AUTOMAÇÃO DE PLANTA INDUSTRIAL DIDÁTICA UTILIZANDO MATLAB Paulo Afonso Ferreira Junior [Voluntário PIBIC], Bruno Augusto Angélico [Orientador]

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1 AUTOMAÇÃO DE PLANTA INDUSTRIAL DIDÁTICA UTILIZANDO MATLAB Paulo Afonso Ferreira Junior [Voluntário PIBIC], Bruno Augusto Angélico [Orientador] Coordenação de Engenharia Elétrica (COELT) Campus Cornélio Procópio Universidade Tecnológica Federal do Paraná UTFPR Avenida Alberto Carazzai, 1640 Cornélio Procópio/PR, Brasil CEP Resumo - O objetivo deste trabalho é apresentar o estudo e a implementação de uma interface gráfica GUI (Graphical User Interface) utilizando o software MATLAB bem como a utilização de uma placa de aquisição de sinais digitais e analógicos, com o intuito de automatizar a manobra de fluidos entre os reservatórios de uma planta industrial didática. Palavras-chave: automação; controle; GUI; MATLAB. Abstract - The object of this work is to present the study and implementation of a GUI (Graphical User Interface) using MATLAB software, as well as the utilization of an analog and digital signals acquisition board, in order to automate the maneuver of fluids between tanks of an industrial didactic plant. Key-words: automation; control; GUI; MATLAB. INTRODUÇÃO O controle automático tem desempenhado um papel vital no avanço da engenharia e da ciência. Além de sua extrema importância para sistemas complexos como, sistema de guiamento de mísseis, entre outros, a automatização de controles tornou-se uma parte importante e integrante dos processos industrias e de manufatura modernos [1]. A automação de um processo industrial visa sempre produzir bens com menor custo, maior quantidade, menor tempo e maior qualidade [2]. Neste trabalho, pretende-se automatizar e controlar uma plana didática industrial com a utilização do MATLAB e de uma placa de aquisição de dados, de forma alternativa ao sistema atual que é realizado por um CLP (Controlador Lógico Programável) do fabricante Altus, série Ponto [3] e através do software supervisório Elipse SCADA [4]. Após essas modificações, espera-se que a planta possa ser mais flexível em relação a suas estratégias de controle, com a possibilidade de implementação de algoritmos mais complexos utilizando sistemas inteligentes. Esse artigo refere-se ao trabalho do programa PIBIC que se iniciou em agosto de Até o presente momento, a GUI e as lógicas de automação da manobra de fluido entre reservatórios da planta foram desenvolvidas em MATLAB.

2 METODOLOGIA O sistema a ser automatizado consiste em uma planta didática readaptada do fabricante FESTO, mostrada na figura 1 e que possui quatro malhas de controle: Temperatura, Pressão, Nível e Vazão [5]. Cada malha de controle possui uma bomba centrífuga, duas válvulas solenóides, uma de entrada e outra de saída, e dois sensores capacitivos, um para indicar o nível máximo de fluido no reservatório, e outro para indicar o nível mínimo. Figura 1: Planta didática industrial readaptada. Placa de aquisição de dados NI USB Para realizar tanto as leituras dos sensores como para ligar as bombas e acionar as válvulas da planta, utiliza-se uma placa de aquisição de dados da National Instruments, mostrada na figura 2, possuindo 16 entradas analógicas, duas saídas analógicas e 24 entradas/saídas digitais [6]. Figura 2: Placa NI USB 6221.

3 É importante ressaltar que para realizar a comunicação entre a placa de aquisição e a planta, é necessária uma etapa de condicionamento de sinais, pois tanto as entradas quanto as saídas analógicas e digitais da placa possuem um range de tensão de ± 10V e 0 a 5V, respectivamente, e correntes limitadas em 5mA, sendo valores inferiores aos necessários para a ligação com a planta, tornando assim obrigatória esta etapa. Para o acionamento das válvulas solenoides, figura 3, é necessário uma tensão de 24V e uma corrente de aproximadamente 330mA. Já para o driver de acionamento das bombas centrífugas são necessários 10V de tensão e 10mA de corrente. Figura 3: Válvula Solenoide. Figura 4: Driver de Acionamento Variocompact Lutze. O primeiro passo deste trabalho é automatizar a manobra de fluido entre tanques. Como há quatro reservatórios de liquido, tem-se 16 manobras no total, pois pode-se mover liquido de um tanque a outro, ou até mesmo fazer com que o fluido fique circulando por uma mesma malha. Uma interface gráfica específica para estas manobras foi desenvolvida neste trabalho. Gui MATLAB. É uma ferramenta da MathWorks, incorporada ao MATLAB, que permite a criação de uma interface gráfica capaz de tornar de forma interativa a execução de tarefas pelo usuário, por meio de controles, como botões, réguas, menus entre outros. As ferramentas GUI permitem executar tarefas como criar e personalizar gráficos, ajustar curvas e superfícies, e analisar e filtrar sinais. Pode-se também criar GUI's personalizados, executando-os em MATLAB ou como aplicativos independentes. O GUIDE (GUI development environment) fornece ferramentas para concepção e programação de GUI's. Usando o editor de layout GUIDE, pode-se projetar graficamente um

4 GUI, que gera automaticamente o código MATLAB que define todas as propriedades dos componentes e estabelece um quadro para callbacks, rotinas que são executadas quando o usuário interage com um componente GUI. Neste trabalho é preciso fazer o link entre a placa de aquisição de sinais e a interface criada com o GUIDE, utilizando algumas funções específicas de entrada e saída digitais do Data Acquisition Toolbox, mostradas abaixo: digitalio Sintaxe: dio = digitalio('dispositivo') Descrição: Cria um objeto (dio) de entrada e saída digital no dispositivo conectado ao MATLAB, a placa, que no presente trabalho é chamada de Dev1. addline Sintaxe: line = addline(obj,line_n,port,direção) Descrição: Adiciona um canal (line6_n) à porta especificada (port) do dispositivo para entrada ou saída (direção = 'in' ou 'out'). getvalue Sintaxe: value = getvalue(obj) Descrição: Efetua a leitura do canal digital. putvalue Sintaxe: putvalue(obj,value) Descrição: Escreve o valor especificado (value) no canal de saída digital. A partir destas funções, foi desenvolvida uma interface de teste, criada para verificar o acionamento de saídas digitais da placa através do MATLAB, como mostra a figura 5. Figura 5: GUI de teste. Os callbacks desse exemplo são mostrados a seguir: % --- Executes just before Botao_saidadigital is made visible. function Botao_saidadigital_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin) handles.output = hobject; guidata(hobject, handles); global dio hline hline = addline(dio, 0, 0, 'out', {'saida'});

5 dio = digitalio('nidaq','dev1'); % --- Executes on button press in on. function on_callback(hobject, eventdata, handles) global dio putvalue(dio.saida,[1]); %Liga a saída0 do port0 % --- Executes on button press in off. function off_callback(hobject, eventdata, handles) global dio putvalue(dio.saida,[0]); %Desliga a saída0 do port0 % --- Executes on button press in fechar. function fechar_callback(hobject, eventdata, handles) global dio putvalue(dio.line(1:1), [0]); %Desliga as saídas digitais do port0 delete (dio); clear dio; %Limpa e deleta o dispositivo close; %Fecha o GUI RESULTADOS E DISCUSSÃO Depois de realizados alguns testes utilizando a placa de aquisição e uma matriz de contatos (protoboard) com quatro led's (diodo emissor de luz) representando as bombas centrífugas e mais oito led's representando as válvulas de entrada e saída, foi desenvolvida uma interface gráfica de manobra, mostrada na figura 6. Figura 6: Interface gráfica de manobra.

6 Através desta interface de manobra pode-se selecionar tanto a malha de origem quanto a malha de destino e, com esta etapa de seleção, é que são criadas algumas variáveis importantes para o remanejamento do fluido na planta. As variáveis correspondentes às válvulas de entrada e saída, bombas e sensores, são respectivamente ''valvin'',''valvout'', ''bomba'' e ''sensor''. E de acordo com a escolha das malhas de origem e destino, estas variáveis recebem um valor específico. Como na figura 6 a malha de origem é a de temperatura e a de destino é a malha de nível, assim ''valvout'' recebe o valor 14 e ''valvin'' recebe o valor 34, correspondendo assim às malhas de temperatura e nível. A variável ''bomba'' recebe o valor 10, que corresponde à bomba centrífuga localizada na malha de temperatura, que é de onde sairá o fluido, e a variável ''sensor'' recebe o valor 18, que corresponde ao sensor de nível máximo do reservatório da malha de nível, que é para onde o fluido irá, podendo assim ser monitorado (o led na GUI acende caso o sensor seja acionado). % --- Executes on button press in Origem_temperatura. function Origem_temperatura_Callback(hObject, eventdata, handles) global bomba valvout valvout = 14; bomba = 10; % --- Executes on button press in Destino_nivel. function Destino_nivel_Callback(hObject, eventdata, handles) global sensor valvin sensor = 300; valvin = 34; O monitoramento dos sensores de nível máximo é essencial para esta etapa do trabalho, pois o estado dos sensores permite que as válvulas e a bomba sejam acionados ou não. Se o fluido encher o reservatório da malha, este deve enviar um sinal para que a entrada de fluido no reservatório seja interrompida, fazendo com que tanto as válvulas de entrada e saída como a bomba sejam desligadas, evitando assim que o reservatório transborde. A interface apresentada possui alguns led's para facilitar a visualização das ações das bombas, válvulas e sensores, que mostram quando algum dos dispositivos é acionado e também um botão de RESET que interrompe o processo de manobra. CONCLUSÕES Depois de realizados algumas simulações, concluiu-se que o desenvolvimento da interface gráfica de manobra e o controle dos processos da planta didática podem ser efetuados no ambiente GUIDE do MATLAB, utilizando uma placa de aquisição de sinais e condicionadores de sinais. A lógica implementada funcionou como esperado, ou seja, todas as etapas da manobra, intertravamentos e sinalizações funcionaram perfeitamente. Esta é a primeira parte de um trabalho que tem como proposta de continuidade o condicionamento de sinais para aplicação da interface gráfica de manobra na planta didática, bem como o controle dos processos da mesma. REFERÊNCIAS [1] OGATA, K. Engenharia de Controle Moderno. 3. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2000.

7 [2] DORF, R. C.; BISHOP, R. H. Sistemas de Controle Modernos. 8. ed. Rio de Janeiro, RJ: LTC, [3] ALTUS S.A. UCPs Série Ponto. São Paulo, SP, [4] ELIPSE SCADA - SUPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITION SYSTEM. Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados [5] ALMEIDA, J. P. L. S. de. Automação de uma planta didática de sistemas de controle. 122f. Trabalho de Conclusão de Curso Curso de Tecnologia em Automação Industrial, Universidade Tecnológica Federal do Paraná: Cornélio Procópio, [6] NATIONAL INSTRUMENTS. NI USB Datasheet. Disponível em: < Acesso em: 20 set