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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA

ESCOLA POLITÉCNICA

ISIS TORRES CARNEIRO

CONTROLE DE NÍVEL DE TANQUES NÃO LINEARES IMPLEMENTADO EM UM CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL COM SISTEMA DE SUPERVISÃO

LABVIEW

Salvador

2014

ii


CONTROLE DE NÍVEL DE TANQUES NÃO LINEARES IMPLEMENTADOEM CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL COM SISTEMA DE

SUPERVISÃO LABVIEW

Monografia apresentada ao Curso de graduação em

Engenharia de Controle e Automação de Processos,

Escola Politécnica, Universidade Federal da Bahia,

como requisito para obtenção do grau de Bacharel

em Engenharia de Controle e Automação.

Orientador: Márcio André Fernandes Martins

Salvador

2014

iii


CONTROLE DE NÍVEL DE TANQUES NÃO LINEARES IMPLEMENTADOEM CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL COM SISTEMA DE

SUPERVISÃO LABVIEW

Este Trabalho de Graduação foi julgado adequado para a obtenção do grau de Engenheiro de Controle e

Automação e aprovado em sua forma final pela Comissão Examinadora e pelo Colegiado do Curso de

Graduação em Engenharia de Controle e Automação de Processos da Universidade Federal da Bahia.

_____________________________ Prof. Marcus Vinicius Americano da Costa Filho

Coordenador do Colegiado do Curso de

Engenharia de Controle e Automação de Processos

Comissão Examinadora:

____________________________

Prof. Dr. Márcio André Fernandes Martins (Orientador)

_____________________________

Prof. Dr. Marcus Vinicius Americano da Costa F°

_______________________

Engº. M.Sc. Raony Maia Fontes

iv

DEDICATÓRIA

À minha família e amigos.

v

AGRADECIMENTOS

À Deus e meus guias protetores por todas as maravilhas que se operam em

minha vida.

Aos meus pais Janilton e Alice pelo incentivo, confiança, carinho e

ensinamentos de valores e determinação; aos meus irmãos Iris, Isa e Ivis pela

paciência e apoio nas horas difíceis e ao meu sobrinho João Paulo por encher

minha vida de amor e alegria.

A todos os amigos que conquistei ao longo desses anos por estarem ao meu

lado nos momentos bons e ruins e em especial Márcia Belas e sua família pelo

cuidado, atenção e carinho.

Aos meus queridos colegas de curso egressos em 2009 e os agregados pelos

6 anos de paciência, companheirismo e dedicação, em especial a Adriano

Brandão, Rafael Melo e Rafael Rocha que contribuíram para realização deste

trabalho. Todos vocês estarão para sempre em meu coração!

Ao meu orientador Márcio Martins pela paciência e ensinamentos e ao

professor Dr Tito por abrir as portas do LAC para a realização deste trabalho.

O meu muito OBRIGADA!

vi

“Sua tarefa é descobrir o seu trabalho,

e então, com todo o coração,

dedicar-se a ele.”

Buda

vii

RESUMO

Este trabalho propõe projetar um sistema de controle de nível dos tanques não

lineares do kit didático do LAC (Laboratório de Automação e Controle da

EPUFBA). Um sistema supervisório implementado na plataforma

computacional LabVIEW é integrado ao sistema de controle proposto, cuja

comunicação é realizada através do protocolo OPC. A configuração da lógica

de controle foi desenvolvida em programação de linguagem Ladder no

controlador lógico programável Compactlogix L32E da Rockwell Automation.

Testes na planta foram realizados para identificação de modelos e os

controladores foram sintonizados pelo método IMC. Os resultados de aplicação

do sistema de controle demonstram sua robustez para os casos

servomecanismo e regulatório.

Palavras-chave: controle de processos, automação, sistema supervisório,

OPC, LabVIEW.

viii

ABSTRACT

This work deals with the design for the level control of nonlinear tanks from the

teaching kit at LAC (Laboratory of Automation and Control of the Polytechnic

School at Universidade Federal da Bahia).A supervisory system developed in

the LabVIEW platform is adequately integrated to the proposed control system.

The communication between the computational tools is performed by using the

OPC protocol. Furthermore, the configuration of the proposed control logic has

been developed using Ladder programming language in the programmable

logic controller CompactLogix L32E Rockwell Automation. Plant tests were

performed to identify models and the controllers are tuned by the IMC method.

Results from the application of the control system demonstrate its effectiveness

for both the output tracking and disturbance rejection cases.

Keywords: process control, automation, supervisory system, OPC, LabVIEW.

ix

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1: Planta Experimental

Figura 3.1: Teste no tanque 01 sistema de 1ª ordem



Figura 3.4: Teste no tanque 01 sistema integrador



Figura 3.7 Configuração dos TAGS do programa no CLP

Figura 3.8: Bloco de cálculo

Figura 3.9: Aba configuration do controlador

Figura 3.10: Aba tuning do controlador

Figura 3.11: Aba scaling do controlador

Figura 3.12: Tela de visão geral

Figura 3.13: Tela do Tanque 01



Figura 4.1: Controle de Nível do Tanque 01 para x = 3









x

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1: Função de transferência do processo

Tabela 3.2: Fórmula do métodoλ-P.

Tabela 3.3: Parâmetros dos controladores

Tabela 4.1: Critérios de desempenho

xi

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

CLP – Controlador Lógico Programável

ADC – Conversor Analógico-Digital

LAC – Laboratório de Automação e Controle

PID – Proporcional – Integral – Derivativo

SP – Setpoint

IMC – Internal Model Control

MV – Variável Manipulada

PV – Variável de Processo

OPC - OLE for Process Control

OLE - Object Linked Embedded

PWM – Pulse Width Modulation

UFBA – Universidade Federal da Bahia

PEM– Prediction Error Methods

LD - Diagrama Ladder

FBD - Blocos de Função

ST - Texto Estruturado

VI - Virtual Instruments

FT – Função de Transferência

ITAE- Integral do tempo multiplicado pelo valor absoluto do erro

ISE- Integral do Quadrado do Erro

xii

LISTA DE SÍMBOLOS

- Ganho do processo

- Ganho do processo em malha aberta

–Constante de tempo do sistema

- Constante de tempo do sistema em malha aberta

- Tempo morto de sistema

- Critério de desempenho

| - Ganho proporcional do controlador

- Ganho integral do controlador

– Tempo integral

- Função de transferência do processo

- Função de transferência do controlador

- Ganho em malha aberta

– Tempo de resposta em malha aberta

xiii

SUMÁRIO

CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO ......................................................................... 1

1.1 MOTIVAÇÃO ......................................................................................... 1

1.2 OBJETIVOS .......................................................................................... 2

CAPÍTULO 2: DESCRIÇÃO DA PLANTA ....................................................... 4

CAPÍTULO 3: METODOLOGIA ...................................................................... 6

3.1 MODELAGEM DO SISTEMA ................................................................... 6

3.2 SINTONIA DOS CONTROLADORES ..................................................... 10

3.3 PROGRAMAÇÃO LADDER NO CLP ..................................................... 11

3.4 SISTEMA DE SUPERVISÃO .................................................................. 15

CAPÍTULO 4: RESULTADOS ....................................................................... 19

CAPÍTULO 5: CONCLUSÃO ........................................................................ 25

REFERÊNCIAS ................................................................................................ 26

APÊNDICE ....................................................................................................... 28

1

CAPÍTULO 1: INTRODUÇÃO

1.1 MOTIVAÇÃO

As indústrias dos mais diversificados ramos de atuação estão cada vez mais

preocupados com a produtividade e com a qualidade dos seus produtos.

Dentro deste contexto, a automação se tornou uma ferramenta crucial para

alcançar tais objetivos industriais. Através da implementação de malhas de

controle automatizadas as indústrias conseguem se tornar cada vez mais

competitivas, pois os processos se tornam mais eficientes e seguros. Além dos

ganhos econômicos, questões ambientais também vêm ganhando maior

importância, de modo que os ganhos em eficiência e segurança dos

processos através de técnicas de controle contribuem também na redução dos

impactos ambientais (Silva, 2009).

Com a rápida e constante evolução das tecnologias dos sistemas e

técnicas de controle aplicadas na indústria, a formação de profissionais para

atuarem na área de controle e automação vem tornando-se mais

requisitada. No âmbito do ensino da engenharia, essa atual conjuntura apenas

endossa a forte vinculação entre a teoria e prática como um fator

preponderante para formação dos engenheiros modernos. Em outras

palavras, as universidades precisam acompanhar essas mudanças fornecendo

não apenas fundamentação teórica, mas também abordar os assuntos deforma

experimental e aplicada, fomentando o uso de ferramentas

computacionais práticas, o que propicia uma visão mais pormenorizada e

íntima de um ambiente industrial aos alunos (Gomes e Pinto, 2008). Se por um

lado é patente a necessidade de criar plataformas amigáveis que permitam os

estudantes de engenharia de controle aplicar os conceitos vistos em sala de

aula, por outro lado há ainda escassas ferramentas de apoio prático

desenvolvidas no país (Margottiet al., 2011). Entretanto a UFBA possui parceria

com a Rockwell Automotion, a qual fornece controladores lógicos programáveis

(CLPs) e outras ferramentas computacionais, além de ser detentora de licença

campus da plataforma LabVIEW. Particularmente, o Laboratório de Automação

e Controle (LAC) da EPUFBA faz uso do CLP apenas como aquisição de

dados não explorando a ferramenta como recurso de automação para o

kit didático de controle e automação de processos.

Os controladores lógicos programáveis são utilizados atualmente porque

executam tarefas de controles com eficiência, rapidez, robustez e flexibilidade,

além de poderem ser acoplados a sistemas supervisórios, facilitando o

acompanhamento das variáveis de processo. Os sistemas supervisórios são

componentes fundamentais nas indústrias, pois permitem um monitoramento

2

constante do processo, possibilitando ações mais rápidas e eficazes caso

algum processo apresente alguma anormalidade, o que minimiza assim perdas

de insumos e matérias-primas, consumo de água e energia, geração de

efluentes e produtos fora de especificação, garantindo uma maior rentabilidade

econômica à indústria (Perazzo, 2009). O software LabVIEW é uma plataforma

de programação gráfica que pode ser utilizada como supervisório, permitindo

ainda a aquisição de sinais, análise de medidas e apresentação de dados,

além de dispor de uma linguagem de programação flexível, que não tem a

complexidade de desenvolvimento das ferramentas tradicionais (National

Instrument, 2014).

Existem várias maneiras de se programar o CLP, a linguagem adotada

neste trabalho é o Ladder, que surgiu originalmente em substituição aos

painéis de relés, dessa forma se baseava apenas em contato aberto, contato

fechado e bobinas (acionamento). Com a evolução do software surgiram outras

funções que foram agregadas à linguagem Ladder como as funções de

controle PID, as funções analógicas de comparação, funções de contagem e

temporização e sub-rotina (Mecatrônica Atual, 2005).

A partir do anteriormente exposto, pode-se constatar que melhorias

computacionais sobre o kit didático do LAC permitem um aprimoramento

natural no processo de ensino/aprendizagem dos alunos de engenharia,

principalmente no que diz respeito à: (i) familiaridadecom diversas

características de um CLP industrial; (ii) realização de testes, estudos e

pesquisas relacionadas à engenharia de processos, controle e elétrica; (iii)

facilidade na compreensão de tópicos relacionados à automação e controle de

processos.

1.2 OBJETIVOS

A proposta deste trabalho é desenvolver em hardware e softwares um

sistema de controle e monitoramento de níveis do kit composto por 3 tanques

com geometria diferentes do LAC. Para tanto as metas específicas se

fazem necessárias:

Aplicar estratégia clássica de controle servo e regulatório;

Programar em linguagem Ladder a configuração do CLP;

Desenvolver interface gráfica amigável para o sistema em plataforma

LabVIEW.

3

1.3 ESTRUTURA DO TEXTO

Esta monografia é organizada em cinco capítulos, já incluindo este

capítulo introdutório, e um apêndice.

O capítulo 2 apresenta uma breve descrição do funcionamento do kit

didático estudado e sua instrumentação.

O capítulo 3 tratada metodologia utilizada em cada etapa deste trabalho.

Na seção 3.1 explica-se a realização dos testes para se encontrar o modelo do

sistema; na seção 3.2 discute-se o método de sintonia dos controladores PI; na

seção 3.3 é demonstrado como programar no CLP em linguagem Ladder um

controlador, e, por fim, a seção 3.4 trata do desenvolvimento do sistema

supervisório, sua comunicação com o CLP e os recursos disponibilizados pelo

mesmo.

O capítulo 4 apresenta os resultados dos testes de controle para

diferentes critérios de desempenho no sistema em malha fechada.

O capítulo 5 esboça as conclusões deste trabalho e as sugestões para

futuros trabalhos.

No apêndice encontram-se as telas das sub-rotinas propostas em

linguagem Ladder

4

CAPÍTULO 2: DESCRIÇÃO DA PLANTA

A planta experimental (Figura 2.1) é composta por três colunas

instrumentadas de diferentes geometrias ao longo da faixa de operação, o que

torna a dinâmica do tanque não-linear e podem ser acopladas entre si duas a

duas. Estas colunas são alimentadas pela parte superior do tanque por

mangueiras flexíveis conectadas a três bombas hidráulicas independentes que

estão imersas em um reservatório de água e a descarga é realizada por

válvulas individuais localizadas na parte inferior de cada tanque.

Figura 2.1: Planta Experimental

A medição do nível dos tanques é feita de forma indireta por sensores de

pressão piezoresistivos. A tomada de pressão é realizada por meio de hastes

de alumínio imersas nas colunas, sendo interligadas aos sensores por

5

mangueiras de silicone. Após a medição, o sinal de saída dos sensores passa

por uma placa de condicionamento e amplificador de sinal onde para uma

variação no nível de 0 a 25 cm a saída do amplificador será de 0 a 10V e em

seguida enviado ao cartão de entrada analógica do CLP que através de um

algoritmo converte esse valor em altura do nível.

Para realizar a interface entre as bombas de sucção e o cartão de saída

analógica do CLP é utilizado um módulo controlável de potência. O controle da

vazão das bombas é feito através da variação da corrente aplicada aos

bobinados dos motores das bombas. Essa corrente é proporcional a um sinal

de tensão que é enviado ao módulo de potência pelo CLP. Após a aplicação do

algoritmo de controle na CPU, o sinal digital resultante é enviado para o cartão

de saída analógica, que efetua a conversão do sinal digital para analógico, e

então envia o sinal analógico ao módulo de potência.

Neste kit didático foi realizado o trabalho de Zenaldo Casteliano (2010),

que projetou um controlador preditivo para o sistema com acoplamento e o

desenvolvimento de interface gráfica por meio da ferramenta GUIDE do

MATLAB.

6

CAPÍTULO 3: METODOLOGIA

3.1 MODELAGEM DO SISTEMA

Modelagem matemática é a área do conhecimento científico na qual se

estuda formas de desenvolver e implementar representações dos sistemas

físicos por meio de modelos matemáticos (Aguirre 2007).A identificação do

modelo dinâmico do presente estudo de caso realizou-se empiricamente, onde

dados das variáveis de processo foram coletados com as malhas em manual, a

válvula de descarga de cada tanque totalmente aberta e partindo do estado

estacionário 5cmfoi aplicado um degrau de + ou – 10% na variável manipulada

(MV), tensão da bomba, com tempo de amostragem de 1 segundo. Nas figuras

3.1, 3.2 e 3.3 encontram-se o gráfico das respostas do teste realizado

respectivamente nos tanques 01,02 e 03, sobre os quais, como esperado, tem-

se uma resposta auto-regulada, ou seja, o sistema alcance o estado

estacionário, pois a vazão de descarga depende da altura do nível.


7



Em seguida com a válvula de descarga parcialmente aberta foram

realizados testes nos tanques como explicado anteriormente para um degrau

de + ou – 50 % onde observa-se que quando agressivamente restringida

(válvula quase fechada) o sistema de comporta como integrador. Teoricamente

esse nível se estabilizará em um determinado tempo, mas a altura do tanque

não é suficiente para se observar em qual ponto. Os processos de integração

representam um caso especial de sintonização porque o processo não é auto-

regulado, isto é, ele não atingirá o estado estacionário se conduzido por um

distúrbio sustentado em malha aberta. O comportamento integrador mais

8

comum é o controle de nível de líquidos (Smith e Corripio, 2008). Nas figuras

3.4, 3.5 e 3.6 encontram-se o gráfico das respostas do teste realizado

respectivamente nos tanques 01,02 e 03 do sistema descrito.

Figura 3.4: Teste no tanque 01sistema integrador


9


Os dados do sistema de primeira ordem foram armazenados pelo Matlab

e então processados pela função PEM, que tem o objetivo de descrever a

melhor relação entre as entradas e saídas do sistema, assim identificou-se as

funções de transferência (FT) que descrevem o processo para a faixa de

operação (0 a 10 cm), com um valor de ajuste aceitável (FIT). Na tabela 3.1

encontram-se as funções de transferência do processo.

Tabela 3.1: Função de transferência do processo

Forma da FT Parâmetros da FT

Tanque 01 Tanque 02 Tanque 03

/cm.% de

tensão -1 0.000351 0.000303 0.000162

/ s 72.428 74.918 130.39

FIT 84.55% 80.63 80.63%

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3.2 SINTONIA DOS CONTROLADORES

O controlador PID que se tornou o mais famoso pela sua simplicidade de

ajuste (3 parâmetros) e praticidade. Na literatura existem diversos métodos de

sintonia para ajuste desses parâmetros, como o método IMC, baseado em

obter controladores a partir do modelo do processo e de uma especificação de

desempenho (Garcia e Morari, 1982).No método de sintonia IMC ou método λ

os parâmetros do controlador baseiam-se nas funções de transferências de

cada elemento que compõe a malha de controle e em um critério de

desempenho (λ) de tal forma que a resposta em malha fechada tenha uma

dinâmica conhecida. (Kalid, 2007). Assim a resposta em malha fechada que se

deseja obter deve atender a relação:

Na Tabela 3.3 demonstra-se as fórmulas utilizada no cálculo dos parâmetros do controlador conforme o método λ – P.

Tabela 3.2: Fórmula do método λ-P.

Na tabela 3.4 encontram-se os parâmetros do controlador para x igual a

3, 6 e 9 o que implica em valores de λ diferentes, permitindo determinar a

sensibilidade do controlador. No CLP é denominado como ganho

proporcional e como ganho integral.

Ganho do controlador

Constante de tempo da resposta desejada em

MF

1a ordem sem tempo morto

11

Tabela 3.3Parâmetros dos controladores

Parâmetros do

controlador

Valores de x

LC01 LC02 LC03

3 1.7 2.0 3.8

6 2.0 2.8 5.0

9 2.5 3.1 5.7

3 0.02 0.02 0.03

6 0.02 0.03 0.04

9 0.03 0.04 0.04

3.3 PROGRAMAÇÃO LADDER NO CLP

O controlador lógico programável utilizado foi o compactlogix L32E, fabricado pela Rockwell Automation, que possui arquitetura modular, porta de comunicação para rede Ethernet/IP e porta RS-232 para comunicação serial e um módulo 1769-IF4XOF2 que combina entradas e saídas analógicas.

O software de programação é o RSLogix5000, que permite programação em três linguagens: diagrama ladder (LD), blocos de função (FBD) e texto estruturado (ST). A linguagem utilizada neste trabalho foi a ladder por ser a mais utilizada no mercado.

Inicialmente foi criado um novo projeto no RSLogix5000, denominado de TCC_Isis e em seguida configurado todos os tags que serão utilizados no programa, de modo a facilitar a programação, pois uma vez declarados e nomeados, não é necessário chamá-los pelo endereço, podendo chamá-los pelo “alias” (nome dado pelo programador).

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Figura 3.7 Configuração dos TAGS do programa no CLP

O programa foi dividido em 4 sub-rotinas: Inicialização, que tem a função de calcular o nível zero do tanque que não é quando este está totalmente vazio; TQ01, TQ02 e TQ03 que representam respectivamente a lógica do tanque 1, tanque 2 e tanque 3.Todas as sub-rotinas são chamadas por uma rotina principal (MainRoutine), que é a primeira a ser executada quando o programa é iniciado. No apêndice estão dispostos os diagramas em programação Ladder das sub-rotinas supracitadas.

Rotinas do tipo contínuas foram criadas para o cálculo dos níveis das colunas que serão enviados para o sistema supervisório em centímetros, para tanto foram utilizadas a relação entre altura e contagem do conversor ADC conforme expressão:

Para a realização dos cálculos foi utilizado o bloco de compute (CTP) que executa expressões aritméticas definidas pelo usuário.

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Figura 3.8: Bloco de cálculo

A configuração de um controlador PID no CLP exige a determinação de diversos parâmetros, a seguir serão discutidos os parâmetros principais, como

mostra as figuras 3.9, 3.10 e 3.11. Configuration: são configuradas as informações básicas como a ação do

controle e a escala de saída do controlador.

Figura 3.9: Aba configuration do controlador ControlAction

Indica a direção do controle, ou seja, se o erro é igual a SP-PV ou a PV-SP. No caso em questão o erro é igual a SP-PV.

CV High Limit/ CV Low Limit O valor máximo e mínimo permitido para a variável controlada, no caso a

tensão de saída do CLP que é enviada para o módulo de potência varia de 0 a

10V, o que corresponde 0 a 100%.

14

Loop Update Time Define o tempo de atualização da malha. A instrução PID utiliza uma base de tempo para cálculo do sinal de controle, por isso a execução da instrução deve ser sincronizada com o período de amostragem da PV. Tuning: são configurados os parâmetros de sintonia previamentecalculados. Esses valores poderão ser alterados através do supervisório sem a necessidade de se tirar o sistema de operação.

Figura 3.10: Aba tuning do controlador Scaling: são configurados os valores de escala das variáveis de entrada e saída

Figura 3.11: Aba scaling do controlador

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3.4 SISTEMA DE SUPERVISÃO

O sistema supervisório para controle e monitoramento do processo foi

desenvolvido no softwareLabview, da NationalInstruments, que é baseado em

linguagem G (linguagem de programação gráfica ou visual) onde emprega

ícones ao invés de textos para criar aplicações. Os programas em LabVIEW

são chamados de instrumentos virtuais (VIs -Virtual Instruments). Os VIs

contêm três componentes principais: o painel frontal (as telas), o diagrama de

bloco e o painel de ícones e conectores. Cada tela possui o seu diagrama de

bloco onde são interligados ícones e conectores para desempenharem

determinadas funções como mostrado na figura 3.12.

Figura 3.12: Diagrama de bloco do software LabVIEW

A comunicação entre o CLP e o sistema supervisório foi realizada via a

ferramenta OPC. O padrão OPC(da sigla em inglês OLE

[ObjectLinkingandEmbedding] for ProcessControl) está se tornando

rapidamente o padrão de comunicação adotado pelo mercado de automação

industrial, e muitas soluções de automação que dependem das informações de

chão-de-fábrica já utilizam OPC como condição inicial para comunicação de

dados (Fonseca, 2002).

O protocolo de comunicação via OPC baseia-se na arquitetura cliente-

servidor; onde qualquer cliente OPC pode acessar dados de um Servidor OPC,

dessa forma informações podem ser trocadas entre diversos dispositivos de

diferentes fabricantes, em tempo real e sem a necessidade de uso de drivers

proprietários.

16

Depois de estabelecido a comunicação foi confeccionada as4 telas

gráficas: Visão geral, Tanque 01, Tanque 02 e Tanque 03, visando a

ergonomia, simplicidade e praticidade. Neste trabalho procurou-se manter as

formas do tanque parecido com a geometria original, fundo cinza que é menos

agressiva a visão humana e letras com fonte e tamanho padronizadas. (Joint e

Consortium, 2009). A tela de visão geral mostra um sinóptico dos três

subsistemas e fornece as informações mais importantes.

Figura 3.13: Tela de visão geral

Na tela individual do tanque o usuário deve ligar o sistema. A medição do

nível é mostrada no display e também uma animação preenche o interior do

tanque de azul na medida em que o nível varia, também é permitido alterar o

valor do SP e acompanhar o valor da MV. Ao clicar em cima do controlador

estão disponíveis os parâmetros de sintonia além da opção de controle

automático ou manual. Quando o controlador estiver em manual, o usuário

insere o valor da variável manipulada (MV) desejado. Os gráficos de tendência

com o valor em tempo real do SP e PV e outro com a MV estão disponíveis na

tela de cada tanque. Nas figuras 3.14, 3.15 e 3.16 encontram-se as telas de

cada tanque.

17

.



18


A aquisição de dados que o software LabVIEW solicita do CLP é rápido

na faixa de milisegundos, onde informações são atualizadas e gráficos são

plotados online, entretanto quando se faz necessário a escrita, ou seja, o

supervisório envia dados para o controlador, essa comunicação se torna lenta

na faixa de segundos.

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CAPÍTULO 4: RESULTADOS

O controle de nível nos3 tanques se mostrou satisfatório tanto no caso

servo como para o caso regulador. Os testes foram realizados para diferentes

valores do parâmetro x (3, 6 e 9), associado à velocidade requerida para a

malha fechada, através da seguinte sistemática: no tempo de 20s o SP é

alterado para 5 cm, em t = 150s o SP desce para 3cm e então em t = 300s é

aplicado o distúrbio no processo, na qual abre-se a válvula que comunicam os

tanques, em seguida quando t = 450s é retirado o distúrbio e, por fim, em t =

600s o SP deve ser configurado para 8cm.

O controle de nível no tanque 01 possui uma dinâmica semelhante para

todos os valores de x, sendo que para x igual a 9, a perturbação aplicada é

pouco percebida.

Figura 4.1: Controle de nível do Tanque 01 para x = 3

20



21

O controle do nível do tanque 02 de torna menos agressivo para x igual a

3, entretanto o tempo de resposta do sistema aumenta.



22

Figura 4.6: Controle do Tanque 02 para x = 9

O controle do nível do taque 03 se mostrou aceitável para todos os

valores de x, onde conforme aumentando esse valor o pequeno overshoot é

eliminado.


23



Os ruídos detectados na medição do nível são causados por conta da

turbulência da alimentação do tanque que se faz por uma mangueira flexível

que se movimenta dentro do tanque interferindo na pressão que o sensor

mede.

A validação da sintonia de controle foi realizada através da análise dos

gráficos e dos métodos ISE (Integral do quadrado do erro), que consiste em

discriminar sistemas excessivamente superamortecidos dos subamortecidos e

do método ITAE (Integral do tempo multiplicado pelo valor absoluto do erro),

que é indicado para reduzir a contribuição de grandes erros iniciais no valor da

integral de desempenho, bem como enfatizar erros que acontecem mais tarde

na resposta. Na tabela 4.1 encontram-se os valores de ITAE e ISE onde pode-

se observar que para diferentes valores de x o incremento é pequeno.

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Tabela 4.1: Critérios de desempenho

Controlador x ITAE ISE

3 6,7004E-04 1,0135E-05

LC01 6 7,1468E-04 1,1154E-05

9 6,9562E-04 1,1153E-05

3 8,6622E-05 2,1281E-06

LC02 6 6,9589E-05 1,1508E-06

9 6,6729E-05 1,0821E-06

3 4,7243E-05 8,8077E-06

LC03 6 4,6221E-05 8,8861E-06

9 4,6409E-05 8,8866E-06

Os sistemas apresentaram um melhor desempenho (menos agressivo)

em malha fechada para x igual a 3, o qual está aderente ao sistema ser

ruidoso.

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CAPÍTULO 5: CONCLUSÃO

Este trabalho contribui como uma ferramenta de ensino de modo que

alunos possam interagir com um controlador lógico programável e sua

linguagem Ladder, que tanto é utilizado em todos os tipos de indústria, além do

sistema supervisório onde por meio de gráficos de tendência se faz o

monitoramento em tempo real da planta através de uma ferramenta bastante

difundida na engenharia, qual seja o LabVIEW.

O controle de nível realizado pelo método de sintonia IMC fornece uma

sistemática para estudos futuros nesse kit didático, visto que foram calculados

os parâmetros dos controladores para diferentes critérios de desempenho,

possibilitando a partida inicial do sistema.

Como sugestão para trabalhos futuros tem-se a implementação de um

filtro passa-baixa para minimizar os ruídos oriundos da medição e a aplicação

de estratégia de controle avançado no CLP, como por exemplo, o controle

adaptativo devido ao sistema ser não linear.

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REFERÊNCIAS

Silva, M. R. N. (2009).Aplicação das técnicas de controle em uma planta simulada no Matlab®com interface de operação em Delta V®. Salvador. Gomes, F.J.; Pinto, D.P. Laboratórios integrados para controle de processos e análise da eficiência energética de sistemas industriais. In: COBENGE n.36 - Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, 09 a 12 de setembro de 2008, São Paulo-SP. Margotti, E.; Schmitt, A.; Bueno, M.R.; Barreto, T.J.; Dias, R.A.; Noll, V.; Scheffer-Dutra, C.B. Kit didático para controle de nível de líquidos. In: ABENGE n.39 - Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, 03 a 06 de outubro de 2011, Blumenau-SC. Perazzo, F. A. P. (2009).Implantação de um Sistema de Intertravamentos numa planta simulada no Matlab®/Simulink® com interfacede operação Delta V®. Salvador. Júnior, Z. C. L. (2010). Modelagem e controle de nível de um kit utilizando um controlador preditivo baseado em um modelo por variáveis de estado. Salvador. Aguirre, L. A. (2007). Introdução à Identificação de Sistemas: Técnicas lineares e não-lineares aplicadas a sistemas reais. Editora da Universidade Federal deMinas Gerais, UFMG. FONSECA, M. O. Comunicação OPC – Uma abordagem prática. Anais do VI Seminário de Automação de Processos, Vitória, ES, 2002. CAMPOS, M. C. M. M.; Teixeira, H. C. G. Controles Típicos de Equipamentos e Processos Industriais. 1. Ed., Blucher, 2006. p.115-118 Smith, C. A.; Corripio, A B.. Princípios e Prática do Controle Automático de Processo. 3. Ed., LTC, 2008. p.227-233. KALID, R. A. Apostila controle de processo.Universidade Federal da Bahia,DEQ.Salvador, 2007.

ASM Joint R&D Consortium, et al. ASM Consortium Guidelines: Effective Operator Display Design. 2009. 188p

National Instrument. Ambiente gráfico de desenvolvimento de sistemas

LabVIEW. Disponível em www.ni.com/labview. Acesso em: 10 de dezembro de

2014.

http://www.ni.com/labview

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Mecatrônica Atual. Um pouco de história sobre os controladores lógicos

programáveis e a automação industrial. Ano 4, nº 24 (Out/Nov-2005).

Disponível em: www.mecatronicaatual.com.br. Acesso em: 10 de dezembro de

2014.

http://www.mecatronicaatual.com.br/

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APÊNDICE

Telas das sub-rotinas propostas em linguagem Ladder

A.1: Rotina principal (MainRoutine)

29

A.2: Inicialização

30

A.3: Lógica do tanque 01

universidade federal da bahia - cceca – colegiado do ... · figura 3.15: tela do tanque 03 ......

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