Relatório de Progresso do Projecto

Transcrição

1 Instituto Politécnico de Tomar Escola Superior de Tecnologia Departamento de Engenharia Electrotécnica Relatório de Progresso do Projecto Controlador Auto-sintonizável baseado em PLC com monitorização remota António Silva Janeiro de 2006

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3 Relatório de Progresso do Projecto Dissertação Submetida ao Departamento de Engenharia Electrotécnica da Escola Superior de Tecnologia de Tomar Submetida por: António Silva Aceite sobre a orientação do orientador Eng.º António Casimiro Baptista Janeiro de 2006

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5 Agradecimentos Quero deixar aqui os agradecimentos, merecidos, ao orientador do projecto, o Eng.º António Casimiro Baptista, que me motivou e apoiou no desenvolvimento deste projecto. Não posso também passar sem dar uma palavra de agradecimento a todos os restantes docentes do Departamento de Engenharia Electrotécnica da Escola Superior de Tecnologia de Tomar, que também deram o seu contributo para o desenvolvimento deste trabalho.

6 Resumo O objectivo deste projecto é desenvolver um Controlador Auto-sintonizável baseado em PLC S7-300 com monitorização remota. O sistema visa controlar o processo (nível da água no tanque) de forma dinâmica e contínua, objectivando manter o funcionamento previsto dentro de parâmetros préespecificados (set-point), e baseados num algoritmo de aprendizagem e auto-sintonia, implementados num autómato.

7 Lista de Abreviaturas Nesta página é apresentada a lista de abreviaturas, por ordem alfabética, e com o seu significado devidamente explicitado, DEE - Departamento de Engenharia Electrotécnica ESTT - Escola Superior de Tecnologia de Tomar IPT - Instituto Politécnico de Tomar PLC - Programmable Logic Controller - (Controlador de Lógica Programável)

8 Índice 1. Resumo x 2. Índice x 3. Introdução x 4. Modelação do processo x 5. Blocos de sistemas de fluidos x 6. Modelo equivalente eléctrico do processo x 7. Controlador do processo (Nível da água no tanque) x Conclusão x 9. Anexos x

9 Introdução No primeiro capítulo pretendo fazer uma breve descrição do funcionamento No segundo capítulo pretendo explicar os passos que eu tive de seguir para poder aprender a programar o autómato S7-300 utilizando o programa SIMATIC Manager proprietário da Marca SIEMENS No quarto capítulo pretendo No último capítulo apresento algumas conclusões deste trabalho.

10 Objectivos: 10. Conhecimento da linguagem de programação a utilizar 11. Modelação do processo 12. Definição do algorítmico a ser implementado 13. Teste de validação do algoritmo 14. Definição da interface de comunicação a utilizar para a administração remota 15. Construção da solução HMI - (Human-Machine Interface)

11 Capitulo 1 Fases de desenvolvimento do projecto Outubro 2005 Apresentação da lista de projectos para 2005/2006 Atribuição dos projectos Reunião de projectos com alunos e Docentes/Orientadores Novembro 2005 Pesquisas na web Leitura dos manuais do autómato s7_300 Familiarização com o programa STEP 7 e criação de programas básica Revisão de conhecimentos anteriormente adquiridos sobre controladores PID Configuração do Autómatos (Hardware) Monitorização do funcionamento do PLC* Aquisição de valores analógicos Envio de valores analógico para o módulo de saída Dezembro Programas de leitura de valores analógicos por amostragem (Interrupções)

12 Neste trabalho pretende-se de desenvolver um Controlador que vai controlar um processo, esse processo, neste caso é o nível de um fluído num reservatório. O controlador utilizado é um Autómato S7-300 da SIEMENS, em que vai se implementar no autómato um programa (Algoritmo) para que o controlo seja de uma forma dinâmica, isto é, o controlo PID Proporcional Integral e Derivativo. Na figura pode-se ver o esquema do funcionamento do controlador Esquema do funcionamento do controlador

13 O ambiente gráfico do programa SIMATIC Manager da SIEMENS

14 Programa em feito LADDER, numa fase de familiarização com o programa SIMATIC Manager.

15 MODELAÇÃO DO PROCESSO Blocos de sistemas de fluidos Em sistemas de fluxo de fluidos existem três blocos básicos que podem ser considerados equivalentes a resistências eléctricas, indutâncias e Condensadores (Capacitâncias). Para tais sistemas (Figura 1), a entrada do fluido, o equivalente da corrente eléctrica, é a razão volumétrica de fluxo q, e a saída, o equivalente da diferença de potencial, é a diferença de pressão (p1 - p2). Os sistemas de fluidos podem ser classificados em duas categorias: Hidráulico, onde o fluido é um líquido e é suposto ser incompressível, e peneumático, onde o fluido é um gás que pode ser comprimido e mostra uma variação de densidade: Entrada Bloco de sistema de fluido Saída Figura 1: Bloco de sistema de fluído O processo a ser estudado neste caso é um sistema hidráulico, onde se pretende controlar o nível do líquido num tanque. A resistência hidraulica é a resistência ao fluxo que ocorre como resultado de um escoamento de um fluido através de válvulas ou ou variações de diâmetro dos tubos (Figura 2). A relação entre a taxa de escoamento do líquido q no elemento de resistência e a diferença de pressão resultante (p1 - p2) é: P1 P2 P1 P2 Figura 2: Exemplos de resistência hidráulica

16 Capacitância hidraulica é o termo usado para descrever o armazenamento de energia para um liquido na forma de energia potencial. A altura (ou nível) de líquido num recepiente (Figura 3), isto é a chamada pressão estática, é uma forma de armazenamento. Para tal capacitância, a taxa de variação de volume V num recepiente (dv/) é igual à diferença entre ataxa volumétrica na qual o liquido entra no recepiente q1e a razão q2 na qual o líquido deixa o recepiente. q 1 q2 = dv q1 p1 Área de secção transversal h q2 p2 Figura 3: Capacitância hidráulica Mas V=A.h, onde A é a área de secção transversal do recepiente e h é a altura do líquido. Portanto: d( Ah) q 1 q2 = = A dh A diferença de pressão entre a entrada e a saída é p, onde : p = hρg h = p ρg Onde é a densidade do líquido e g é a aceleração da gravidade. Assim: p d g A q q A ρ 1 2 = = ρg dp

17 Se o líquido é incompressível, isto é, a sua densidade não varia com a pressão. A capacitância hidraulica C é definida como sendo: Assim: C = A ρ g q 1 q2 = dp C A integração desta equação dá: 1 p = ( q1 q2) C Inércia hidráulica é o equivalente de indutância nos sistemas eléctricos ou uma mola em sistemas mecânicos. Para acelerar um fluído e então aumentar a sua velocidade é necessário é necessário uma força. Considere um bloco de fuído de massa m (Figura 4). O somatório de forças agindo sobre o líquido é: F 1 F 2 = p1a p2a = ( p1 p2) A Área de secção transversal F1=p1A Massa m F2=p2A L Figura 4: Inércia hidráulica Onde (p1-p2) é a diferença de pressão e A a área da secção transversal. Este somatório de forças provoca uma aceleração a na massa e: ( p 1 p2) A = m. a Como a = dv/: ( p 1 p2) A = dv m

18 A massa do líquido tem um volume de A*L, onde L é o comprimento do bloco de líquido ou a ditância enter os pontos no líquido onde as pressões p1 e p2 são medidas. Se o líquido tem uma densidade, então m=a.l., e assim: dv ( p1 p2) A = ALρ Mas a taxa de escoamento é q =A.v, portanto: dq ( p1 p2) A = Lρ p 1 p2 = dv I Onde a inércia hidraulica I é definida como: Lρ I = A

19 Na tabela 1 mostra as características básicas dos blocos de sistemas de fluidos (hidráulicos) e dos blocos análogos eléctricos. Para sistemas hidráulicos as taxas de vazão são análogas à corrente eléctrica num sistema eléctrico. Num sistema hidráulico a diferença de pressão é análoga à diferença de potencial num sistema eléctrico. A inércia e a capacitância hidráulica são elementos que armazanam energia e resistência hidráulica dessipa energia. Tabela 1: Blocos análogos de e sistemas eléctricos e sistemas de fluídos (hidráulicos) Sistemas eléctricos Sistemas Hidráulicos Blocos Resistência eléctrica Resistência hidraulica Equação Energia/Potência Constantes análogas Equação Energia/Potência Constantes análogas i = v R 1 V 2 P = R 1 R Armazenamento de energia Condensador dv i = C c 1 E = Cv c 2 C ( p1 p2) q = R 1 P = ( p1 p2) R 1 R Capacitância hidráulica d( p1 p2) q = C 1 E = C( p1 p2) 2 C 2 2 Equação Indutância (Bobine) 1 i = vl L Indutância hidráulica 1 q = ( p1 p2) L Energia/Potência E = L i E = l 2. q 2 2 Constantes análogas 1 L 1 L

20 MODELO PARA UM SISTEMA DE FLUÍDOS (LÍQUIDOS) Para tal sistema (Figura 5), o líquido no recepiente pode ser considerado um condensador e a válvula pode ser considerada uma resistência. A inércia pode ser despresada se a taxa de escoamento variar lentamente. q1 p1 Área de secção transversal h C q2 p2 R Figura 5: Modelo para um sistema de fluídos (líquidos). Para o condensador a equação será: q 1 q2 = dp C A razão q2 na qual o líquido deixa o recepiente é igual à razão na qual passa pela válvula. Assim para a resistência a equação será: p=r.q2 q2=p/r A pressão deve-se à altura do líquido no recepiente. Assim q2 na primeira equação temos: p q 1 = R dp C Se p = hg, onde é a densidade do líquido e g a aceleração da gravidade, então: Se C=A/g, então: hρ g d( hρg) q1 = C R dh ρgh q1 = A + R

21 Essa equação mostra como a altura de um líquido num recepiente depende da taxa de entrada do líquido no recepiente. q1(t) Bloco de sistema de fluido h(t) O equivalente eléctrico (Figura 6) de um tanque com liquido é a adição de diferênças de potencial numa resistência, uma indutância e um condensador, os três componentes em série. Admitindo que a taxa de escoamento varia lentamente a inércia hidráulica pode ser desprezada e o equivalente eléctrico fica simplificado, resumido a uma resistência em série com cum condensador: R i C=A/g Figura 6: Equivalente eléctrico de um sistema de fluido (hidráulico) O sistema é de primeira ordem, e para esse sistema a razão na qual a água entra no tanque e a razão na qual a altura do tanque varia com o tempo dependem da diferença na altura h da água já existente no tenque a da altura H (Set-Point), altura final, isto é: Taxa de variação da altura (nível) é proporcional a (H h), portanto: dh = k( H h) Onde dh/ é a taxa de variação da altura e k é uma constante.

22 Quanto mais o nível da água aumenta no tanque, menor é o valor de (H -h) e menor a taxa de variação da altura com o tempo (dh/). A equação que descreve esse comportamento é: h( t) = H (1 e kt ) Para considerar que o sistema tem como entrada o nível desejado H (Set-Point) e como saída h(t) (Figura 7 a) e b)) q1 Nível desejado H h q2 Figura 7a): h Set-Point (H) tempo Figura 7b): Resposta temporal do sistema Estudo do processo no domínio s (transformada de Laplace) Um sistema com resposta temporal a uma entrada degrau como mostra a figura 7b) no domínio s será: h( t) = 1 e H at a H ( s) = s( s + a)

23 Analizando o sistema com base no modelo eléctrico encontrado (Figura 6), é necessário determinar a resistencia e a capacitância equivalente, isso permite-nos determinar a constante de tempo da do sistema (equivalente a RC) Um método prático para saber esse valor (RC) do sistemas será aplicar uma um setpoint que pode ser normalmente 50% da altura máxima e medir o tempo que h(t) estará a 63% do set-point definido. Conhecendo o valor da constante de tempo do sistema =RC, substitui-se na equação anterior H(s), assim temos: H (1/ τ ) H ( s) = s s [ + (1/ τ )] Fazendo a tranformada de Laplace apartir do sistema hidráulico, e considerando todas as condições inicias nulas: O sistema hidráulico tem como entrada a razão q1 e saída h(t): dh( t) ρg q1( t) = A + h( t) Q1( s) = AsH ( s) + ( ρg / R) H ( s) R Portanto a resposta a uma entrada em degrau (set-point) de alutra H será: H ( s) G( s) = = Q1( s) s H [ As + ( ρg / R) ] Q1(s) G(s) H(s)

24 CONTROLADOR DO PROCESSO (NÍVEL DA ÁGUA NO TANQUE)