Controle avançado com Controladores Programáveis para Automação (PACs) Marcos Cardoso Engenheiro de Vendas Osvaldo Santos Engenheiro de Aplicações

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2 Controle avançado com Controladores Programáveis para Automação (PACs) Marcos Cardoso Engenheiro de Vendas Osvaldo Santos Engenheiro de Aplicações 2

3 Agenda PACs Plataforma para Aplicações de Controle Avançado Controle PID Como aperfeiçoar o desempenho do controle PID Controle Avançado Ferramentas National Instruments - Toolkits e Módulos Sistemas Especialistas Programação pelo Desenvolvedor 3

4 PACs Controladores Programáveis para Automação Plataforma para Aplicações de Controle Avançado 4

5 Convergência de Tecnologia de Controle PC IBM PC 1981 Internet 1983 Windows Windows bit OS 1995 CLP GM solicita controlador padrão máquinas 1968 Modicon Allen Bradley SLC 1991 Intel Pentium 1993 PAC ARC Define PAC 2001 Chip CPU de chip único 1971 FPGA 1986 ADCs Alta Resolução

6 Convergência de Tecnologia de Controle PC CLP PAC Hardware Personalizado 6

7 Convergência de Tecnologia de Controle SBC Embarcados Computadores Embarcados Arquiteturas PC Diversos Formatos PLC Altamente Confiável Controle Padrão Redes Industriais Hardware Personalizado Totalmente Flexível Funcionalidade específica 7

8 Controladores Programáveis para Automação NI (PACs) Robustez e Confiabilidade de CLP Desempenho D h e Arquitetura t Aberta de PC Flexibilidade de Hardware FPGA Personalizado LabVIEW 8

9 NI LabVIEW Programação Gráfica Centenas de Funções de Controle e Análise Uma Única Ferramenta de Software para IHM, PAC e FPGA 9

10 Uma Plataforma, Múltiplos Dispositivos para Execução Sistemas Operacionais em Desktop (Windows, Mac, Linux ) Sistema Operacional de Tempo Real (ETS, VxWorks) Plataformas Embarcadas (Microprocessadores de 32 bits, FPGAs e DSPs) Desktop PCs PACs Smart Cameras FPGAs Controladores PXI Controladores Embarcados IHMs Microprocessadores Linux é marca registrada de Linus Torvalds nos U.S.A. e em outros países 10

11 Controle PID 11

12 Benefícios de Controle Avançado e Sintonizado O controle mal sintonizado de uma válvula pode custar $880/ano* Controle baseado em modelo < 1% Controle manual Uma malha de controle de ph incorreta gera um desperdício de $50,000/mês* Um controle de temperatura ineficiente custa $30,000/mês* PID atende PID necessita de sintonia manual *Sources: CyboSoft and ExperTune 12

13 O que é PID? Setpoint (SP) Valor desejado de controle Saída (OP) Saída do controlador Variável de Processo (VP) Saída da planta/processo p Erro = SP - VP error OP SP PV 13

14 Parametros PID Proporcional Direciona i para o setpoint t Error 0, OP 0 Erro de Estado Estacionário Integral Elimina erro de estado estado estacionário OP proporcional ao erro da Derivativo Aumenta a taxa de resposta OP proporcional a mudança da taxa de erro 14

15 Sistema a ser controlado 15

16 Diagrama de Sistema de Controle Sistema de Controle de Temperatura Painel Frontal NI LabVIEW PID NI cfp-pwm-520 Toolkit Ar Frio Temperatura Erro Compensador Saída do Temperatura + Desejada - 20 ºC PID Aquecedor da Câmara 120 ºC 62% 6% Temperatura Medida 100 ºC LabVIEW Sensor Termopar NI cfp-tc

17 Demo de Implementação de PID DEMO 17

18 Controle PID Prós e Contras Vantagens Confiável Fácil de Implementar Desvantagens Dificil de sintonizar Não compatível para todos os sistemas Não linearidades Folgas, atrito e mais 18

19 Como Programar o PID Sistemas Operacionais Windows/Real-Time Blocos Funcionais FPGA Controle e Simulação 19

20 Benefícios de Altas Taxas de Loop 20

21 Taxas de Loop de PID FPGA Real-Time PXI NI CompactRIO 1 MHz NI Compact FieldPoint Desktop 600 Hz 100 Hz 25 khz 100 khz 21

22 Máquina de Fundição Movimento do êmbolo de injeção de alumínio controlada em malha fechada com velocidade variando de 0 para 10 m/s Copyright 2007 EUROelectronics srl ITALY - 22

23 Aperfeiçoando Seu PID Distúrbios Não-Linear Variando no tempo Pós-Alimentação Planilha de Ganhos PID Adaptativo 23

24 Pós-Alimentação Comumente usado para compensar um distúrbio de uma medida externa antes de afetar uma variável controlada Exemplo: Mudanças da taxa de alimentação de um produto 24

25 Exemplo de Pós-Alimentação Pós-Alimentação 25

26 Agendamento de Ganhos PID 3 PID 2 PID 1 26

27 Agendamento de Ganhos Usado para alterar ganhos em tempo real dependendo da região de operação Transferências Suaves PID DEMO Ganhos Seleção dos Ganhos 27

28 PID Adaptativo DEMO Combinação de sistemas de identificação online e controle PID comum Pode gerenciar sistemas com variação no tempo 28

29 Controladores Avançados National Instruments Toolkits e Módulos Controladores Otimizados (LQR, LQG) Controle de Modelo Preditivo (MPC) Filtros Kalman Lógica Fuzzy Sistemas Especialistas Programação Rede neurais Algoritmos genéticos 29

30 Como Criar um Controlador Avançado Data logging Identificação de sistema Validação de Modelo Modelamento da Planta Projeto Simulação Projeto de Controle Implantação Teste Implementação 30

31 Exemplo Controle de Cruzeiro V: Velocidade PID Feedback u: Combustível - para-motor PID: C toma ação quando V esta abaixo do setpoint (e <>0) 31

32 MPC C toma ação devido há mudanças futuras em: a) Declive da Estrada b) Setpoints t de velocidade e limite velocidadecombustível 32

33 Temperatura da Câmara Experimento 33

34 Modelamento da Planta Validação 34

35 Projeto do Controle MPC 35

36 Prototipo de Controle MPC DEMO 36

37 Tyco Electronics Implementa Controle de Modelo Preditivo no Processo de Produção Aplicação: Controle de qualidade de revestimento quando fabricar cabos elétrico Desafio: Desenvolver um processo de controle que possa manipular sistemas MIMO com grandes atrasos Produtos: Compact FieldPoint, Módulo LabVIEW Datalogging g and Supervisory Control, Módulo LabVIEW Control Design and Simulation Benefício Chave: Integrar informações de sistemas de terceiros usando uma plataforma comum para desenvolver um sistema de controle e implantação 37

38 Controladores Avançados Prós MIMO Melhor Desempenho Contras Necessidade de Modelamento Habilidades de Engenharia 38

39 Plataformas PAC da NI 39

40 NI Single Board RIO Controle & Aquisição de Dados LabVIEW Rede/Periféricos 10/100 Ethernet port RS232 Serial port Programação Gráfica para acelerar o desenvolvimento Programação do processador, FPGA e E/S com uma única ferramenta Integração de códigos C/VHDL existentes Processador de Tempo Real Processador de 400 MHz, ponto flutuante, controle, análise e armazenamento FPGA Reconfigurável Temporização e Processamento de E/S Presonalizados Compacto, Baixo Consumo 21 x 9 cm (8.2 x 3.7 in.) VDC, (7-10 W tip.) E/S Digitais e Analógicas Integradas 110 DIO, até 32 canais AI, até 4 canais AO, Até 32 canais DIO de 24 V Expansão de E/S Conecte até 3 módulos série C para E/S adicionais (strain, TC, comunicação, movimento, etc ) 40

41 Conclusão PID Consideração Melhorando o hardware Reforçando o algoritmo PID Melhorando o controle do algoritmo PACs Plataformas para Aplicações de: Controle Avançado Sistemas Especialistas 41

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