Utilização de simuladores de processos como ferramenta para o ensino de Engenharia

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1 Utilização de simuladores de processos como ferramenta para o ensino de Engenharia André Strieder Professor Centro Universitário Salesiano de São Paulo UNISAL U.E. Campinas. Graduado pelo UNISAL em Tecnologia em Instrumentação e Controle e Mestre Profissional em Engenharia de Automação e Controle, FEM, UNICAMP. strieder@unisal.com.br Cristina M. Schuch Professora Centro Universitário Salesiano de São Paulo UNISAL U.E. Campinas. Membro do GREMAP - Grupo de Estudos em Matemática Aplicada - UNISAL. Doutora em Química Instituto de Química, UNICAMP. cschuch@unisal.com.br Alessandro R. Frias Tecnólogo em Instrumentação e Controle. Aluno do Curso de Engenharia de Automação e Controle - UNISAL. Bolsista do Programa BIC-Sal Unidade Campinas. Abstract We described the utilization of process simulation as tool for Engineering Automation learning. We developed a software employing a DELPHI language integrated with a PID controler in a virtual ambient to simulate the level control in a real process control. We presented also some results obtained in classes of Engineering Automation courses which applied the software coupled with the mathematical model to understand the importance of the process control parameters. Key-words Educacional software, process simulator, level control, virtual experiment. Resumo Neste trabalho está descrita a utilização de simuladores de processos, integrando as práticas realizadas na planta piloto do Centro Unisal com um ambiente virtual de

2 ensino aplicado ao controle de nível através de controladores PID. Os aspectos práticos da obtenção dos dados, a descrição do modelo matemático, a utilização do software de simulação e a sintonia dos parâmetros de controle em aulas do curso de Engenharia de Automação e Controle são demonstrados, mostrando a viabilidade de se utilizar ambientes virtuais para o ensino na área de Engenharia, estimulando o aluno a questionar o princípio do controlador e os parâmetros que interferem na sintonia do processo simulado. Palavras-chave Software educacional, simuladores de processo, controle de nível, controladores PID, Experimento virtual. 1- Introdução A utilização de simuladores de processos em atividades práticas de laboratório é uma tendência cada vez mais requerida para o ensino nas diferentes áreas de engenharia. Entretanto, o principal limitante ainda é o custo para a implantação de sistemas em equipamentos reais, principalmente para a aquisição e manutenção [1]. Em controle de processos, principalmente nas disciplinas do curso de Instrumentação e Controle, os simuladores têm um papel importante, permitindo simular o funcionamento de processos no ambiente virtual, a partir de modelos matemáticos, proporcionando um melhor entendimento do funcionamento e ajuste de parâmetros de controle. A obtenção dos parâmetros de controle através do simulador, torna a partida do processo real mais rápida, mais eficiente e diminui a perda de material. Na área de controle, um contato mais próximo aos processos utilizados na indústria, na forma de simuladores, permite ao aluno realizar uma construção cognitiva entre a teoria presente nos livros e a prática, de forma eficiente, segura e econômica.

3 Neste contexto, a aplicação de softwares específicos para o treinamento de controle de processo como o Control Station torna-se uma alternativa interessante para o ensino em disciplinas do curso de Engenharia de Automação e Controle. No Control Station são explorados vários conceitos e o uso de diferentes estratégias de controle utilizando o algoritmo PID [2]. Uma outra possibilidade é o desenvolvimento de softwares próprios que atendam as necessidades locais da instituição de ensino, dentro do contexto na qual está inserida, reduzindo o investimento necessário na obtenção do simulador. Para o desenvolvimento de um software para simulação de processos, pode-se utilizar um modelo matemático obtido através de experimentos práticos. Desta maneira, a partir de uma única geração de processo real, pode-se atender vários alunos simultaneamente, pois depois de modelado, o processo pode ser simulado em vários computadores [3]. Este artigo descreve como foi implementado no UNISAL, nas disciplinas dos cursos de Engenharia de Automação e Controle, um ambiente para a simulação de processos industriais a partir do modelo matemático, empregando software desenvolvido em linguagem DELPHI. Será utilizado como elemento de controle do processo virtual um PLC (Controlador Lógico Programável) que atuará em tempo real com o PC integrando o ambiente de um laboratório virtual [4]. 2- Obtenção dos Dados Experimentais a partir da Planta Piloto O Centro de Automação Unisal dispõe de uma planta piloto para simulação de experimentos práticos que permite a configuração de diferentes processos reais (Figura 01).

4 Figura 1 Vista geral da Planta piloto do Centro de Automação da Unisal. O processo escolhido neste caso consiste em controlar o nível de um tanque com escoamento livre, de acordo com o esquema da Figura 2. Figura 2 Esquema da disposição dos elementos para controle de nível do TQ3.

5 Neste processo a Bomba-001 é acionada por um inversor de freqüência permitindo a variação da vazão de entrada do tanque 3 (TQ3) através do medidor de vazão FT-003. O nível do TQ3 é medido pelo transmissor de nível LT-003. Para a obtenção do modelo matemático do processo, foram realizadas algumas medidas no sistema físico que são apresentadas nas tabelas 1 e 2. Tabela 1 Dados do Tanque 3. Altura Largura Comprimento Altura Altura Área Volume (m) (m) (m) mínima (m) máxima (m) (m²) (m³) 0,341 0,252 0,492 0,01 0,32 0,124 0,0423 Tabela 2 Dados da Tubulação de saída do Tanque 3. Raio (m) Diâmetro (m) Comprimento (m) Área (m²) 0,0075 0,015 0,955 0, A vazão de fluido que alimenta o TQ3 é variável com o tempo e depende da vazão de alimentação que passa por FT-003 a qual chamaremos de q 1. A descarga do tanque por sua vez, representada por q 2, é a vazão que escoa pela tubulação de saída do TQ3 e é livre para a atmosfera desde que a válvula HC-003 esteja aberta. O sistema fica em estado estacionário quando q 1ss =q 2ss = Constante. Considerando a massa específica do líquido como uma constante, sabe-se que a vazão q 2ss está relacionada com a altura h(s), que representa a altura em estado estacionário, da coluna de líquido do tanque através da equação 1.

6 q2 AT. C. h( s) ss (Equação 1). A vazão de entrada pode ser representada pela equação diferencial 2, considerando a massa específica do liquido constante. A T dh( dt AT. C h( q1( (Equação 2). A taxa de variação da altura de líquido no tanque é dada pela equação 3. dh( dt 1. q1 ( C. h( (Equação 3). A T Na equação 3 a área do tanque (A T ) é conhecida e está apresentada na tabela 1. A determinação do coeficiente C da equação 3 foi realizado através de um método experimental. Neste método, a bomba tem sua velocidade controlada através de um inversor de freqüência na faixa de 15 a 25 Hz, correspondendo a um sinal de entrada analógico no inversor de 1 a 5 V, proveniente de um PLC. O TQ3 possui um sistema de medição de nível com span de 0,31 m correspondendo a uma faixa de 0-100% realizada com o auxílio de um PLC, acrescido de 0,245m, que representa o segmento vertical da tubulação de saída do TQ3. A variável foi colocada em estado estacionário com valor de leitura do nível de 48,06%. A entrada, ou seja, a freqüência do inversor estava em 18,2 Hz (30%) correspondendo a uma vazão medida de 2,05 x 10-4 m 3 /s. Foi gerado um degrau na entrada (freqüência do inversor) de 5%, levando o inversor para uma freqüência de 18,7Hz correspondendo a uma vazão de 2,27 x 10-4 m 3 /h. Quando o novo regime permanente foi atingido, o nível ficou estável em 80,59%. Os dados levantados estão apresentados na tabela 3. Tabela 3 Levantamento de dados dos estados estacionários

7 Estado estacionário inicial q 1ss = 2,05 x 10-4 m 3 /s V pss = 1,16 m/s h ss = (0,16+0,245) m Estado estacionário final q 1ss = 2,27 x 10-4 m 3 /s V pss = 1,279 m/s h ss = (0,25+0,245) m Estes dados nos levam a um comportamento do processo descrito pela equação diferencial 4, calculando C para estado estacionário final. dh( 3 8,0655. q1( 2.604x10. h( (equação 4) dt Em controle de processos, é mais conveniente trabalhar-se com modelos matemáticos representados através de função de transferência, os quais devem ser lineares. Devido ao fato da equação 4 representar um processo não linear, é necessário realizar a linearização dos termos para os pontos estudados. Aplicando-se a série de Taylor ao termo não linear representado pela equação 1, truncando no segundo termo, substituindo o resultado na equação 2 e definindo algumas variáveis de desvio, obtemos a equação 5. dh( P h( kpq. q1( (equação 5) dt Onde: k P pq 2AT href, constante de tempo do processo em segundos (s) AT. C 2 href m, ganho estacionário do processo em 3 A. C m / s T O ganho estacionário obtido através deste método, está relacionado com a variação de vazão na entrada da planta. Assim, uma variação de vazão na entrada do processo do estado estacionário inicial para o valor medido no estado estacionário final

8 resultará em uma variação do nível de 0,0832 m que representa uma variação de 26,84% no nível do tanque. Para estimar o ganho estacionário do processo em termos de variação percentual da entrada, divide-se a variação percentual de nível obtida (26,84%) pelo degrau dado na vazão de entrada (5%) através do inversor de freqüência, encontrando-se um valor adimensional de 5,4 (k p ). O valor de p calculado através da equação 5, resulta em 488,8 s. 3- Ambiente de simulação Com o objetivo de disponibilizar um ambiente de simulação do processo de controle de nível em sala-de-aula, desenvolveu-se um software educacional, baseado em linguagem DELPHI da Borland, integrando o laboratório virtual de ensino. A metodologia de teste utilizada pelo ambiente de simulação utiliza um programa escrito no PC que responde ao programa do PLC, através de uma rede de comunicação serial ponto a ponto. Neste método, o PLC executa o programa de aplicação em tempo real e o PC executa o programa que responde ao PLC. Para realizar esta comunicação utilizamos uma DLL escrita pela HI Tecnologia que gerencia a troca de informações entre o PLC e o PC. Para escrever o programa que responde ao PLC e gera a parte gráfica do processo, foi utilizado o software DELPHI da Borland. A DLL, permite que o DELPHI leia e escreva nos operandos internos do tipo R (relé), M (memória inteira) e D (memória real). Foi utilizado um programa base, similar ao utilizado em trabalho anterior [4]. Este programa base tem os requisitos necessários para gerenciar o canal de comunicação serial e tratar as chamadas de função de escrita e leitura no PLC, tornando a programação da aplicação mais fácil. Depois de criado o processo virtual, um programa executável é gerado pelo DELPHI e pode rodar em máquinas que não possuem o DELPHI instalado.

9 O processo virtual que simula o controle de nível em um tanque é apresentado na figura 03. Na área de características do processo são definidos os parâmetros de constante de tempo ( p ) e ganho estático (k p ) que foram calculados através do modelo matemático descrito acima. Na Figura 03 observa-se o tipo de tela obtida após a introdução dos parâmetros com as características do processo em estudo. Neste exemplo é possível acompanhar o comportamento do processo, o qual é similar ao apresentado na tabela 3, validando o modelo matemático obtido. Figura 03 Resultados obtidos para a simulação do processo de controle de nível em malha aberta 4- Aplicação do controle de nível em malha fechada no processo simulado O software foi utilizado em disciplinas do curso de Engenharia de Automação e Controle com dois objetivos principais:

10 - Fixar os conceitos do modelo matemático na forma de equações, empregando o controlador PID como simulador e comparando os resultados obtidos no software com os resultados obtidos através dos cálculos; - Em aulas práticas, utilizar o software para simular as condições de operação e controle do processo, comparando resultados para vários conjuntos de parâmetros diferentes de PID. Além disso, é possível determinar qual o melhor ajuste para o processo estudado, comprovando a importância da correta sintonia dos parâmetros do controlador. Na Figura 04, estão apresentados dados obtidos em uma aula prática do curso de graduação em Engenharia de Instrumentação e Controle, onde os alunos realizaram algumas tentativas de ajuste dos parâmetros do controlador PID. O experimento consistiu em escolher valores para os parâmetros do controlador PID utilizando o método de tentativa e erro, permitindo que, de forma intuitiva, fosse encontrada a melhor sintonia para estabilização do processo. Esta atividade exploratória permite ao aluno experimentar na prática como cada um dos parâmetros do controlador atua sobre o processo e estimula a busca de métodos matemáticos que permitam obter os melhores parâmetros de ajuste reduzindo o tempo de simulação e comprovando a eficácia destes métodos.

11 Figura 04: Dados obtidos em aula prática no simulador. 5- Conclusão A integração entre as aulas práticas realizadas na planta piloto do Centro Unisal e o ambiente virtual de ensino confere ao aluno uma experiência completa na utilização de simuladores de processos. Além disso, a utilização do controlador PID como elemento de controle, permite ao professor introduzir uma série de conceitos matemáticos indiretamente, na forma de parâmetros para a simulação do processo que poderão ser testados pelos alunos. O ambiente de simulação estimula o aluno a experimentar diferentes parâmetros utilizados no ajuste do processo, de maneira segura e econômica, relacionando-os com situações reais.

12 O software de simulação pode ser ampliado para outros tipos de parâmetros de controle, além de permitir o uso de diferentes tipos de controladores disponíveis no mercado. Além disso, integrado ao laboratório virtual de ensino, pode ser facilmente adaptado para uso em cursos presenciais ou à distância, tornando-se uma solução alternativa para o ensino de instrumentação com baixo custo de implantação e utilização. Referências [1] B. Armstrong, R. Perez. Controls Laboratory Program with an Accent on Discovery Learning. IEEE Control Systems Magazine, 2001, 21 (1), p [2] D. J. Cooper, D. Dougherty. A training Simulator for Computer-Aided Process Control Education. Chemical Engineering Education, 2000, 34, p [3] A. Strieder, C.M. Schuch. EDUFLUID Software para o ensino de medição de vazão por perda de carga através de Tubo Venturi. Revista Ciência e Tecnologia, Ano VII, n13, 2005, p [4] A. Strieder. Implementação de laboratório virtual através de comunicação em tempo real entre PLC e PC. Revista Ciência e Tecnologia, Ano VII, n10, 2003, p

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