Sce pt 010-060_r1209_s7-1200_pid-1

Setor industrial, IA&DT
Documentação de treinamento SCE Página 1 de 56 Uso somente para sistemas de treinamento/P&D
Módulo TIA Portal 010-060, edição 03/2013 ilimitado / © Siemens AG 2013. Todos os direitos reservados
SCE_PT_010-060_R1209_Engenharia de controle com o SIMATIC S7-1200
Módulo TIA Portal 010-060
Engenharia de controle com o SIMATIC S7-1200
Documentação de treinamento SCE
para a solução de automação universal
Totally Integrated Automation (TIA)
Siemens Automation Cooperates with Education

Pacotes de instrutor SCE deste documento
 SIMATIC S7-1200 AC/DC/RELAIS 6º "TIA Portal"
Nº de pedido: 6ES7214-1BE30-4AB3
 SIMATIC S7-1200 DC/DC/DC 6º "TIA Portal"
Nº de pedido: 6ES7214-1AE30-4AB3
 SIMATIC S7-SW para treinamento STEP 7 BASIC V11 Upgrade (para S7-1200) 6º "TIA Portal"
Nº de pedido: 6ES7822-0AA01-4YE0
Note que os pacotes de instrutor podem ser substituídos por pacotes atualizados.
Um resumo dos pacotes SCE atualmente disponíveis pode ser encontrado em: siemens.com/sce/tp
Treinamentos avançados
Para treinamentos avançados SCE Siemens, entre em contato com o parceiro SCE da sua região
siemens.com/sce/contact
Outras informações sobre SCE
siemens.com/sce
Nota sobre o uso
A documentação de treinamento para a solução de automação universal Totally Integrated Automation (TIA) foi
elaborada para o programa "Siemens Automation Cooperates with Education (SCE)" especificamente para fins
educacionais. A Siemens AG não assume nenhuma responsabilidade sobre o conteúdo.
Este documento só pode ser utilizado para o treinamento inicial em produtos/sistemas da Siemens. Isto é, ele
pode ser copiado em sua totalidade ou parcialmente e ser entregue aos alunos para uso durante o treinamento.
A transmissão e reprodução deste documento, bem como a divulgação de seu conteúdo, são permitidas
apenas para fins educacionais.
As exceções demandam a aprovação por escrito do representante da Siemens AG: Sr. Roland Scheuerer
roland.scheuerer@siemens.com.
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particularmente para o caso de registro de patente ou marca registrada.
A utilização em cursos para clientes industriais é expressamente proibida. O uso comercial dos documentos
não é autorizado.
Agradecemos à empresa Michael Dziallas Engineering e todas as pessoas pelo auxílio na elaboração deste
documento.

PÁGINA:
1. Prefácio.......................................................................................................................................................4
2. Notas sobre a programação do SIMATIC S7-1200....................................................................................6
2.1 Sistema de automação SIMATIC S7-1200.................................................................................................6
2.2 Software de programação STEP 7 Professional V11 (TIA Portal V11)......................................................6
3. Fundamentos da engenharia de controle...................................................................................................7
3.1 Tarefas da engenharia de controle.............................................................................................................7
3.2 Componentes de um circuito de controle...................................................................................................8
3.3 Função de passo para o estudo de sistemas controlados .......................................................................11
3.4 Sistemas controlados com compensação................................................................................................12
3.4.1 Sistema com controlador proporcional sem atraso de tempo .........................................................12
3.4.2 Sistema com controlador proporcional sem atraso de tempo .........................................................13
3.4.3 Sistema com controlador proporcional com dois atrasos de tempo................................................14
3.4.4 Sistema com controlador proporcional com n atrasos de tempo ....................................................15
3.5 Sistemas controlados sem compensação................................................................................................16
3.6 Tipos básicos de controladores contínuos ...............................................................................................17
3.6.1 O controlador proporcional (controlador P)......................................................................................18
3.6.2 O controlador integral (controlador I) ...............................................................................................20
3.6.3 O controlador PI...............................................................................................................................21
3.6.4 O controlador diferencial (controlador D).........................................................................................22
3.6.5 O controlador PID ............................................................................................................................22
3.7 Meta no ajuste do controlador ..................................................................................................................23
3.8 Ajustes dos sistemas controlados ............................................................................................................25
3.8.1 Ajuste do controlador PI conforme Ziegler-Nichols .........................................................................26
3.8.2 Ajuste do controlador PI conforme Chien, Hrones e Reswick .........................................................26
3.9 Controladores digitais...............................................................................................................................28
4. Exemplo de tarefa para controle do nível de preenchimento em um tanque...........................................30
5. Programação do controle de nível de preenchimento para o SIMATIC S7-1200 ....................................31

1. Prefácio
O conteúdo do módulo SCE_PT_010-060 constitui a unidade de aprendizado 'Fundamentos da
programação CLP' e descreve a programação de controladores PID no SIMATIC S7 1200 com o
TIA Portal.
Meta de aprendizado:
O leitor deverá aprender neste módulo a programação de controladores PID com o SIMATIC S7-1200
com a ferramenta de programação TIA Portal. O módulo apresenta os fundamentos e demonstra o
procedimento com base em um exemplo detalhado.
Pré-requisitos:
Para um bom entendimento desse módulo, é
 necessário conhecimento sobre Windows
 Fundamentos da programação de CLP's com o TIA Portal
(por exemplo, módulo 010-010 - Programação 'startup' do SIMATIC S7-1200 com o TIA Portal
V11)
 Blocos para o SIMATIC S7-1200
(por exemplo, módulo 010-020 – Tipos de bloco no SIMATIC S7-1200)
 Processamento de valores analógicos no SIMATIC S7-1200
(por exemplo, módulo 010-050 – Processamento de valores analógicos no SIMATIC S7-1200)
Fatores adicionais para
a programação CLP
Módulo 30
Fundamentos da
programação CLP
Módulo 10, módulo 20
PROFIBUS PROFINET
Módulo 60 Módulo 70
AS-Interface
Módulo 50
Tecnologia de
segurança
Módulo 80
Tecnologia de
acionamento
Módulo 100
Visualização do
processo (IHM)
Módulo 90
Tecnologia de
sensores
Módulo 110
Simulação do sistema
SIMIT Módulo 150
Outras linguagens de
programação
Módulo 40

Hardware e software necessários
1 PC Pentium 4 com 1.7 GHz, 1 GB de RAM (XP) ou 2 GB de RAM (Vista), espaço livre em disco de
aprox. 2 GB
Sistema operacional Windows XP Professional SP3 / Windows 7 Professional / Windows 7
Enterprise / Windows 7 Ultimate / Windows 2003 Server R2 / Windows Server 2008 Premium SP1,
Business SP1, Ultimate SP1
2 Software STEP 7 Professional V11 SP1 (TIA Portal V11)
3 Conexão Ethernet entre o PC e o CLP 315F-2 PN/DP
4 CLP SIMATIC S7-1200, p.ex., CPU 1214C.
As entradas deverão ser executadas em um painel de controle.
3 Conexão Ethernet
1 PC
2 STEP 7 Professional
V11 (TIA Portal)
4 S7-1200 com
CPU 1214C

2. Notas sobre a programação do SIMATIC S7-1200
2.1 Sistema de automação SIMATIC S7-1200
O sistema de automação SIMATIC S7-1200 é um sistema de microcontrolador modular para as faixas
de baixa e média potência.
Existe uma ampla gama de módulos para a adaptação ideal em diferentes tarefas de automação.
O controlador S7 é composto de uma fonte de alimentação, uma CPU e módulos de entrada e de saída
para os sinais digitais e analógicos.
Eventualmente, também são aplicados módulos funcionais e de comunicação para tarefas específicas,
como por exemplo, o controle do motor de passo.
O controlador lógico programável (CLP) monitora e controla uma máquina ou um processo por meio do
software S7. No software S7, os módulos de Input/Output (I/O) são consultados através de endereços
de entrada (%I) e endereçados através de endereços de saída (%Q).
O sistema é programado com o software STEP 7.
2.2 Software de programação STEP 7 Professional V11 (TIA Portal V11)
O software STEP 7 Professional V11 (TIA Portal V11) é a ferramenta de programação para os sistemas
de automação
- SIMATIC S7-1200
- SIMATIC S7-300
- SIMATIC S7-400
- SIMATIC WinAC
Com STEP 7 Professional V11, as seguintes funções podem ser usadas para a automação de um
sistema:
- configuração e parametrização do hardware
- estabelecimento da comunicação
- programação
- teste, startup e serviço com as funções de operação/diagnóstico
- documentação
- criação de telas para os SIMATIC Basic Panels com WinCC Basic integrado.
- com os pacotes WinCC avançado também é possível criar soluções de visualização para PCs e
outros painéis
Todas as funções são auxiliadas por uma Ajuda detalhada.

3. Fundamentos da engenharia de controle
3.1 Tarefas da engenharia de controle
"O controle é um processo no qual o valor de uma variável de interesse é continuamente mantido por
meio de intervenções baseadas em medições desta variável.
Isto cria uma sequência de ações que tem lugar em uma malha fechada, a malha de controle, pois o
processo realiza-se com base em medições de uma variável, que influencia a si mesma novamente."
A variável a ser controlada é continuamente medida e comparada com o valor desejado (setpoint).
Dependendo do resultado desta comparação, o processo de controle realiza ajustes para que a variável
de interesse se aproxime do valor do setpoint.
Esquema de controle
Elemento de
comparação
Elemento
de
controle
Regulador
Atuador +
sistema
Dispositivo de
medição
Temperatura nominal

3.2 Componentes de um circuito de controle
A seguir serão explicados em detalhes os conceitos básicos da engenharia de controle.
Primeiramente uma visão geral com base em um esquema:
1. A variável controlada x
Ela é a "meta" propriamente dita do controle, ou seja, a variável a ser influenciada ou mantida constante
em todo o sistema. Em nosso exemplo, esta é a temperatura ambiente. O valor instantâneo de uma
variável controlada em um determinado momento chama-se "valor efetivo" referente a aquele momento.
2. A variável de realimentação r
Em um circuito de controle, a variável controlada é constantemente verificada para que seja possível
reagir às alterações indesejadas. A variável de medição proporcional à variável controlada chama-se
variável de realimentação. No exemplo "Aquecimento", ela corresponde à tensão de medição do
termômetro interno.
Elemento de
comparação
Elemento
de
controle
Dispositivo de
medição
Sistema
controlado
Controlador
AtuadorRegulador
YR

3. A variável de distúrbio z
A variável de distúrbio é aquela variável que influencia a variável controlada de forma indesejada e a
distancia do setpoint atual. Em caso de um controle de valor fixo, esta é necessária em razão da
existência da variável de distúrbio. No sistema de aquecimento considerado, esta seria - por exemplo -
a temperatura externa ou também qualquer outra variável que faz com que a temperatura ambiente se
afaste de seu valor ideal.
4. O setpoint w
O setpoint é o valor desejado que a variável controlada deve apresentar naquele momento. Deve-se
notar que o setpoint em um controle de valor sequencial pode se alterar constantemente em
determinadas circunstâncias. O valor medido determinado pelo dispositivo de medição quando a
variável controlada corresponde exatamente ao setpoint é o valor instantâneo da variável de referência.
No exemplo, o setpoint é a temperatura ambiente desejada no momento.
5. O elemento de comparação
Este é o ponto no qual o valor medido atual da variável controlada e o valor instantâneo da variável de
referência são comparados entre si. Na maioria dos casos, em ambas as variáveis, estes são tensões
de medição. A diferença entre as duas variáveis é a "diferença de controle", chamada de e. Esta é
encaminhada para o elemento de controle e lá avaliada (consulte abaixo).
6. O elemento de controle
O elemento de controle é o coração propriamente dito de um sistema de controle. Ele avalia a diferença
de controle - ou seja, a informação sobre se, como e em qual extensão a variável controlada se desvia
em relação ao valor nominal atual - na forma de variável de entrada e, a partir desta avaliação, deriva a
"variável de saída do controlador" YR por meio da qual a variável controlada será influenciada. No
exemplo do sistema de aquecimento, a variável de saída do controlador é a tensão para o motor do
misturador.
Como o elemento de controle determina a variável de saída do controlador a partir da diferença de
controle é o principal critério de um controle. A parte II irá tratar deste tema de forma mais detalhada.

7. O regulador
O regulador é por assim dizer o "órgão executor" do controle. Ele recebe a informação do elemento de
controle, na forma de variável de saída do controlador, sobre como a variável controlada deve ser
influenciada e converte esta informação em uma alteração da "variável manipulada". No nosso
exemplo, o regulador é o motor do misturador. Dependendo da tensão fornecida pelo elemento de
controle (ou seja, a variável de saída do controlador), ele influencia a condição do misturador (que aqui
representa a variável manipulada).
8. O atuador
Este é o elemento do circuito de controle que influencia a variável controlada (mais ou menos
diretamente) dependendo da variável manipulada Y. No exemplo, esta é a combinação entre
misturador, tubulações de aquecimento e aquecedor. O ajuste do misturador (a variável manipulada) é
realizado pelo motor do misturador (regulador) e influencia a temperatura ambiente através da
temperatura da água.
9. O sistema controlado
O sistema controlado é o sistema em que se encontram as variáveis a serem controladas; no exemplo
do aquecimento, a sala de estar.
10. O tempo morto
Tempo morto é o tempo que decorre entre a alteração da variável de saída do controlador até a reação
mensurável do sistema controlado. No exemplo, este é o tempo entre a alteração da tensão para o
motor do misturador e a alteração mensurável, condicionada por este fato, da temperatura ambiente.

3.3 Função de passo para o estudo de sistemas controlados
Para examinar o comportamento dos sistemas controlados, controladores e circuitos de controle, é
usada uma função uniforme para o sinal de entrada, a função de passo.
Dependendo do objeto de estudo ser o exame do elemento do circuito de controle ou de todo o circuito
de controle, a variável controlada x(t), a variável manipulada y(t), a variável de referência w(t) ou a
variável de distúrbio z(t) podem ser ocupadas com a função de passo. Em razão disto, frequentemente
o sinal de entrada, a função de passo, é designado com xe(t) e o sinal de saída com xa(t).
para
para

3.4 Sistemas controlados com compensação
3.4.1 Sistema com controlador proporcional sem atraso de tempo
O sistema controlado é abreviadamente designado como sistema P.
alteração súbita da variável de entrada em t0
Variável controlada / variável manipulada:
Variável controlada / variável de distúrbio:
Kss : Coeficiente proporcional para uma
alteração da variável controlada
Ksz : Valor proporcional para uma alteração
da variável de distúrbio
Faixa de ajuste: yh = ymáx – ymín
Faixa de controle: xh = xmáx – xmín

3.4.2 Sistema com controlador proporcional sem atraso de tempo
O sistema controlado é abreviadamente designado como sistema P-T1.
Equação diferencial para um sinal de entrada comum xe(t):
Solução da equação diferencial para a função de passo na entrada (resposta de passo):
Ts: Constante de tempo

3.4.3 Sistema com controlador proporcional com dois atrasos de tempo
O sistema controlado é abreviadamente designado como sistema P-T2.
Fig.: Resposta de passo do sistema P-T2
Tu: tempo de atraso Tg: tempo de compensação
O sistema é formado pela ligação em série com ausência de reação de dois sistemas P-T1 possuindo
as constantes de tempo TS1 e TS2.
Controlabilidade de sistemas P-Tn:
A medida que a relação Tu / Tg aumenta, o sistema fica cada vez mais difícil de controlar.
fácil de
controlar
ainda passível de
controle
difícil de controlar

3.4.4 Sistema com controlador proporcional com n atrasos de tempo
O sistema controlado é abreviadamente designado como sistema P-Tn.
A descrição do comportamento temporal realiza-se através de uma equação diferencial de nª ordem. A
evolução da resposta de passo é similar a aquela do sistema P-T2. O comportamento temporal é
descrito por Tu e Tg.
Substituição: O sistema controlado com muitos atrasos pode ser substituído de modo aproximado pela
ligação em série de um sistema P-T1 com um sistema de tempo morto.
Irá valer: Tt » Tu e TS » Tg.
Resposta de passo substituta para o sistema P-Tn

3.5 Sistemas controlados sem compensação
Após um distúrbio, a variável controlada continua a aumentar continuamente sem almejar um valor final
fixo.
Exemplo: Controle de nível de preenchimento
Em um recipiente com drenagem, no qual os volumes de entrada e saída são iguais, estabelece-se um
nível de preenchimento constante. Se a vazão de entrada ou de saída se alterarem, o nível de líquido
aumenta ou se reduz. Quanto maior for a diferença entre entrada e saída, mais rapidamente o nível irá
se alterar.
O exemplo mostra que o comportamento integral, na prática, geralmente possui uma limitação. A
variável controlada aumenta ou se reduz até atingir um valor limite condicionado pelo sistema: O
recipiente transborda ou fica vazio, a pressão atinge o máximo ou o mínimo do sistema etc.
A figura mostra o comportamento temporal de um sistema I em uma alteração súbita da variável de
entrada, bem como o esquema de ligação em blocos daí derivado:
Quando a função de passo na entrada se transforma em uma função arbitrária xe(t),
* Figura da Informação técnica SAMSON - L102 - Controladores e sistemas controlados, edição: agosto de
2000 (http://www.samson.de/pdf_en/l102en.pdf)
Esquema de
ligação em blocos
ymáx
xmáx
xa(t)=KIS ∫ xe(t) dt  sistema controlado integrado
Kis: Coeficiente integral do sistema controlado

3.6 Tipos básicos de controladores contínuos
Como já citado, os controladores discretos discutidos acima apresentam o benefício da simplicidade.
Tanto o controlador como também o regulador e o atuador são de natureza mais simples e, portanto,
mais baratos do que os controladores contínuos. Além disto, os reguladores discretos apresentam uma
série de desvantagens. Por exemplo, nos casos em que forem ligadas grandes cargas, como grandes
motores elétricos ou unidades de refrigeração, podem ocorrer elevados picos de carga que poderão
sobrecarregar a fonte de alimentação. Por esta razão, frequentemente não se realiza a comutação
entre "Desliga" e "Liga", mas sim entre a potência plena ("carga máxima") e uma potência
significativamente menor do regulador ou atuador ("carga básica"). Mas mesmo com esta melhoria, o
controle discreto não é adequado para diversas aplicações. Imagine um motor de carro, cuja rotação é
controlada discretamente. Não existiria nada entre marcha lenta e aceleração total. Além do fato de ser
impossível transferir as forças da aceleração total súbita de forma adequada através dos pneus para a
estrada, um veículo deste tipo seria totalmente inadequado para trafegar em vias públicas. Portanto, os
controladores contínuos são usados para este tipo de aplicação. Aqui a relação matemática, que o
elemento de controle estabelece entre a diferença de controle e a variável de saída do controlador, é
teoricamente quase que ilimitada. Na prática é feita a diferenciação entre três tipos básicos clássicos,
que serão descritos em maiores detalhes a seguir.

3.6.1 O controlador proporcional (controlador P)
No controlador P, a variável manipulada y é sempre proporcional à diferença de controle determinada
(y ~ e). Disto resulta que um controlador P reage sem atraso a um desvio de controle e só gera uma
variável manipulada quando se apresentar um desvio e.
O controlador proporcional de pressão representado na figura compara a força FS da mola de setpoint
com a força FB, que gera a pressão p2 na junta de expansão metálica elástica. Se as forças não
estiverem em equilíbrio, a alavanca gira em torno do ponto de rotação D. Com isto, a posição da válvula
ñ e a pressão p2 a ser regulada se alteram correspondentemente até que se estabeleça um novo
equilíbrio de forças.
A figura mostra o comportamento do controlador P em caso de ocorrência súbita de uma diferença de
controle. A amplitude do passo da variável manipulada y depende da extensão da diferença de controle
e do valor do coeficiente proporcional Kp:
Portanto, para manter um desvio de controle pequeno, é necessário selecionar um fator de
proporcionalidade o maior possível. O aumento do fator resulta em uma reação mais rápida do
controlador, mas um valor muito elevado implica no perigo de oscilação indesejada e elevada tendência
à oscilação do controlador.
* Figura e texto da Informação técnica SAMSON - L102 - Controladores e sistemas controlados, edição: agosto
de 2000 (http://www.samson.de/pdf_en/l102en.pdf)
Junta de
expansão
metálica
Mola de setpoint

Aqui pode ser visto o comportamento do controlador P no diagrama:
Os benefícios deste tipo de controlador são, por um lado, a sua simplicidade (a realização eletrônica
pode ser composta, no caso mais simples, de uma simples resistência) e, por outro lado, a sua rápida
reação quando comparado aos outros tipos de controladores. A principal desvantagem do controlador P
está no permanente desvio de controle, o valor nominal nunca é totalmente atingido mesmo em longo
prazo. Esta desvantagem, assim como a velocidade lenta de reação, só podem ser amenizadas por um
fator de proporcionalidade mais elevado; caso contrário, poderão resultar oscilações indesejadas do
controlador, ou seja, quase uma reação excessiva. No caso mais desfavorável, o controlador entra em
uma oscilação permanente, o que faz com que a variável controlada se afaste periodicamente do valor
nominal devido ao próprio controlador ao invés de devido à variável de distúrbio.
A melhor maneira de solucionar o problema do desvio de controle permanente é através de um
controlador integral.
Desvio de controle
Variável controlada
Setpoint
Valor efetivo
Tempo

3.6.2 O controlador integral (controlador I)
Os controladores integrativos são usados para controlar completamente os desvios de controle em
cada ponto de operação. O valor da variável manipulada se altera enquanto o desvio for diferente de
zero. O controle é estabelecido somente quando a variável de referência e a variável controlada forem
iguais, o mais tardar quando a variável manipulada atingir o seu valor limite condicionado pelo sistema
(Umáx, Pmáx etc.).
A formulação matemática deste comportamento integral é: A variável manipulada é proporcional à
integral de tempo da diferença de controle e:
A velocidade com que a variável manipulada aumenta (ou se reduz) depende do desvio de controle e
do tempo de integração.
Esquema de
ligação em blocos
emáx
ymáx
com:

3.6.3 O controlador PI
O controlador PI é um tipo de controlador muito frequentemente usado na prática. Ele é composto de
uma ligação em paralelo de um controlador P e um controlador I.
Adequadamente projetado, ele combina as vantagens de ambos os tipos de controladores (estável e
rápido, sem desvio de controle permanente), de forma que as suas desvantagens são compensadas.
O comportamento temporal é caracterizado pelo coeficiente proporcional Kp e o tempo de
reinicialização Tn. Em razão do componente proporcional, a variável manipulada reage imediatamente a
cada diferença de controle e, enquanto que o componente integral só terá efeito com o decorrer do
tempo. Tn representa o tempo que decorre até o componente I gerar a mesma amplitude de ajuste que
é criada pelo componente proporcional (Kp). Do mesmo modo como no controlador I, o tempo de
reinicialização Tn deve ser reduzido para que seja possível aumentar o componente integral.
Projeto do controlador:
Dependendo do dimensionamento de Kp e Tn, as oscilações indesejadas da variável controlada podem
ser reduzidas à custa da dinâmica de controle.
Áreas de aplicação do controlador PI: circuitos de controle rápidos, que não permitem desvio de
controle permanente.
Exemplos: controles de pressão, temperatura e proporção
Esquema de
ligação em blocos
emáx
ymáx

3.6.4 O controlador diferencial (controlador D)
O controlador D forma a sua variável manipulada a partir da velocidade de alteração da diferença de
controle e não a partir da amplitude como ocorre no controlador P. Portanto, ele reage ainda mais
rapidamente do que o controlador P: Assim que ocorre uma alteração de amplitude, ele gera grandes
amplitudes de ajuste quase que por antecipação mesmo em caso de pequenas diferenças de controle.
No entanto, o controlador D não detecta um desvio de controle permanente, pois independentemente
do seu tamanho, a velocidade de alteração é igual a zero. Em razão disto, raramente o controlador D é
utilizado sozinho na prática. Geralmente ele é aplicado junto com outros elementos de controle, na
maioria das vezes em conjunto com um componente proporcional.
3.6.5 O controlador PID
Quando um controlador PI é estendido por um componente D, obtém-se um controlador PID universal.
Como no controlador PD, a complementação do componente D faz com que, se adequadamente
projetada, a variável controlada atinja mais precocemente o seu valor nominal e o ajuste seja mais
rápido.
Esquema de
ligação em blocos
emáx
ymáx
con

3.7 Meta no ajuste do controlador
Para obter um resultado de controle satisfatório, a seleção de um controlador adequado é um aspecto
fundamental. Ainda mais essencial, no entanto, é a configuração dos respectivos parâmetros do
controlador, Kp, Tn e Tv, que deverão estar ajustados em relação ao comportamento do sistema. Aqui
é necessário tomar uma decisão entre um controle muito estável, mas também lento, ou um
comportamento de controle muito dinâmico, mais inquieto, apresentando tendência à oscilação sob
determinadas circunstâncias e podendo se tornar instável.
Em sistemas não lineares, que devem sempre trabalhar no mesmo ponto de operação, por exemplo,
um controle de valor fixo, os parâmetros do controlador devem sempre ser ajustados em relação ao
comportamento do sistema neste ponto de trabalho. Se, como nos controles sequenciais, não puder ser
definido um ponto de trabalho fixo para ñ, deverá ser encontrado um ajuste de controlador que forneça
um resultado de controle suficientemente rápido e estável ao longo de toda a faixa de trabalho.
Na prática, os controladores geralmente são ajustados com base em valores empíricos.
Se estes não estiverem disponíveis, o comportamento do sistema deve ser cuidadosamente analisado
para, em seguida, estabelecer os parâmetros adequados do controlador com o auxílio de diversos
procedimentos teóricos e práticos de projeto.
Uma possibilidade para esta determinação é o teste de vibração conforme o método de Ziegler-Nichols.
Ele permite um dimensionamento simples e adequado para muitos casos. Este processo de ajuste, no
entanto, só poderá ser aplicado em sistemas controlados, que permitam que a variável controlada seja
levada à oscilação automática. O procedimento será como segue:
deixar os valores de Kp e Tv no controlador mínimos e Tn máximo (menor efeito possível do
controlador).
Ajustar o sistema controlado manualmente conforme o ponto de operação desejado (início da operação
do controlador).
Ajustar a variável manipulada do controlador manualmente conforme o valor predefinido e alterar para o
modo automático.
Aumentar Kp (reduzir Xp ) até que possam ser detectadas oscilações harmônicas da variável
controlada. Se possível, o circuito de controle deve ser induzido para oscilações com a ajuda de
alterações súbitas do valor nominal durante o ajuste de Kp.
* Texto da Informação técnica SAMSON - L102 - Controladores e sistemas controlados, edição: agosto de 2000
(http://www.samson.de/pdf_en/l102en.pdf)

Registrar o valor ajustado de Kp como coeficiente proporcional crítico Kp,crit. Determinar a duração de
uma oscilação completa como Tcrit, eventualmente com um cronômetro e cálculo da média aritmética
de diversas oscilações.
Multiplicar os valores Kp,crit e Tcrit pelos multiplicadores conforme a tabela e ajustar os valores assim
determinados para Kp, Tn e Tv no controlador.
Kp, crit.
Kp, crit.
Kp, crit.
T crit.
T crit. T crit.

3.8 Ajustes dos sistemas controlados
O ajuste dos sistemas controlados deve ser realizado com base no exemplo de um sistema PT2.
Aproximação Tu-Tg
A base do método conforme Ziegler-Nichols e conforme Chien, Hrones e Reswick é a aproximação Tu-
Tg, na qual, a partir da resposta de passo do sistema, é possível determinar os parâmetros coeficiente
de transferência do sistema KS, tempo de atraso Tu e tempo de compensação Tg
As regras de ajuste descritas abaixo foram encontradas experimentalmente com a ajuda de simulações
em computador analógico.
Os sistemas P-TN podem ser descritos de forma suficientemente precisa com uma assim chamada
aproximação Tu-Tg, ou seja, por meio de uma aproximação através de um sistema P-T1-TL.
O ponto de partida é a resposta de passo do sistema com o tamanho de passo de entrada K. Os
parâmetros necessários, ou seja, coeficiente de transferência do sistema KS, tempo de atraso Tu e
tempo de compensação Tg são determinados conforme mostrado na figura.
Para que o coeficiente de transferência do sistema KS necessário para o cálculo possa ser determinado,
é necessária a medição da função de transição até o valor final estacionário (K*Ks).
O principal benefício deste procedimento é o fato da aproximação poder ser aplicada mesmo quando
não existir nenhuma descrição analítica do sistema.
Figura: Aproximação Tu-Tg
Ponto de inflexão
K*KS
TgTu t/seg
x / %

3.8.1 Ajuste do controlador PI conforme Ziegler-Nichols
Por meio do estudo de sistemas P-T1-TL, Ziegler e Nichols descobriram os seguintes ajustes ideais de
controlador para o controle de valor fixo:
KSTu
Tg
KPR = 0,9
TN = 3,33 Tu
Com estes valores de ajuste geralmente é obtida uma excelente reação em relação aos distúrbios. [7]
3.8.2 Ajuste do controlador PI conforme Chien, Hrones e Reswick
Neste procedimento, tanto o comportamento de referência como a reação aos distúrbios foram
estudados para obter parâmetros favoráveis do controlador. Em ambos os casos resultam valores
diferentes. Além disto, também são especificados dois diferentes ajustes, que atendem a diferentes
requisitos com relação à qualidade do controle.
Resultam os seguintes ajustes:
 Para reação em relação a distúrbios:
KSTu
Tg
KPR = 0,6
TN = 4 Tu
transiente aperiódico com mínima
duração
KSTu
Tg
KPR = 0,7
TN = 2,3 Tu
20% de oscilações indesejadas
com mínima duração de oscilação

 Para comportamento de referência:
KSTu
Tg
KPR = 0,35
TN = 1,2 Tg
transiente aperiódico com mínima
duração
KSTu
Tg
KPR = 0,6
TN = Tg
20% de oscilações indesejadas
com mínima duração de oscilação

3.9 Controladores digitais
Até agora foram vistos principalmente os controladores analógicos, ou seja, aqueles que a partir da
diferença de controle disponível como valor analógico derivam, também de maneira analógica, a
variável de saída do controlador. O esquema de um circuito de controle deste tipo já é conhecido:
Frequentemente, no entanto, existem vantagens ao se realizar a avaliação da diferença de controle de
maneira digital. A relação entre a diferença de controle e a variável de saída do controlador pode ser
estabelecida de forma muito mais flexível se ela for definida por um algoritmo ou uma fórmula com a
qual seja possível programar um computador, ao invés de ser necessário implementá-la na forma de
um circuito analógico. Além disso, na tecnologia digital é possível uma integração muito maior dos
circuitos, o que permite acomodar diversos controladores em um espaço reduzido. E, finalmente, por
meio da distribuição do tempo de cálculo com uma capacidade de cálculo suficiente, também é possível
usar um único computador como elemento de controle de diversos circuitos de controle.
Para permitir o processamento digital das variáveis, tanto as variáveis de referência como as variáveis
de realimentação são primeiro convertidas em variáveis digitais por um conversor analógico-digital
(ADU). Em seguida, elas são subtraídas umas das outras por um elemento de comparação digital e a
diferença é encaminhada ao elemento digital de controle. A variável de saída do controlador é, então,
novamente convertida em uma variável analógica por um conversor digital-analógico (DAU). A unidade
composta de conversores, elemento de comparação e elemento de controle aparece externamente
como um controlador analógico.
Controlador
analógico
Sistema
Elemento de
comparação

O diagrama abaixo ilustra a estrutura de um controlador digital:
Apesar dos benefícios apresentados pela implementação digital do controlador, ela também está
associada a diversos problemas. Portanto, algumas variáveis deverão ser selecionadas suficientemente
grandes no controlador digital para que a precisão do controle não seja prejudicada na digitalização. Os
critérios de qualidade para computadores digitais são:
 A resolução de quantização do conversor digital-analógico.
Ela indica a precisão com a qual a faixa de valores contínuos é digitalizada. A resolução deve ser
grande o suficiente para que nenhuma das sutilezas importantes do controle se perca.
 A taxa de amostragem do conversor analógico-digital.
Esta é a frequência com a qual os valores analógicos existentes no conversor são medidos e
digitalizados. Esta deve ser alta o suficiente para que o controlador possa reagir prontamente em
relação às alterações súbitas da variável controlada.
 O tempo de ciclo.
Todos os computadores digitais trabalham de forma diferente do que um controlador analógico em
termos de ciclos de clock. A velocidade do computador usado deve ser alta o suficiente para que não
possa ocorrer nenhuma alteração significativa da variável controlada durante um ciclo de clock (no qual
o valor de saída é calculado e nenhum valor de entrada é consultado).
A qualidade do controlador digital deve ser alta o suficiente para que, exteriormente, a sua reação seja
tão rápida e precisa como a de um controlador analógico.
Elemento de
comparação
Controlador
digital SistemaDAU
ADU
ADU
ADU
Elemento de
comparação
Controlador
digital DAU Sistema
ADU

4. Exemplo de tarefa para controle do nível de preenchimento em um tanque
Para o nosso programa deverá ser programado um controle de nível de preenchimento.
Um sensor mede o nível de preenchimento de um tanque e o converte em um sinal de tensão de
0-10 V.
0 V correspondem a um nível de preenchimento de 0 litros e 10 V a um nível de preenchimento de
1000 litros.
Este sensor está conectado na primeira entrada analógica do SIMATIC S7-1200.
O nível de preenchimento deve ser controlado em 0 litros (S1 == 0) ou 700 litros (S1 == 1).
Para isto, é usado um controlador "PID_Compact" integrado a STEP 7 Basic V10.5. Este controlador
PID aciona uma bomba na forma de variável manipulada entre 0-10 V.
Lista de atribuição:
Endereço Símbolo Tipo de dados Comentário
%IW 64 X_level_tank1 Int Entrada analógica do valor efetivo do nível de
preenchimento do tanque1
%QW 80 Y_level_tank1 Int Saída analógica da variável manipulada da
bomba1
%I 0.0 S1 Bool Passo do valor nominal do nível de preenchimento
0 (0) ou 700 litros (1)

5. Programação do controle de nível de preenchimento para o SIMATIC S7-1200
O gerenciamento do projeto e a programação realizam-se com o software 'Totally Integrated
Automation Portal'.
Aqui, em uma interface única, são criados, parametrizados e programados os componentes da solução
de automação, tais como controle, visualização e rede.
Ferramentas online estão disponíveis para o diagnóstico de erros.
Conforme os passos abaixo é possível criar um projeto para o SIMATIC S7-1200 e programar a solução
da tarefa:
1. A ferramenta central é o 'Totally Integrated Automation Portal', que é chamada aqui por meio de
um clique duplo. ( Totally Integrated Automation Portal V11)

2. Os programas para o SIMATIC S7-1200 são administrados em projetos. Um projeto é criado na
visualização do portal ( Create a new project  tank_PID  Create)

3. Então, são sugeridos os 'First steps' para a criação do projeto. Queremos, primeiro, 'Configure a
device'. ( First steps  Configure a device)

4. Então iremos 'Add new device' com o 'nome de dispositivo controller_tank'. A partir do
catálogo, selecionamos a 'CPU1214C' com a referência correspondente.
( Add new device  controller_tank  CPU1214C  6ES7 …….  Add)

5. O software altera automaticamente para a visualização do projeto com a configuração de hardware
aberta. Aqui é possível adicionar outros módulos a partir do catálogo de hardware (à direita!). Deve
ser adicionada a placa de sinal para a saída analógica a partir do catálogo por meio de
Arrastar&Soltar. ( Catlog  Signal board  AO1 x 12Bit  6ES7 232-… )

6. Em 'Device view' também é possível configurar os endereços das entradas/saídas. Neste caso,
as entradas analógicas integradas da CPU possuem os endereços %IW64 - %IW66 e as entradas
digitais integradas possuem os endereços %I0.0 - %I1.3. O endereço da saída analógica na placa
de sinal é AW80 ( Device view  AO1 x 12Bit  80…81)

7. Para que o software acesse posteriormente a CPU correta, o respectivo endereço IP e máscara de
rede deverão ser configurados. ( Properties  General  PROFINET interface  Ethernet
addresses IP address: 192.168.0.1  Subnet mask: 255.255.255.0)

8. Como na programação moderna não são usados endereços absolutos, mas sim variáveis
simbólicas, aqui é necessário definir as Variáveis globais do CLP.
Estas variáveis globais do CLP são nomes descritivos com comentário para todas as entradas e saídas
usadas no programa. Posteriormente, as variáveis globais do CLP poderão ser acessadas através dos
respectivos nomes durante a programação.
Estas variáveis globais podem ser usadas em todo o programa e em todos os blocos.
Para tal, na árvore do projeto, selecione 'controller_tank [CPU1214C DC/DC/DC]’ e, em seguida, 'PLC
tags'. Abra a tabela 'PLC tags' com um clique duplo e insira ali os nomes para as entradas e saídas
conforme mostrado abaixo.
( controller_tank [CPU1214C DC/DC/DC]'  PLC tags  Default tag table)

9. Para criar o bloco de função FC1, selecione o 'controller_tank [CPU1214C DC/DC/DC]’ e, em
seguida, os 'Program blocks' na árvore do projeto. Clique duas vezes sobre 'Add new block'. (
controller_tank [CPU1214C DC/DC/DC]’  Program blocks  Add new block)

10. Selecione 'Organization block (OB)' e, em seguida, o tipo 'Cyclic interrupt'. Como linguagem de
programação é predefinido o diagrama de blocos funcionais 'FBD'. A numeração (OB200) realiza-
se automaticamente. O tempo de ciclo fixo é mantido aqui em 100 ms. Aplique as entradas por
meio de 'OK'. ( Organization block (OB)  Cyclic interrupt  FBD  Cycle time 100  OK)
Nota:
A chamada do controlador PID deve ser obrigatoriamente realizada com um tempo de ciclo fixo (neste
caso, 100 ms), pois o seu tempo de processamento é crítico. Será impossível otimizar o controlador se
ele não for chamado desta forma.

11. O bloco de organização 'Cyclic interrupt'[OB200]’ é aberto automaticamente. Antes de ser
possível gravar o programa, é necessário definir as suas variáveis locais.
Neste bloco só pode ser usado um tipo de variável:
Tipo Designação Função Disponível em
Dados locais
temporários
Temp
Variáveis usadas para o
armazenamento de resultados
intermediários temporários. Os
dados temporários são mantidos
somente durante um ciclo.
Funções, blocos de função e blocos
de organização
12. No nosso exemplo, só é necessária a seguinte variável local.
Temp:
w_level_tank1 Real Esta variável armazena o setpoint para o tanque1 como valor intermediário
Neste exemplo, é novamente importante o uso do tipo de dados correto, o Real; caso contrário, este
não será compatível com o bloco de controlador PID no programa seguinte.
Para uma melhor compreensão, todas as variáveis locais devem ser acompanhadas de um comentário.

13. Após as variáveis locais terem sido declaradas, o programa pode ser inserido usando-se os nomes
das variáveis. (As variáveis são identificadas pelo símbolo '#'.) Aqui, nas duas primeiras redes,
cada uma com uma instrução 'MOVE', é copiado o número de ponto flutuante 0.0 (S1 == 0) ou
700.0 (S1 == 1) na variável local #w_level_tank1. ( Basic instructions  Move  MOVE )

14. Na terceira rede é inserido o bloco do controlador 'PID_Compact'. Como ele não suporta uma
múltipla instância, a ele deve ser atribuído um bloco de dados como instância individual. Este é
automaticamente criado pelo STEP 7.
( Extended instructions  PID  PID_Compact  OK)

15. Conforme o aqui mostrado, ligue este bloco com o valor nominal (variável local #w_level_tank1), o
valor efetivo (variável global "X_Level_Tank1") e a variável manipulada (variável global
"Y_Level_Tank1"). Em seguida, pode-se abrir a máscara de configuração ' ' do bloco do
controlador. ( #w_level_tank1  "X_Level_Tank1"  "Y_Level_Tank1"  )

16. Aqui deverão ser realizadas as 'Basic settings', tais como o tipo de controle e a interconexão da
estrutura interna do controlador. ( Basic settings  Controller type Volume  l  Setpoint:
Input_PER(analog)  Valor manipulado: Output_PER )

17. Em 'Process value settings' definimos a faixa de medição de 0 litros até 1000 litros. E também é
necessário ajustar os limites. ( Process value settins  Scaled high process value 1000.0 l 
Process value high limit 1000.0 l  Process value low limit 0.0 l  Scaled low process value 0.0 l)

18. Em 'Advanced settings' ainda poderá ser encontrado, por exemplo, um ajuste manual dos 'PID
parameters'. A janela de configuração é fechada com um clique em e é obtido um programa
com controlador PID. ( Advanced settings  PID parameters  )
Programa no diagrama de blocos funcionais (FBD):

Programa no diagrama ladder (LD):

19. O projeto é salvo por meio de um clique com o mouse em . Para carregar o seu
programa completo na CPU, primeiro selecione a pasta 'controller_tank' e clique, em seguida, no
símbolo Download to device.
(  controller_tank  )

20. Caso a interface PG/PC ainda não tiver sido definida (consulte o módulo M1, capítulo 4), aparecerá
uma janela onde isto poderá ser realizado. ( PG/PC interface for loading  Load)

21. Clique, então, novamente em 'Load'. Durante o carregamento, o status é exibido em uma janela.
( Load)
22. O carregamento bem-sucedido será exibido em uma janela. Clique, então, com o mouse em
'Finish'. ( Finish)

23. Inicie a CPU com um clique do mouse sobre o símbolo . ( )
24. Confirme a pergunta se você deseja realmente iniciar a CPU com 'OK'. ( OK)

25. Com um clique do mouse sobre o símbolo "Monitoring on/off", é possível observar o estado
dos blocos e das variáveis durante o teste do programa.
Ao iniciar a CPU pela primeira vez, o controlador 'PID_Compact' ainda não estará ativado. Para
tal, é necessário iniciar o comissionamento clicando com o mouse sobre o símbolo ' '. ( Cyclic
interrupt[OB200]   PID_Compact  Comissioning)

26. Com 'Measurement on' é possível exibir o valor nominal, o valor efetivo e a variável manipulada
em um diagrama na tela de operação.
Esta ainda não estará ativa após o primeiro carregamento do controlador. Isto significa que a
variável manipulada se mantém em 0%. Selecione 'Pretuning' e, em seguida, 'Start pretuning'.
( Measurement on  Pretuning  Start pretuning)

27. O autoajuste é iniciado. No campo 'Status' são exibidas as atuais etapas de trabalho e os erros
ocorridos. A barra de progresso mostra o progresso da etapa de trabalho atual.

28. Se o autoajuste for executado sem mensagem de erro, os parâmetros PID terão sido otimizados.
O controlador PID altera para o modo automático e usa os parâmetros otimizados. Os parâmetros
PID otimizados são mantidos ao LIGAR a rede e no caso de reinicialização da CPU. Os
parâmetros PID podem ser carregados no seu projeto com o botão ' '. ( )
Nota:
Em caso de processos mais rápidos, como por exemplo o controle de uma rotação, deverá ser
selecionado Autoajuste no ponto de trabalho para a otimização. Neste caso é executado um ciclo
com duração de diversos minutos em que todos os parâmetros PID são determinados e ajustados.
Os valores dos parâmetros poderão ser observados no bloco de dados após o carregamento no
projeto.

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