Proposta de Controle via PLC para Multiprocessos Industriais

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1 Proposta de Controle via PLC para Multiprocessos Industriais Karliane Silva, Ginalber Serra, Priscila Rocha Laboratório de Inteligência Computacional e Controle - LabICC CEFET/MA-DEE, Avenida Getúlio Vargas, nº Monte Castelo - São Luis-MA - CEP Resumo: Neste trabalho é proposta uma estratégia de controle para um sistema de multiprocessos industriais, em malha fechada, via PLC TWDLCAA40DRF-Schneider Electric-Telemecanique. O sistema consiste numa planta didática com tecnologia Foundation Fieldbus, na qual o problema de controle baseiase em manter a temperatura e o nível de um tanque misturador no valor determinado pelo projetista. Resultados do GRAFCET, do fluxograma, do diagrama e da legenda funcional do Sistema de Multiprocessos Industriais Controlado via PLC são apresentados. 1. INTRODUÇÃO Nas últimas décadas, a rápida evolução da computação, comunicação e tecnologias de sensores tem levado à proliferação de sistemas dinâmicos tecnológicos e altamente complexos, como por exemplo: sistemas de manufatura automáticos, sistemas de controle de tráfego, sistemas distribuídos, redes de comunicação para monitoramento e controle de multiprocessos industriais, entre outros [González, Benítez e López, 2004). Redes industriais de monitoramento e controle de processos, formadas por sensores de grandezas físicas variadas como temperatura, nível, pressão, fluxo, etc., e dispositivos atuadores como válvulas, chaves, relés, etc., criaram condições para o aumento da necessidade por sistemas de controle de alto desempenho (Moraes e Castrucci, 2007) (Natale, 2007). Esta necessidade, por sua vez, tem motivado a proposta de plataformas computacionais que permita a implementação de várias estratégias de controle mais complexas no intuito de garantir estabilidade e robustez em tempo real na malha de controle industrial (Campos, 2006) (Cassandras e Lafortune, 1999) (Prudente, 2007) (Silveira e Santo, 2004). Uma classe destas plataformas computacionais, largamente utilizada e com considerável importância prática no ambiente industrial, consiste no PLC (Programmable Logic Controllers) (Capelli, 2007). Este elemento da malha de controle industrial, por possuir uma estrutura com dimensão reduzida, bem como com interfaces de entrada e saída multivariável, apresenta uma série de vantagens quando comparado a outras plataformas computacionais existentes, tais como: Permite a conexão simultânea com vários processos; Manipulação de variáveis do tipo analógico e digital; Flexibilidade na programação; Capacidade de se conectar a redes de comunicação através de diversos protocolos como: CAN OPEN, INTERBUS-S, FIELDBUS FOUNDATION, MODBUS, STD 32, SSI, PROFIBUS, etc; Proporcionar a criação de uma interface homem máquina que permite a interação do operador com o processo produtivo. Neste trabalho é proposta uma estratégia de programação de um PLC TWDLCAA40DRF-Schneider Electric- Telemecanique para controle de um sistema de multiprocessos industriais. Este sistema é representado por uma planta didática com tecnologia Fieldbus Foundation, a qual consiste num sistema não-linear multivariável com 8 (oito) possíveis variáveis controláveis. 2. SISTEMA DE MULTIPROCESSOS INDUSTRIAIS O sistema de multiprocessos insdustriais utilizado como estudo de caso para a proposta de controle via PLC, neste artigo, consiste em uma planta didática conforme mostrada na Fig.1. Fig. 1. Sistema de Multiprocessos Industriais Projeto de pesquisa com apoio financeiro PIBIC-Júnior do CEFET-MA e da Fundação de Amparo a Pesquisa e ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Maranhão FAPEMA

2 O sistema de multprocessos industrial é constituído por um reservatório de água que possui duas entradas e duas saídas. Em uma das entradas é feita a colocação da água manualmente no reservatório, e a outra recebe a água provinda dos tanques de aquecimento (TANQUE 1) e misturador (TANQUE 2). As duas saídas do reservatório estão interligadas a duas bombas hidráulicas (BOMBA 1 e BOMBA 2) que irão fazer a injeção da água para todo o sistema industrial. A BOMBA 1 faz circular a água até o tanque de aquecimento através de um posicionador de válvula (FY-31). Este posicionador de válvula, por sua vez, permite o controle, por meio de corrente, de vazão da água para o tanque de aquecimento. Com o nível da água em seu respectivo valor de referência no tanque de aquecimento, tem-se a possibilidade de elevar ou reduzir a temperatura da água, através de um elemento resistivo interno ao tanque e sensível à corrente, que posteriormente será fornecida ao tanque misturador. A BOMBA 2 faz circular a água até o tanque misturador através de um posicionador de válvula (FY-32). Este posicionador de válvula, por sua vez, permite o controle, por meio de corrente, de vazão da água para o tanque misturador. O tanque misturador tem por função fazer o controle da temperatura da água por meio da quantidade de água quente fornecida pelo tanque de aquecimento e pela quantidade de água fria provinda do reservatório. Além do controle de temperatura é possível fazer o controle de nível neste tanque, pelo fato de existirem válvulas manuais que fazem o dreno da água para o reservatório. Em toda a malha há conversores microprocessados (FIT-31, FIT-32, TY-31, TY-32, TIT-31, TIT-32) que permitem a leitura das variáveis controladas em tempo real através de display. A malha também apresenta válvulas manuais que podem ser utilizadas como perturbações durante o funcionamento do sistema. Todo o funcionamento do sistema é caracterizado por uma dinâmica multivariável acoplada por apresentar várias variáveis de entrada e saída, bem como, evidenciar a dependência entre as mesmas no que diz respeito ao comportamento dinâmico temporal. Dentre as estratégias de controle que podem ser implementadas neste sistema de multprocessos industriais têm-se: Controle com Realimentação Negativa; Controle em Cascata; Controle Antecipativo. Neste artigo, diante da descrição comportamento temporal das características dinâmicas do sistema de multiprocesso industrial supracitadas, é proposta uma estratégia de programação de um PLC (TWDLCAA40DRF-Schneider Electric-Telemecanique) para o controle com realimentação negativa de nível e temperatura no tanque misturador. 3. PROPOSTA DE CONTROLE VIA PLC Nesta seção serão apresentadas as principais características funcionais do PLC utilizado no projeto proposto bem como a análise e síntese de controle do sistema de multiprocessos industriais. 3.1 PLC TWDLCAA40DRF-Schneider Electric- Telemecanique A elaboração da estratégia de controle do sistema de multiprocessos industriais foi implementada mediante a programação do PLC TWDLCAA40DRF-Schneider Electric- Telemecanique mostrado na Fig. 2. Fig.2- PLC TWDLCAA40DRF-Schneider Electric- Telemecanique. Este Controlador Lógico Programável apresenta uma configuração compacta, comportando todos seus elementos (CPU, módulo de entrada e módulo de saída) em uma única estrutura. Possui uma fonte de tensão que converte a tensão elétrica da rede (110/220 VCA) para a tensão de alimentação dos circuitos eletrônicos internos (+/-5VCC para o microprocessador, memórias e circuitos auxiliares) e para as entradas e saídas (+/-24 VCC). Apresenta módulos constituídos por cartões eletrônicos com capacidade de 24 entradas e 16 saídas, com a possibilidade de expansão. O display centraliza todas as informações necessárias para diagnóstico e para a manutenção do PLC e seus módulos. Para tal função, apresenta os seguintes elementos: LEDs de estado que sinalizam os modos de operação do PLC (RUN, PWR, ERR, START, BAT, COM) e o status das entradas e saidas discretas e analógicas. Aos módulos de entrada do PLC estão conectados os sensores de temperatura, vazão e nível do sistema de multiprocessos industriais. Os módulos de saída do autômato programável fazem a interface entre o programa de controle do sistema de multiprocessos industriais e os elementos atuadores das válvulas, da resistência de aquecimento e das bombas hidráulicas Fluxograma do Controle do Sistema de Multiprocessos Industriais A análise do comportamento do sistema de multiprocessos é realçada pela utilização de um diagrama que auxilia no modelamento lógico para a representação de forma concisa do seu comportamento dinâmico. Na Fig. 3, tem-se o fluxograma, que demonstra a operação funcional do sistema de multiprocessos industriais, detalhando as funções específicas a serem realizadas seqüencialmente pela estratégia de controle.

3 Fig. 3- Fluxograma do Controle do Sistema de Multiprocessos Industriais 3.3 Grafcet do Controle do Sistema de Multiprocessos Industriais As ações de comando realizadas sequencialmente pelo sistema de controle exposto podem ser representadas por meio do diagrama funcional Grafcet descrevendo as funções executadas pelo sistema automatizado. Na Fig. 4 pode-se observar o Grafcet para o sistema de multiprocessos industriais.

4 mantenham os valores da referência (set-point) de temperatura e nível do tanque de mistura que foram préestabelecidos. A simbologia dos elementos constituintes da malha de controle via PLC com suas repectivas decisões, é apresentada na Tabela 1. Tabela 1-Legenda do Grafcet do Sistema de Controle via PLC E Etapas S1 Sensor de Nível do Reservatório V1 Válvula 1 t1/15s B1 t2/5m Temporização1_15s Bomba1 Temporização2_5min R+ Resistência S2 V#S2 Sensor Nível do Tanque de Verificação de S2 N> S.P Nível maior que set point V2 Válvula 2 T3/15s B2 S3 Temporização3_15s Bomba2 Sensor de Temperatura Fig. 4 Diagrama Funcional Grafcet do Sistema de Multiprocessos Industriais Controlado via PLC V#S3 V1- V1+ V2- Verificação de S3 Diminuição da abertura da Válvula1 Aumento da abertura da Válvula1 Diminuição da abertura da Válvula2 O Grafcet é largamente utilizado para o modelamento de sistemas de automação industriais, particularmente quando comportam escolhas entre diversas evoluções possíveis ou sequências que se desenvolvem simultaneamente. Pelo fato da linguagem de programação dos PLC s ser de baixo nível, o Grafcet se torna muito útil como método de representação gráfica da lógica de controle. Todas as etapas são dispostas de forma estruturada que consente uma visualização simplificada de todas as fases do funcionamento do processo. O sistema de multiprocessos executa uma série de ações determinadas pela programação de controle desenvolvida. Durante o funcionamento do sistema, de acordo com a leitura dos sensores, ações específicas, desempenhadas pelos atuadores que compõe a malha, são processadas de modo que V2+ S3* S3** S3*** Aumento da abertuta da Válvula2 Valor de S3 maior que setpoint + 10% Valor de S3 menor que set point -10% Valor de S3 dentro da faixa de tolerância (set-point +10%) M+ Manter Aberturas Atuais S4 Sensor Nível/ Pressão V#S4 Verificar S4

5 S4* S4** Valor de S4 maior que o setpoint +10% Valor de S4 menor que o set-point-10% S4*** Valor S4 dentro da faixa de tolerância (set-point +) =1 Condição sempre Verdadeira Na Tabela 2 é mostrada a legenda funcional das transições e etapas a serem seguidas pela estratégia de controle proposta, via PLC TWDLCAA40DRF-Schneider Electric- Telemecanique, para o sistema de multiprocessos industriais. Esta estratégia é baseada no objetivo de manter a temperatura e o nível do líquido no dentro da faixa de tolerância a ser estabelecida pelo projetista. Tabela 2 Legenda Funcional do Sistema de Controle via PLC Etapa E Ligar Sistema Etapa E4 Transição E4-E5 Etapa E5 Transição E5-E6 Etapa E6 Transição E6-E7 tolerância (set-point + 10%) Iniciar Temporização para acionamento da Bomba-2 Fim da Temporização para acionamento da Bomba-2 Acionar Bomba-2 Condição sempre verdadeira Verificar o valor da Temperatura no Valor da Temperatura no Tanque Misturador menor que a faixa de tolerância (set-point -10%) Transição E-E1 Nível do Líquido no Reservatório em máximo Nível do Tanque de em mínimo Etapa E7 Etapa E1 Transição E1-E2 Etapa E2 Transição E2-E3 Etapa E3 Iniciar Temporização para acionamento da Bomba-1 Fim da Temporização para acionamento da Bomba-1 Acionar Bomba-1 Iniciar Temporização para acionamento do elemento resistivo de aquecimento do Tanque de Fim da Temporização para acionamento do elemento resistivo de aquecimento do Tanque de Ligar elemento resistivo de aquecimento do Tanque de Transição E6-E8 Etapa E8 Transição E6-E9 Etapa E9 Transição E9-E10 Etapa E10 Valor da Temperatura no Tanque Misturador maior que a faixa de tolerância (set-point +10%) Valor da Temperatura no Tanque Misturador dentro da faixa de tolerância (set-point +10%) para a válvula-1 para a válvula-2 Condição sempre verdadeira Verificar o Nível do Líquido no Transição E3-E4 Verificar o Nível do Líquido no Tanque de Nível do Líquido no Tanque de é maior que a faixa de Transição E10-E11 Nível do Líquido no Tanque Misturador é menor que a faixa de tolerância (set-point - 10%)

6 Etapa E11 Transição E10-E12 Etapa E12 Transição E10-E13 Etapa E13 Transição E13-E6 Nível do Líquido no Tanque Misturador é maior que a faixa de tolerância (set-point + 10%) Nível do Líquido no Tanque Misturador dentro da faixa de tolerância (set-point +10%) para a válvula-1 para a válvula-2 Condição sempre verdadeira Capelli, A. (2007). CLP Controladores Lógicos Programáveis na Prática, 1º Edição, Atennas. González, D.J.D., Herrera, M. M., Benítez G.S. e López, V.V. (2004). Automatización y Control: Prácticas de Laboratório, 1 Edição, McGrawHill. Moraes, C.C. e Castrucci, P. L. (2007). Engenharia de Automação Industrial, 2º Edição, LTC. Natale, F. (2007) Automação Industrial, 1º Edição, Érica. Prudente, F. (2007). Automação Industrial: PLC Teoria e Aplicação Curso Básico, 1º Edição, LTC. Silveira, P.R., e Santos, W.E. (2004). Automação e Controle Discreto, 6ª Edição, Érica. Cassandras, C. G. e Lafortune, S. (1999). Introduction to discrete event systems/ by Christos G. Kluwer Academic Publishers 6. CONCLUSÃO A identificação e análise de processos industriais é tarefa necessária para a implementação de estratégias de controle em malhas fechada. Tal procedimento é geralmente desenvolvido através de ensaios nas plantas industriais com o auxílio de plataformas gráficas. A proposta neste artigo foi a elaboração de uma estratégia de controle para o funcionamento de uma planta didática com tecnologia Foundation Fieldbus via PLC. O objetivo do controle proposto consiste em manter constante a temperatura e o nível de líquido no. No intuito de manter estas variáveis estabilizadas de acordo com a referência adotada, utiliza-se o PLC TWDLCAA40DRF-Schneider Electric-Telemecanique que irá garantir robustez em tempo real na malha de controle do sistema de multiprocessos industriais. A análise do comportamento do processo sob a estratégia de controle proposta foi realizada com o auxílio dos Diagramas Funcionais: fluxograma e Grafcet. REFERÊNCIAS Campos, M. C. M. M. (2006). Controles Típicos de Equipamentos e Processos Industriais, 1º Edição, Blucher.

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