Apostila automação controle de processos

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Apostila automação controle de processos

  1. 1. PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS INSTITUTO POLITÉCNICO DA PUC.Minas – IPUC ENGENHARIA ELETRÔNICA E DE TELECOMUNICAÇÃO APOSTILA DE LABORATÓRIO AUTOMAÇÃO IX APOSTILA DO SYSCON E DO AIMAX AUTORES EDEN CRISTIANO COSTA ROSE MARY COSSO SCHUTTENBERG BELO HORIZONTE 2ª EDIÇÃO
  2. 2. FEVEREIRO DE 2007 Sumário Pág 1. Introdução a controle de processos 4 1.1. Vocabulário Básico Usado 4 1.2. Nomenclatura de alguns dos Instrumentos 4 1.3. Controle PID 5 1.4. Técnicas de Aplicação do Controle por Realimentação 5 1.4.1. Controle em Cascata 5 1.4.2. Controle de Relação 6 1.4.3. Controle Antecipatório 6 2. SYSCON – Configurador de Sistemas 7 2.1. Introdução 7 2.2. Blocos de Funções 8 2.3. SYSCON 9 2.3.1. Arquivos de Configuração do SYSCON 9 2.3.2. Criação de uma Configuração Fieldbus 9 2.4. Tipos de Equipamentos da linha 302 SMAR 9 2.5. Desenvolvimento de uma estratégia de controle passo a passo 12 2.6. Atribuição de Valores aos Parâmetros 22 2.6.1. Bloco AI (Entrada Analógica) 23 2.6.2. Bloco PID (Controlador) 25 2.6.3. Bloco AO (Saída Analógica) 27 3. AIMAX – Software de Supervisão 29 3.1. Criando uma animação 31 3.1.1. Constant Point 31 3.1.2. Graphic Builder 32 3.1.3. Script 36 3.2. Comunicação com a planta de controle de processos a partir da rede fieldbus 38 3.2.1. Criando um novo projeto 39 3.2.2. Criação dos tags a partir do Single Point 41 3.3. Histórico 42 2
  3. 3. 1. INTRODUÇÃO A CONTROLE DE PROCESSOS Considerações a serem feitas em Controle de Processos: - Manter os processos industriais dentro de seus pontos operacionais mais eficientes; - Prevenir condições instáveis no processo que poderiam por em perigo pessoas e/ou equipamentos; - Mostrar dados sobre o processo aos operadores da planta para que eles possam manter o mesmo ritmo seguro e eficiente. O Controle de processos depende de muitos aspectos de projeto e operação da planta. Os especialistas em controle têem que lidar com a instrumentação ou hardware para medição e controle, técnicas de projetos para sistemas de controle, estratégias básicas de controle, comunicação digital, computação, programação e manutenção de sistemas de controle. 1.1. Vocabulário Básico Usado - Set-Point - Variável Controlada - Variável Manipulada - Realimentação - Algoritmo de Controle - Tempo Morto - Constante de Tempo - Ganho - Ruído 1.2. Nomenclatura de alguns dos Instrumentos Variáveis de Controle Funções Primárias e Secundárias dos Instrumentos F Vazão C Controlador L Nível I Indicador T Temperatura Y Relé P Pressão T Transmissor 1.3. Controle PID 3
  4. 4. Os modos básicos de controle são: Proporcional, Integral e Derivativo. O Controle Proporcional responde imediatamente quando detecta um sinal de erro e daí inicia sua ação corretiva. É um dos tipos de controle mais fáceis de ser utilizado, pois requer somente o ajuste do ganho. Porém, possui uma característica que limita o seu uso, que é o erro de offset. Já o controlador integral age como um somador ou acumulador que examina o sinal de erro e continua mudando a saída do controlador até que o erro seja zero. Porém, aumenta a tendência do sistema de controle oscilar, como se acrescentasse uma constante ao processo. No caso de uma válvula, o modo proporcional age imediatamente e tende a passar o ruído de medição para a válvula, o modo integral pode ser utilizado para filtrar ou amortecer o ruído e permitir que a válvula seja manipulada gradualmente. A ação Derivativa é apropriada para processos que possuem grandes constantes de tempo, processos lentos como a temperatura. Porém, a ação Derivativa é sensível ao ruído do sinal de medição e às mudanças rápidas na entrada e no set point. 1.4. Técnicas de Aplicação do Controle por Realimentação 1.4.1. Controle em Cascata O controle em cascata é um método simples, envolvendo dois controladores por realimentação em série. Neste caso, o sinal de saída de um controlador é o set point de pelo menos um outro controlador. Mais precisamente, o controle em cascata consiste em malhas ou sistemas de controle que ficam um dentro do outro. Seja um controle simples de nível por realimentação. Uma mudança na vazão de entrada provocará uma alteração no nível do líquido, o que fará com que o LC (Controlador de Nível) varie a posição da válvula de descarga até que o nível mais uma vez seja igual ao set point. Para outro distúrbio, como a pressão à jusante da linha de descarga, ocorrerá uma reação ligeiramente diferente. A mudança na pressão alterará a vazão de descarga e o nível do tanque. O controlador novamente responderá corrigindo a válvula de saída até que o nível seja restabelecido com o set point. Aparentemente não há nada de errado com o controle apresentado, mas em muitos casos seria melhor aplicar o controle em cascata para melhorar a resposta. Para um aumento na vazão de entrada, o nível aumentará e o LC (Controlador de Nível) também aumentará o sinal de set point para o FC (Controlador de Vazão), fazendo com 4
  5. 5. que a vazão aumente, retornando o nível do tanque ao valor de set point ajustado para o mesmo. No caso da mudança na pressão à jusante da linha de descarga, o controle em cascata trabalha de modo diferente. Nesse caso, o FC ajustará a válvula de saída antes que o nível do tanque seja significantemente alterado. Este é o verdadeiro benefício do controle em cascata. O controle em Cascata geralmente aumenta a velocidade da resposta do sistema de controle, se comparado a um sistema simples. 1.4.2. Controle de Relação Existem muitos processos industriais onde é necessário manter duas ou mais vazões numa proporção ou relação definida. Tais processos incluem a mistura de aditivos à gasolina, mistura proporcional de reagentes em um reator químico e a mistura de fluxos frios e quentes para se obter uma determinada temperatura de mistura. Estas são aplicações onde um sistema de controle de relação pode ser utilizado com êxito. O fluxo do processo, chamado “não controlador” é medido e multiplicado na estação de relação desejada entre as duas vazões. Este produto, que é o sinal de saída da estação de relação, é o valor requerido para a vazão do fluxo controlado. Este valor requerido é fornecido ao set point do FC do fluxo controlado. Se for necessário, o set point da relação pode ser alterado na estação de relação para obter qualquer proporção desejada entre as duas vazões. 1.4.3. Controle Antecipatório O controle por realimentação possui uma deficiência fundamental: é preciso que exista um sinal de erro para que o controlador tome alguma atitude.Todo processo tem três tipos de variáveis: variáveis controladas (VC), manipuladas(VM) e de distúrbio. No controle por realimentação a VC é medida comparada a um set point e a VM é ajustada até que a VC esteja próxima do set point. Com o controle antecipativo, o distúrbio é medido e, baseado num valor de set point para a VC, é calculado o valor necessário para a VM de maneira a evitar que a VC seja alterada. 2. SYSCON – Configurador de Sistemas 5
  6. 6. 2.1. Introdução Fieldbus é muito mais do que somente uma substituição do 4-20 mA ou dos protocolos dos transmissores inteligentes. O Fieldbus é um sistema de comunicação digital completo que permite a distribuição das funções de controle nos equipamentos de campo. Algumas das vantagens da comunicação bidirecional já eram conhecidas dos protocolos para transmissores inteligentes como a alta precisão, configuração remota e de diagnósticos. Esses protocolos não foram planejados para transferir dados de controle, mas sim informações sobre manutenção. Portanto, eles eram lentos e não suficientemente eficientes para serem usados. A principal exigência do Fieldbus foi superar esses problemas. Controle de loop fechado com tal performance exige um sistema 4-20 mA de alta velocidade. Uma vez que alta velocidade significa alto consumo de energia, isto não se encaixa com a necessidade de segurança intrínseca. Portanto, foi selecionada uma velocidade de comunicação moderadamente alta, e o sistema projetado para ter um mínimo de comunicação overhead. Usando scheduling o sistema controla amostra de variável, execução de algoritmo e comunicação de tal modo a otimizar o tratamento da rede sem perder tempo. Assim um alto desempenho da malha é alcançado. Usando tecnologia Fieldbus, com sua capacidade para interconectar vários equipamentos, grandes projetos podem ser construídos. O conceito de bloco funcional foi introduzido para tornar fácil a programação pelo usuário. O usuário pode facilmente construir e visualizar estratégias complexas de controle. Outra vantagem adicional é a flexibilidade: a estratégia de controle pode ser alterada sem mudança na fiação ou qualquer modificação de hardware. Estabelecer as ligações destes blocos é a chamada configuração de um sistema. Por exemplo, numa rede há dois tipos de equipamentos: um “mestre” que controla a comunicação que deverá ser realizada e os outros que são “escravos”. A figura 2.1 mostra uma rede com um mestre e dois escravos. Figura 2.1 – Equipamentos mestre e escravo O sistema configurado poderia ficar conforme a figura 2.2. 6
  7. 7. Figura 2.2 – Estratégia de controle 2.2. Blocos de Funções A configuração dos instrumentos Fieldbus consiste basicamente no interligamento lógico dos diversos blocos funcionais implementados em cada instrumento da rede através de um software configurador SYSCON, além da definição dos parâmetros de controle de cada bloco. Função Descrição PID O bloco PID pode usar como set point um valor ajustado pelo operador, uma variável vinda de outro bloco ou um valor definido por um computador ou PLC. AI O bloco de entrada analógica recebe a medida física de uma variável vinda do transdutor, passa-a por uma escala, filtra-a e deixa-a disponível para outros blocos na sua saída. ISS O bloco seletor de sinal de entrada tem três entradas analógicas e uma saída. Um parâmetro permite a seleção do maior valor, do menor valor, do valor médio entre eles, ou ainda, de uma entre duas entradas, chaveadas por um sinal binário. CHAR O bloco caracterizador de sinal tem duas saídas que são uma função não linear das duas respectivas entradas analógicas. ARTH O bloco aritmético calcula a saída em função de quatro entradas. Oferece uma vasta escolha de algoritmos como: vazão de gás com compensação de pressão e temperatura usando medição de duplo range, vazão de líquido com compensação de temperatura, média, adição e multiplicação, polinômio de quarta ordem, medição de nível de tanque ou vazão de canal aberto. INTG O bloco integrador integra a diferença de duas entradas. AO O bloco de saída analógica é um bloco funcional usado por equipamentos que trabalham como elementos de saída em um loop de controle como válvulas, atuadores, posicionadores, etc. 2.3. SYSCON O SYSCON (Configurador de Sistemas) é uma ferramenta de software desenvolvida especialmente para a configuração, manutenção e operação da linha de produtos Fieldbus da SMAR através de computador pessoal com uma interface Fieldbus. 7
  8. 8. 2.3.1. Arquivos de Configuração do SYSCON O SYSCON possui dois tipos de arquivos, que armazenam as informações sobre a aplicação de controle desenvolvida: - Arquivos de Configuração do Bloco Funcional (*.FBC): este arquivo contém a configuração do sistema Fieldbus. Neste arquivo são armazenadas informações sobre a estação de computação, a interface Fieldbus e seus canais, a rede Fieldbus, os dispositivos usados numa aplicação de controle, os blocos funcionais usados em cada equipamento de campo, os valores de parâmetros atribuídos para cada dispositivo e bloco funcional, e as ligações entre a saída e parâmetros de entrada do bloco funcional. - Arquivos de Ligação dos Blocos Funcionais (*.FBL): este arquivo armazena o gráfico da estratégia de controle. 2.3.2. Criação de uma Configuração Fieldbus A criação de uma nova configuração Fieldbus é um processo de desenvolvimento, onde se escolhe a interface de comunicação Fieldbus, os equipamentos de campo que serão utilizados na aplicação de controle, e os blocos funcionais que serão utilizados para fazer a função de controle da aplicação. Para configurar os blocos funcionais, deve-se atribuir valores aos seus parâmetros. Após salvar a recém criada configuração Fieldbus em um arquivo, é possível descarregar essa configuração nos equipamentos de campo e colocar a rede Fieldbus em funcionamento. 2.4. Tipos de Equipamentos da linha 302 SMAR - Interface Fieldbus controladora de processos (PCI): PCI é um cartão ISA de 16 bits projetado para PC’s comerciais ou industriais. Diretamente conectado ao barramento do PC, provê um caminho eficiente de comunicação entre o Fieldbus e aplicativos que são executados no PC. Cada PCI gerencia 4 canais independentes master Fieldbus H1 e executa blocos funcionais complexos na placa. 8
  9. 9. - Fonte Fieldbus de alimentação (PS 302): é uma fonte chaveada com entrada universal e saída de tensão fixa, que acoplada a um PSI é capaz de alimentar equipamentos da linha Fieldbus. - Filtro Fieldbus para barramento (PSI 302): é um dispositivo de controle de impedância ativa, não isolado, indispensável para a implementação de uma rede Fieldbus, de acordo com os requisitos da norma IEC 1158-2. Este dispositivo apresenta uma impedância de saída que, em paralelo com os 2 terminadores de linha Fieldbus (resistor de 100Ω em série com capacitor de 1µF) exigidos por norma, resulta em uma impedância de linha puramente resistiva para uma faixa de freqüência. Esta característica evita a desagradável oscilação e distorção de sinal, decorrente da variação do sinal de comunicação (efeito ringing). - Transmissor Fieldbus de Pressão (LD 302): É um transmissor para medida de pressão diferencial, absoluta e manométrica, nível e vazão. - Transmissor Fieldbus de temperatura (TT 302): É um transmissor apropriado para medições de temperatura usando termoresistências ou termopares, mas pode também aceitar outros sensores que gerem resistência ou milivoltagem, tais como pirômetros, células de carga, indicadores de posição, etc. 9
  10. 10. - Conversor de Fieldbus para corrente (FI 302): É um conversor destinado a interfacear uma rede Fieldbus com uma válvula de controle e outros atuadores. Fornece uma saída de 4-20 mA proporcional a entrada recebida de um sistema Fieldbus. - Conversor de corrente para Fieldbus (IF 302): É um conversor destinado a interfacear até três transmissores analógicos convencionais com uma rede Fieldbus. Recebe um sinal de corrente tipicamente de 4-20 mA ou 0-20 mA e torna-o disponível para um sistema Fieldbus. - Posicionador Fieldbus (FY 302): É um posicionador de válvula de controle para válvulas pneumáticas em sistema Fieldbus. O FY302 produz a pressão de saída requerida para posicionamento de uma válvula de controle conforme entrada recebida pela rede Fieldbus ou controle interno. - Barreiras Fieldbus de segurança intrínseca (SB 302): permite utilizar toda a capacidade de um sistema com tecnologia Fieldbus em aplicações onde existem condições de periculosidade. - Terminador Fieldbus (BT 302): Em uma linha infinita de transmissão de sinal com impedância Zo, os sinais de comunicação fluem de forma unidirecional. No caso em que a linha apresente uma junção, onde exista um descasamento de impedância (impedância de entrada da junção diferente da impedância característica da linha), o sinal encontra uma barreira que acarreta uma reflexão de sinal, com uma amplitude proporcional a este descasamento. Esta reflexão, de sentido oposto ao sinal transmitido será sobreposta ao sinal transmitido, ocasionando sérias distorções no sinal original. Se em todas as extremidades da linha e nas junções as impedâncias estiverem casadas, o efeito de reflexão será eliminado, como se a linha fosse infinita. Um terminador de linha é o recurso utilizado para simular este comprimento infinito, considerando as duas extremidades. O dispositivo BT302 é um terminador Fieldbus. 10
  11. 11. 2.5. Desenvolvimento de uma estratégia de controle passo a passo Os passos para criar uma nova configuração de uma estratégia de controle via rede Fieldbus, são os seguintes: 1. Para criar um novo arquivo, use o menu FILE. Selecione a opção New e logo após, FB Config Files (*.FBC), para descrevermos os instrumentos (devices) que serão utilizados neste exemplo. 2. Uma janela "FB Config Files" (Arquivos de Configuração de Bloco Funcional) se abrirá. Com o botão do lado direito do mouse clique em cima do computador que aparece e selecione "New Interface". 3. Ao escolher "New Interface" aparecerá um quadro de diálogos da nova interface (PCI). Os atributos desejados já estarão ajustados, clique OK. (Manufacturer: smar; Interface: PCI; Dev. Rev: 2; DD Rev: 0; Card Number: 0) 11
  12. 12. 4. Seleção dos canais usados para comunicarem com a rede: Observação: • Cada computador pode ter até 8 PCI’s. • Cada PCI tem 4 canais. Cada canal pode ter até 12 instrumentos (previsto por norma). • Cada computador pode ter controlar até 384 instrumentos (4 canais x 12 instrumentos/canal x 8 PCI/computador). Para selecionar um canal, clique duas vezes o botão esquerdo do mouse no ícone PCI, e aparecerão os ícones dos canais. Selecione CHANNEL 1. 5. Para incluir uma rede Fieldbus nova no canal selecionado, mova o cursor do mouse para o ícone CHANNEL 1, clique o botão direito do mouse, e selecione a opção do menu New Fieldbus. 12
  13. 13. 6. O quadro de diálogos Device Attributes estará aberto, para as configurações sobre o equipamento responsável pela interface de aquisição. Essa interface é vista por outros equipamentos da rede Fieldbus como um equipamento. (Tag: PCI_PL3 ; Address: 1. Após entrar com o Tag e o endereço do equipamento local da interface, clicar OK. 7. O ícone Fieldbus Network aparecerá na janela do browser de configuração. 8. Ao clicar duas vezes o botão esquerdo do mouse no ícone Fieldbus Network, aparecerão os ícones dos equipamentos. Neste ponto aparece apenas um equipamento: o equipamento referente à placa de aquisição de dados, que como dito, aparece na rede como um equipamento. 13
  14. 14. 9. Para incluir um equipamento novo na rede Fieldbus, mover o cursor para o ícone Fieldbus Network, clicar com o botão direito do mouse, e selecionar a opção do menu New Device. Aparecerá o quadro New Device para que o usuário adicione os instrumentos necessários à estratégia de controle. 10.Definir a estratégia de controle. A proposta nessa configuração é configurar uma estratégia de controle de vazão. O objetivo neste exemplo é manter a vazão de saída constante mesmo existindo variação na vazão de entrada. Para isso serão utilizados apenas dois instrumentos na rede Fieldbus: um transmissor de pressão diferencial (LD 302), que irá ler a vazão da tubulação, e posicionador da válvula que controla a vazão de saída (FY 302). Será utilizada a estratégia de controle sugerida na figura 2.2. 11.De acordo com o diagrama da estratégia de controle que foi apresentada, utilizam-se os instrumentos LD 302 e o FY 302, que devem ser adicionados na rede Fieldbus. Para incluir um dos equipamentos (devices) disponíveis, no ponto 14
  15. 15. em que paramos dentro do SYSCON, ativar com o botão direito na FIELDBUS NETWORK a opção NEW DEVICE. 12.Configurar as opções: • Device Type: LD 302 • Tag: FIT-3.1 • Address: 7 13.A seguinte irá aparecer já com o LD 302 inserido na rede Fieldbus. 14.Conforme a figura 2.2, o instrumento FIT-3.1 terá um bloco de entrada analógica e um bloco de controle PID. Para configurar os blocos de função, clicar com o 15
  16. 16. botão direito do mouse nesse device e selecionar a opção New Block. Configurar as opções: • Function Block Type: AI • Tag: FIT-3.1_AI#1 15.Para inserir o bloco de controle PID, repetir o passo 14 e configurar o bloco da seguinte maneira: • Function Block Type: PID • Tag: FIT-3.1_PID 16.A seguinte tela irá aparecer, indicando que o device LD 302 está configurado para ler a variável de entrada e realizar a função de controle PID. 17.Para incluir o 2º equipamento (FY 302), repetir os passos 11 e 12, configurando para esse instrumento as seguintes opções: 16
  17. 17. • Device Type: FY 302 • Tag: FY-3.1 • Address: 8 18.Conforme a figura 2.2, o instrumento FY-3.1 terá um bloco de saída analógica. Para configurar esse bloco de função, repetir o passo 14 e configurar o bloco da seguinte maneira: • Function Block Type: AO • Tag: FIT-3.1_AO#1 19.A tela de configuração final, após inserir todos os instrumentos e respectivos blocos funcionais, terá aspecto abaixo. Em qualquer device, caso queira alterar o tag, basta selecionar attributes e alterar o tag. 20.Salvar o arquivo e abrir um novo arquivo para a ligação dos blocos funcionais, de acordo com o que foi apresentado na Figura 2.2 (Exemplo: vazão.FBC). Para criar um novo arquivo, usar o menu File e selecionar a opção FB LINK’s FILE 17
  18. 18. (*.FBL). Na opção Window, selecionar a opção Tile, de forma que os dois arquivos *.FBC e *.FBL fiquem lado a lado na tela. 21.É preciso habilitar a janela ToolBox. Esta janela disponibiliza opções para ligar, mover, inserir, apagar, etc. os blocos funcionais. Esta é a última opção do quadro de ferramentas, que quando selecionada, apresenta todas as ferramentas necessárias para traçar um diagrama de aplicação de controle nos FB Link's Files. 18
  19. 19. 22.Também no quadro de ferramentas selecione a opção F (8a tecla no quadro de ferramentas) para ajustar a fonte que você deseja trabalhar. Caso seja necessário mudar as cores de cada instrumento, basta selecionar a opção “Set Fill Attributes” (9a tecla no quadro de ferramentas) e escolher a cor de preenchimento dos blocos. Em “Set pen attributes” (10a tecla no quadro de ferramentas) é escolhida a cor da escrita. A seleção das cores de escrita e preenchimento, assim como da fonte desejada, devem ser efetuadas antes de inserir e ligar os blocos funcionais. As funções do Toolbox estão divididas em duas colunas e seis linhas, de modo que será considerado então uma matriz 6x2 para identificação dos blocos. 23.Para o procedimento de inserção de blocos, é selecionado o ícone do toolbar correspondente (na matriz do toolbox esta é a opção 5x1). A seguir são realizados os seguintes procedimentos: • Selecionar no arquivo vazão.FBC um bloco funcional (FIT-3.1_AI#1, por exemplo); • Na área de trabalho referente ao arquivo *.FBL, segurar os dois botões do mouse, selecionar o tamanho desejado para o bloco funcional com o arraste do mouse e a seguir, clicar com o botão esquerdo do mesmo. Desse modo, o bloco funcional FIT-3.1_AI#1 estará desenhado no arquivo *.FBL; • Uma vez definido o tamanho do primeiro bloco inserido (no caso o bloco FIT-3.1_AI#1), basta selecionar os blocos funcionais que restam no arquivo vazão.FBC (FIT-3.1_PID e FY-3.1_AO#1) e adicioná-lo na tela do arquivo *.FBL. Os blocos terão o mesmo tamanho; • Caso os blocos não tenham ficado alinhados, habilitando o ícone MOVE (na matriz do toolbox esta é a opção 6x1), os mesmos podem ser movimentados até a posição desejada; • Caso seja de interesse escrever algum texto na tela, basta selecionar a opção ABC (na matriz do toolbox esta é a opção 1x2); • A representação do passo de inserção de blocos pode ser visualizada na figura a seguir. 19
  20. 20. 24.Após a inserção de todos os blocos, selecionar o ícone relativo à ligação de blocos (na matriz do toolbox esta é a opção 5x2). Clicar no bloco FIT-3.1_AI#1 e aparecerá na tela o desenho do bloco correspondente com a descrição de suas entradas e saídas. 20
  21. 21. 25.Escolher a conexão conveniente (de acordo com a figura 2.2 corresponde ao parâmetro OUT) através do botão esquerdo do mouse, confirmando a tarefa com o campo OK. De volta para o arquivo FBL, levar o cursor até o bloco seguinte (FIT-3.1_PID) e clicar com o mouse. O sistema irá mostrar as características de E/S do bloco selecionado. Efetuar as conexões necessárias conforme a figura 2.2 e confirmar as ligações observando o diagrama da rede a ser configurado. O projeto final terá o seguinte aspecto. 26.Salvar o arquivo (Exemplo: vazão.FBL). 2.6. Atribuição de Valores aos Parâmetros Nesta seção são apresentados os conceitos referentes aos parâmetros de configuração pertinente a cada bloco. 21
  22. 22. 2.6.1. Bloco AI (Entrada Analógica) O bloco de entrada analógica recebe a medida física de uma variável vinda do transdutor, passa-a por uma escala, filtra-a e deixa-a disponível para outros blocos na sua saída. Os parâmetros a ser configurados são os seguintes: • Mode_Blk: Este parâmetro nos informa qual o modo operacional do bloco em questão. Existem três opções mais usadas em nossas estratégias didáticas: o Auto&Loc → usado quando o bloco trabalha localmente sem depender ou trabalhar em cascata com outros blocos. No caso do bloco AI, o objetivo é apenas fazer a leitura da variável de processo (vazão). No caso do bloco PID (estratégias simples ou controlador mestre das estratégias em cascata), a função é fornecer os dados para a estratégia de controle, como os set points desejados e os valores dos ganhos KP, KI e KD do controlador. o Auto&Cas → usado quando o bloco trabalha em cascata com outros blocos, isto é, a sua ação depende das informações de outro bloco. Neste caso o bloco receberá a informação de controle estabelecida e sua ação será baseada não em um valor desejado ou informado pelo usuário, mas para atender ao que foi estabelecido na estratégia. O bloco AO representada pela válvula, por exemplo, possui estas características, uma vez que sua abertura será modificada automaticamente para atender ao set point de vazão escolhido no bloco PID, isto é, receberá dados ou informações da planta de modo que sua atuação seja conseqüência da estratégia estabelecida. Num outro exemplo, o bloco PID com função de controlador escravo nas estratégias em cascata, recebe o valor do set point desejado a partir do bloco PID mestre, e também se enquadra nessa característica. o Man&Loc → usado quando é desejado fazer alguma alteração ou enviar algum valor desejado para a planta manualmente. No caso de querer impor algum valor de abertura de válvula por exemplo, é necessário usar esta configuração no MODE_BLK dentro do bloco de PID e no parâmetro OUT enviar o valor desejado de abertura para válvula. No campo target do parâmetro Mode_Blk do bloco AI, deve-se configurar a opção Auto&Loc devido os fatores mencionados. (Mode_Blk = Auto&Loc). 22
  23. 23. • PV_Scale: Este parâmetro serve para escalonar a variável de entrada no bloco, fator este que varia dependendo da variável de processo a ser medida. Este parâmetro faz a conversão de valores de entrada para valores de engenharia. Tem-se que: o EUAt100 → informa o máximo valor da variável de entrada. o EUAt0 → informa o mínimo valor da variável de entrada. o UnitIndex → informa a unidade de engenharia da variável de entrada. No caso de controle de vazão, a capacidade máxima de vazão permitida na tubulação da planta é de até 2200 mmH2O. A unidade é coerente com o sensor que é utilizado, no caso é a placa de orifício, que trabalha com diferencial de pressão. Assim: o EUAt100 → 2200 o EUAt0 → 0 o UnitIndex → mmH2O • OUT_Scale: Este parâmetro serve para escalonar a variável de saída do bloco, fator este que varia dependendo da variável de processo a ser medida. Este parâmetro faz a conversão de valores de saída para valores de engenharia. Tem-se que: o EUAt100 → informa o máximo valor da variável de entrada. o EUAt0 → informa o mínimo valor da variável de entrada. o UnitIndex → informa a unidade de engenharia da variável de entrada. Como dito, para o controle de vazão é utilizado a placa de orifício, que faz a conversão de da pressão em vazão. A vazão varia de 0 a 2000 l/h. Assim: o EUAt100 → 2000 o EUAt0 → 0 o UnitIndex → l/h • L_Type: Este parâmetro é responsável por fazer a linearização da escala de leitura de um determinado processo, de modo que o instrumento informe o valor correto do processo. No caso da vazão, cuja medida é feita pela placa de orifício, a leitura da vazão é proporcional à raiz quadrada da diferença de pressão de água medida (pressão de entrada – pressão de saída). Para 23
  24. 24. linearizar a leitura de vazão deve-se configurar este parâmetro com a opção raiz quadrada. (L_Type = SqrRoot). • Clamp_High_Lim: Este parâmetro serve para grampear ou limitar o máximo valor da variável de saída a ser lido, correspondendo ao máximo valor configurado no parâmetro Out_Scale. (Clamp_High_Lim = 2000). • Clamp_Low_Lim: Este parâmetro serve para grampear ou limitar o mínimo valor da variável de saída a ser lido, correspondendo ao mínimo valor configurado no parâmetro Out_Scale. (Clamp_High_Lim = 0). • OUT: Este parâmetro informa o valor lido da variável controlada em tempo real, isto é, ao valor da vazão. 2.6.2. Bloco PID (Controlador) O bloco PID pode usar como set point um valor ajustado pelo operador, uma variável vinda de outro bloco ou um valor definido por um computador ou PLC. Neste bloco serão configurados os parâmetros de ganho que caracterizarão a resposta do sistema. Os parâmetros a ser configurados são os seguintes: Os parâmetros a ser configurados são os seguintes: • Mode_Blk: Este parâmetro já foi explicado anteriormente, de modo que no campo target do parâmetro Mode_Blk deve-se configurar a opção Auto&Loc devido os fatores mencionados. (Mode_Blk = Auto&Loc). • PV_Scale: Este parâmetro já foi explicado anteriormente. É importante verficar que essa faixa de valores é a mesma que sai do bloco AI (Out_Scale do bloco AI). Desse modo a parametrização deve ser a seguinte: o EUAt100 → 2000 o EUAt0 → 0 o UnitIndex → l/h • OUT_Scale: Este parâmetro já foi explicado anteriormente. A informação contida nesse parâmetro corresponde a faixa de valores que o bloco controlador 24
  25. 25. enviará para o bloco atuador (bloco AO). O bloco atuador é representado pela válvula, como dito anteriormente, e sua abertura varia de 0 a 100%. Desse modo a parametrização deve ser a seguinte: o EUAt100 → 100 o EUAt0 → 0 o UnitIndex → % • SP: Neste parâmetro deve ser informado o valor desejado de set point para a estratégia de controle. Poderia ser configurado qualquer valor dentro da faixa de vazão que varia de 0 a 2000 l/h. Neste exercício será escolhido o valor de 1000l/h. (SP = 1000). • Rev_Act: Este parâmetro é usado para definir se o modo de ação de controle a ser enviado para a saída é reverso ou direto. Assim a válvula ou as resistências podem ter atuação reversa ou direta de acordo com a estratégia de controle implementada. De acordo com o que está configurado na planta de controle de processos de laboratório deve-se tomas as seguintes considerações, considerando as estratégias: 1 – Controle de Vazão atuando na abertura da válvula 2 – Controle de Nível atuando na abertura da válvula 3 – Controle de Temperatura atuando na potência das resistências 4 – Controle de Temperatura atuando na abertura da válvula Estratégia Valor medido Indicação 1 Ação na saída Indicação 2 Rev-Act 1 Maior que o SP ↑ Diminui abertura ↓ Reverso 2 Maior que o SP ↑ Diminui abertura ↓ Reverso 3 Maior que o SP ↑ Diminui potência ↓ Reverso 4 Maior que o SP ↑ Aumenta abertura ↑ Direto Assim, para o dado exemplo correspondendo à estratégia 1, o Rev_Act deve ser configurado como Reverse. (Rev_Act = Reverse). • SP_Hi_Lim: Este parâmetro serve para limitar o máximo valor do SP de vazão desejado, sabendo que essa faixa varia de 0 a 2000 l/h. Assim, o valor máximo do SP de vazão é 2000. (SP_Hi_Lim = 2000). O SP por motivos de proteção poderia ser limitado num valor mais baixo, como por exemplo 1500 l/h. 25
  26. 26. • SP_Lo_Lim: Este parâmetro serve para limitar o mínimo valor do SP de vazão desejado, sabendo que essa faixa varia de 0 a 2000 l/h. Assim, o valor mínimo do SP de vazão é 0. (SP_Lo_Lim = 0). Como no caso anterior, o poderia ser limitado num outro valor, como por exemplo 500 l/h. • Gain: Este parâmetro corresponde ao ganho proporcional desejado. O controle proporcional responde imediatamente quando detecta um sinal de erro e daí inicia sua ação corretiva. É um dos tipos de controle mais fáceis de ser utilizado pois requer somente o ajuste do ganho. Porém, possui uma característica que limita o seu uso, que é o erro de offset. No caso será utilizado o valor unitário para o ganho proporcional. (Gain = 1). • Reset: Este parâmetro corresponde ao ganho integral desejado. O controlador integral age como um somador ou acumulador que examina o sinal de erro e continua mudando a saída do controlador até que o erro seja zero. No caso será utilizado o valor 0,1 para o ganho integral. (Reset = 0.1). • Rate: Este parâmetro corresponde ao ganho derivativo desejado. A ação derivativa é apropriada para processos que possuem grandes constantes de tempo, processos lentos. É desejado, para este exemplo, verificar inicialmente o funcionamento do controlador PI, de modo que a parcela referente ao ganho derivativo seja 0. (Rate = 0). 2.6.3. Bloco AO (Saída Analógica) O bloco de saída analógica é um bloco funcional usado por equipamentos que trabalham como elementos de saída em um loop de controle como válvulas, atuadores, posicionadores, resistências de aquecimento, etc. Os parâmetros a ser configurados são os seguintes: • Mode_Blk: Este parâmetro já foi explicado anteriormente, de modo que no campo target do parâmetro Mode_Blk deve-se configurar a opção Auto&Cas devido os fatores mencionados. (Mode_Blk = Auto&Cas). 26
  27. 27. • PV_Scale: Este parâmetro já foi explicado anteriormente. É importante verficar que essa faixa de valores é a mesma que sai do bloco PID (Out_Scale do bloco PID). Desse modo a parametrização deve ser a seguinte: o EUAt100 → 100 o EUAt0 → 0 o UnitIndex → % • OUT_Scale: Este parâmetro já foi explicado anteriormente. O bloco atuador é representado pela válvula, como dito anteriormente, e sua abertura varia de 0 a 100%. Desse modo a parametrização deve ser a seguinte: o EUAt100 → 100 o EUAt0 → 0 o UnitIndex → % • OUT: Este parâmetro informa o valor lido do atuador em tempo real, isto é, ao valor da abertura da válvula. 27
  28. 28. 3. AIMAX – Software de Supervisão Discute-se nesse capítulo os aspectos referentes ao uso do software de supervisão AIMAX para a comunicação com a planta de controle de processos da SMAR e também para criar um ambiente de simulação a partir das funções desenvolvidas em script. Para abrir a tela do software de supervisão, é necessário ativar o ícone Database Configuration, dentro da pasta do AIMAX. Para ambas aplicações é necessário inicialmente criar um novo projeto. Ao ser criado um novo projeto, será criado também uma nova pasta dentro do diretório do AIMAX, com o mesmo nome do projeto criado. Dentro dessa pasta estão todos os arquivos referentes ao desenvolvimento do projeto. A figura a seguir ilustra a tela do software de supervisão AIMAX com a caixa referente ao procedimento de criação de um novo projeto. 28
  29. 29. A seguir, aparecerá a tela de configuração do sistema com algumas informações associadas ao projeto. Ativar a opção Exit, para que o AIMAX ative alguns pacotes necessários ao sistema, bem com bibliotecas e drivers de comunicação disponíveis. 29
  30. 30. 3.1. Criando uma animação Nessa seção são apresentados os procedimentos necessários para simular um sistema composto por um tanque com capacidade para 500 litros e duas válvulas para controle de entrada e saída de água. A vazão de entrada e a vazão de saída são inicialmente 10 l/s, mas podem ser alterados. Inicialmente configuram-se os tags necessários, que são os seguintes: Tags Descrição Tipo N Nível do Tanque Analógico V1 Válvula 1 Digital V2 Válvula 2 Digital VE Vazão de entrada Analógico VS Vazão de saída Analógico Para criar os tags é necessário usar a ferramenta Constant Point. 3.1.1. Constant Point Escolhe-se inicialmente o nome do tag e o tipo de variável do tag (analógico, digital ou texto). No caso das válvulas, que são digitais, configura-se o estado inicial das mesmas como aberta ou fechada. No caso dos tags analógicos como nível e as vazões de entrada e saída, configuram-se, além do nome e o tipo do tag (analógico), os limites mínimo e máximo do tanque, bem como o formato do display apresentado na tela. Abaixo são apresentadas as janelas de configurações de um tag digital e outro analógico. 30
  31. 31. Os tags ficam configurados da seguinte maneira: Tags Descrição Tipo Initial Value Span H. Span L. N Nível do Tanque Analógico 0 500 0 V1 Válvula 1 Digital x x x V2 Válvula 2 Digital x x x VE Vazão de entrada Analógico 10 50 0 VS Vazão de saída Analógico 10 50 0 O próximo passo é criar a tela gráfica a partir da ferramenta Graphic Builder. 3.1.2. Graphic Builder Ao ativar o ícone do Graphic Builder, aparecerá a seguinte tela: Para continuar basta pressionar qualquer tecla para continuar. No menu Modify, são utilizados comandos para modificarem os objetos desenhados: 31
  32. 32. • BREAK – apaga um objeto selecionado; • CHANGE – modifica ou troca características de um objeto ou texto; • COPY – copia um objeto; • DIVIDE – se dois objetos estiverem sobrepostos, inverte posição do objeto selecionado para frente ou para trás; • ERASE – apaga um objeto da tela; • EXPLODE – desativa animação; • MOVE – movimenta um objeto na tela; • MULTICOPY – tira várias cópias do objeto selecionado; • ROTATE – gira objeto na tela; • SCALE – aumenta ou diminui o tamanho do objeto selecionado; • MIRRORX – gira objeto selecionado em torno do eixo x; • MIRRORY – gira objeto selecionado em torno do eixo y; • POPUP – se dois objetos estiverem sobrepostos, trás objeto marcado para frente; • PUSHDOWN – se dois objetos estiverem sobrepostos, trás objeto marcado para trás; • UNDO – cancela última modificação feita no projeto; No menu View pode-se alterar a forma de visualização da tela desenhada a partir dos comandos a seguir: • REDRAW – redesenha tela; • ZOOM – aumenta o tamanho dos objetos na tela; • PAN – enquadra um desenho na tela; esta opção faz com que o desenho seja deslocado pela tela de uma distância selecionada; • ORIGINAL – disponibiliza a tela em seu tamanho original, sem zoom; • ADJUST – ajusta objeto na tela; • ADJUST ALL – ajusta todo o objeto na tela; • PRINT SCREEN – imprime tela corrente; • SELECT COLOR TABLE – seleciona a tabela de cores a ser utilizada; Para adicionar objetos na tela, é necessário selecionar o comando Symbol no menu Draw. Para desenhar o projeto proposto deve-se usar esse comando. Para adicionar um 32
  33. 33. tanque, por exemplo, é necessário escolher a opção tank.sym. Para adicionar um display na tela é necessário usar o comando Ptext no menu Draw e para adicionar qualquer texto basta usar o comando Vtext, também disponibilizado no menu Draw. A tela deverá ter o seguinte aspecto: Ao terminar o desenho do projeto proposto, cada objeto desenhado deve ser associado a um Active Point para que se possa animar a tela gráfica. Para isso, os referidos objetos devem ser associados aos tags criados anteriormente na opção Constant Point. Para animar os objetos, deve-se utilizar o comando Create no meu Active. Para animar a válvula 1, por exemplo, é necessário selecionar o tag referente à válvula na lista de tags à direita da caixa. O objetivo é mudar a cor da válvula quando a mesma for aberta ou fechada. Assim, é necessário selecionar a opção Color e depois na opção Digital, uma vez que a válvula é digital. A seguir basta ativar a válvula com essa animação. Para animar um display, do nível, por exemplo, selecionar o tag N e a opção C-Text para animar um display alfanumérico, e 33
  34. 34. depois a opção Digital. A seguir basta ativar o display com essa animação. A tela referente à configuração desse Active Point é apresentada a seguir. Terminado o desenho do projeto e as animações, pode ser adicionado um gráfico para verificar a evolução do nível ao longo da simulação. Se esta opção for desejada, basta usar o comando Trend no menu Active. Aparecerá a seguinte tela: 34
  35. 35. Terminado esses procedimentos, é necessário salvar o projeto. Para tanto, deve-se ativar o disquete vermelho no meu e marcar todas opções disponíveis. O procedimento final é criar as regras para ativar o funcionamento do projeto. Para tanto, é necessário usar a ferramenta script disponível no menu principal. 3.1.3. Script Como dito, para que a simulação proposta execute a lógica desejada, é necessário criar um script que relacione as variáveis criadas, de modo que se possa visualizar na tela a variação do nível do tanque. Para criar o script, é necessário clicar no ícone de Scripts no Database Configuration Manager. Aparecerá a seguinte tela: Selecionar a opção Script Editor, para edição do programa. A estrutura do programa está apresentada na tela que pode ser verificada a seguir. Serão escritas basicamente três funções: • Encher o tanque; • Esvaziar o tanque; • Proteção do tanque para que o mesmo não transborde. 35
  36. 36. Após a digitação do código, dar um nome ao Script e selecionar a opção Save. Para retornar à primeira tela selecionar a opção Exit, e configura-la como apresentado a seguir: 36
  37. 37. É importante também observar na tela acima que existem três “eventos” em que o Script pode ser executado: na inicialização do Background (System Startup), durante a execução (System Running) e no encerramento do Background (System Shutdown). Também poderá ser selecionado o loop de simulação, que no caso apresentado é de 1 segundo. O projeto agora está pronto. Basta executar o Background que o Script começa a ser executado de 1 em 1 segundo. A seguir, basta simular o programa a partir do ícone Background no Database Configuration Manager. A tela deverá ter o seguinte aspecto: 3.2. Comunicação com a planta de controle de processos a partir da rede fieldbus Os procedimentos iniciais são os mesmos que aqueles apresentados inicialmente. O objetivo desse procedimento é criar uma tela de supervisão que monitore uma estratégia de controle desenvolvida a partir do configurador Syscon, como apresentado anteriormente. È importante lembrar que a estratégia de controle desenvolvida e apresentada no capítulo 2 se 37
  38. 38. refere ao controle de vazão no tanque 1 atuando na válvula1. Os procedimentos necessários são apresentados a seguir. 3.2.1. Criando um novo projeto Deverá ser criado um novo projeto. O supervisório cria uma pasta com o mesmo nome dentro de seu próprio diretório, onde estarão todos os arquivos e bibliotecas necessárias. Quando aparecer a janela “System Configuration” selecionar “Exit”. Quando finalizar esse processo, aparece a seguinte tela: A seguir deve ser inserida a placa de aquisição, habilitando o software de supervisão a comunicar com instrumentos de controle via rede fieldbus. A placa de aquisição está na paleta de dispositivos com o nome “FB Smar”. Selecionar a placa e arrastá-la até o “System” que aparece na figura acima. Selecionar a porta 1 e finalizar a caracterização da placa de aquisição mantendo as características da mesma como definidas na tela. 38
  39. 39. A seguir devem ser inseridos os instrumentos da rede fieldbus. O instrumento também está na paleta de dispositivos com o nome “Fieldbus Smar”. Selecionar instrumento e arrastá- lo até a placa de aquisição previamente configurada no item 2. Quando aparecer a janela “Device Configuration” selecionar a opção OK. A tela terá o seguinte aspecto: O próximo procedimento é a criação dos tags de acesso aos parâmetros previamente configurados no programa “Syscon” e marcados com a opção “supervision”, destinados a informar os valores dentro do software de supervisão AIMAX. 39
  40. 40. 3.2.2. Criação dos tags a partir do Single Point Esse procedimento é feito a partir do “Single Point” . É importante salientar que os primeiros comandos da parametrização são selecionar o tag e o parâmetro associado ao mesmo. Ao ser acionado o ícone aparecerá a seguinte tela: Os tags e os parâmetros configurados são apresentados a seguir: Tag Parameter Address D.Digits Span High Span Low Chg.lim.H Chg.Lim.L V OUT FIT-3.1_AI#1.OUT 4.1 2000 0 2000 0 SP SP FIT-3.1_PID.SP 4.1 2000 0 2000 0 KP GAIN FIT-3.1_PID.GAIN 1.2 5 0 5 0 KI RESET FIT-3.1_PID.RESET 1.2 5 0 5 0 KD RATE FIT-3.1_PID.RATE 1.2 5 0 5 0 V1 OUT FY-3.1_AO#1.OUT 3.1 100 0 100 0 40
  41. 41. Os passos para o desenvolvimento da tela de supervisão foram descritos na seção 3.1.2 e serão utilizados os mesmos procedimentos. Obviamente não é necessário usar a função script porque os dados serão atualizados a partir da aquisição via rede fieldbus. O procedimento final é habilitar a ferramenta responsável por criar um banco de dados com os dados da aquisição da estratégia proposta, conhecida como “Historical Trend”. 3.3. Histórico Considerando que o projeto esteja finalizado, a ferramenta referente ao histórico pode ser ativada selecionando a tecla H do “Database Configuration Manager”, conforme figura abaixo. A seguir, aparecerá uma tela, onde deverão ser configurados todos os tags desejados para o histórico. Configura-se também o intervalo de gravação dos dados, os limites mínimo e máximo referente a cada tag, e o formato do algarismo que informará o valor do tag a cada passo de simulação. A tela referente à configuração dos tags desejados ao controle de vazão terá o seguinte aspecto. 41
  42. 42. Para visualizar o histórico criado na tela de supervisão, basta ativar o ícone Background no “Database Configuration Manager”. Ao selecionar o menu “Function”, ativar a opção “Historical Trend List...” (ou tecla F4). Ao aparecer a tela abaixo escolher o nome do histórico que estará disponível no campo “Description” e ativar a opção “Reset” para começar a aquisição de dados. 42
  43. 43. Esta é a tela final onde são exibidas as curvas de tendências referentes aos tags escolhidos do referido processo. 43
  44. 44. Os dados da aquisição podem ser salvos e observados em uma planilha como o Excel®. O procedimento para converter os dados do AIMAX para um arquivo com extensão .PRN pode ser observado na figura a seguir. Ao aparecer a tela abaixo, selecionar a opção “Data Path” para escolher o diretório onde está o arquivo a ser convertido. Para escolher o diretório onde será guardado o arquivo convertido, selecionar a opção “Output Path” e para fazer a conversão dos dados para um arquivo com extensão .PRN ativar a opção “Convert Files”. Convertido o arquivo, basta verificar o arquivo armazenado na pasta escolhida anteriormente e fazer as análises necessárias. 44

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