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Universidade Federal de Pernambuco
Centro de Tecnologia e Geociências
Curso de Especialização em Automação Industrial
Implementação de estratégias de controle de temperatura em
um forno para secagem com carregamento por esteira
Diogo Sinésio Trajano de Arruda
Orientador: Prof. Dr. Zanoni Dueire Lins
Monografia apresentada ao Centro de
Tecnologia e Geociências da Universidade
Federal de Pernambuco como parte dos
requisitos para obtenção do Certificado de
Especialista em Automação Industrial
Recife, 2016
Resumo
Implementação de estratégias de controle de temperatura em
um forno para secagem com carregamento por esteira
Diogo Sinésio Trajano de Arruda
Março/2016
Orientador: Prof. Dr. Zanoni Dueire Lins
Área de Concentração: Automação Industrial
Palavras-chave: Automação, CLP, Integração, Controle de Processos
Neste trabalho, foi realizada a implementação de um sistema com estratégias de controle de
temperatura de um forno, com inserção de produtos através de esteira. O projeto foi dividido em
dois subsistemas, movimentação e controle de temperatura, para que fosse possível idealizar,
analisar e constatar as melhorias alcançadas para utilização em um sistema de secagem.
Os sistemas de secagem, assim como todos os outros processos que envolvem a temperatura como
variável apresentam características comuns, como a dificuldade que surge ao se aplicar variações
bruscas. Além disto, é importante ressaltar que o controle de temperatura é muito difundido no meio
industrial devido a grande quantidade de processos que utilizam esta variável como base em
sistemas de automação industrial.
Apesar de tudo, ainda que existam muitas formas para realizar controle de variáveis de processo,
como a temperatura, é interessante mostrar e comprovar novas possibilidades de realização destas
atividades, sendo mais modernas e avançadas ou apenas diferentes, dado que não existe uma
maneira ideal de realizá-las. E alguns fatores como a grande quantidade de equipamentos e
dispositivos e a integração dos mesmos diversificam cada vez mais a forma como estas operações
são feitas.
Então, como uma nova possibilidade é criada através da realização deste trabalho, métricas de
desempenho como tipo de operação, tempos de subida e acomodação e limites de temperatura são
utilizadas para fins de comparação e análise do êxito da solução.
Com uso de um Controlador Lógico Programável - CLP, e um conjunto para movimentação de
produtos, onde estão inseridos um inversor de frequência e um motor, sendo todos estes
equipamentos comandados por meio de um Sistema Supervisório, são feitos testes e obtém-se
resultados importantes em relação à estrutura, operação e os tempos do sistema de controle,
inclusive com melhoria comprovada neste último fator.
Sumário
Capítulo 1 - Introdução ........................................................................................................................ 1
1.1 Situação Atual ............................................................................................................................ 4
1.2 Motivação................................................................................................................................... 6
1.2.1 Modernização baseada em avanço tecnológico .................................................................. 6
1.2.2 Desempenho da solução proposta ....................................................................................... 7
1.3 Objetivos .................................................................................................................................... 8
1.4 Organização da Monografia ....................................................................................................... 9
Capítulo 2 - Especificação e Tecnologias Disponíveis ...................................................................... 11
2.1 Restrições do Projeto Proposto ................................................................................................ 11
2.2 Especificações do Projeto Proposto ......................................................................................... 13
2.3 Tecnologias Disponíveis .......................................................................................................... 14
2.3.1 CLP ................................................................................................................................... 14
2.3.2 Inversor de Frequência ...................................................................................................... 20
2.3.3 Termopar ........................................................................................................................... 24
2.3.4 RTD (Resistance Temperature Detector) .......................................................................... 27
2.3.5 Sistema Supervisório......................................................................................................... 31
2.4 Considerações Finais................................................................................................................ 32
Capítulo 3 - Montagem do Projeto ..................................................................................................... 33
3.1 Implementação do sistema de movimentação .......................................................................... 35
3.1.1 Conexão entre inversor e motor ........................................................................................ 38
3.1.2 Testes da ligação entre CLP e inversor ............................................................................. 38
3.1.3 Controle de movimentação ............................................................................................... 39
3.2 Implementação do controle de temperatura ............................................................................. 41
3.2.1 Testes com placas de entrada analógica ............................................................................ 43
3.2.2 Testes da programação do controle de temperatura .......................................................... 44
3.2.3 Montagem do controle de temperatura ............................................................................. 47
3.3 Conclusão das montagens ........................................................................................................ 49
3.4 Descrição da parte lógica do controle do CLP ......................................................................... 51
3.5 Programação do CLP ............................................................................................................... 53
3.6 Implementação do Sistema Supervisório ................................................................................. 65
3.5.1 Ambiente do Elipse E3 Studio .......................................................................................... 66
3.5.2 Aplicação do projeto ......................................................................................................... 68
3.7 Considerações Finais................................................................................................................ 71
Capítulo 4 - Resultados obtidos ......................................................................................................... 73
4.1 Sistema Supervisório................................................................................................................ 73
4.2 Controle da Temperatura ......................................................................................................... 79
4.3 Considerações Finais................................................................................................................ 85
Capítulo 5 - Conclusões e Trabalhos Futuros .................................................................................... 87
5.1 Conclusões ............................................................................................................................... 87
5.2 Trabalhos Futuros .................................................................................................................... 88
Referências Bibliográficas ................................................................................................................. 89
Anexos ............................................................................................................................................... 91
A) Configuração dos parâmetros dos tags do driver MProt do Elipse E3 ..................................... 91
Lista de Figuras
Figura 1.1: Pirâmide dos Sistemas de Automação ............................................................................... 2
Figura 1.2: Sistema de Controle de Malha Fechada ............................................................................ 3
Figura 1.3: Sistema de secagem de caixas de papel ............................................................................. 5
Figura 2.1: Tempos de subida e acomodação em um gráfico de saída .............................................. 12
Figura 2.2: Estrutura do sistema proposto ......................................................................................... 14
Figura 2.3: Passos para projeto de automação com CLP ................................................................... 16
Figura 2.4: Diagrama de blocos da arquitetura do CLP ..................................................................... 17
Figura 2.5: Diagrama dos estados do CLP ......................................................................................... 19
Figura 2.6: Ciclo de varredura (scan) ................................................................................................. 20
Figura 2.7: Diagrama de blocos de inversor de frequência................................................................ 21
Figura 2.8: Diagrama dos blocos do inversor de frequência .............................................................. 23
Figura 2.9: Esquema básico de um termopar ..................................................................................... 24
Figura 2.10: Esquema de termopar conectado a voltímetro............................................................... 24
Figura 2.11: Compensação de junção fria .......................................................................................... 25
Figura 2.12: Cálculo da tensão resultante do termopar ...................................................................... 25
Figura 2.13: Ponte de Wheatstone ..................................................................................................... 28
Figura 2.14: Montagem de RTD em ponte, a dois fios ...................................................................... 29
Figura 2.15: Montagem de RTD em ponte, a três fios ....................................................................... 30
Figura 2.16: Montagem de RTD em ponte, a quatro fios .................................................................. 30
Figura 3.1: Ambiente da Tela Inicial do software TIA Portal ........................................................... 34
Figura 3.2: Diagrama esquemático do subsistema de movimentação ............................................... 35
Figura 3.3: Especificações do Inversor de Frequência CFW10 ......................................................... 36
Figura 3.4: Placa de identificação do motor WEG ............................................................................ 37
Figura 3.5: Bornes XC1 do Inversor CFW10 .................................................................................... 37
Figura 3.6: Ligação trifásica do motor ............................................................................................... 38
Figura 3.7: Módulo de acionamento de relés ..................................................................................... 39
Figura 3.8: Conexão entre CLP, Módulo de Relés e Inversor de Frequência .................................... 41
Figura 3.9: Diagrama esquemático do subsistema do controle de temperatura ................................. 42
Figura 3.10: Módulo para bancada com forno e sensores .................................................................. 42
Figura 3.11: Local de encaixe da placa de sinal na CPU ................................................................... 43
Figura 3.12: Gráfico de demonstração do Controle ON-OFF ........................................................... 44
Figura 3.13: Modos de conexão do sensor RTD à placa de sinal ...................................................... 47
Figura 3.14: Modo de conexão do sensor Termopar à placa de sinal ................................................ 48
Figura 3.15: Ligações elétricas do controle de temperatura .............................................................. 48
Figura 3.16: Diagrama Esquemático Completo da Solução Proposta ............................................... 49
Figura 3.17: Montagem completa do projeto ..................................................................................... 50
Figura 3.18: Configuração do bloco PWM no TIA Portal ................................................................. 51
Figura 3.19: Diagrama de Blocos do Controle PID ........................................................................... 52
Figura 3.20: Network para iniciar ou desligar o processo .................................................................. 54
Figura 3.21: Network de mudança de modo de controle e acionamento do forno ............................. 54
Figura 3.22: Linhas de Comando para Leitura do sensor de temperatura ......................................... 55
Figura 3.23: Primeira parte da network do Controle ON-OFF .......................................................... 56
Figura 3.24: Continuação da network do Controle ON-OFF ............................................................. 57
Figura 3.25: Primeira parte da network de implementação da melhoria no controle PID ................. 57
Figura 3.26: Continuação da network de implementação da melhoria no controle PID ................... 58
Figura 3.27: Network de comando do controlador PID ..................................................................... 59
Figura 3.28: Network de leitura e configuração dos parâmetros do controle PID ............................. 60
Figura 3.29: Network do bloco PWM ................................................................................................ 61
Figura 3.30: Primeira parte da network de controle do inversor de frequência ................................. 62
Figura 3.31: Segunda parte da network de controle do inversor de frequência ................................. 63
Figura 3.32: Network de simulação da movimentação dos produtos na esteira ................................ 64
Figura 3.33: OB200 contendo o bloco PID........................................................................................ 65
Figura 3.34: Ambiente inicial do Elipse E3 Studio ........................................................................... 67
Figura 3.35: Lista de Tags do driver MProt e os respectivos parâmetros .......................................... 67
Figura 3.36: Tela inicial do Sistema Supervisório ............................................................................. 68
Figura 3.37: Tela de Simulação e Supervisão do processo ................................................................ 69
Figura 3.38: Tela de parametrização e configuração ......................................................................... 70
Figura 3.39: Tela para acompanhar comportamento das variáveis .................................................... 71
Figura 4.1: Transição da Tela Inicial ao inserir o valor de setpoint................................................... 74
Figura 4.2: Tela de Supervisão do processo em momento diferente do inicial, com motor parado .. 75
Figura 4.3: Tela de Supervisão no momento que há produto no forno e velocidade Lenta .............. 76
Figura 4.4: Tela de Parametrização.................................................................................................... 77
Figura 4.5: Tela de Parametrização com mensagem de alerta sobre o valor de ajuste dos limtes ..... 78
Figura 4.6: Tela de Parametrização com controle ON-OFF selecionado e melhoria devido a inércia
térmica ................................................................................................................................................ 79
Figura 4.7: Controle ON-OFF, Setpoint de 30°C .............................................................................. 80
Figura 4.8: Gráfico de resposta do controle PID - Setpoint em 27°C ................................................ 82
Figura 4.9: Gráfico de resposta do controle PID - Setpoint em 30°C ................................................ 83
Figura 4.10: Controle PID com melhoria - Setpoint de 34°C ............................................................ 84
Figura 4.11: Comparação das curvas de resposta com melhoria e sem melhoria .............................. 85
Lista de Tabelas
Tabela 1.I: Evolução anual do mercado de automação no mundo ....................................................... 6
Tabela 2.I: Valores de tensão e temperatura de Termopar tipo J ....................................................... 26
Tabela 2.II: Tabela de valores de resistência e temperatura para PT-100 ......................................... 28
Tabela 3.I: Lista de Tags do Programa feito no TIA Portal ............................................................... 53
Lista de Abreviaturas e Siglas
CA – Corrente Alternada
CC – Corrente Contínua
CLP – Controlador Lógico Programável
CPU – Central Processing Unit
GND - Ground
IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor
IHM - Interface Homem-Máquina
LED - Light Emitting Diode
NA - Normalmente Aberto
NF - Normalmente Fechado
PH - Potencial de Hidrogênio
PID - Proporcional Integral Derivativo
PT-100 - Sensor de Temperatura do tipo RTD, feito de Platina
PV - Process Variable
PWM - Pulse Width Modulation
RAM - Random Access Memory
RTD - Resistance Temperature Detector
SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition
SCL - Structured Control Language
SDCD - Sistema Digital de Controle Distribuído
SP - Setpoint
TIA Portal - Totally Integrated Automation Portal, software proprietário da Siemens
TRIAC - Triode for Alternating Current
UCP - Unidade Central de Processamento
1
Capítulo 1
Introdução
Automação é definida como um conceito e um conjunto de técnicas por meio das quais se
constroem sistemas ativos capazes de atuar com eficiência ótima pelo uso de informações recebidas
do meio sobre o qual atuam. Através de outro ponto de vista, automação é qualquer sistema apoiado
em computadores, que substitua o trabalho humano em favor da segurança de pessoas, da qualidade
dos produtos, da rapidez da produção ou da redução de custos, aperfeiçoando os complexos
objetivos das indústrias e dos serviços [1] [2].
Um conceito importante em relação à automação é a função que cada equipamento ou
dispositivo exerce. E este dado tem uma definição através da pirâmide de automação, mostrada na
Figura 1.1, onde cada parte de um sistema de automação está localizada em um nível com
características e funções comuns entre os componentes.
O nível mais baixo tem como representantes os instrumentos de campo como sensores,
atuadores, válvulas e outros equipamentos, apresentando uma comunicação rápida e de dados de
tamanhos pequenos. Os níveis superiores apresentam a tendência de aumentar o tamanho dos dados,
porém apresentando velocidades menores de comunicação.
O segundo nível, logo acima do nível mais baixo, tem como componentes os elementos de
controle como o CLP e os SDCD - Sistema Digital de Controle Distribuído. Acima do nível de
controle, encontra-se o nível de supervisão onde estão localizados os Sistemas SCADA e as IHMs -
2
Interface Homem Máquina. Os dois níveis mais acima na pirâmide estão relacionados com dados
gerenciais e integração com o ambiente corporativo.
Figura 1.1: Pirâmide dos Sistemas de Automação
Fonte: COELHO, M. S. Sistemas Supervisórios. CEFET-SP, 2009
Ainda sobre o significado da automação, o termo encontra-se atrelado a aplicação de
sistemas e suas derivações. Um sistema é qualquer coleção de interação de elementos que funciona
para alcançar um objetivo comum e que evoluiu com o tempo. Além disto, é dito que aquilo que
pode ser definido como sistema num contexto pode ser apenas um componente de outro sistema,
dando origem ao conceito de subsistema [3] [4] [5].
De um ponto de vista mais prático, sistema é um conjunto de elementos dinamicamente
relacionados entre si que desempenham uma atividade para atingir um objetivo, operando sobre
entradas e fornecendo saídas processadas. Alguns dos principais componentes de um sistema são
[5] [6]:
- Entradas: representam os insumos ou as variáveis independentes do sistema;
- Saídas: representam os produtos ou as variáveis dependentes do sistema;
- Subsistemas: elementos que compõem o sistema;
- Processamento: engloba as atividades desenvolvidas pelos subsistemas que interagem entre
si para converter entradas e saídas.
3
Além destes, existem as fronteiras e a realimentação (ou feedback).
A integração do CLP - Controlador Lógico Programável, um elemento de processamento,
com alguns outros elementos permite a realização de controle dos mais variados processos. Por
exemplo, o controle de nível de um tanque contendo um fluido qualquer, onde há um sensor
capacitivo de nível, uma válvula para encher o tanque e outra para esvaziá-lo, pode ser realizado por
um CLP. Por apresentar um elemento sensor que fornece o valor atual do nível do fluido, este
sistema é dito de malha fechada e, portanto, possui realimentação. Por outro lado, os sistemas de
controle ditos de malha aberta, não possuem realimentação.
Na Figura 1.2 é mostrado um diagrama de blocos exemplificando um sistema de malha
fechada. O elemento definido como sensor, é o bloco responsável por realimentar o controlador
com informações do processo (o tanque, no exemplo citado). O sinal enviado pelo sensor é
comparado com um valor de referência ou valor desejado, denominado set point (SP) e a partir do
resultado desta comparação é gerado um erro. O elemento controlador atua diretamente neste valor
de erro, inserindo um método de controle capaz de aproximar o valor de saída do processo ao SP.
Entre alguns métodos de controle conhecidos, é possível citar: ON-OFF, Proporcional, Integral,
Derivativo e suas junções (PI, PD e PID), adaptativo, por lógica fuzzy, entre outros. A escolha do
método de controle é parte essencial do projeto, porque diz respeito a variáveis como: custo,
velocidade de resposta, robustez, segurança, etc.
Figura 1.2: Sistema de Controle de Malha Fechada
A realimentação adquirida através do elemento sensor pode ser a partir de qualquer variável
física relativa ao processo. As mais comuns são pressão, nível, vazão, temperatura, pH - Potencial
de Hidrogênio, condutividade, velocidade e umidade [7].
A partir dos conceitos apresentados, é possível citar que a automação tem forte conexão com
o controle de processos, visto que este busca transformar um processo manual, executado por
pessoas, em um processo automático, executado em sua grande parte por máquinas, equipamentos e
dispositivos como os CLPs, computadores, sensores e motores.
4
1.1 Situação Atual
O sistema escolhido para ser automatizado tem como funções básicas o controle da
temperatura da câmara de um forno, com inserção de produtos através da movimentação de uma
esteira. Além disto, há necessidade de criar uma interface operacional capaz de estabelecer
comunicação com o processo em si e permitir o controle de todo o sistema.
A movimentação por esteira é amplamente utilizada na indústria, sendo parte integrante de
diversos tipos de fábricas. As esteiras apresentam grande utilização na área de logística e também
em movimentação de produtos dos mais variados tipos de indústrias, como microeletrônica,
automotiva, metalúrgica, de mineração, têxtil, entre outras.
As características de facilidade, velocidade e segurança das esteiras representam um grande
avanço na movimentação de produtos, permitindo que os mesmos possam ser transportados através
de diferentes processos como separação, seleção, secagem, queima, resfriamento, envasamento,
entre outros.
Entre um dos tipos de esteiras, pode-se citar a elétrica, que é movimentada através de um
motor elétrico. Para controlar a velocidade do motor é utilizado um inversor de frequência
conectado ao mesmo. Com isto, também é possível aumentar a segurança e diminuir o risco de
danificação do equipamento de acionamento da esteira. Maiores detalhes sobre os inversores de
frequência serão dados em capítulos posteriores.
Outro fator importante a ser levado em consideração, diz respeito ao tipo de sistema de
produção utilizado nos processos com esteira. Existem os processos de projeto, processos de
jobbing, processos em lotes (ou bateladas), processos de massa e processos contínuos. A definição
do tipo é baseada em fatores como tempo de manufatura, necessidade específica, demanda do
produto, flexibilidade, volume de produção, repetição da manufatura, padronização, equipamentos
especializados e mão de obra [8].
O controle de temperatura de compartimentos ou fornos é utilizado em muitos processos
industriais. Entre estes processos, é possível citar a fabricação de resistores para utilização em
circuitos eletrônicos, onde em uma das etapas do processo de construção dos componentes é
necessário manter uma temperatura constante. Na fabricação de cerâmica e vidro, também existem
etapas em que é realizado este tipo de controle. Assim como em processos de refrigeração industrial
que, diferentemente dos outros, controla a temperatura em níveis baixos [9] [10] [11].
Entre muitos outros processos similares, um de grande importância em sua área é o controle
de temperatura realizado em reatores químicos. Por apresentar grande instabilidade, relacionada
com constantes de tempo variáveis, grandes tempos de atraso, não linearidades e distúrbios
5
estocásticos, é extremamente importante que o mesmo funcione da melhor maneira possível,
evitando assim danos mais sérios, como explosões [12].
Os processos que utilizam uma integração entre esteira e controle de temperatura de um
forno são normalmente definidos em sistemas contínuos, sistemas de produção em massa ou
sistemas de produção em lotes.
Na situação apresentada neste projeto, as especificidades do sistema estão baseadas na forma
como o subsistema de movimentação funciona: de maneira contínua, porém com restrições devido a
presença do forno. E também, como o subsistema de controle de temperatura aquece o produto
visando uma temperatura definida. O aquecimento visa uma secagem, fazendo com que o produto
adquira propriedades pertinentes à continuação do processo. Um exemplo de processo de secagem,
utilizado em caixas de papel, pode ser visto na Figura 1.3.
Figura 1.3: Sistema de secagem de caixas de papel
A estrutura atual do sistema apresenta componentes dos três níveis inferiores da pirâmide de
automação, mostrada na Figura 1.1. Da base da pirâmide, existem os dispositivos de campo. Em um
nível mais acima, estão os dispositivos de controle. Já no nível de IHM/SCADA, está o sistema para
supervisão e operação.
Com as informações sobre a localidade de cada componente do sistema, é possível concluir
que o projeto encontra-se predominantemente na malha rápida, no contexto da automação
industrial. A malha lenta é representada pelos níveis superiores, onde há presença dos sistemas
gerenciais e corporativos e não é utilizada neste projeto.
6
1.2 Motivação
Nesta seção é feita a divisão em dois pontos, buscando primeiramente uma visão geral e
posteriormente, uma mais específica. De forma geral, será analisada a modernização baseada nos
avanços tecnológicos relacionados com a automação industrial. E, além disto, em uma visão mais
particular do ponto de vista do projeto, será feita a análise da motivação específica relacionada ao
desempenho do projeto.
1.2.1 Modernização baseada em avanço tecnológico
A busca incessante por diminuição dos custos, aumento da produção, dos lucros, da
competitividade e mais recentemente, da segurança, acarretou a necessidade de modernização das
indústrias. Visando estas melhorias, um fator capaz de contribuir em grandes proporções é a
automação. Automatizar a planta de uma indústria tornou-se cada vez mais comum e há uma busca
cada vez maior para realização de operações deste tipo.
Em uma pesquisa de 2012 sobre o mercado mundial de Automação Industrial, foi analisado
o crescimento deste ramo no mercado. Conforme pode ser visto na Tabela I, de 2003 a 2011, houve
aumento no mercado de automação, exceto em 2009 devido ao ápice da crise econômica global.
Todas as áreas citadas nas colunas da Tabela 1-I estão relacionadas com automação. Isto ajuda a
ratificar o fato de que a automação é cada vez mais presente nos ambientes industriais [13].
Tabela 1.I: Evolução anual do mercado de automação no mundo
Adaptado de: https://doc.research-and-analytics.csfb.com - Global Industrial Automation (2012)
Além de fatores econômicos, a automação industrial permite que tarefas manuais sejam
realizadas de forma automática ou através da tela de um computador ou IHM, permite que
Ano/Ramo Produção Industrial Processos Fabricação Automação
2003 3,7% -0,3% 11,3% 4,4%
2004 5,4% 5,1% 13,0% 8,5%
2005 4,4% 8,4% 9,1% 8,7%
2006 5,5% 11,4% 11,4% 11,4%
2007 5,7% 8,8% 11,5% 10,0%
2008 0,5% 10,6% 2,4% 6,8%
2009 -7,2% -5,1% -19,5% -11,5%
2010 9,6% -3,3% 20,6% 6,3%
2011 5,0% 9,7% 13,8% 11,6%
2012 (estimado) 3,7% 8,5% 5,2% 7,0%
2013 (estimado) 4,9% 5,4% 7,4% 6,3%
7
operações complexas sejam simplificadas através de algoritmos e de programações e ainda permite
que atividades perigosas sejam executadas com menor risco ou risco zero.
Em mercados em expansão e desenvolvimento, com implantação de indústrias, fábricas e
plantas industriais, a atualização dos processos através de automação torna-se cada vez mais
comum. Diversas empresas realizam este tipo de operação, também chamado de modernização ou
retrofit, para que seus equipamentos, sistemas e processos se tornem mais atualizados e mais
competitivos no mercado. Sistemas relacionados à tecnologia e à sua evolução, como computadores
e celulares, tendem a se tornar obsoletos, aumentando custo de manutenção, aumentando a
dificuldade de reposição de peças e diminuindo a relação entre custo e benefício.
Neste contexto, é possível citar a modernização de um processo térmico através da
automação de um controle de temperatura em conjunto com um sistema de movimentação de
produtos. Em tempos mais antigos, para realizar operações deste tipo, o operador ou o responsável
pelo controle do processo precisava executar atividades manuais, como por exemplo, ajuste da
velocidade, acionamento de botões físicos para ligar e desligar, ajuste da potência do forno, fosse
esta adequação feita através de uma válvula que libera vapor para aumento da temperatura ou
através da corrente que flui por um resistor de aquecimento. Esse ajuste da temperatura definida
como referência é feita por meio de uma verificação da temperatura através de sensores de
temperatura como termômetros, tendo como necessidade para estas atividades a locomoção do
operador para um local próximo ao processo, onde fosse possível realizar a leitura do instrumento.
Com a modernização das indústrias e a implantação da automação industrial, várias
atividades têm se tornado mais práticas e com menor grau de movimentação do operador, bastando
apenas o acompanhamento da planta em telas de supervisórios, painéis, quadros ou interfaces e suas
respectivas ações de controle. Existem situações em que a presença do operador junto ao processo é
indispensável, como por exemplo, na execução de uma manutenção preventiva ou corretiva.
Por estes fatores é visto que, a automação traz benefícios não somente para as empresas, mas
também para o homem como indivíduo capaz de manusear equipamentos e sistemas para realização
de um processo em uma indústria, que agora, realiza movimentos mais reduzidos, de menor esforço
físico e com menor risco para sua segurança.
1.2.2 Desempenho da solução proposta
Analisar os benefícios conquistados com a utilização de sistemas de automação é
fundamental para avaliar a aplicação dos mesmos. Logo, é necessário verificar diversas
características para que seja possível definir qual o objetivo específico da automação, quais são os
8
parâmetros mais importantes para analisar seu desempenho e quais melhorias podem ser feitas para
que o sistema especificado se torne mais próximo do ideal e cumpra os requisitos necessários. Estes
itens serão definidos como figuras de mérito do projeto e podem ser resumidos da seguinte forma:
Critérios que apresentam influência na mudança de velocidade da esteira;
Influência do tempo que o produto permanece dentro da câmara do forno;
Tempos de subida e acomodação do controle de temperatura;
Limites do controle de temperatura.
Estas informações serão avaliadas e mensuradas durante a montagem do projeto e a partir
disto será possível fazer uma análise mais profunda sobre o desempenho do projeto e verificar se há
êxito na solução apresentada. A forma como cada item é avaliado depende da sua natureza e do
subsistema no qual está incluso.
1.3 Objetivos
Os interesses deste trabalho podem ser definidos como objetivos gerais e objetivos
específicos. Primeiramente, sobre os objetivos gerais, busca-se o estudo do conceito de automação e
aplicação de projetos de automação em ambientes industriais, utilizando equipamentos e
dispositivos compatíveis com a realidade das indústrias, como controladores, sensores, atuadores e
sistemas de aquisição de dados, supervisão e operação. Além disto, são estudados assuntos
específicos relacionados ao projeto como o controle de temperatura, a utilização de sensores de
temperatura e limitações e especificações de projeto aplicadas aos equipamentos.
Como objetivos específicos, é possível citar a montagem de um sistema de automação em
que é feito o controle de temperatura em um forno alimentado por uma esteira. Contudo, ainda
existem outros objetivos como a implementação de diferentes estratégias de controle, baseadas no
comportamento da planta e do atuador, criação de um ambiente para supervisão e operação através
de um sistema supervisório e montagem de um sistema de movimentação utilizando motor e
inversor de frequência para mudanças de velocidade da esteira.
Além disto, também é necessário incluir nos objetivos a constatação do bom funcionamento
do sistema através de dados comparativos entre as especificações requeridas, admissíveis e adotadas
no trabalho.
9
1.4 Organização da Monografia
O método utilizado para resolução do problema de automatização através da montagem do
sistema proposto teve como princípio básico a divisão em subsistemas distintos que serão
interligados através do controlador e também de um sistema de supervisão.
Primeiramente, será montado o conjunto de acionamento do motor da esteira. Para isto,
torna-se necessário a parametrização correta do inversor de frequência. Nesta operação, é
imprescindível conhecer todos os dados do motor que será utilizado. Entre estes dados, os principais
são: tensão de alimentação, se o motor é monofásico ou trifásico, potência, corrente nominal e
frequência.
O funcionamento desejado do motor depende da operação de parametrização. A partir desta
atividade, poderemos definir, por exemplo, a rampa de aceleração do motor, que define o quão
rápido o motor chegará a sua velocidade nominal.
Após as operações no inversor de frequência, é necessário programar a interface com o
controlador. Entre os modos de comunicação destes dois equipamentos, existe a possibilidade da
utilização de uma placa no inversor capaz de receber e enviar dados digitais e analógicos. E é deste
modo que as configurações do inversor de frequência serão feitas pelo usuário.
No outro subsistema, ou seja, no controle de temperatura, existem etapas mais complexas. O
controlador será responsável pela ação de controle, porém, para isto, é preciso modelar o processo
térmico do forno. Com a modelagem concluída, o controle será implementado e testado, com o
intuito de validar os resultados do modelo. A validação do sistema também é feita a partir de testes,
com diferentes rotinas e possibilidades de funcionamento, ou até situações de erro ou falha.
Depois de montados e testados, os subsistemas serão integrados na mesma programação e
será feita a última verificação do funcionamento do sistema completo. Associado a isto, toda a
estrutura de supervisão é montada e esta se comunicará com os demais equipamentos.
No capítulo 1 é feita uma introdução a respeito do tema principal deste projeto que é a
automação, também são identificados os objetivos e as metas a serem atingidas.
No capítulo 2, as tecnologias disponíveis e que serão utilizadas no projeto são identificadas e
suas principais características são apresentadas.
No capítulo 3, a montagem do projeto é explicada, assim como a forma de integração entre
os diversos itens presentes no mesmo.
O capítulo 4 fala sobre os resultados obtidos depois das montagens e dos testes realizados e
também sobre o atendimento às exigências dos objetivos traçados.
10
No capítulo 5 é feita a conclusão do trabalho e a descrição de problemas e possibilidade de
melhoria e trabalhos futuros.
O capítulo 6 apresenta as referências utilizadas na criação deste projeto.
Há ainda a apresentação de anexos pertinentes ao bom entendimento do projeto.
11
Capítulo 2
Especificação e Tecnologias
Disponíveis
O objetivo deste capítulo é apresentar as principais características do sistema proposto,
incluindo as restrições e especificações necessárias para escolha de equipamentos, tecnologias e
softwares. Além disto, será feita uma análise das tecnologias disponíveis e uma descrição dos
equipamentos, componentes e dispositivos que serão utilizados na montagem e execução do projeto.
É interessante essa descrição para que haja um conhecimento genérico do estado atual das
tecnologias que serão utilizadas.
2.1 Restrições do Projeto Proposto
As restrições da solução serão baseadas nas figuras de mérito apresentadas na Seção 1.2.2.
Logo, será avaliado cada item separadamente para que seja possível realizar uma melhor análise dos
mesmos.
Primeiramente, os critérios que influenciam na mudança de velocidade da esteira e no tempo
que o produto permanece dentro da câmara do forno estão relacionados à operação e à estrutura do
sistema. Sobre a operação, são criadas limitações para que os produtos sejam impossibilitados de
adentrar ao forno enquanto a temperatura não estiver no valor definido. Depois de a temperatura
atingir o valor pré-definido, o processo passa a funcionar continuamente, sem interrupções, até que
haja uma mudança no setpoint de temperatura. Já em relação à estrutura, é citado o comprimento
12
da esteira e da câmara do forno e a relação entre estes valores. Isto é, caso haja necessidade de
alteração de velocidade devido ao tamanho do forno fazendo com que o produto permaneça o
tempo desejado dentro da câmara. Por exemplo, caso haja necessidade do produto (desconsiderando
o tamanho do mesmo) permanecer dentro da câmara por 50 s e o comprimento do forno seja de 1 m,
a velocidade da esteira pode ser ajustada para 0,02 m/s e assim será capaz de atender à exigência.
Caso haja mudança no tamanho do forno ou no tempo requisitado para o produto permanecer dentro
da câmara, basta ajustar a velocidade da esteira para que as exigências sejam atendidas.
Os tempos de subida e acomodação também definem restrições do projeto. As estratégias de
controle precisam ter estes dados como base para o funcionamento. É válido ressaltar a informação
de que processos térmicos apresentam características inerentes, como a relativa lentidão de resposta
e a impossibilidade de grandes variações bruscas. Então, a análise da velocidade de resposta do
subsistema de temperatura deve levar em consideração estes fatores. Além disto, é necessário
entender as características do atuador responsável pelo aquecimento da câmara, neste caso o forno.
Como consequência de uma limitação já imposta pela operação do sistema, o tempo de
subida tem a possibilidade de ter um comportamento lento, sem prejudicar o processo. A conexão
direta entre este tempo e a variação de temperatura é utilizada para definir que aumentos de
temperatura entre 2 e 4 ºC por minuto satisfazem as condições da solução proposta.
O tempo de acomodação é resultado do desempenho da estratégia de controle implementada
e sua definição é mostrada na Figura 2.1, juntamente com a definição do tempo de subida. No
exemplo da Figura 2.1, a tolerância aceitável para o tempo de acomodação é de 10%.
Figura 2.1: Tempos de subida e acomodação em um gráfico de saída
13
Este parâmetro também deverá ter relação com outra figura de mérito da solução proposta que são
os limites do controle de temperatura. Em sistemas críticos, tanto o tempo de acomodação quanto os
limites devem ser bem controlados e ter comportamento preciso, porém, na solução proposta neste
trabalho, estes parâmetros não são fatores de risco. Logo, devido a estas considerações, valores de
tempo de acomodação maiores que 3 minutos e menores que 6 minutos, são aceitáveis, visto que
após a inicialização e a estabilização da temperatura, o processo funciona de forma contínua, sem
interrupções relacionadas ao controle de temperatura. E o parâmetro de tolerância aceitável pode ser
definido como 5% do setpoint.
Ainda relacionado com a estratégia de controle e as restrições temporais, pode ser citado o
sobrepasso (ou overshoot), também mostrado na Figura 2.1. De forma aceitável, a definição deste
parâmetro encontra-se entre 5 e 10% do valor do setpoint.
A última figura de mérito, os limites do controle de temperatura, apresenta uma restrição
importante para o objetivo do sistema. A depender da finalidade, existe a possibilidade desses
limites serem maiores ou menores. Em casos críticos, onde a temperatura deve ter valores muito
precisos com o intuito de o produto adquirir alguma propriedade decorrente do aquecimento ou
resfriamento, é interessante que os limites sejam muito pequenos. Contudo, em situações pouco
críticas, como a deste projeto, limites entre 1,0 e 2,5 °C são aceitáveis.
2.2 Especificações do Projeto Proposto
A partir da estrutura do sistema atual e das definições dos objetivos e métricas de
desempenho do projeto proposto, são apresentadas especificações dos equipamentos para
elaboração do projeto.
Em relação aos equipamentos, o sistema proposto tem como base um controlador capaz de
trabalhar em ambientes industriais, com garantia temporal e que possa processar sinais de entrada e
de saída. E para realizar esta função, foi escolhido um CLP. Também é necessário um equipamento
com capacidade para acionar um motor elétrico de corrente alternada (CA) e controlar a velocidade
destes e para isto, foi escolhido o inversor de frequência.
Além disto, é de suma importância que os dois equipamentos em nível de controle, apresentem a
possibilidade de comunicação entre si, visto que o motor será controlado pelo inversor e este pelo
CLP.
Ainda para montagem do sistema, porém já em nível de campo, são necessários sensores de
temperatura e de passagem, além de um motor elétrico para acionamento da esteira e o forno para
aquecimento da câmara e consequentemente dos produtos.
14
Para que a especificação possa ser idealizada da melhor maneira possível, é mostrado, na
Figura 2.2, um diagrama de blocos da solução apresentada neste trabalho.
Assim como o sistema da situação atual, todos os componentes da solução proposta
encontram-se nos três níveis inferiores da pirâmide de automação.
Figura 2.2: Estrutura do sistema proposto
2.3 Tecnologias Disponíveis
Nesta seção serão discutidas, de maneira genérica, as tecnologias escolhidas para montagem
do sistema proposto.
2.3.1 CLP
Os CLPs surgiram na década de 1960 e tinham como objetivo reduzir os tempos para
mudança das lógicas de funcionamento dos sistemas elétricos das indústrias. Anteriormente, quando
o processo realizado era atualizado para algum outro tipo de peça ou produto, as indústrias
necessitavam modificar toda a lógica de relés, assim como a organização dos cabos e dos quadros
elétricos, aumentando significativamente o custo final dos produtos [14].
Ao utilizar o CLP, basta uma modificação na programação, ou seja, uma mudança no
software e é possível realizar ações e obter produtos totalmente diferentes dos anteriores. Com essa
15
facilidade, houve uma redução dos custos e dos tempos de parada para atualização das plantas
fabris.
Além destes avanços, com o passar do tempo, foi possível obter ainda mais vantagens com a
evolução dos CLPs. É possível citar algumas, como [14] [15]:
- Flexibilidade;
- Economia de espaço devido ao seu tamanho reduzido;
- Baixo consumo de energia;
- Fácil gestão das falhas;
- Possibilidade de programação sem interrupção do processo;
- Observação do funcionamento;
- Velocidade de operação;
- Capacidade de comunicação com diversos outros equipamentos.
Visto que os controladores têm seu maior foco de utilização nas indústrias, onde também são
utilizados computadores e notebooks, é importante frisar uma diferença relevante entre os dois tipos
de equipamentos eletroeletrônicos. Apesar dos computadores também terem capacidade de
mudança de funcionamento a partir do seu software, os CLPs apresentam robustez e capacidade de
trabalho em ambientes mais hostis, severos e com requisitos mais específicos de segurança, como o
chão de fábrica. Por isto, estes equipamentos são aplicados nos mais diversos tipos de indústria,
como petroquímicas, aeroespaciais, metalúrgicas, siderúrgicas, químicas, alimentícias, de tecidos,
de celulose, entre outras.
Além disto, a utilização dos CLPs também é possível em outros tipos de ambiente, como
residencial e comercial, por exemplo. Nestas situações, os CLPs são os equipamentos responsáveis
por todo o controle das entradas e saídas presentes no sistema de automação destes ambientes. Isto
é, controlam os ambientes através de sensores, ditos entradas e também, acionam atuadores (ou
saídas), como motores, sirenes, lâmpadas e aparelhos de ar-condicionado.
Independente do fim para o qual foi projetada, a automação de equipamentos, sistemas ou
processos através dos CLPs necessita seguir alguns passos indispensáveis para o bom
funcionamento da mesma. Estes passos são apresentados na Figura 2.3.
16
Figura 2.3: Passos para projeto de automação com CLP
Conforme é visto, o primeiro passo é a definição de entradas e saídas do sistema a ser
automatizado, seguido pela elaboração do programa do usuário e a simulação do mesmo. A
definição das entradas e saídas é um ponto importante, pois tem que considerar tudo o que será
envolvido na automação e estará diretamente conectado ao CLP. É a partir desta parte que é
possível elaborar de uma forma mais organizada o programa do usuário para, em seguida, realizar
os testes necessários para validação do bom funcionamento do programa.
Os outros passos dizem respeito à parte física do projeto como: montagem do equipamento,
cabeamento, dispositivos que serão utilizados, assim como a organização do mesmo em um espaço
determinado, como um painel, por exemplo, e seu funcionamento no campo de aplicação.
2.3.1.1 Arquitetura
CLP é um dispositivo físico eletrônico, baseado em um microprocessador, dotado de
memória programável capaz de armazenar programas implementados por um usuário com o
objetivo, baseado no estado de suas entradas, determinar o estado das saídas de forma a controlar
um determinado processo [16].
Sua estrutura básica é apresentada de formas diferentes na literatura, porém, em sua forma
mais simples, pode ser definida pela Figura 2.4. Onde está presente a Unidade Central de
17
Processamento (UCP) (ou Central Processing Unit - CPU) e o Sistema de Interface de Entrada e
Saída. A CPU é responsável pelas atividades do CLP e é formada pela Memória e Processador.
Além destes componentes, ainda estão presentes na arquitetura do CLP a Fonte de Alimentação e a
Interface de Comunicação [16].
Figura 2.4: Diagrama de blocos da arquitetura do CLP
Conforme o próprio nome, a Fonte de Alimentação é responsável por fornecer energia a
CPU e também aos módulos de entrada e saída. Apesar dos controladores programáveis possuírem
esta fonte interna, há situações em que se torna necessário o uso de uma fonte externa. Estas
condições estão diretamente ligadas à quantidade de módulos alimentados, ou seja, à potência
fornecida aos módulos e ao nível de tensão de alimentação do dispositivo.
A memória, interna a CPU, é dividida em duas partes: a memória de programa, com
capacidade de armazenar o programa desenvolvido pelo usuário e a memória de dados, responsável
pelo armazenamento temporário de dados.
A CPU, assim como nos computadores domésticos, tem como função o processamento de
todas as atividades do CLP, como executar o programa desenvolvido pelo usuário, gerenciar os
módulos de entrada e saída e a comunicação.
A interface de comunicação representa toda a troca de informações do CLP com outros
equipamentos e dispositivos, como IHM, Sistemas Supervisórios, computador industrial, sensores,
atuadores, etc.
18
2.3.1.2 Entradas e Saídas
Os CLPs possuem entradas e saídas analógicas e digitais, normalmente. É dito isto, pois
existem modelos em que não há, por exemplo, entradas ou saídas analógicas, sendo necessária a
expansão através de cartões, placas de sinal ou módulos.
O sistema de interface de entrada tem a função de tornar compatíveis os sinais de tensão e
corrente que são provenientes dos sensores de campo, com o nível de sinal com o qual a CPU pode
receber suas informações. Enquanto o de saída, tem capacidade para enviar sinais para os atuadores,
resultantes do processamento da lógica de controle [17].
Conforme citado anteriormente, existem dois tipos de entradas: digitais e analógicas. As
entradas digitais, também chamadas de discretas, possuem dois estados possíveis, ligados ou
desligados, nível lógico 0 ou 1, ativado ou desativado. Alguns exemplos de dispositivos que podem
ser conectados às entradas digitais são as botoeiras, as chaves fim de curso, sensores de
proximidade, contatos de relé, termostatos e pressostatos. As entradas digitais podem funcionar em
corrente contínua (CC), com níveis de 12 ou 24 V, ou CA, com níveis comuns de 110 ou 220 V
[18].
As entradas analógicas permitem que o CLP manipule grandezas contínuas, em grande
parte, enviadas por sensores eletrônicos. As grandezas tratadas são tensão e corrente elétrica.
Apresentando uma larga faixa de utilização: tensões de 0 a 10 V, 0 a 5 V, 1 a 5 V, -5 a +5 V ou -10
a +10 V, em CC e correntes de 0 a 20 mA ou 4 a 20 mA. As entradas com faixas de utilização que
apresentam sinais simétricos (positivo e negativo) são chamadas de entradas diferenciais.
Saídas digitais, analogamente às entradas digitais, podem assumir apenas dois estados,
ligado ou desligado. Válvulas solenoides, contatores, alarmes, relés, sirenes e lâmpadas são
exemplos de atuadores conectados em saídas digitais e podem ser constituídas como saída digital a
relé, saída a transistor ou saída a TRIAC (Triode for Alternating Current). A diferença entre estas
configurações de saída está no tipo de carga alimentada (CC ou CA), na corrente máxima, na
velocidade de comutação, isolação elétrica e tempo de vida útil [17].
As saídas analógicas são utilizadas para controlar atuadores como válvulas proporcionais,
motores, inversores de frequência, resistências elétricas, entre outros. Fornecem tensão na faixa de 0
a 10 V ou 0 a 5 V, normalmente, ou corrente, em sua grande maioria, na faixa de 0 a 20 mA ou 4 a
20 mA, porém em valores percentuais. Por exemplo, uma saída analógica pode fornecer corrente
suficiente para uma válvula proporcional abrir 30% [17].
19
2.3.1.3 Funcionamento
De uma maneira geral um CLP pode estar em modo de operação, programação ou execução.
No modo de programação, o equipamento se encontra em Espera. No modo de execução, pode
assumir o estado de erro que, ocorre quando há uma falha no controlador, seja na operação do
equipamento ou na execução do programa. Na Figura 2.5, é mostrado um diagrama dos três
possíveis estados do CLP. Pelo diagrama, é visto que o CLP só sai do estado de Erro com um reset
do mesmo. A mudança do estado de Espera para o estado de Execução e vice-versa pode ser feita
por software ou por hardware.
Figura 2.5: Diagrama dos estados do CLP
No momento que é energizado e estando o CLP no modo de Execução, uma rotina de
inicialização é realizada com as seguintes operações:
- Limpeza da memória de imagem, para operandos não retentivos;
- Teste de memória RAM;
- Teste de executabilidade do programa.
Logo após, a CPU inicia uma leitura sequencial das instruções em laço fechado (loop), chamado de
ciclo de varredura ou scan. Este ciclo é apresentado na literatura de forma bastante parecida e
praticamente com os mesmos passos, porém alguns CLPs executam o scan de forma diferente,
alterando a ordem de algumas etapas. O ciclo mais comum é mostrado na Figura 2.6.
20
Figura 2.6: Ciclo de varredura (scan)
As características apresentadas neste item são os atributos básicos dos CLPs encontrados no
mercado. Estas propriedades foram apresentadas sem especificação de marca ou modelo. Ao utilizar
este equipamento, é necessário ter um entendimento básico da arquitetura e do funcionamento para
que isto possa ser aplicado em cada situação específica.
Após esta abordagem, é necessário discutir as especificações do projeto proposto e qual CLP
é capaz de atender os requisitos especificados.
2.3.2 Inversor de Frequência
Em décadas passadas, anterior aos anos 1990, os motores de corrente contínua apresentavam
um grande domínio do mercado de acionamento e, por este motivo, o controle de velocidade com
precisão tinha como foco este tipo de máquina. Contudo, por causa da sua estrutura e de seu
funcionamento, isto trazia diversos problemas como custo e necessidade de retificação da tensão de
fornecimento para alimentá-lo [19] [20].
Foi em um cenário de surgimento da eletrônica de potência aliada à necessidade de aumento
de produção e diminuição de custos, que surgiu a automação.
Como consequência disto, uma infinidade de equipamentos pôde ser desenvolvida para as
mais diversas variedades de aplicações e setores industriais. Entre esses equipamentos, é possível
destacar um dos mais utilizados nesses processos juntamente com o CLP: o inversor de frequência.
Um equipamento versátil e dinâmico que possibilitou o controle de velocidade na utilização dos
21
motores de indução em substituição aos motores de corrente contínua, visto que os motores CA
apresentavam uma série de vantagens, como baixo custo de manutenção, ausência de escovas
comutadoras, baixo ruído elétrico e velocidade de rotação superior.
Essas vantagens levaram as indústrias a desenvolverem um sistema capaz de controlar a
potência (velocidade e torque) de um motor CA [21].
2.3.2.1 Princípios básicos
O funcionamento do inversor de frequência pode ser dividido para facilitar a compreensão.
Existe a etapa de retificação, onde através de uma ponte retificadora e capacitores (filtro), a tensão
CA é convertida para um nível de tensão CC. A outra etapa inclui os transistores de potência, onde
normalmente IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) são utilizados. Além disto, existe ainda a
etapa de comando, responsável pelo controle de disparo dos pulsos dos IGBTs. Na Figura 2.7, é
mostrado um diagrama de blocos com as partes básicas de um inversor de frequência.
Figura 2.7: Diagrama de blocos de inversor de frequência
O controle, realizado pela lógica de comando, permite a obtenção de um sistema de tensão
alternado trifásico em que as fases estão defasadas em 120°, exatamente como a tensão fornecida
pela rede. Permite ainda, conforme seu propósito básico, controlar a frequência de chaveamento dos
transistores e que, por consequência, controla a velocidade do motor, comprovado pela Equação 1.
N = (120.f) / p (Eq. 1)
Onde ‘N’ é a velocidade do motor, em rpm, ‘f’ é a frequência da rede, em Hz e ‘p’ é o número de
polos. O número de polos é fixo, pois é determinado em sua construção, logo, para variar a
velocidade de rotação de um motor, basta variar a frequência de alimentação. Por este motivo, o
inversor de frequência pode ser considerado, mesmo que de forma grosseira, uma fonte de tensão
alternada de frequência variável [21].
22
Ainda assim, a função do inversor não se resume ao controle da velocidade de um motor
CA. Este equipamento também deve manter o torque constante para não provocar alterações na
rotação quando o motor estiver com carga.
O tipo de controle executado pelos inversores de frequência é dividido em dois tipos,
controle escalar (ou V/f constante) e controle vetorial. Não é parte do escopo deste trabalho a
explicação detalhada de cada tipo.
Entretanto, de forma simplificada, pode-se dizer que no controle escalar é definido um valor
para esta relação, V/f, e a partir disto, a velocidade varia na mesma proporção que a tensão,
possibilitando ao torque permanecer constante. A variação da tensão, oriunda do barramento CC, é
obtida a partir do circuito de comando dos IGBTs, através da modulação por largura de pulso (Pulse
Width Modulation - PWM). Isto é possível, porque a lógica de controle além de distribuir os pulsos
aos IGBTs, também controla o tempo que cada IGBT permanece ligado [21].
O controle vetorial é mais moderno e permite um controle de velocidade com respostas
rápidas e de alta precisão. Anteriormente, as máquinas de corrente contínua com sistemas de
controle em malha fechada já atendiam essas solicitações. Porém, conforme foi dito no item 2.2, a
máquina CC apresenta desvantagens relevantes em relação à máquina de indução. Logo, com o
avanço teórico das técnicas vetoriais de controle, em que a avaliação das variáveis internas do
motor, num processo dinâmico, é efetuada e passada ao sistema controlador, a regulação da
máquina de indução tornou-se mais precisa e mais próxima do controle alcançado com a máquina
de CC [20].
2.3.2.2 Blocos do inversor
Os inversores de frequência apresentam diferentes configurações, componentes e funções a
depender de cada fabricante. Contudo, algumas destas partes são essenciais para que o inversor
consiga executar sua função com êxito. É possível citar a CPU, a IHM, as interfaces e uma parte já
citada chamada de etapa de potência, constituída pelo retificador, o barramento CC e as chaves de
potência. Na Figura 2.8 é mostrado um diagrama dos blocos de um inversor de frequência. A
explicação de cada bloco é dada em seguida.
23
Figura 2.8: Diagrama dos blocos do inversor de frequência
A CPU pode ser formada por um microprocessador ou por um microcontrolador e esta
escolha depende apenas do fabricante. Isto se deve ao fato de que cada inversor possui um conjunto
de características e especificações, seja em relação aos seus parâmetros e funcionamento ou em
relação a sua capacidade de processamento.
É neste bloco que todas as informações (parâmetros e dados do sistema) são armazenadas,
visto que existe uma memória integrada a este componente. A CPU não somente armazena os dados
e parâmetros relativos ao equipamento, como também executa a função mais vital para o
funcionamento do inversor: geração dos pulsos de disparo, através de uma lógica de controle
coerente, para os IGBTs.
O bloco chamado IHM é responsável por receber informações de parametrização do usuário,
através do acionamento de teclas, com o intuito de realizar as operações e funções desejadas do
inversor de frequência. Também é possível visualizar estados atuais das variáveis como tensão
nominal, potência nominal, frequência nominal, frequência atual, corrente máxima, rampa de subida
ou descida, entre outros. Os inversores podem ainda ser parametrizados por IHMs remotas.
Em relação ao bloco de Interfaces, a maioria dos inversores pode ser comandada através de
dois tipos de sinais: analógicos ou digitais. Normalmente, quando queremos controlar a velocidade
de rotação de um motor CA no inversor, utilizamos uma tensão analógica de comando. Para
inverter o sentido de rotação, basta inverter a polaridade do sinal analógico. Este é o sistema mais
utilizado em máquinas. Além da interface analógica, o inversor possui entradas digitais. Através de
um parâmetro de programação, acessível na IHM, podemos selecionar qual entrada é válida [20].
24
2.3.3 Termopar
O termopar é um tipo de sensor de temperatura que consiste em dois metais de naturezas
distintas unidos em suas extremidades, onde estas uniões são denominadas junções. A medição de
temperatura é possível, pois, ao submeter às duas junções temperaturas distintas, é gerada uma força
eletromotriz. Este fenômeno é denominado Efeito Seebeck. A diferença de potencial que surge nas
extremidades não depende da área de contato e nem da sua forma.
Na aquisição do valor de tensão, a extremidade ligada ao painel, ao CLP ou a algum outro
equipamento capaz de interpretar a leitura, é chamada de junção fria ou de referência, enquanto a
extremidade que mede a temperatura do processo no campo é chamada de junção quente ou de
medição. Na Figura 2.9 é mostrado um esquema básico de um termopar.
Figura 2.9: Esquema básico de um termopar
Na Figura 2.10, é mostrado como um termopar é conectado a um instrumento, neste caso o
voltímetro, capaz de medir a tensão gerada pela diferença de temperatura entre as junções.
Figura 2.10: Esquema de termopar conectado a voltímetro
A tensão gerada pelo termopar é pequena, da ordem de milivolts, por este motivo alguns
cuidados devem ser tomados ao montar o sistema de medição. Entre estes cuidados é possível citar
a escolha e utilização dos cabos de extensão e compensação e também, a formação de outros
25
termopares entre as conexões. Na Figura 2.10, os cabos utilizados como ‘C’ são de cobre e caso não
estejam em ambiente isotérmico, ou seja, numa mesma temperatura, afetarão o desempenho da
medição. Outro detalhe importante na medição está relacionado à compensação da junção fria.
Todos os termopares tem como temperatura de referência 0°C e é a partir desta temperatura que os
cálculos para obtenção da tensão são feitos. E como, normalmente, a junção de referência não se
encontra nesta temperatura (0°C), é necessário realizar uma compensação. Grande parte dos
instrumentos que fazem a leitura da temperatura realiza esta compensação automaticamente. Na
Figura 2.11, são mostradas duas medições utilizando termopar. Na Medição (1), o instrumento não
realiza a compensação da junção fria, enquanto que na Medição (2), o instrumento possui a função
de correção inserida, por isto, apresenta a temperatura correta, 600°C.
Figura 2.11: Compensação de junção fria
Para realizar a medição sem utilização de instrumentos capazes de indicar diretamente a
temperatura, torna-se necessário o uso das tabelas dos termopares e do cálculo da tensão gerada pela
diferença de temperatura entre as junções. Primeiramente, é preciso ter um voltímetro, pois a
indicação da tabela dos termopares é em mV. Segundo, é realizado o cálculo com a tensão obtida no
instrumento de medição. Utilizando o exemplo da Figura 2.12, é possível obter a equação capaz de
definir a tensão total e consequentemente, a temperatura da junção de medição [22].
Figura 2.12: Cálculo da tensão resultante do termopar
26
Nesta montagem, é utilizada uma compensação da junção de referência devido à presença
dos cabos que são conectados ao voltímetro.
A Equação 2 é utilizada para calcular a tensão resultante do circuito da Figura 2.12 e este valor será
utilizada na tabela do termopar escolhido.
u(T)= – eBC(T2) – eAB(TR) + eAB(T) + eBC(T2) (Eq. 2)
=> u(T)= – eAB(TR) + eAB(T)
Conforme é visto nesta simplificação, decorrente da Equação 2, para definir a temperatura
na junção de medição é feita a diferença entre a tensão gerada na junção quente e a tensão gerada na
junção fria. O resultado é um valor de tensão, da ordem de mV. Na utilização da tabela, há uma
relação entre o valor de tensão e a temperatura correspondente. A Tabela 2-I mostra a relação entre
valores de tensão e de temperatura entre 0°C e 350°C, de um termopar tipo J, com junção de
referência a 0°C, isto é, todos os cálculos apresentam como referência esta temperatura.
Tabela 2.I: Valores de tensão e temperatura de Termopar tipo J
Adaptado de: http://www.intech.co.nz/products/temperature/typej.html.
Como exemplo, digamos que ao medir a tensão com o instrumento, o valor encontrado fosse
4,760 mV. De forma a garantir um valor mais confiável na medição, é necessário utilizar um
termômetro para medir a temperatura ambiente e consequentemente a temperatura na junção de
27
referência, supondo que fosse encontrado um valor de 25°C. Primeiramente, o valor de tensão
correspondente a este valor de temperatura deve ser achado na Tabela II. Nas linhas da tabela, o
valor da dezena é encontrado, neste caso igual a 20, e nas colunas, é encontrado o valor da unidade
da temperatura, neste caso igual a 5. Então, uma parcela da Equação 2 é definida e é possível
realizar o cálculo para se obter a temperatura da junção de medição a partir do valor de tensão
encontrado na Tabela II, ou seja, 1,277 mV:
u(T)= – eAB(TR) + eAB(T) => 4,760 = - 1,277 + eAB(T) =>
eAB(T) = 4,760 + 1,277 => eAB(T) = 6,037
De forma análoga, a temperatura deve ser encontrada pela utilização da Tabela II. Porém, é preciso
encontrar o valor de tensão de maior proximidade com o valor encontrado. E pela Tabela II, o valor
mais próximo é 6,031 mV e esta tensão está relacionada à temperatura de 114°C, aproximadamente.
2.3.4 RTD (Resistance Temperature Detector)
A termorresistência ou, simplesmente RTD - Resistance Temperature Detector é um tipo de
sensor de temperatura cujo princípio de funcionamento está relacionado à variação da resistência
elétrica em função da variação da temperatura, efeito este que ocorre em quase todos os materiais
condutores elétricos [7].
O RTD é um sensor extremamente popular em aplicações de processos industriais por causa
da sua ampla faixa de utilização e também por causa da sua precisão.
A termometria de resistência utiliza as relações características da resistência elétrica com a
temperatura. Para metais puros, esta relação pode ser expressa conforme a Equação 3 [23]:
RT = R0 (1 + α.T + β.T² + γ.T³...) (Eq. 3)
Onde ‘RT’ é a resistência do RTD à temperatura ‘T’, ‘R0’ é a resistência à temperatura de
0ºC, ‘α’ é o coeficiente térmico do resistor e ‘β’ e ‘γ’ são coeficientes calculados com base em dois
ou mais pontos onde se conhece o par “resistência e temperatura”. O coeficiente ‘α’ varia em
função da temperatura, e esse fato deve ser considerado, principalmente, quando os mesmos são
utilizados para medição em um intervalo de temperatura acima de 100ºC. Normalmente, a Equação
3 é simplificada para a Equação 4:
RT = R0 (1 + α.T) (Eq. 4)
28
A medição com RTD pode ser realizada a dois, três ou quatro fios, utilizando o circuito em
Ponte de Wheatstone, mostrado na Figura 2.13.
Figura 2.13: Ponte de Wheatstone
Quando apresenta uma relação de resistência conforme mostrada na Equação 5, esta se encontra
balanceada ou em equilíbrio e desta forma não circula corrente no galvanômetro, pois os potenciais
nos pontos A e B são idênticos.
R1 x R3 = R2 x R4 (Eq. 5)
Portanto conhecendo-se os valores de R1 e R2, e ajustando a resistência R3 até que a ponte fique
em equilíbrio, tem-se através de R3 o valor de R4 e por consequência, é possível encontrar o valor
de temperatura correspondente através da Tabela 2-II, caso fosse utilizado o sensor do tipo PT-100.
Tabela 2.II: Tabela de valores de resistência e temperatura para PT-100
Adaptado de: http://www.exacta.ind.br
29
A ligação a dois fios é a que apresenta maior influência da temperatura e da distância entre o
sensor e o instrumento de medição e também, por conta disto, menor precisão. Por estes fatores,
este método de medição é pouco recomendado. Na Figura 2.14 é vista a montagem a dois fios.
Figura 2.14: Montagem de RTD em ponte, a dois fios
Analisando o circuito da Figura 2.14, é possível visualizar que R3 é a resistência variável, usada
para balancear o circuito e as resistências dos cabos, RL1 e RL2 apresentam influência na Ponte,
visto que estão em série com o RTD e por consequência, influenciam no processo de medição. Isto
pode ser comprovado no cálculo através da utilização da Equação 5:
R1 x R3 = (RTD + RL1 + RL2) x R2
Caso R1 = R2, então R3 deve ser balanceada de tal forma que R3 = RTD + RL1 + RL2
A ligação a três fios é a mais utilizada no ambiente industrial, pois apresenta boa precisão e
facilidade na confecção. Na Figura 2.15, é mostrada esta montagem. Devido à utilização do terceiro
fio, há um balanceamento na influência da resistência dos fios RL1 e RL2 e, por consequência, a
resistência equivalente referente aos cabos é cancelada.
30
Figura 2.15: Montagem de RTD em ponte, a três fios
Isto pode ser provado ao utilizar novamente a Equação 5, obtendo o equilíbrio desta forma:
R1 x (R3 + RL1) = R2 x (RTD + RL2)
Caso R1 = R2, então R3 + RL1 = RTD + RL2 e, tendo os cabos de ligação as mesmas
características, como tipo, tamanho, diâmetro e estando na mesma temperatura, terão o mesmo
valor de resistência, RL1 = RL2, logo, R3 = R4 e será possível achar o valor de temperatura
correspondente através da Tabela III, para o caso de um RTD do tipo PT-100.
A ligação a quatro fios é a mais estável e com maior precisão, porém é pouco utilizada nas
indústrias, sendo utilizada apenas em laboratórios e sensores padrão. Este tipo de ligação é
mostrado na Figura 2.16 [24].
Figura 2.16: Montagem de RTD em ponte, a quatro fios
31
Em relação ao termopar, o RTD apresenta vantagens e desvantagens, assim como em
comparação com outros sensores de temperatura. O RTD possui maior precisão na faixa de
utilização em que operam, tem características de estabilidade e repetibilidade melhores quando
comparado com termopar, dispensa uso de fios e cabos de extensão e, a depender da ligação, não
sofre influência da distância de operação. Como desvantagem, o custo pode ser citado, pois,
normalmente, o RTD é mais caro em relação ao termopar na mesma faixa de operação, algo em
torno de R$ 20,00, R$ 30,00, a depender do fornecedor escolhido. Além disso, é mais frágil
mecanicamente, além de tudo isso, possui tempo de resposta mais lento e sofre do problema de
autoaquecimento.
2.3.5 Sistema Supervisório
Para que o controle possa ser realizado por um operador, mesmo que o processo seja
simulado e não esteja em escala industrial, é necessário haver alguma interface com a capacidade de
executar esta função. E a criação desta etapa é um dos objetivos principais deste projeto, já que em
ambiente industrial, dificilmente um operador ou alguém do setor de manutenção tem acesso
diretamente ao programa do CLP e sim a uma tela onde o processo é supervisionado.
Os sistemas supervisórios são amplamente utilizados no ambiente industrial e podem ter
diferentes funcionalidades e aspectos visuais para cada tipo de processo ou objetivo. Estes sistemas
têm uma característica comum que é a apresentação dos seus serviços em uma tela, normalmente de
um computador.
Para que o controle possa ser realizado por um operador, mesmo que o processo seja
simulado e não esteja em escala industrial, é necessário haver alguma interface com a capacidade de
executar esta função. E a criação desta etapa é um dos objetivos principais deste projeto, já que em
ambiente industrial, dificilmente um operador ou alguém do setor de manutenção tem acesso
diretamente ao programa do CLP e sim a uma tela onde o processo é supervisionado.
Os sistemas supervisórios são amplamente utilizados no ambiente industrial e podem ter
diferentes funcionalidades e aspectos visuais para cada tipo de processo ou objetivo. Estes sistemas
têm uma característica comum que é a apresentação dos seus serviços em uma tela, normalmente de
um computador.
32
2.4 Considerações Finais
As descrições apresentadas sobre os equipamentos utilizados neste projeto são genéricas.
Contudo, em um projeto de automação industrial, seja qual for seu tamanho, a especificação dos
equipamentos que serão utilizados é parte do escopo, sendo inclusive uma das partes essenciais já
que envolve custo, familiaridade com a tecnologia, tempo e capacidade de integração com outros
equipamentos.
Grande parte dos CLPs do mercado possuem características em comum, como capacidade
de processamento, disponibilização de entrada e saídas, facilidade de programação, entre outros.
Contudo, há um custo envolvido em cada um destes fatores e é necessário analisar quais atributos
são relevantes na escolha do CLP final para utilização em um projeto.
O mesmo pode ser dito em relação aos inversores de frequência. Há diversas marcas com
funcionalidades semelhantes e com vantagens e desvantagens, porém sempre deve ser analisado o
custo e também, a relação entre este custo e o benefício trazido.
33
Capítulo 3
Montagem do Projeto
A montagem de todo o projeto foi realizada no Laboratório de Automação do Departamento
de Engenharia Elétrica, na Universidade Federal de Pernambuco. Foi utilizado um CLP S7-1200,
CPU 1214C da Siemens, um inversor da WEG, modelo CFW10, um motor também da WEG,
modelo W22 IR2, um módulo para bancada contendo um pequeno forno acoplado a três sensores de
temperatura: termopar tipo J, termopar tipo K e um RTD do tipo PT-100 e outro módulo para
bancada contendo relés. Além disso, uma fonte de tensão controlada (também para montagem em
bancada) com tensões fixas de 12 e 24 V e tensão regulável de 0 a 24 V e corrente máxima de 1 A.
Toda a parte de programação do CLP e do Sistema Supervisório foi realizada em um computador
presente no Laboratório utilizando os respectivos softwares.
O CLP é a parte principal do projeto e é o equipamento responsável pela aquisição e
centralização das informações, algoritmo de controle da temperatura do processo simulado e
controle de velocidade da esteira através do inversor de frequência. Juntamente com o CLP, o
Sistema Supervisório atua no gerenciamento de informações.
A programação do CLP é feita no ambiente do TIA Portal (Totally Integrated Automation
Portal), um software proprietário da Siemens capaz de atender boa parte dos requisitos na
concepção de um projeto de automação. Uma grande dificuldade deste tipo de projeto é a
comunicação e compatibilidade entre os diversos equipamentos utilizados, visto que cada um possui
34
um software próprio. Então, a ideia do TIA Portal, assim como a tradução de seu nome diz é
justamente esta, conseguir integrar de forma simples todas as tarefas dos diferentes tipos de
equipamentos em um único local.
Além da possibilidade de programação dos CLPs, é possível realizar toda a configuração das
IHMs compatíveis da Siemens, assim como a configuração de drives, inversores de frequência e de
toda a estrutura de rede do projeto de automação, focando principalmente na integração dos
dispositivos utilizados.
Em sua tela inicial, chamada de “Portal View”, mostrada na Figura 3.1, são vistas algumas
opções no menu inicial denominado “Start”, como criação de novos projetos, abertura de projetos
existentes ou migração de projetos. Já em outro menu, denominado “Devices & networks” é
possível realizar a configuração e a adição de dispositivos aos projetos.
Figura 3.1: Ambiente da Tela Inicial do software TIA Portal
Outro ambiente do software TIA Portal é o “Project View”, onde é possível realizar todos os ajustes
do projeto, inclusive programação do CLP em algumas linguagens como Ladder, Diagrama de
Blocos ou SCL – Structured Control Language (uma linguagem de alto nível com características de
orientação a objeto), alteração de configurações de hardwares dos equipamentos incluídos no
projeto, testes e simulações, checagem da estrutura de ligação entre os equipamentos e também de
35
rede, possibilidade de verificar quais equipamentos estão visíveis na rede, entre diversas outras
tarefas.
Com estas características e a grande quantidade de funcionalidades, o software TIA Portal é
capaz de atender os objetivos das tarefas propostas relacionadas ao CLP.
3.1 Implementação do sistema de movimentação
O diagrama esquemático do sistema de movimentação é mostrado na Figura 3.2. A partir
deste esquema é possível ter uma visão geral deste subsistema da solução.
Figura 3.2: Diagrama esquemático do subsistema de movimentação
Para funcionamento do sistema de movimentação por esteira, primeiramente, é necessário
parametrizar o inversor de frequência. Mesmo que o motor tenha condições de ser ligado
diretamente à rede, para poder controlar a velocidade da esteira e ter um maior domínio sobre o
funcionamento da mesma, é necessário que o inversor seja instalado e este seja parametrizado.
Esta operação, conforme dito no item 2.3.2, tem como objetivo adequar as especificações do
inversor ao motor e deste à máquina. E, além disto, há também a necessidade de parametrizar em
relação ao processo, pois mesmo que o sistema funcione normalmente, algumas modificações
podem trazer benefícios como a otimização do processo em si e o aumento da vida útil dos
equipamentos.
O modelo do inversor CFW10 utilizado foi o CFW100016S2024PSZ. E este equipamento
apresenta como características:
- Alimentação monofásica entre 200 e 240 V em CA;
- Frequência de entrada entre 50 e 60 Hz;
36
- Corrente nominal de saída de 1,6 A;
- Potência de 0,25 cv (0,18 kW);
- Frequência de saída entre 0 e 300 Hz.
Estes dados são mostrados na placa do inversor de frequência apresentada na foto da Figura 3.3.
Figura 3.3: Especificações do Inversor de Frequência CFW10
Para início da operação de parametrização, foi necessário retornar o inversor de frequência
ao seu padrão de fábrica, ou seja, com a configuração que o equipamento chegou após sua compra.
Isto foi feito, porque o inversor já havia sido usado e estava com configuração diferente da exigida
para o processo atual. No CFW10, o parâmetro P204 é que tem a função de retornar para o padrão
de fábrica, para isto, basta acessar o mesmo e modificar seu valor para cinco (005). Alguns
parâmetros permanecem inalterados após o carregamento do padrão de fábrica e precisam ser
ajustados manualmente, como o P142, tensão de saída máxima e o P156, corrente de sobrecarga do
motor.
Após a restauração aos padrões de fábrica, é necessário tornar o inversor compatível ao motor. Este
é o princípio básico dos inversores de frequência, pois uma parametrização feita de forma
inadequada prejudica sua funcionalidade. Na foto da Figura 3.4, é mostrada a placa do motor, onde
estão localizadas as suas especificações. Algumas importantes são citadas:
- Quantidade de fases: 3 (Trifásico)
- Potência: 0,18 kW (0,25 cv)
- Tipo de motor: Motor de indução, gaiola de esquilo
- Tensão de alimentação: 220 V/380 V
- Corrente nominal: 1,14 A/0,660 A
- Frequência nominal: 60 Hz
37
- Rotação nominal: 1710 rpm
Figura 3.4: Placa de identificação do motor WEG
Com estes dados é possível iniciar a parametrização do inversor. Contudo, para concluir esta
operação ainda é necessário configurar outros dados, referentes à operação do equipamento que será
acionado.
Neste projeto, o controle da velocidade é realizado através da interface do CLP com o
inversor de frequência, graças ao cartão eletrônico de controle, conhecido como conector XC1. Esta
interface disponibiliza 4 entradas digitais, 1 entrada analógica e 1 saída digital a relé. As entradas e
saídas são configuráveis através dos parâmetros do inversor, podendo exercer diferentes funções a
depender da escolha do usuário. Os bornes XC1 estão destacados na foto da Figura 3.5.
Figura 3.5: Bornes XC1 do Inversor CFW10
38
3.1.1 Conexão entre inversor e motor
A conexão entre motor e inversor é simples, porém alguns cuidados são necessários em
relação aos níveis de tensão com os quais os equipamentos são alimentados. Qualquer erro na
ligação pode danificar o equipamento.
Conforme visto na seção 3.1, o inversor deve ser alimentado com tensão monofásica CA de
220 V (entre 200 e 240 V) e fornece, na saída, uma tensão entre 0 V e a tensão de alimentação do
motor. O motor utilizado é trifásico e a ligação de seus enrolamentos é em triângulo. Como
características principais deste tipo de ligação, é possível citar que a tensão entre fases (tensão de
linha) é igual à tensão entre fase e neutro (tensão de fase) e a corrente de linha é √3 vezes maior que
a corrente de fase. Na foto da Figura 3.6 é vista a ligação do motor utilizado no projeto.
Figura 3.6: Ligação trifásica do motor
3.1.2 Testes da ligação entre CLP e inversor
Assim como o CLP apresenta entradas e saídas digitais e analógicas para que dispositivos e
equipamentos possam ser conectados e consequentemente lidos ou acionados, o inversor, através
dos bornes XC1, também apresenta algumas dessas possibilidades. Logo, basta conectar os
respectivos sinais dos equipamentos para que possam se comunicar. Por motivo da tarefa realizada
pelo inversor ser simples, apenas as entradas digitais são utilizadas. Sendo estas entradas,
conectadas a algumas saídas digitais do CLP.
O CFW10 apresenta uma característica diferente de alguns outros inversores, visto que suas
entradas digitais são acionadas ao receberem um valor 0 (binário), ou seja, quando a entrada deixa
de estar em aberto e passa a receber 0 V, assume valor lógico 1. Porém, a saída digital do CLP
funciona da forma mais usual, já que em nível lógico 0, a saída está em 0 V ou nível baixo e em
nível lógico 1, a saída assume um nível alto, neste caso, 24 V.
39
Com isto, tornou-se necessário a utilização de um módulo auxiliar, também presente no
Laboratório de Automação. Este módulo contém 4 circuitos isolados de acionamento de relés. Os
contatos presentes em cada circuito de acionamento dos relés são:
- Contatos para acionamento das bobinas dos relés;
- Contatos C (Comum), NF (Normalmente Fechado) e NA (Normalmente Aberto).
O módulo citado é visto na Figura 3.7.
Figura 3.7: Módulo de acionamento de relés
Para que as entradas digitais do inversor (chamadas de DI1 a DI4) sejam acionadas, devem
ser conectadas ao contato NA do relé e, o sinal de terra (GND), deve ser conectado ao contato C.
Tanto as entradas digitais, DI1 a DI4, quanto o sinal de terra, GND, estão presentes nos bornes
XC1. Ao energizar a saída digital do CLP, ou seja, fornecendo uma tensão de 24 V à bobina do relé,
o contato que estava aberto (NA) se fecha, permitindo que a entrada digital receba o nível de tensão
0 V ou GND. É importante salientar que para fornecer os 24 V, é preciso haver uma tensão de
referência para a bobina que, neste caso, é conectada ao terminal de terra do CLP.
3.1.3 Controle de movimentação
Para concluir o sistema de movimentação, foi necessário utilizar dois sensores de passagem,
ambos simulados. Estes dispositivos são responsáveis pela indicação de que o produto chegou à
câmara do forno e, isto resulta, no desligamento da esteira para que a temperatura possa atingir o
valor de setpoint ou na diminuição da velocidade da esteira através da mudança de frequência de
saída do inversor.
40
O controle desta parte do sistema é feito totalmente pelo CLP. Para tornar isto possível, foi
necessário, previamente, parametrizar e configurar as entradas digitais do inversor de frequência
realizado através do acesso aos parâmetros na IHM do equipamento.
Após o retorno ao padrão de fábrica e os ajustes realizados em relação às especificações do
motor, iniciou-se esta etapa. Primeiramente, foram modificadas as rampas de aceleração e
desaceleração através de P100 e P101, respectivamente. Ambas foram ajustadas para o valor 1.0
que representa 1 s. As rampas precisam ser modificadas para um valor relativamente baixo, pois há
uma mudança constante e repentina na velocidade do motor, por isto, não seria interessante que
fossem extensas.
Para que o inversor possa ser controlado pelos bornes XC1, é preciso alterar a seleção de
comandos. O parâmetro P229 define a situação local, enquanto o P230 define a situação remota.
Ambos são configurados para 001 e com isto, a seleção de comandos é feita a partir dos bornes.
Mesmo que em determinadas situações haja a necessidade de diferentes valores de
velocidade, neste projeto foram utilizadas apenas duas medidas distintas. E para tornar isto possível,
os parâmetros P124 e P125 (referências Multispeed) foram modificados para 5.0 e 20.0,
respectivamente, representando 5 e 20 Hz. Estas são as frequências assumidas pelo motor durante o
processo. A mais lenta (5 Hz) para o tempo em que há produto no interior da câmara do forno e a
mais rápida (20 Hz) para os períodos em que não há. A escolha dos respectivos valores de
frequência terá maiores explicações no item 4, sobre os resultados.
Ainda sobre as velocidades, é necessário modificar os parâmetros que dizem respeito à
seleção da referência, tanto local como remoto, assim como na seleção de comandos. Logo, P221 e
P222 recebem o valor 006 que representam referência de velocidade através de “Multispeed”.
Outras opções destes parâmetros são: “Teclas da IHM”, “AI1” (entrada analógica dos bornes XC1),
“Potenciômetro de potência”, “Potenciômetro da IHM” e “Entrada em frequência”.
A última configuração a ser feita é em relação à função das entradas digitais, ou seja, qual
tipo de ação o inversor realiza ao ter a entrada digital acionada ou desacionada. Cada uma das
quatro entradas digitais deve ser configurada. A seleção da função é feita através dos parâmetros
P263 a P266, sendo a DI1 ajustada em P263, DI2 ajustada em P264 e assim sucessivamente.
Dentre as funções gravadas na parametrização das entradas digitais do inversor, é importante
frisar a importância do “Habilita Geral” que, como o próprio nome diz, permite que as entradas
digitais executem suas funções especificadas e a de “Multispeed” que, quando não está acionada
transmite para o motor uma frequência de saída definida em P124 e ao ser acionada transmite a
frequência definida em P125.
41
Com a configuração finalizada, as ligações elétricas devem ser feitas, utilizando o CLP, o
módulo de relés e os bornes XC1 do inversor de frequência. E conforme comentado no item 3.1.2
sobre como as conexões são feitas, esta montagem é mostrada na foto da Figura 3.8. Onde é
possível visualizar o terminal de terra e as saídas digitais do CLP, Q0.4 a Q0.7, conectados às
bobinas dos relés, enquanto os contatos NA dos relés são conectados às entradas digitais, DI1 a DI4
e os contatos C são conectados ao terra do inversor.
Figura 3.8: Conexão entre CLP, Módulo de Relés e Inversor de Frequência
3.2 Implementação do controle de temperatura
O diagrama esquemático do subsistema de controle de temperatura é mostrado na Figura
3.9. E, a partir deste esquema, é possível visualizar a forma como o controle é organizado em
relação aos equipamentos e dispositivos.
42
Figura 3.9: Diagrama esquemático do subsistema do controle de temperatura
Este sistema montado tem como base o CLP S7-1200 e o forno já citado no item 3. Através
do forno, acionado por uma tensão de 24 V, o processo de aquecimento é realizado. Na foto da
Figura 3.10, o módulo de controle de temperatura é mostrado e o forno é a unidade de cor preta com
um LED (Light Emitting Diode) anexo à sua estrutura, abaixo dos sensores. Apenas como forma de
simplificação neste trabalho, o módulo presente nesta Figura 3.10 será definido como Módulo
Auxiliar.
Figura 3.10: Módulo para bancada com forno e sensores
43
A aquisição dos valores de temperatura pode ser feita por sensor do tipo termopar ou RTD
(PT-100). Conforme visto no item 2.3.4, em relação às vantagens e desvantagens de cada
dispositivo de medição, é importante utilizar o sensor de temperatura que melhor se aplica a esta
situação, levando em consideração tempo e linearidade da resposta, além de outros fatores.
3.2.1 Testes com placas de entrada analógica
Para leitura no CLP, foi utilizada uma placa de sinal específica da Siemens, capaz de dar
uma resposta de fácil tratamento para o usuário. A facilidade está no fato de que ao receber o sinal e
visualizá-lo na tela de simulação do CLP, a placa realiza os cálculos necessários e apresenta o valor
de temperatura com uma casa decimal a mais. Isto é, para uma temperatura de 26,3°C, por exemplo,
o valor apresentado é de 263,0. Nas entradas analógicas do CLP S7-1200, o dado recebido tem que
ser tratado com instruções de conversão, visto que estas interfaces apresentam um valor para leitura
entre 0 e 27648.
As placas de sinal ficam anexas a CPU e podem ser trocadas ou removidas conforme a
necessidade do sistema proposto. As mais comuns são para adição de entradas ou saídas analógicas.
Neste projeto, foram utilizadas placas de entradas analógicas para leitura específica de sinais de
sensores de temperatura. Para termopares, modelo SB 1231 TC e para RTD, modelo SB 1231 RTD.
Como no local de inserção na CPU só é possível encaixar uma placa de sinal, foi necessário
verificar qual tipo de medição apresentava melhor desempenho. Na Figura 3.11 é visto onde a placa
de sinal é alocada.
Figura 3.11: Local de encaixe da placa de sinal na CPU
Fonte: https://support.industry.siemens.com
44
Durante os testes com a placa para termopar, houve erros na leitura, pois a temperatura
mostrada na simulação não era compatível com a temperatura esperada, tanto na temperatura
ambiente quanto depois de um aquecimento. Conforme foi visto na seção sobre termopares, é
preciso ter bastante cuidado na medição com estes sensores, pois qualquer junção entre diferentes
materiais forma um novo termopar.
Ao utilizar a placa de sinal para leitura de sinais de RTD, verificou-se que os valores de
temperatura estavam condizentes com a temperatura ambiente. Ainda assim, para confirmar o
desempenho das leituras, o forno foi aquecido e também foi verificado que a temperatura aumentou
conforme previsto.
Então, com estes testes, ficou constatado que o sensor de temperatura a ser utilizado seria o
RTD, devido a maior compatibilidade entre os valores de temperatura e a facilidade de ligação com
a entrada analógica do CLP.
3.2.2 Testes da programação do controle de temperatura
O controle de temperatura é feito totalmente por software através da programação do CLP.
O método de controle é definido pelo usuário a depender das características intrínsecas do processo.
Se o processo for flexível, pouco crítico, com possibilidade de variações relativas da temperatura, é
totalmente cabível, mais simples e mais barato aplicar o ON-OFF. Na Figura 3.12 é mostrado como
funciona este tipo de controle.
Figura 3.12: Gráfico de demonstração do Controle ON-OFF
Fonte: www.mecatronicaatual.com.br
Este método de controle funciona baseado em limites, superior e inferior, onde a variável de
processo (Process Variable, PV no gráfico) deve estar sempre entre estes valores, enquanto estiver
45
sendo controlada. Na Figura 3.12, não há uma definição clara dos limites, porém existe um setpoint
(SP no gráfico) e a variável de processo deve estar próxima daquele valor. O forno é desligado e
ligado por determinados períodos de tempo e quantas vezes for necessário.
Caso haja necessidade de maior precisão e melhor controle da resposta é mais recomendado
a utilização do controle PID ou suas variações (P, PI e PD). Este outro tipo de controle apresenta
uma maior complexidade em termos de funcionamento e de parametrização. Contudo, não faz parte
do escopo deste trabalho explicar detalhadamente como funciona o PID.
Com as concepções sobre os tipos de controle, é preciso definir a estratégia a ser usada no
projeto. Ambos irão atuar diretamente na variável de processo, temperatura, e na saída, aqui
definida como o forno. A forma como estes elementos serão lidos e acionados, dependerá da
programação realizada no controlador. Isto foi feito através de um planejamento prévio do sistema e
posteriormente, através de testes.
Ao realizar os testes com o forno, foi percebido que a temperatura do mesmo apresenta uma
característica de inércia térmica, ou seja, ao chegar a determinado valor, mesmo que o forno seja
desligado, a temperatura continua subindo durante certo tempo até estabilizar. Isto ocorre porque o
ar dentro do forno está numa temperatura maior do que a sua estrutura e é necessário certo tempo
para que seja estabelecido um equilíbrio térmico. Este fato, é importante frisar, ocorre apenas em
períodos mais longos de acionamento do forno [25].
Nesta parte do projeto, é necessário definir quais tarefas serão realizadas. As mesmas são
listadas:
1. Leitura do sensor de temperatura:
a. Como o valor é apresentado?
b. Adaptação a valores de fácil interpretação;
2. Projeto do Controlador ON-OFF:
a. Definição do Setpoint;
b. Definição dos Limites;
c. Testes de funcionamento;
d. Verificação e correção de problemas encontrados;
e. Validação.
3. Projeto do Controlador PID:
a. Possibilidades de funcionamento no TIA Portal;
b. Parametrização;
c. Comissionamento;
d. Testes de funcionamento;
46
e. Verificação e correção de problemas encontrados;
f. Validação.
4. Melhorias de desempenho:
a. Teste e confirmação das melhorias.
b. Inserção da melhoria no funcionamento habitual
A forma como a leitura do sensor é realizada é de suma importância para determinar como o
controle é programado, visto que, caso haja um erro de interpretação nos valores, o processo não
será controlado da forma desejada. Logo, foi preciso verificar como a leitura do sinal analógico é
feita pelo CLP.
Conforme visto no item 3.2.1, a leitura da temperatura é feita pela placa de sinal inserida na
CPU do controlador. E com ela, existe a vantagem do valor lido pelo CLP ser inteligível, ou seja, de
fácil interpretação para o usuário, tendo apenas a necessidade de uma correção no valor obtido por
meio de uma divisão por 10.
Em relação ao controle ON-OFF e suas características, tudo é determinado pelo operador do
sistema, através da definição do setpoint e dos valores limites. Esta pessoa é a responsável pelo
ajuste destes parâmetros e consequentemente, pela forma como o controle funcionará.
Da mesma forma, o controle PID também será realizado através de parametrizações
realizadas pelo operador. A plataforma TIA Portal apresenta uma funcionalidade muito interessante
chamada de Comissionamento. E nesta opção do programa é possível realizar uma sintonia da
malha de controle PID automaticamente, isto é, com os valores dos ganhos totalmente definidos
pelo CLP, após uma extensa rotina de testes executados pelo próprio equipamento. Graças a esta
funcionalidade, é possível ter uma base da sintonia desejada, porém, para obter características mais
específicas no controle do processo, é necessário um ajuste final realizado pelo próprio operador e
seu conhecimento decorrente da experiência. Depois desta interferência mínima do operador, o
controle passa a funcionar de forma automática, em ambos os tipos de controle. Permitindo que o
processo possa ser acompanhado através de telas de supervisórios e sem a presença constante de
alguém para verificar o processo diretamente no chão de fábrica.
A partir de resultados prévios do controle proposto, é possível projetar melhorias
significativas no desempenho do processo. Seja na velocidade de resposta ou no tempo necessário
para estabilizar próximo a um ponto específico.
47
3.2.3 Montagem do controle de temperatura
A parte física do controle de temperatura, composta pelo CLP e pelo módulo respectivo,
apresenta uma ligação simples, porém com detalhes importantes em relação ao sensor de
temperatura.
Para acionamento do forno, é utilizada apenas uma saída digital, a Q0.1, diretamente
conectada ao mesmo. A saída utilizada é digital, devido ao fato do forno apresentar a característica
de estar ligado ou desligado, ou seja, apenas dois estados possíveis. Em um item posterior, haverá
uma explicação sucinta sobre o tipo de acionamento utilizado no forno, o PWM.
Devido à baixa capacidade de corrente de saída da fonte do CLP, é utilizada uma fonte de
alimentação externa para fornecer potência ao circuito do Módulo Auxiliar, conforme descrito no
item 3.
Além disto, a conexão entre o sensor de temperatura e a entrada analógica da placa de sinal
presente no CLP deve ser montada. Esta ligação é feita a partir de orientações do fabricante do
CLP, conforme visto na Figura 3.13. Neste projeto, a conexão utilizada foi de um RTD a 2 fios (2-
wire RTD) [26].
Figura 3.13: Modos de conexão do sensor RTD à placa de sinal
Fonte: https://support.industry.siemens.com
Montado desta forma, a leitura do sensor RTD apresentou grande compatibilidade com os
resultados esperados, diferentemente da estrutura montada para o sensor termopar que é mostrada
na Figura 3.14. E como parte do experimento para definir a melhor interface de sensoriamento da
temperatura, conforme citado no item 3.2.2, o RTD do tipo PT-100 foi escolhido como sensor ideal
para a aplicação em detrimento do termopar.
48
Figura 3.14: Modo de conexão do sensor Termopar à placa de sinal
Fonte: https://support.industry.siemens.com
A estrutura de ligações desta etapa do projeto é mostrada na foto da Figura 3.15, onde é
apresentado o CLP, a fonte externa para alimentação do Módulo Auxiliar e o próprio módulo, com
todas as respectivas ligações elétricas entre estes itens.
Figura 3.15: Ligações elétricas do controle de temperatura
49
3.3 Conclusão das montagens
Depois de montar separadamente os sistemas de movimentação e controle da temperatura,
foi realizada a montagem do projeto completo com todas as ligações entre o CLP, fonte externa de
alimentação do CLP, fonte externa para alimentação do forno, inversor de frequência, Módulo
Auxiliar, Módulo de relés e Motor. Primeiramente, é apresentado um diagrama esquemático
completo com os subsistemas integrados, mostrado na foto da Figura 3.16.
Figura 3.16: Diagrama Esquemático Completo da Solução Proposta
50
Já na foto da Figura 3.17, é mostrada a organização completa da montagem da solução.
Figura 3.17: Montagem completa do projeto
51
3.4 Descrição da parte lógica do controle do CLP
A arquitetura de controle utilizada no CLP é dividida em duas partes. No bloco de programa
principal, OB1, são realizadas grande parte das funções do controle. Enquanto que em outro bloco
de programa, OB200, é realizada a chamada do controle PID.
Parte das funções inseridas no bloco principal já foram debatidas, como a leitura do sensor, a
parametrização do controle ON-OFF e do controle PID e o controle do motor através do inversor de
frequência. Contudo, outro ponto importante a ser levado em consideração é a maneira como o
forno é acionado. Por possuir característica digital, o forno precisa de um acionamento que funcione
desta forma. Então, para realizar esta tarefa foi utilizado um bloco PWM, presente no TIA Portal,
capaz de manter o forno ligado ou desligado durante certos intervalos de tempo pré-definidos.
É válido salientar que existem outras opções de acionamento de fornos, como por exemplo,
utilizando resistores de aquecimento, no qual o acionamento é feito de forma analógica, variando
um sinal entre 0 e 100%.
O bloco PWM, característico do TIA Portal, apresenta como possibilidades de configuração
o período do ciclo, onde há a possibilidade da saída estar em nível 0 ou nível 1, a saída através do
hardware ou através de placa de sinal, a base de tempo, entre outros. Para controlar os ciclos de
ligado e desligado, é utilizado um espaço de memória do CLP definido pelo usuário, conforme
mostrado na Figura 3.18, na opção “Start Address”. Este espaço de memória controla apenas o
tempo em que a saída do bloco PWM está em nível alto. É de fácil entendimento que ao definir um
valor para o período total (5000 ms ou 5 s, conforme Figura 3.18) do ciclo e o tempo em que a saída
fica ligada através da memória escolhida (Endereço 1000 a 1001) o tempo em que a saída ficará
desligada é definido consequentemente.
Figura 3.18: Configuração do bloco PWM no TIA Portal
52
Já o bloco PID apresenta diversas configurações que podem ser editadas pelo usuário. É
possível escolher o tipo de unidade de engenharia que será controlada, como temperatura, vazão,
torque, pressão, entre outros. Além disto, os tipos de sinal de entrada e saída devem ser
configurados, pois são de suma importância para o bom funcionamento do bloco. Entre as opções
de entrada, existe a opção de “Input_PER” no qual a entrada analógica utilizada para leitura do
sensor, no formato de Word (16 bits), é ligada diretamente a entrada do bloco PID, e também existe
a opção “Input”, no formato Real (32 bits), em que qualquer memória do CLP pode ser usada. Há
opções semelhantes para a saída do bloco, como a “Output_PER” e a “Output”, porém há ainda a
opção “Output_PWM” e como o próprio nome diz, é uma saída em PWM.
De forma a simplificar tópicos posteriores, existe a definição dos dados presentes na
estrutura do bloco PID, a qual é mostrada na Figura 3.19, em forma de diagrama de blocos.
Figura 3.19: Diagrama de Blocos do Controle PID
Na continuação das configurações, existem algumas relacionadas ao nível mínimo e máximo
da saída, podendo eles, serem relacionados com alarmes, inclusive. Também há configurações
relacionadas ao escalonamento da entrada e às características da saída em PWM.
Entretanto, uma parte essencial e extremamente importante quando se trata de controladores
do tipo PID é a sintonia, já citada no item 3.2.2. Esta etapa é que determina o comportamento do
controle criado. No bloco PID do TIA Portal, é possível definir o ganho proporcional, as constantes
de tempo derivativo e integral, além de outros parâmetros da sintonia de forma manual ou
automática, através da ferramenta de comissionamento.
O modo como é feita esta sintonia é afetado diretamente por muitos fatores, entre estes
elementos é possível citar o tipo de processo controlado, o tipo de variável controlada, a
necessidade de estabilidade e o tempo de resposta.
53
3.5 Programação do CLP
Após as devidas configurações sobre o funcionamento do CLP, a organização do hardware e
os dispositivos conectados, como por exemplo, a placa de sinal para leitura dos sensores de
temperatura foi realizada a programação do equipamento.
Toda a programação foi realizada em Ladder, apesar da possibilidade de programação em outras
linguagens oferecida pelo TIA Portal, conforme citado no item 3.
Como a grande maioria dos CLPs, a programação do S7-1200 no TIA Portal é realizada
através de linhas de comando, chamadas de networks. Este tipo de estrutura é usado para melhorar a
organização do programa possibilitando uma divisão por tarefas específicas em cada linha,
facilidade de modificação e uma manutenção mais rápida ao buscar erros.
A parte principal do programa foi montada em uma estrutura chamada de Bloco de
Organização (Organization Block – OB), definida no programa como OB1. Esta estrutura de blocos
é executada ciclicamente pelo CLP e também é o bloco padrão, normalmente nomeado como Main
(Principal).
Outra forma de facilitar o entendimento e a manutenção do programa é nomear as entradas,
saídas e memórias utilizadas. E isto é feito através do uso de tags que são palavras-chave capazes de
identificar de maneira sucinta qual a função do campo que representam. No TIA Portal existe uma
janela onde é possível visualizar uma lista com todas as tags utilizadas no programa do usuário e a
lista completa pode ser vista na Tabela 3-I.
Tabela 3.I: Lista de Tags do Programa feito no TIA Portal
Primeiramente é montada uma network onde o processo pode ser iniciado ou desligado.
Serve para iniciar o sistema como um todo e no caso de alguma emergência ou necessidade de
54
parada para manutenção, desligar completamente todo o sistema. A network contendo estes
comandos é mostrada na Figura 3.20.
Figura 3.20: Network para iniciar ou desligar o processo
A primeira linha de comando serve apenas como um indicador de que um novo setpoint foi
estabelecido pelo operador. Enquanto a segunda linha utiliza um contato de selo para manter o
processo ligado.
Seguindo a lógica de divisão por tarefas, é possível realizar a mudança do modo de controle
da temperatura, mostrada na Figura 3.21. Ao acionar a memória M0.7, definida através da tag
“Modo de Controle”, o modo ON-OFF é selecionado para controlar a temperatura e, com a tag
“Modo de Controle desacionada funciona o PID.
Figura 3.21: Network de mudança de modo de controle e acionamento do forno
55
Já nesta etapa, há um detalhe importante em relação ao funcionamento de um bloco do S7-1200. O
bloco PWM, citado no item 3.4, utiliza uma saída definida em suas configurações, mostrada na
Figura 3.18. Contudo, devido a um impedimento do software não é possível acessar esta saída em
nível de programação, somente no borne físico do CLP. Então, para o correto funcionamento do
programa, foi realizada uma ligação elétrica entre a saída configurada no bloco PWM, Q0.0, com a
entrada I0.0 para que a saída se tornasse acessível ao programa de usuário. O motivo de tornar esta
saída acessível deve-se ao fato dela servir para acionamento do forno e o mesmo funciona tanto de
forma automática, através dos controles de temperatura ON-OFF e PID, como de forma manual,
através do acionamento de um botão.
Na continuação do programa, é realizada a leitura do sensor de temperatura e a normalização
do valor lido, através de uma divisão por 10, conforme explicado no item 3.2.2. Esta parte da
programação é mostrada na Figura 3.22.
Figura 3.22: Linhas de Comando para Leitura do sensor de temperatura
O segundo bloco, visto na Figura 3.22, realiza a conversão de um valor inteiro, lido diretamente do
sensor de temperatura, para um valor real. Já o terceiro bloco, é responsável pela divisão por 10.
O controle ON-OFF é mostrado nas Figuras 3.23 e 3.24. Neste método de controle, foi
inserida uma melhoria que só pôde ser conhecida e aplicada depois da realização de testes e
adaptação ao funcionamento do forno e sua característica de inércia térmica. Com a otimização do
controle, os pontos de acionamento e desligamento do forno são fixos, dependendo apenas do
setpoint. Enquanto o controle sem otimização, apresenta a possibilidade de configuração dos limites
superior e inferior a depender do setpoint.
56
Figura 3.23: Primeira parte da network do Controle ON-OFF
A primeira linha de comando da network da Figura 3.23 serve para habilitar o funcionamento do
controle ON-OFF, com o uso da tag “Forno_Acionado”. Como forma de proteção para o forno e a
fonte de alimentação, foi estabelecido como limite máximo da temperatura o valor de 38,0 °C.
Nas linhas de comando seguintes, a lógica de funcionamento do controle é montada, com seus
limites Superior e Inferior. Nesta primeira parte é mostrado o controle com otimização, isto é, com
os limites fixos, dependendo apenas do valor do setpoint. A otimização só está ativa se a memória
M1.7, representada pela tag “Otimização_ON-OFF” estiver acionada.
57
Na Figura 3.24, é mostrada a segunda parte da network, apresentando o controle sem otimização,
com possibilidade de variação dos limites superior e inferior através da memória MD100
representada pela tag “Limites”. O contato NF da memória M1.7 mostrado na Figura 3.24 está
ligado em paralelo com o contato NA da memória M1.7, mostrado na Figura 3.23 e ambos em série
com o contato NA da memória M0.0, “Forno_Acionado”.
Figura 3.24: Continuação da network do Controle ON-OFF
Continuando o programa de usuário, nas Figuras 3.25 e 3.26 é mostrada a otimização do
controle PID. Esta melhoria serve para diminuir o tempo de subida da variável de processo. E
semelhante à otimização do controle ON-OFF, este aumento de performance do PID só pôde ser
implementado após a realização de testes e posteriormente, validação dos resultados. Além desta
melhoria, foi implementado outro aperfeiçoamento para aumentar o desempenho do controle PID,
sendo utilizado quando a temperatura, por qualquer motivo, atinge um valor bem mais alto que o
setpoint definido.
Figura 3.25: Primeira parte da network de implementação da melhoria no controle PID
58
Nesta primeira parte, mostrada na Figura 3.25, há apenas definições de dados que serão usados nas
outras linhas de comando da network, representadas pelas tags “Setpoint-2.5” e “Setpoint+1.5”.
Na Figura 3.26, é mostrada a lógica necessária para ativação da melhoria de desempenho do
controlador PID.
Figura 3.26: Continuação da network de implementação da melhoria no controle PID
Na primeira linha de comando desta Figura 3.26, são estabelecidos critérios para ativação da
melhoria. Então, para que possa ser ativada, um parâmetro do bloco PID chamado de
“PID_Compact_1.sRet.i_Mode” ou simplesmente modo atual de funcionamento do bloco deve ser
igual a 3 (representa modo automático). Além disto, para ativar a melhoria no tempo de subida, a
temperatura deve ser menor ou igual ao valor obtido na tag “Setpoint-2.5” obtido na primeira parte
desta network e para ativar a melhoria de valores altos da temperatura, o valor da variável de
processo deve ser maior ou igual ao valor obtido na tag “Setpoint+1.5”. Para ambas as melhorias, o
setpoint deve ser diferente de zero que é apenas uma maneira de representar que o operador
59
estabeleceu um valor antes de iniciar o processo. Quando as respectivas melhorias são ativadas, a
lógica do programa modifica o modo atual de funcionamento do bloco PID para 4 (representa
modo manual) e através de blocos “MOVE”, alteram o valor da saída do PID definido pelo
parâmetro “PID_Compact_1.ManualValue”.
A network mostrada na Figura 3.27 é responsável pelo acionamento do modo automático do
PID e também por seu desligamento.
Figura 3.27: Network de comando do controlador PID
A lógica da linha de comando superior serve para aplicar o modo automático no controle PID,
porém o envio do valor 3 (que representa o modo automático) para o parâmetro do bloco é enviado
apenas durante 2 s. Isto é feito para abrir a possibilidade de possíveis modificações no modo de
funcionamento do controlador. Nas outras linhas de comando, são implementados maneiras de
aplicar o modo inativo no controle PID, através do envio do valor 0 para o parâmetro
“PID_Compact_1.sRet.i_Mode”. A memória M4.3, representada pela tag “PID Inativo”, serve
como um botão de desligamento manual do PID.
Assim como o controle ON-OFF, também foi utilizado o valor de 38,0 °C como temperatura
máxima do forno.
Em outra network relativa ao controlador PID, mostrada na Figura 3.28, duas operações de
grande importância são realizadas:
60
- Leitura dos valores atuais dos parâmetros do controlador PID
- Aplicação de novos valores aos parâmetros do controlador PID
Através destas operações é possível modificar o comportamento do controle PID. Nesta
network os parâmetros modificáveis são o Ganho, o Tempo Derivativo e o Tempo Integral.
Figura 3.28: Network de leitura e configuração dos parâmetros do controle PID
As primeiras linhas de comandos, as quais estão em série com a memória M4.2 , representada pela
tag “Habilit Paramet PID” modificam os valores dos parâmetros do bloco PID, caso “Habilit
Paramet PID” esteja acionada. Os parâmetros do bloco PID são denominados como
“PID_Compact_1.sRet.r_Ctrl_Gain” (Ganho), “PID_Compact_1.sRet.r_Ctrl_Td” (Tempo
derivativo) e “PID_Compact_1.sRet.r_Ctrl_Ti” (Tempo integral). Além disto, as demais linhas de
comando são utilizadas para realizar a leitura dos valores atuais dos mesmos parâmetros.
61
A próxima network, mostrada na Figura 3.29, apresenta o bloco PWM configurado
conforme citado no item 3.4. Na entrada “PWM” do bloco, é definida a identificação do mesmo. E,
além disto, há ainda uma entrada para habilitar ou desabilitar o bloco PWM, chamada “ENABLE”.
Figura 3.29: Network do bloco PWM
Nas outras linhas de comando, são utilizados comandos de conversão e movimentação de
valores para transferir a variável de saída do bloco PID, configurada como memória MD34 e
representada pela tag “Saida_Porcent”, para a variável que representa o ciclo ligado do bloco PWM,
configurada como memória QW1000 e representada pela tag “Ciclo_ON_PWM”.
Em outra network do programa de usuário é montado o controle do inversor de frequência.
Nesta parte está incluso o acionamento das entradas digitais dos bornes XC1 do inversor, além de
lógicas de controle do funcionamento do sistema de movimentação do qual fazem parte os sensores
de passagem, tanto de entrada quanto de saída. Além de tudo isto, nas linhas de comando está
presente uma lógica referente à presença de produto no forno, possibilitando a utilização deste
indicador no Sistema Supervisório.
A primeira parte da network do controle do inversor de frequência e consequentemente do motor é
mostrada na Figura 3.30.
62
Figura 3.30: Primeira parte da network de controle do inversor de frequência
A primeira linha de comando tem como função possibilitar o desligamento do inversor
através da memória M5.0, representada pela tag “Desabilita_Inversor”. Nas demais linhas de
comando da network mostrada na Figura 3.30, são realizadas operações relacionadas à integração
entre os subsistemas, controle de temperatura e sistema de movimentação. Primeiramente é criado
um parâmetro de erro a partir do resultado da diferença entre a temperatura real e o setpoint,
representado pela tag “Erro_Temperatura”. E a partir deste dado criado, é realizada a lógica para
impedimento de entrada de produto no forno, havendo permissão apenas quando o valor da
temperatura permanece próximo do setpoint durante 5 s. Esta condição é de suma importância para
o bom funcionamento do processo como um todo. Visto que o objetivo do controle de temperatura é
manter o produto durante certo tempo em uma temperatura determinada, enquanto estiver dentro do
forno, tendo como finalidade um aquecimento uniforme capaz de atingir o estado previsto.
63
Na segunda parte da network de controle do inversor de frequência, mostrada na Figura
3.31, são apresentadas as demais linhas de comando, onde as quatro primeiras linhas servem para
acionamento do motor. Através da memória M5.1, representada pela tag “Acion_Manual_Motor” é
possível controlar o motor manualmente, enquanto que o controle automático é feito com o uso do
comando em paralelo, onde a tag “Motor_ligado” é acionada de forma retentiva após o processo ser
iniciado. Nas quatro últimas linhas de comando, são apresentadas as lógicas para indicar presença
de produto no forno e para modificar a velocidade do inversor.
Figura 3.31: Segunda parte da network de controle do inversor de frequência
64
A última network do Bloco de Organização OB1 foi criada para auxiliar o funcionamento do
Sistema Supervisório. Nesta etapa do programa de usuário é realizada a simulação de
movimentação dos produtos na esteira com o uso de funções matemáticas e a utilização de uma
variável definida pela tag “Posicao_Produt”. A Figura 3.32 mostra esta network.
Figura 3.32: Network de simulação da movimentação dos produtos na esteira
65
O conjunto da primeira com a segunda linha de comando, onde há a presença de timers de 500 ms e
125 ms e um bloco para soma, tem como função indicar a variação de velocidade do motor e como
consequência a variação da posição do produto de acordo com o timer correspondente. Isto é, na
utilização do timer de 500 ms, a posição do produto altera mais lentamente e por consequência, a
velocidade do motor é lenta. Porém, quando o timer de 125 ms é utilizado, a posição do produto
altera mais rapidamente e, como consequência a velocidade do motor é mais rápida.
Nas três últimas linhas de comando são definidas posições fixas para indicar quando houve
passagem de produto pelo sensor de entrada, pelo sensor de saída e quando o produto é entregue ao
seu destino e um novo produto é posto no início da esteira.
Além do OB1, foi necessário utilizar outro Bloco de Organização no programa de usuário,
denominado OB200, porém com comportamento diferente. Este bloco foi usado para criação do
controlador PID e para realizar esta tarefa, foi configurado como Cyclic Interrupt (Interrupção
Cíclica). A Figura 3.33 apresenta o OB200.
Figura 3.33: OB200 contendo o bloco PID
Os parâmetros definidos pelas tags “Setpoint” e “Temperat_Real” são entradas do bloco PID,
enquanto a tag “Saida_Porcent” é a saída. A partir dos dados de entrada, o bloco PID realiza os
cálculos necessários para fornecer um valor de saída em porcentagem, utilizada na memória
QW1000 do bloco PWM, conforme visto na Figura 3.29.
3.6 Implementação do Sistema Supervisório
Neste projeto, após um tempo de pesquisa, foi escolhido o supervisório Elipse E3. A escolha
foi feita por alguns motivos, entre eles, é possível citar a sua capacidade de integração com diversos
equipamentos dos mais variados fabricantes e, além disto, a grande quantidade de suporte oferecido
66
não somente pelos funcionários da Elipse, mas também pelos usuários do sistema, através de um
extenso banco de dados [27].
Para realizar a comunicação entre os equipamentos a Elipse disponibiliza drivers. E com o
driver apropriado para o CLP S7-1200 da Siemens, a comunicação pode ser estabelecida com êxito.
A partir disto, foi preciso montar toda a estrutura de telas, imagens, botões, displays e gráficos para
que o sistema supervisório pudesse atender às necessidades tanto do programa escrito na memória
do CLP quanto do processo em si. Desta forma, o supervisório permite que um operador possa
visualizar os estados das variáveis, acionar ou desacionar atuadores, assim como analisar históricos
e, de uma forma geral, supervisionar os processos de controle de temperatura e de movimentação
através da tela do computador.
Este tipo de sistema apresenta nomenclaturas bem definidas e difundidas nos seus
respectivos espaços de utilização, como nas indústrias. Através das tags, por exemplo, são
identificadas todas as variáveis numéricas ou alfanuméricas envolvidas na aplicação, podendo
executar funções computacionais ou representar pontos de entrada ou saída de dados do processo
que está sendo controlado. Esta nomenclatura é semelhante à utilizada na programação de CLPs e já
citada no item 3.5.
3.5.1 Ambiente do Elipse E3 Studio
O sistema supervisório da empresa Elipse Software® apresenta muitas possibilidades. O
software pago tem grandes vantagens em relação à versão de demonstração, como por exemplo, a
grande quantidade de itens na Galeria de Imagens para construção dos processos. Ainda assim,
mesmo com estas limitações, a versão demo, como é chamada, é capaz de suprir uma ampla
quantidade de requisitos na construção de sistemas supervisórios.
Na Figura 3.34 é mostrado o ambiente de construção das telas do Elipse E3 Studio. Este
ambiente apresenta diversas possibilidades de itens para montagem do sistema supervisório. Entre
os principais, há formas geométricas, linhas, conectores, animações, desenhos que podem ser
importados do computador, botões, gráficos e selecionadores. Estes itens ficam localizados na parte
superior.
Na parte esquerda, em destaque, é visto o “Organizer”. Um menu onde é feito grande parte
dos ajustes da aplicação. Neste menu, é possível configurar tags, telas, animações e drivers, por
exemplo. Além do “Organizer”, outra parte importante do Elipse E3 Studio é o setor de
propriedades dos itens da aplicação, também em destaque na Figura .34.
67
Figura 3.34: Ambiente inicial do Elipse E3 Studio
Ao adicionar um driver à aplicação, é essencial a criação das tags. Estes elementos são vinculadas
aos drivers adicionados e criam um link entre os itens do supervisório, sejam botões, gráficos ou
displays, e as variáveis utilizadas no programa escrito no CLP. Com isto, cada ação tomada no
SCADA terá um efeito no CLP e vice-versa (caso esta opção esteja habilitada).
Na Figura 3.35 é mostrada a lista das tags vinculadas ao driver utilizado no projeto,
chamado de MProt. A explicação dos parâmetros das colunas mostradas na Figura 3.35 pode ser
encontrada nos Anexos.
Figura 3.35: Lista de Tags do driver MProt e os respectivos parâmetros
68
É importante salientar que cada tag presente nesta lista tem um vínculo direto com variáveis
utilizadas no programa de usuário do CLP.
3.5.2 Aplicação do projeto
A montagem da aplicação idealizada neste projeto teve como princípio adquirir imagens de
tal forma a montar o processo que seria simulado. Os softwares de sistemas supervisórios contém
um bom número de imagens em suas galerias, possibilitando ao responsável pela concepção das
telas um auxílio importante nesta tarefa. Porém, conforme dito, a versão do software utilizada é de
demonstração e uma de suas limitações é a quantidade de itens disponíveis na galeria. Logo, foi
necessário realizar uma pesquisa com o intuito de conseguir imagens que atendessem aos requisitos
para montagem.
Como uma forma de iniciar o processo com uma apresentação sobre o sistema proposto, foi
inserida uma tela inicial com alguns dados. Nesta tela também é necessário inserir um setpoint para
que seja possível o início da supervisão e do gerenciamento do processo.
Esta tela inicial é mostrada na Figura 3.36.
Figura 3.36: Tela inicial do Sistema Supervisório
O objetivo é a integração entre um sistema de movimentação de produtos por esteira com
um controle de temperatura de um forno e, para atingir esta finalidade, a montagem é feita no Elipse
69
E3 Studio. Os produtos são movimentados pela esteira e acionam o sensor de entrada quando
próximos à câmara. Quando atingem este ponto, é feito uma verificação do valor atual da
temperatura dentro da câmara do forno. Caso não esteja o próximo do valor de setpoint definido, o
motor é desligado e permanece assim até que a temperatura da câmara permaneça muito próxima do
valor de setpoint durante 5 s. A partir do momento que esta condição é atingida, o motor é religado,
porém em velocidade lenta e permanece nesta velocidade enquanto o produto estiver dentro do
forno. Ao saírem, os produtos acionam o sensor de saída, possibilitando o aumento da velocidade da
esteira. A tela de simulação e supervisão do processo descrito é mostrada na Figura 3.37.
Figura 3.37: Tela de Simulação e Supervisão do processo
Mesmo que os detalhes em relação às imagens não sejam de alta qualidade, a tela de simulação do
processo mostra, de uma forma geral, como o mesmo realmente funciona. Facilitando em diversos
aspectos para alguém que trabalhe diretamente com processos semelhantes, a sua leitura e
interpretação.
Além da tela de supervisão, ainda foi necessário criar outros ambientes, na mesma aplicação.
Um deles é referente às parametrizações e ajustes do controle de temperatura, condizente com as
mudanças que podem ser feitas no programa do CLP. Nesta tela é possível modificar todos os
70
parâmetros aptos a sofrerem algum tipo de ajuste, como, por exemplo, o ganho do controle PID ou
o método de controle escolhido. Assim como é possível acompanhar o estado atual da temperatura
no forno e modificar o setpoint do processo. Na Figura 3.38 é mostrada a tela de parametrização e
configuração.
Figura 3.38: Tela de parametrização e configuração
71
A última tela inserida na aplicação tem como função acompanhar o comportamento da
variável do processo, a temperatura, em relação ao setpoint. Esta tela é mostrada na Figura 3.39.
Figura 3.39: Tela para acompanhar comportamento das variáveis
3.7 Considerações Finais
Neste capítulo foi mostrada a montagem do projeto. Para que fosse possível constatar o
funcionamento do sistema, foi necessário realizar montagens separadas dos subsistemas a partir de
diagramas esquemáticos de como seria o funcionamento e ligação dos devidos equipamentos e
dispositivos.
Primeiramente, tornou-se necessário idealizar como funcionaria o sistema de movimentação
e para isto, um diagrama esquemático foi feito mostrando as ligações e interfaces entre os
dispositivos e equipamentos. Depois, foi montado o sistema de movimentação com os respectivos
componentes, incluindo motor CA, inversor de frequência e módulo de relés. Além disto, foi feita a
aplicação no Elipse E3 com a utilização dos sensores de passagem e da esteira.
O sistema de controle de temperatura também precisou ser idealizado através de um
diagrama esquemático, visando o mesmo objetivo do sistema de movimentação. Após a concepção
72
da ideia de ligação e conexão entre os dispositivos, foi realizada a montagem no laboratório de
todos os componentes e realizados os testes, tanto diretamente no CLP quanto através do Elipse E3.
Com a conclusão das montagens de toda a solução proposta foi possível testar a integração
entre os diversos itens utilizados, assim como suas ligações e conexões elétricas e a comunicação.
Para finalizar a montagem, foi montada toda a aplicação no Sistema Supervisório e os testes
puderam ser realizados.
73
Capítulo 4
Resultados obtidos
Com a finalização da montagem e realização dos devidos testes e simulações, foi possível
comprovar a integração entre os subsistemas e o funcionamento do controle de temperatura de
acordo com as restrições impostas. O êxito do controle de temperatura proposto é constatado com a
utilização de diferentes setpoints para a variável de processo e o acompanhamento da resposta do
sistema, tendo também a necessidade de verificar o bom funcionamento do supervisório e a
respectiva comunicação entre os dispositivos.
4.1 Sistema Supervisório
Primeiramente, foi necessário testar a comunicação do Sistema Supervisório com o CLP e
deste, com o inversor para que fosse possível comandar todo o processo através do primeiro. Para
isto, foi utilizada toda a estrutura de telas do Elipse E3. Estas telas são apresentadas separadamente
e conforme são mostradas, tem sua devida explicação de funcionamento.
A navegação entre telas é feita através de botões com funções específicas de mudança de
telas. Na tela inicial, há a necessidade de iniciar o processo através da definição do setpoint e com
esta tarefa realizada, é possível navegar através dos botões de mudança de tela. A transição entre a
tela inicial sem os botões de navegação para a mesma tela, porém com os botões disponíveis é vista
na Figura 4.1.
74
Figura 4.1: Transição da Tela Inicial ao inserir o valor de setpoint
Já na tela de supervisão é mostrada a estrutura do processo com os elementos necessários
para visualização da operação como esteira, produtos e forno. Nesta tela, foram inseridos botões
para iniciar e desligar o processo e assim como a tela inicial, botões de mudança de tela. Além
disto, há displays para monitoração dos estados das variáveis relativas ao forno e a movimentação
da esteira. Nos displays “Temperatura” e “Setpoint”, é mostrado o valor real lido através do sensor
de temperatura escolhido, o RTD do tipo PT-100 e o setpoint definido, respectivamente. No display
“Velocidade”, mensagens são mostradas (ou não) para definir o estado da velocidade do motor da
esteira. A mensagem mostrada está relacionada através de uma tag com uma variável da memória
do CLP que representa o acionamento da entrada digital “Multispeed” do inversor de frequência.
Ou seja, dependendo do estado desta variável de memória e do estado atual do motor, ligado ou
desligado, a mensagem assume textos distintos. Além das mensagens “Rápida” e “Lenta”, foi
implementada nesta caixa de texto uma mensagem vazia, sem conteúdo, para definir o momento em
que o motor está desligado.
Como complemento do display para indicar o valor de temperatura, foi inserido um painel
que varia a cor conforme a alteração da temperatura. Isto é, à medida que a temperatura aumenta, a
cor do painel se torna mais próxima de vermelho.
Também são mostrados na tela de Supervisão de Processo indicadores que mostram quando
houve passagem de um produto pelos sensores de entrada e saída. Ainda nesta tela, há botões para
acionamento e desligamento manual tanto do motor da esteira quanto do forno.
A tela de supervisão de processo é mostrada na Figura 4.2, com todos os elementos
descritos. No momento de obtenção desta imagem da Figura 4.2, o processo encontrava-se parado,
com o produto em uma posição diferente da inicial. Então, foi acionado o botão de “Inicia
Processo”, constatado pela cor azul do mesmo, para que o processo foi reiniciado.
75
Figura 4.2: Tela de Supervisão do processo em momento diferente do inicial, com motor parado
Na tela mostrada na Figura 4.3, é mostrado um momento do processo em que o produto está
dentro do forno e por isto, a velocidade da esteira está “Lenta”. É possível visualizar também que a
temperatura atual está com o valor igual ao setpoint e por isto, houve a permissão para o produto
entrar na câmara do forno.
76
Figura 4.3: Tela de Supervisão no momento que há produto no forno e velocidade Lenta
A tela de parametrização apresenta uma estrutura mais simples, porém com maior
capacidade e possibilidade de mudança no processo, de uma forma geral. Assim como as outras
telas da aplicação, esta tela apresenta botões com capacidade de mudança para as demais partes da
aplicação.
É a partir desta tela que as modificações nos diferentes parâmetros do controle de
temperatura são realizadas, seja do controle ON-OFF ou do controle PID.
Na Figura 4.4, o modo de controle da temperatura é o PID, escolhido a partir da caixa de
seleção localizado ao lado do texto correspondente, “Método de Controle”. A caixa de texto
referente ao método de controle escolhido tem seu nome modificado a partir do momento em que o
espaço da caixa de seleção é alterado. Também é possível visualizar nesta tela, o valor atual da
saída do PID em porcentagem e isto só é possível quando o método PID é escolhido.
77
Figura 4.4: Tela de Parametrização
Na tela de parametrização, os valores atuais de Ganho, Tempo derivativo (Td) e Tempo integral
(Ti) são apresentados constantemente. Utilizando o botão “Carrega Novos Valores” e atribuindo
valores às caixas de texto abaixo deste botão, é possível modificar os valores destes parâmetros.
Conforme comentado no item 3.5, existe a possibilidade de utilização de valores fixos de
limites superior e inferior ou valores variáveis, através da definição do parâmetro “Offset”.
Contudo, foi inserida uma mensagem de alerta para o valor de ajuste do “Offset” com intuito de
evitar grandes variações de temperatura devido à inércia térmica do forno. A mensagem surge ao
clicar na caixa de texto referente ao “Offset” e pode ser vista na Figura 4.5.
78
Figura 4.5: Tela de Parametrização com mensagem de alerta sobre o valor de ajuste dos limtes
79
Na Figura 4.6, é mostrada a utilização dos valores fixo dos limites superior e inferior. Em
comparação com a Figura 4.5, é possível perceber que a caixa de texto do “Offset”, inclusive sua
identificação, não aparecem, visto que não é possível modificar este parâmetro.
Figura 4.6: Tela de Parametrização com controle ON-OFF selecionado e melhoria devido a inércia térmica
Em relação ao comportamento da variável temperatura monitorado pela tela definida como
“Gráfico de Tendência”, conforme mostrado no item 3.6, as características mais dinâmicas do
software TIA Portal foram utilizadas para consolidar o resultado do controle de temperatura.
4.2 Controle da Temperatura
As arquiteturas dos controles são bem diferentes e exigem diferentes capacidades de
processamento da CPU do CLP. Cada uma representa uma complexidade em relação ao controle de
processos. Logo, pode-se dizer que o controle ON-OFF apresenta uma arquitetura simples e é
utilizada em controles flexíveis e não críticos, enquanto que o controle PID apresenta uma estrutura
mais complexa, porém atende tanto processos simples, sem riscos, quanto críticos ou que
necessitem de um maior controle da variável de processo.
80
Então, a partir destas características, o controle ON-OFF, mais simples do que o PID,
apresentou uma resposta mais rápida, capaz de atender grande parcela de processos que não exijam
controle fino sobre as variáveis. E isto é mostrado na Figura 4.7, onde foi definido um setpoint de
30°C e limites de 1°C tanto para cima quanto para baixo.
Figura 4.7: Controle ON-OFF, Setpoint de 30°C
Por apresentar estrutura básica de controle, é possível visualizar que o mesmo atinge o
objetivo proposto, pois a temperatura permanece com valores dentro dos limites impostos nas
restrições. Além disto, é interessante notar o tempo decorrido para a temperatura atingir os valores
próximos ao setpoint, um pouco menos de 40 s.
A forma como este tipo de controle é montado no programa do CLP é extremamente simples
e demanda pouco tempo, assim como os ajustes para mantê-lo em padrões que atendam certas
exigências. Um fator preponderante na determinação destes ajustes é o tipo de variável controlada
no processo.
Os gráficos das respostas do controle PID apresentam uma resposta mais lenta, porém é
possível melhorar a qualidade através de modificações na arquitetura do controle imposto. Ainda
assim, esta relativa lentidão quando comparada com o controle ON-OFF, atende aos requisitos das
figuras de mérito.
Para visualização do desempenho, primeiramente serão mostrados gráficos com diferentes
setpoints e as respectivas respostas. Antes disso, é de suma importância frisar alguns pontos
relativos ao tipo de controle utilizado.
Conforme dito em capítulos anteriores, a parametrização do controle PID é uma parte muito
importante nestes projetos e, para isto, o software TIA Portal e também o CLP utilizado, o S7-1200,
81
apresentam uma interessante ferramenta para facilitar esta etapa já descrita previamente, o
comissionamento. Esta etapa é realizada de forma automática e tem como objetivo adequar os
parâmetros ao processo a ser controlado. Após a realização de uma parametrização prévia, é
possível ainda realizar um ajuste fino na própria ferramenta, porém, esta etapa não foi realizada.
Com esta etapa de comissionamento finalizada, os parâmetros adquiridos foram os
seguintes, em valores aproximados:
Ganho Proporcional: 38,0
Tempo de Ação Integral: 95,0 s
Tempo de Ação Derivativa: 24,0 s
Coeficiente de Atraso Derivativo: 0,1
Peso da Ação Proporcional: 0,256
Peso da Ação Derivativa: 0
Tempo de Amostragem do Algoritmo PID: 2,1 s
A partir da utilização dos parâmetros definidos foram obtidas as curvas que serão
apresentadas a seguir. É importante salientar que nos gráficos mostrados, o dado definido como
“Input” é a temperatura lida pelo sensor e a saída calculada pelo algoritmo PID é dada em
porcentagem (%) e é o valor para o qual o ciclo do bloco PWM está em nível alto, sendo 0% igual a
0 s e 100% igual a 5 s, conforme visto no item 3.5.
82
Na primeira curva, mostrada na Figura 4.8, é mostrada a resposta para um setpoint de 27°C e
a temperatura inicial em 21,2°C. A curva azul representa a saída (Output, no gráfico) e sua escala
está diferente das outras curvas, setpoint e entrada (Input, no gráfico).
Figura 4.8: Gráfico de resposta do controle PID - Setpoint em 27°C
Por este gráfico, é possível ver que a velocidade de resposta do controle PID é lenta em
relação ao controle ON-OFF, levando cerca de 225 s para atingir o setpoint, porém apresenta um
overshoot menor, algo em torno de 0,2°C e maior estabilidade, fazendo com que a entrada
permaneça com valores muito próximos ao setpoint definido.
Nos demais gráficos, o comportamento das curvas é semelhante tanto em relação ao tempo
de subida até atingir o setpoint quanto em relação ao overshoot. Isto serve para mostrar o quanto a
parametrização é precisa em relação à resposta do controle PID.
83
Esta informação pode ser comprovada na Figura 4.9, onde o setpoint foi definido em 30°C e
a temperatura inicial foi de 24,6°C.
Figura 4.9: Gráfico de resposta do controle PID - Setpoint em 30°C
Como tentativa de melhorar o desempenho da resposta do controlador PID, foi
implementada uma melhoria simples, onde diferentemente do controle habitual em que a variação
da saída é uma função do erro, esta assume um valor máximo com objetivo de diminuir o tempo de
subida até o setpoint. Quando a entrada atinge um valor, determinado por software, próximo ao
setpoint, a melhoria é desativada e o controlador PID passa a atuar normalmente. Esta melhoria,
após ser ratificada, foi inserida diretamente no controle PID.
Na Figura 4.10 é mostrada a utilização desta melhoria. As curvas estão na mesma escala, 0 a
100, porém a curva de saída (Output) está em porcentagem.
84
Figura 4.10: Controle PID com melhoria - Setpoint de 34°C
Pelo gráfico mostrado na Figura 4.10, é possível visualizar que durante certo tempo, algo em
torno de 140 s, a saída assume um valor de 100%, ou seja, a saída do bloco PWM permanece
acionada durante todo o ciclo e, quando a temperatura atinge o valor determinado de 31,5°C,
referente à tag “Setpoint-2.5” do programa de usuário, o PID assume o controle da saída e passa a
variar o período em que a saída do PWM é acionada.
Um comparativo entre as curvas de resposta para as situações em que a melhoria está
ativada e desativada é feito na Figura 4.11. Conforme pode ser visto, há melhoria significativa no
tempo de subida (ponto ‘P1’ da figura), visto que no primeiro gráfico, com a melhoria ativada, este
tempo está em torno de 182 s, enquanto que no segundo gráfico este tempo está em torno de 230 s.
Além disto, o overshoot (ponto “P2” da figura) é ligeiramente menor, podendo representar um
diferencial importante em sistemas críticos.
Mesmo com as comprovações feitas sobre a utilização da melhoria, é importante ressaltar
que apesar de a utilização da mesma significar um ganho de desempenho relativo às figuras de
mérito da solução proposta, esta funcionalidade não é indispensável. Pois, em comparação com os
valores vistos no capitulo 2, este sistema atende perfeitamente às exigências impostas.
85
Figura 4.11: Comparação das curvas de resposta com melhoria e sem melhoria
4.3 Considerações Finais
Neste capítulo foram mostrados os resultados obtidos. Primeiramente, foi mostrado a
aplicação de supervisão no Elipse E3 e posteriormente, as constatações dos resultados do controle
de temperatura.
Sobre a aplicação do Sistema Supervisório, foram mostrados diversos momentos da
aplicação com a operação do processo e seu respectivo funcionamento. As telas de inicialização,
supervisão do processo, parametrização e de gráficos foram apresentadas detalhadamente, incluindo
as diversas funcionalidades de cada uma. Na operação, foram avaliados os principais aspectos de
mudança nas telas de supervisão e parametrização.
Já em relação aos resultados do controle de temperatura, foi possível visualizar o correto
funcionamento do mesmo, através de gráficos e suas respectivas análises. O controle ON-OFF, por
ser mais simples e com menores possibilidades de variação de funcionamento, foi analisado apenas
através de um gráfico e seu comportamento de desligar e ligar o forno a depender dos limites
exigidos. Como forma de avaliação do controle PID, foram utilizados diferentes setpoints e estados
86
iniciais para que fosse analisado o comportamento do mesmo. Conforme foi visto nos gráficos
apresentados, o controle de temperatura agiu de acordo com as restrições e especificações impostas
no início deste trabalho. Atendendo completamente todos os requisitos especificados.
Ainda foi feita uma análise do comportamento do controle PID com as melhorias
implementadas relativas ao tempo de subida, de acomodação e sobrepasso.
87
Capítulo 5
Conclusões e Trabalhos
Futuros
5.1 Conclusões
A temperatura é uma das variáveis de processo mais utilizadas como base para automação
nos ambientes industriais e por isto, mostrar formas de como esta variável pode ser tratada e
controlada é importante para diversificar as possibilidades, facilitando a criação de novos projetos e
aumentando as opções para realização desta tarefa.
O trabalho realizado neste projeto tem as condições necessárias para atingir este propósito,
pois o mesmo conseguiu com auxílio de estudo, pesquisa e testes práticos controlar a temperatura
de um forno através de um programa em um CLP. Além disto, comprovando um dos propósitos
básicos da automação industrial, foi realizada a integração do CLP com outros equipamentos
utilizados nesta área como o inversor e o motor elétrico.
Com isto, a montagem de todo o projeto proporcionou ao autor um aumento de
conhecimento tanto prático quanto teórico na área e também, possibilitou um conhecimento bem
específico ao se falar e utilizar do CLP S7-1200 da Siemens.
Mesmo que tenha sido em escala reduzida e com pouco detalhamento no sentido de cargas
do motor, por exemplo, o projeto atendeu às expectativas iniciais e durante a realização pôde
inclusive superar algumas expectativas, já que foi implementado um sistema supervisório capaz de
realizar as atividades de comunicação, integração e principalmente, supervisão de todos os
88
subsistemas. A utilização de uma IHM foi descartada durante o projeto devido à dificuldade em
relação aos custos de se adquirir este equipamento. Caso houvesse a possibilidade do sistema ser
inserido em uma planta da forma que foi projetado, a utilização deste equipamento seria mais viável
e compatível com as necessidades.
Entre as dificuldades encontradas durante a conclusão deste projeto, é possível citar a
dificuldade de utilização do termopar como sensor de temperatura, visto que houve grande
incompatibilidade entre os valores esperados de temperatura e os apresentados pelo sensor.
Também é citada limitação do próprio hardware utilizado no sistema de aquecimento, já que seria
mais interessante do ponto de vista prático utilizar um forno com capacidade de ser aquecido de
forma analógica e não digital, como foi o caso.
5.2 Trabalhos Futuros
As dificuldades descritas serão inclusas nas possibilidades de trabalhos futuros juntamente
com a utilização de uma esteira e os respectivos equipamentos e dispositivos que fazem parte do
sistema de movimentação, incluídos nesta lista os sensores de passagem e o produto que deve ser
aquecido. Com isto, também surgiria uma possibilidade de utilização de sensores mais próximos ao
material, com intuito de constatar que o mesmo atingiu a temperatura desejada. Como conclusão da
inclusão destes materiais, poderia ser montada uma planta didática capaz de atender à necessidade
de cursos de automação, sistemas de controle e controle de processos.
Outro ponto a ser incluído neste tópico, diz respeito à possibilidade de utilizar o controle
montado neste projeto para controle de outros tipos de variáveis, como por exemplo, nível ou
pressão. Utilizando ainda da mesma estrutura física de movimentação de produtos.
89
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Acessado em: 10 de Fevereiro de 2016
91
Anexos
A) Configuração dos parâmetros dos tags do driver MProt do Elipse
E3
Sintaxe padrão para Tags e Blocos
Parâmetro Descrição
N1/B1 Endereço do PLC. Se for igual a 0 (zero) e protocolo diferente de ISOTCP ou
ISOTCP243, é substituído pelo Default Slave Address. Se for protocolo ISOTCP ou
ISOTCP243, este valor deve ser deixado em 0 (zero).
N2/B2 Tipo de dado e Área (veja as tabelas a seguir). O valor deve ser composto pelo tipo de
dado multiplicado por 100 mais a área (a fórmula é N2/B2 = TipoData × 100 + Área).
N3/B3 Se a área selecionada for V (DB), preencha com o número do bloco DB. Caso contrário,
deixe em 0 (zero). Caso a memória contenha um bloco DB único ou não especificado,
preencha com o valor 1 (um).
N4/B4 Endereço na área ou offset do bloco DB. Para usar tipos de dados que ocupam mais de
um byte, devem ser colocados endereços múltiplos de dois para tipos de dois bytes (16
bits com e sem sinal) e múltiplos de quatro para tipos de quatro bytes (32 bits com e
sem sinal e ponto flutuante de 32 bits).
Opções disponíveis para Tipos de dados
Tipo Significado
0 Padrão da Área
1 BOOL (Booleano)
2 BYTE (oito bits sem sinal)
3 WORD (16 bits sem sinal)
4 INT (16 bits com sinal)
5 DWORD (32 bits com sinal)
6 DINT (32 bits com sinal)
7 REAL (32 bits de ponto flutuante - IEEE 754)
8 STRING (ver nota a seguir)
12 S5TIME (tempo em segundos, 32 bits de ponto flutuante - IEEE 754, ver nota a seguir)
Opções disponíveis para Áreas
Área Significado
0 S
1 SM
2 AI (Analog Input)
3 AQ (Analog Output)
4 C (Counter)
5 T (Timer)
6 I (Digital Input)
7 Q (Digital Output)
8 M (Memory)
92
9 V (DB)
10 HC (High Speed Counter)
NOTAS:
Para dados de tipo S5Time, o valor a ser preenchido é sempre em segundos, com ponto
flutuante de 32 bits. A gama de valores diferentes de zero está entre 0,01 e 9990,0
segundos. A base de tempo é preenchida ou interpretada automaticamente.
No protocolo PPI há uma limitação no Bloco de Comunicação para dados em bytes. Para
leitura, o máximo permitido são 224 bytes, e para escrita são 218 bytes. Isto significa,
respectivamente, que para dados de tipo Word (16 bits), o Bloco não pode ultrapassar
112 e 109 Elementos. Para dados de tipo DWord (32 bits), o Bloco não pode ultrapassar
56 e 54 Elementos, e assim por diante.
93
“Industrial Automation Equipment to See Stronger Growth in 2014 after Two Mediocre Years”,
disponível em: http://press.ihs.com/press-release/design-supply-chain/industrial-automation-
equipment-see-stronger-growth-2014-after-two
“Industrial Automation Equipment (IAE) market growth in 2015 despite headwinds”, disponível
em: https://technology.ihs.com/529523/industrial-automation-equipment-iae-market-growth-in-
2015-despite-headwinds
“Industrial Control and Factory Automation Market by Technology (SCADA, PLC & RTU, DCS,
MES, HMI, and Safety), Component (Industrial Robot, MACHINE Vision, Valve, Control Device,
and Field Instrument), Industry, & Geography - Global Forecast to 2020”, disponível em:
http://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/factory-industrial-automation-sme-smb-
market-541.html
