posio),conexo(podendoinibiroseu funcionamento) e a determinao do estado que cada sada deve ficar quando ocontroladorentraemfalhaouemmododeprogramao, conformeaFigura 4.8. Figura 4.8: Configurao do mdulo digital Parainformaraexistnciadomduloanalgicoaoprograma, repete-seoprocedimentodescritona Figura 4.6.Com ocampodeseleo do mduloabertopode-seselecionarapenasotiponestecasoapenasocampo 32 Analgicofoiselecionado,diminuindoasopesdeescolhanatelapara apenas os mdulos analgicos. O mdulo analgico utilizado na segunda ranhura o 1769-IF4XOF2 com entrada de 4 canais e sada de 2 canais analgicos de baixa resoluo (16 bits, 0 a 10Vcc ou 0 a 20mA), conforme a Figura 4.9. Figura 4.9: Seleo do mdulo analgico Selecionando-seomdulopode-seconfigur-lodemaneira semelhanteaodigitalcitadoanteriormente.AFigura4.10permitevisualizar parcialmente as telas de configurao deste mdulo. Figura 4.10: Configurao do mdulo analgico 33 Tags associadas aos mdulos de entrada e sada NaopoTagsdoController,pode-semonitorarosvalores,em escalade16bits,dasentradasesadas.Tambmpodemosutilizaraopo mscaradeforaqueservistaemdetalhesnoitem4.3.Nocampode ediode tags, pode-se relacionar uma tag base e alias para referenci-las s tags do programa. Atagumareadefinidadamemriadocontrolador,emqueos dadossoarmazenados.omecanismobsicoparaalocarmemria,fazer referncia aos dados a partir da lgica e monitor-los. Atagbaseaquerealmentedefineamemriaemqueum elementodedadosarmazenadoeatagaliasreferenciaamemriadefinida por uma outra tag. Umapartedastagsrelacionadasaomdulodigitalpodemser observadas na Figura 4.11. Figura 4.11: Tags relacionadas ao mdulo digital Emumajanelasimilarpodemserobservadasastagsrelacionadas ao mdulo analgico. 34 Ajuste do caminho de comunicao pelo RSLinx Comafirmwareinstaladaeocabodecomunicaoligado corretamentepode-seajustarocaminhodecomunicaopeloprograma RSLinx, como mostrado na Figura 4.12. Figura 4.12: Ajuste de caminho pelo RSLinx Envio do programa ao controlador NoRSLogix5000,selecionando-seaopoWhoativopode-se gravaroprogramaeditadonocomputador(Descarregar),baixaroprograma gravadonocontroladorprogramvel(Carregar),acompanharaexecuode um programa (Entrar on-line) ou atualizar a firmware.Paraenviaroprogramaaocontroladornecessriopressionaro botoDescarregardajanelaWhoativo,mostradanaFigura4.13,e confirmar a operao. Figura 4.13: Envio do programa ao controlador 35 Paraacriaodenovoscomponentesnoprojeto(rotinaemladder, tag,mduloouprograma)bastaselecionaromenuArquivoeselecionara opo desejada. Data Types OusuriopodecriarumamatrizdedadoscriandoumaDataType nosubdiretrioDefinidopelomdulo.Nestaopoousuriopodecriartipos de variveis para inserir no campo Tipo nas tags do programa. OsubdiretrioGrupospossuiamatrizdedadosSTRING,esta matrizaceita82caracteresalfanumricosemASCII,sendoutilizadoparaa manipulaodetextosnoprograma,possibilitandoqueosistemade supervisoenvieourecebatextosnacomunicaocomocontrolador programvel. OsubdiretrioPredefinido(Figura4.14)possuitodasasmatrizes de dados das funes predefinidas no RSLogix 5000. Quando o programa est emexecuo,osvaloresdasmatrizesdasfunesutilizadasnoprograma podem ser monitorados e forados na opo Tags do Program. So exemplos de Data Types predefinidos: PID, BOOL, REAL, INT, etc. EnosubdiretrioDefinidopelomdulo(Figura4.14)estoas matrizesdedadosdetodososmdulosdeentradaesadadeclaradosno projeto.Quandooprogramaestemexecuo,estesvalorespodemser monitorados e forados na opo Tags do Controller. 36 Figura 4.14: Data Types Predefinido e Definido pelo Mdulo 4.3 Programao do Controlador NosubdiretrioMainProgram,tem-seoscamposTagsdo ProgrameMainRoutine.OcampoTagsdoProgramutilizadoparaa criao das tags. Para criar uma tag, dado um nome, uma descrio e o tipo dedado,podendo serdotipo inteiro(INT),real(REAL),blocoPID (PID), texto (STRING),entreoutrosdefinidosnosDataTypesdotipo:Definidopelo usurio,GruposePredefinido,astagscriadasparaesteprojetoesto relacionadas no Anexo B. Nacriaodastags,tem-seocampoAliaspara,queservepara referenciarumatagaoutra.Porexemplo:declararumatagparaescrevero ganhoproporcionalemumcontroladorPIDdeclaradonoprograma,criaruma tagparareferenciar umvalor em uma sada do controlador programvel ou ler uma entrada.Paratestarofuncionamentodoprogramaoudaplantapossvel forarosvaloresdeentradaesada.Paraisto,oprogramadeverestarem execuonomodoRUN,oRSLogix5000deveestarmonitorandoa execuo doprograma,omenuLgicodeveestarselecionadoeasforasdeI/O devem ser ativadas, conforme a Figura 4.15. 37 Figura 4.15: Habilitao da Mscara de Fora Apsestaetapa,ajaneladetagsdoprogramaoudocontrolador dever ser selecionada na opo Monitorar tags. Com a monitorao de tags aberta na tela, pode-se digitar o valor a ser forado na tag desejada, conforme destacadonafiguraanterior.Asvariveisdigitaispodemassumirvaloresde apenas0ou1evariveisanalgicaspodemassumirvaloresde-32768a 32767,poisaresoluodomduloanalgicoutilizadonesteprojetode16 bits(215=65536).Avariaode-32768a32767diretamenteproporcional variao do sinal de tenso de -10,5Vcc a 10,5Vcc ou do sinal de corrente de -21mAa21mA,poisestessoosvaloresdefundodeescaladomdulo analgico. AopoMainRoutineabreoeditordeprogramaoemdiagrama ladder do RSLogix 5000, neste editor esto os controladores PID do sistema de controledenvel(Figura4.16)etemperatura,aentradadigitaldobotode emergncia,obitdeinicializaodoprogramaeassadasdigitaispara habilitarofuncionamentodabomba,dasresistncias,dotransmissorde temperatura e do sensor ultrassnico (Figura 4.17). 38 Figura 4.16: Bloco PID no diagrama ladder Figura 4.17: Habilitao dos atuadores e sensores O programa ladder completo encontra-se no Anexo C. Pode-sealterarosvaloresdoscontatosdigitaisnoprogramaladder comomesmoemexecuo,clicando-secomobotodireitodomouseno contatoeselecionandoaopoAlternarbit.Estaopotilparaa realizao de testes de funcionamento do programa e da planta. 39 ParaacriaodoblocoPIDenecessrioselecionarogrupode elementosEspecial,posicionarolocaldodiagramaondeoblocoPIDser inseridoeclicarnobotoPID.ApsacriaodoblocoPIDnecessrio configur-lo,indicandoa varivel analgica de entrada e de sada nos campos VariveldeProcessoeVariveldeControle,respectivamente.Clicando-se naCaixadedilogodeexibiodeconfiguraodetagabrem-seascaixas de configurao de ajuste, configurao, alarmes, converso de escala e tag. A configurao de ajustes (Figura 4.18) permite o ajuste do set-point, dos ganhos proporcional, integral e derivativo. Tambm permite ajustar a sada comosistemaemmalhaaberta,selecionando-seaopoManualde software e digitando-se em valores percentuais o sinal de sada a ser aplicado noatuador,estaopomuitotilparaarealizaodosensaiosemmalha aberta com a aplicao de uma excitao em degrau. Figura 4.18: Ajustes do bloco PID AcaixadeconfiguraodoPID(Figura4.19)temasfunesde determinarseaequaodecontroledependenteouindependente, determinarseaaodecontrolecalculadapeloset-pointdiminudoda variveldeprocessoouooposto,seaaoderivativacalculadaemfuno davariveldeprocessooudoerro,otempodeatualizaodamalha,limites altosebaixosdavariveldeentrada,valordabandamorta(zonamorta), harmoniaderivativa,clculodebias,cruzamentozeroparabandamorta, rastreamento da varivel de processo e colocao da malha em cascata como mestre ou escravo. 40 Figura 4.19: Configurao do bloco PID Acaixadeconfiguraodosalarmes(Figura4.20)utilizadapara acionar os bits respectivos na matriz de memria do PID. Os valores podem ser ajustadosequandoocorreroalarme,obitcorrespondenteternvelaltoe possibilitando a leitura pelo supervisrio, indicando o alarme. Figura 4.20: Alarmes do bloco PID Aconversodeescala(Figura4.21)serveparatransformaros valoresdetenso-10,5Vcca10,5Vecorrente-21mAa21mAnonmerode degraus da resoluo do controlador -32768 a 32767. Os valores de tenso ou correntesoproporcionaisescalade16bits(resoluodomdulo analgico).Avariveldeprocessoreferenciadanovalorsemescalaena unidadedeengenhariaemvaloresmximosemnimos,respectivamente.A variveldesadapodeserlimitadanosvaloresmximoemnimoatravsda escalade-32768a32767.Osvaloresdotiebackdevemseriguaisaosdos limites da varivel de processo. 41 Figura 4.21: Converso de escala do bloco PID Aconfiguraodetag(Figura4.22)possuiumcampoparaa descrio da funo do bloco PID no projeto. Figura 4.22: Tag do bloco PID 42 5 ATUADORES E SENSORES UTILIZADOS Os sensores e atuadores possibilitam que o controlador programvel possalerosdadosdaplantaeatuarnamesma,realizandoocontrole.Os sensoresservemparainformaraocontroladorprogramvelonveldo reservatriosuperioreatemperaturadoreservatrioinferior.Eosatuadores servemparaqueastensesdecontroledassadasanalgicas docontrolador programvel possam regular o funcionamento da bomba e da resistncia. Estes dispositivos sero detalhados a seguir. 5.1 Acionamento da Bomba Paraocontroladorprogramvelregularavelocidadedabomba (Figura 5.1) acionada por um motor de corrente contnua de 24Vcc, utiliza-se o amplificadorVARIOCOMPACTLUTZE(Figura5.2).Estesequipamentosj fazempartedabancadadidtica(FESTO,1998)utilizadanestetrabalho.Este amplificador possui tenso de alimentao de 24Vcc, recebe o sinal de controle de 0 a 10Vcc do controlador programvel e gera uma sada de 0 a 24Vcc (valor nominal,poishsaturaoem22,1V)diretamenteproporcionalaosinalde controle e trabalha com uma corrente de carga de at 1A. Figura 5.1: Bomba centrfuga 43

Figura 5.2: Amplificador de acionamento da bomba A relao entre o percentual da ao de controle e a tenso de sada medida mostrada na Figura 5.3, obtida a partir de medies experimentais. Figura 5.3: Variao da tenso do amplificador de acionamento da bomba A ligao deste amplificador mostrada na Figura 5.4. Ressalta-se a importncia de conexo a terra no pino 23, no especificado na documentao e que ocasionou diversos erros durante a implementao.Oamplificadordeacionamentodabombapodetrabalharcom tensesnominaisdecontroleentre0e10Vedesadade0a24V.Porm quandoatensodecontroleultrapassaa8,5V,atensodesadasaturaem 22,1V.Porissoafaixadetensoqueasadaanalgicadeveaplicardeve variarentre0e8,5V,paratornaromaislinearpossvelaaodecontrole. 44 Nestecaso,0Vcorrespondeazeronaescaladocontroladorprogramvele 8,5V representa 26526. Este ajuste feito na opo Control Variable da caixa de converso de escala do PID para o controle de nvel, conforme mostrado na Figura 4.21. Figura 5.4: Esquema de ligao do amplificador 5.2 Acionamento da Resistncia Paraacionamentodaresistnciadeaquecimentofoiconfeccionado umcircuitoeletrnicooqualpermiteregularatensoaplicadaresistncia, variandoongulodedisparoemumretificadorsemi-controladocomdois diodosedoisSCRs.Ocontroledongulodedisparofeitopelocircuito integradoTCA785(SIEMENS,2005)quededicadoaplicaodecontrole dengulodedisparoTRIACsetiristorescontinuamentede0oa180o(foi utilizadoongulomnimode 20oparano perderosincronismode pulsos e a linearidade na aplicao de potncia). Quando aplicado 2Vcc pela sada analgica no pino 11 do CI TCA 785,apotnciadesadadaplacade760W,poisongulodedisparode 20o, e quando a sada analgica aplica 7,5Vcc no pino 11 a potncia de sada 5W,poisongulodedisparode170o(noutilizou-seongulomximode 180o para obter uma relao aproximadamente linear da ao de controle com a potncia aplicada). No bloco PID do programa est configurado que a sada a 0%aplica2Vccnaplacae100%dasadaaplica7,5Vcc.Osvalores intermediriosentre2Vcce7,5Vccsorelacionadossadaconformeo grfico da Figura 5.5, a qual foi obtida a partir de medies experimentais. 45 Figura 5.5: Relao entre a tenso de controle e a potncia aplicada s resistncias Aplacadeacionamentodaresistnciacausaumadissipaode potncianaresistnciaeltricaaproximadamentelinearcomtensesde controle entre 2 e 7,5V, portanto, estes valores de tenso so correspondentes a 6241 e 23405, respectivamente conforme mostrado na Figura 4.21. AconfiguraointernadoTCA785possibilitaumasimplificada seleodecomponentesexternosparachaveamento,semtornarmuito volumosoocircuitofinal.Aseguirseroespecificadasasfunesdospinos deste circuito integrado utilizados neste projeto: - PINO 01 . Terra. - PINO 05 . Entrada de Sincronismo (diodos em antiparalelo). - PINO 06 . Inibe todas as sadas (quando aterrado). - PINO 09 . Potencimetro de ajuste de rampa (20500K). - PINO 10 . Capacitor de formao de rampa (C3 = 0.5F ). - PINO 11 . Entrada de Tenso de controle (nvel/CC), ligada sada analgica, comvariaode8Vccparasadade0Vmed(180)a1Vccparasadade 180Vmed (0o). - PINO 12 . Controla a largura dos pulsos de sadas 14 e 15. - PINO 13 . Controla a largura dos pulsos de sadas 14 e 15. - PINO 14 . Sada de pulso positivo no semi-ciclo positivo. 46 - PINO 15 . Sada de pulso positivo no semi-ciclo negativo. - PINO 16 . Alimentao CC, no necessariamente estabilizada. NaFigura5.6podeserobservadoocircuitoimplementadoea especificao dos componentes. AfontedealimentaoparaoscircuitosinternosdoTCA785de 3,1V, regulada pelo mesmo a partir da alimentao do pino 16. Isto permite que o CI possa ser alimentado com diversos nveis de tenso (de 8V a 18V), neste circuitoaalimentaodopino16estsendofornecidapeloCIreguladorde tenso7815,oqualrecebe18VdotransformadoreentregaaoTCA785uma tensoestabilizadaem15V.OcapacitorC1ligadoaopino1doreguladorde tenso7815temoseuvalorestabelecidopelofabricanteem1000F25Ve tem a funo de filtrar a tenso entregue pelo transformador suprimindo rudos, o capacitor C2 de 104J 100V tambm tem a funo de filtrar a tenso. Ocircuitodedisparodeveestarsincronizadocomarede,ou ocorrerodisparoaleatriodostiristores,umavezquecadapulsoser aplicado em um instante que no estar relacionado com a tenso da rede.Umpontoderefernciaparaosincronismoapassagemdarede por zero. Isto ocorre a cada 8,33ms, aproximadamente, em redes de 60Hz. No TCA 785 existe um detector de passagem por zero que gera um pulso de sincronismo toda vez que a tenso da rede passa por zero. A entrada para a tenso de referncia o pino 5. Olimitedetensoparaopino5de2Veolimitedecorrente aproximadamente 1mA, o diodos D1 e D2 esto presentes para limitar a tenso no pino 5 em aproximadamente 0,7V. O resistor R1 limitar a corrente. Nossemiciclospositivosdaredeteremospulsospositivosnasada correspondenteaopino15,enquantoquenossemiciclosnegativosdarede teremos pulsos positivos na sada correspondente ao pino 14. Opino6doTCA785oinibidordepulsos,queativoemnvel baixo.OresistorR2limitaacorrentenopino6,quandoachaveS1 pressionada o pino 6 fica em nvel baixo ativando o inibidor de pulsos, ou seja, os pinos 14 e 15 no enviaram pulsos ao tiristores. 47 Figura 5.6: Esquemtico da placa PONTE 1DC WO4M R1150 5% R210k 5% R310k 5% R422k 5% R582 5% R682 5% R7120 5% R8120 5% C11000F 25V C2104J 100V C3B331 C447nF M250 C5100nF/K C6100nF/K Q1LM340T15 7815 Q2BC 547 Q3BC 547 D11N4004 D21N4004 D31N4004 D41N4004 D51N4007 D61N4007 SCR1BT-151 SCR2BT-150 F110A 250V F210A 250V 48 Apartedepotnciacompostadeumaponteretificadoradeonda completacomdoisdiodosedoisSCRs,permitindoocontroledongulode disparo quando os SCRs ficam em polarizao direta, um a cada semiciclo. 5.3 Sensor de Temperatura Paraamediodatemperaturadoreservatrio,utilizadoum sensor PT-100 ligado a um transmissor de temperatura. OsensorPT-100assimchamadoporpossuirumelementode platina e resistncia padronizada de 100 a 0oC, conforme a Figura 5.7. Figura 5.7: Curva de resistncia versus temperatura do PT-100 Comoqualquertermorresistor,oPT-100trabalhaassociadoao transmissor de temperatura que, neste caso, converte a variao de resistncia em sinal de corrente. AconexoentreotransmissordetemperaturaeoPT-100feitaa trsfios,assimotransmissorconseguemediraresistnciadoPT-100e diminu-ladaresistnciadoscabos.AFigura5.8esquematizaaligaodo sensor ao transmissor. Naligaoatrsfiosotransmissordetemperaturasubtraia resistnciadoscondutoresdaresistnciadoPT-100,poisconseguemedi-la entreoscondutores1e2.Paraestemtododecorreoterresultados 49 satisfatrios,oscondutoresdevemserdemesmocomprimento,materiale seo. Figura 5.8: Esquema de ligao do PT-100 com o transmissor de temperatura Otransmissordetemperaturautilizadonesteprojeto,modeloMRT-0403L,podetrabalharcomtemperaturasentre0oCe300oC,podendoser ajustada a sua faixa de operao dentro destes limites. O ajuste utilizado neste projetopermitequeotransmissormeatemperaturasentre0oCe100oC, variando a sada entre 3,91 e 11,09mA. OPT-100 e o transmissor de temperatura foram calibrados de modo quealeituradavariveldeprocessosejaconvertidademiliamprespara grausCelsius.Paraesteensaioutilizou-segelofundentea0oC,mergulhando-seopoocomoPT-100eotermoparutilizadocomopadro.Quandoa temperaturadopooestabilizouem0oC,otransmissordetemperatura forneceuumacorrentede3,91mA(apsajustaropotencimetrodezerodo transmissor de temperatura), que corresponde a 6100 na escala do controlador programvel. Na outra fase do ensaio, mergulhou-se o poo, com o PT-100 e o padrodetemperatura,emguaa100oC(emebulio).Quandoa temperaturaindicadapelopadroestabilizouem100oC,otransmissorde temperaturaforneceu11,09mA(apsajustaropotencimetrodespando transmissordetemperatura),estevalorcorrespondea17300naescalade leitura do controlador programvel. Osvalores17300e6100foramrelacionadosa100oCe0oC, conforme a Figura 4.21. 50 5.4 Sensor de Nvel Para amediode nvel, utiliza-se um sensor ultrassnico (Figura 5.9)ligadoentradaanalgicavariandoosinalentre10,77mAe16,17mA correspondendo um nvel entre 50mm e 220mm (FESTO, 1998). Figura 5.9: Sensor ultrassnico Ossensoresultrassnicosoperamemitindoerecebendoondas sonorasemaltafreqncia.Afreqnciageralmenteem200kHz,acimada que percebida pelo ouvido humano. H dois modos bsicos de operao: modooposto:osensoremiteaondasonoraeumoutro,montadodo lado oposto do emissor, recebe a onda sonora.; mododifusooueco(utilizadonesteprojeto):omesmosensoremitea onda sonora e escuta o eco. A faixa de deteco o alcance dentro do qual o sensor ultrassnico detectar o alvo sob flutuaes de temperatura e tenso. Ossensoresultrassnicospossuemumazonacegalocalizadana facededeteco.Otamanhodazonacegadependedafreqnciado transdutoreobjetoslocalizadosdentrodeumpontocegopodemnoser confiavelmente detectados. Certascaractersticasdoalvodevemserconsideradasaousaros sensoresultrassnicos.Elasincluemformadoalvo,material,temperatura, tamanhoeposicionamento.Materiaismacios,taiscomotecidoouespumade borrachasodifceisdedetectarcomtecnologiadeultra-somdifusoporque eles no so refletores de som adequados. Duranteosensaios,percebeu-seumalimitaodautilizaodeste sensor no uso com gua acima da temperatura ambiente, pois o favorecimento 51 da evaporao provoca a condensao de gua na face sensora, prejudicando a leitura do mesmo. ATabela5.1apresentaosdadosprincipaisdosensorutilizado nesteprojetoeacurvadecalibrao (FESTO,1998)apresentadanaFigura 5.10. Tabela 5.1: Dados do sensor ultrassnico Tenso de operao24Vcc Corrente de entrada (consumo)