Leonardo Augusto Weiss

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Desenvolvimento de Blocos Funcionais para Compensação de Atraso de Transporte Utilizando a Tecnologia Foundation Fieldbus Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a aprovação da disciplina: DAS 5511 Projeto de Fim de Curso Leonardo Augusto Weiss Florianópolis, Outubro de 2004

2 Desenvolvimento de Blocos Funcionais para Compensação de Atraso de Transporte Utilizando a Tecnologia Foundation Fieldbus Leonardo Augusto Weiss Esta monografia foi julgada no contexto da disciplina DAS 5511: Projeto de Fim de Curso e aprovada na sua forma final pelo Curso de Engenharia de Controle e Automação Industrial Banca Examinadora: Eng. Luis Carlos Geron Prof. Dr. Júlio Elias Normey Rico e Msc. Agustinho Plucênio Prof. Dr.Augusto Humberto Bruciapaglia Responsável pela disciplina Prof. Dr. Carlos Barros Montez, Avaliador Markus Buhatem Koch, Debatedor Gabriel Alan Gehm Marques, Debatedor 2

3 Agradecimentos Gostaria de agradecer à Smar equipamentos Industriais pela oportunidade e por fornecer todo o apoio necessário para o desenvolvimento desse trabalho e ao Departamento de Automação e Sistemas da Universidade Federal de Santa Catarina. Agradeço o apoio financeiro da Agência Nacional do Petróleo ANP, e da Financiadora de Estudos e Projetos FINEP, por meio do Programa de Recursos Humanos da ANP para o Setor Petróleo e Gás PRH-34 ANP/MCT. Agradeço também aos amigos do Departamento Nacional de Engenharia de Aplicações da Smar e aos mestres Eng. Luis Carlos Geron, Eng. Vivek Nigam, Prof. Msc. Agustinho Plucênio e Prof Dr. Júlio Elias Normey Rico, pela orientação concedida e, em especial, à minha família, sem a qual eu não chegaria até aqui. Não poderiam faltar eternos agradecimentos à minha noiva Fernanda Gattringer, pelo apoio durante todos estes esses anos de faculdade e por ser minha motivação de sempre ir em frente i

4 Resumo O controle utilizando redes Foundation Fieldbus é muito aplicado atualmente na indústria, pois distribui o controle entre os instrumentos de campo, em um nível de controle denominado de H1, apresentando diversas vantagens. O controle no nível H1 de uma rede Fieldbus é implementado através da elaboração de estratégias de controle realizadas pela conexão de diferentes blocos de funcionais. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de Blocos de Funcionais para uso no nível H1 de uma rede Foundation Fieldbus. Estes blocos, operando em conjunto com blocos já existentes, permitirão a implementação de estruturas de controle aplicáveis a processos com grandes atraso de transporte. A estratégia de controle para a compensação de atraso baseou-se no Preditor de Smith. Para alcançar o objetivo proposto, foram desenvolvidos dois novos blocos, o Transfer Function e o Predictor, ambos necessários para a implementação da estratégia de compensação de atraso. ii

5 Abstract The control using Foundation Fieldbus network technology is becoming very much applied in the industry since it distributes the control among the field instruments with several advantages. Several function blocks are distributed among the field instruments and connected by the user forming a control strategy, which perform the control function required in the level named H1. This work presents the development of Function Blocks to be used in the H1 level of a Foundation Fieldbus network. These blocks, operating with existent blocks, will permit the implementation of control structures applicable to processes with great transport delays. The structure of the delay compensator was based on the Smith Predictor. To reach the objective, two new blocks had been developed, the Transfer Function and Predictor, both necessary to implement control of processes with transport delay compensation. iii

6 Sumário Agradecimentos i Resumo ii Abstract iii Sumário iv Capítulo 1: Introdução 1 Capítulo 2: Fundamentos sobre Foundation Fieldbus _ 5 2.1: REDES INDUSTRIAIS 6 2.2: FOUNDATION FIELDBUS : Níveis de Protocolo : SOFTWARE DE CONFIGURAÇÃO DE REDES FIELDBUS SMAR (SYSCON) : OLE FOR PROCESS CONTROL (OPC) : Interface Matlab - OPC : SMAR EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS 21 Capítulo 3: Controle de Processos com Atraso de Transporte : CONTROLE COM COMPENSAÇÃO DE ATRASO 25 Capítulo 4: Descrição dos Blocos Funcionais Implementados : BLOCO TRANSFER FUNCTION 28 iv

7 4.2: BLOCO PREDICTOR 30 Capítulo 5: Resultados e Discussão : RESULTADOS DE SIMULAÇÃO : CONTROLE DE UM CIRCUITO RC : Modelagem do Processo : Síntese do Controlador : Implementação da estratégia : Resultados Obtidos : CONTROLE DE TEMPERATURA EM UMA PLANTA DIDÁTICA SMAR : Modelagem do Processo : Síntese do Controlador : Implementação da Estratégia : Resultados Obtidos 44 Capítulo 6: Conclusões e Perspectivas 46 Bibliografia 48 v

8 Capítulo 1: Introdução Na área de instrumentação de processos, a tecnologia é predominantemente analógica. No entanto, a rápida evolução da tecnologia dos microprocessadores e microcontroladores conduziu à utilização crescente deste tipo de componentes, isto atribuído a grande vantagem que estes dispositivos apresentam. Mais recentemente, esta tendência também passou a ser verificada no nível hierárquico mais baixo da automação industrial, onde se encontram elementos diretamente ligados ao processo a ser controlado ou supervisionado tal como sensores, atuadores e controladores. Esta tendência é verificada tanto na área da automação da manufatura (processos discretos de produção), quanto na área de controle de processos contínuos (processos químicos, petroquímicos, etc.). A denominação genérica de "barramentos de campo", ou Fieldbus se dá a uma rede aplicada à interligação de elementos simples em nível de chão de fábrica. O Fieldbus pode ser definido como uma linha de comunicação serial, digital, bidirecional (de acesso compartilhado) para a interligação de dispositivos primários de automação (instrumentos de medição, atuação e controle final e outros dispositivos microprocessados) a um sistema integrado de automação e controle de processos. Figura 1 Topologia da Rede Fieldbus 1

9 Os sistemas de controle cujas malhas de realimentação se implementam através de uma rede fieldbus de tempo real, são denominados de sistemas de controle baseados em rede (networked control systems). Neste tipo de sistemas, toda a informação (variáveis medidas, referências de controle, sinais de controle, parâmetros, etc.) se transmitem utilizando uma rede que interliga os diferentes componentes de um sistema de controle (atuadores, controladores, transmissores, etc). Na configuração da estratégia de controle ou monitoração de uma rede Fieldbus são utilizados os chamados Blocos Funcionais. Estes representam as funções básicas de automação. Cada bloco processa parâmetros de entrada conforme um algoritmo específico e um conjunto interno de parâmetros de controle[2]. Produzem parâmetros de saída utilizados dentro da mesma aplicação ou por outras aplicações. Figura 2 Exemplo de um Bloco Funcional PID A maioria dos problemas de controle em processos industriais são resolvidos usando controladores PID clássicos. Uma das principais vantagens desse tipo de controlador é o fácil ajuste de seus parâmetros, por exemplo por tentativa e erro. Em processos com longos atrasos de transporte o desempenho do controlador PID fica bastante comprometido. Para esses processos faz-se necessário o uso de um compensador de atraso ou de outro tipo de controle. O atraso de transporte é definido como o tempo decorrente para que uma variação no sinal de referência ou de controle seja efetivamente "sentida" na variável de processo. Assim quando, por exemplo, se aplica uma entrada do tipo degrau a um processo com atraso de transporte funcionando em um ponto de 2

10 operação, a saída do processo permanecerá naquele ponto durante um intervalo de tempo L. Este tempo L é o atraso de transporte. Os atrasos são comumente encontrados em processos onde existe transporte de matéria ou energia, como por exemplo, em processos térmicos. Também o atraso pode ser a conseqüência de vários sistemas de baixa ordem não oscilatórios. Outras causas de ocorrência do atraso de transporte são: atraso na medida da variável de processo, ou seja tempo que o sensor leva para sentir que houve efetivamente uma variação, atraso na operação do atuador e atraso na ação do próprio controlador. Geralmente quanto maior o atraso de transporte, mais difícil torna-se o controle do processo. O compensador de atraso mais comumente utilizado é o Preditor de Smith [1]. A estrutura desse compensador pode ser vista abaixo: Figura 3 Preditor de Smith No funcionamento desse compensador, a saída do controlador primário é enviada para a planta e para um modelo estimado dessa planta, sem o atraso, em cascata com o modelo do atraso. O sinal do modelo é comparado com a saída real e somado à saída do modelo sem atraso para ser comparada a referência. Assim no caso ideal, onde não existe erro entre a planta e o modelo levantado, o controlador primário (normalmente um PI ou PID) atua no processo como se não existisse o atraso de transporte. Com o intuito de implementar um compensador de atraso de transporte, utilizando a tecnologia Foundation Fieldbus, foram desenvolvidos blocos funcionais que possibilitam a implementação de uma estrutura semelhante à do Preditor de Smith. Dois novos blocos foram desenvolvidos: Bloco Transfer Function que representa sistemas de até segunda ordem no domínio freqüencial (s). 3

11 Bloco Predictor que pode ser utilizado para implementar um Preditor de Smith ou um atraso configurável entre os sinais de entrada e saída do bloco. Nos próximos capítulos deste documento serão abordados, primeiramente, assuntos relacionados à tecnologia Foundation Fieldbus. Dentro do assunto serão descritos de maneira sucinta a teoria de redes industriais, o protocolo Foundation Fieldbus, o configurador de redes Fieldbus Smar Syscon, o OPC e a interface Matlab OPC. O capítulo 3 tratará da problemática envolvida no controle de processos com atraso de transporte, onde será feita uma análise do Preditor de Smith. O capítulo 4 será sobre a solução implementada, descrevendo os blocos funcionais desenvolvidos e sua configuração para o correto funcionamento. No capítulo 5 serão mostrados os resultados obtidos utilizando-se o compensador de atraso desenvolvido, primeiramente resultados de simulação e depois resultados obtidos com a aplicação no controle de dois processos reais. Por último, no capítulo 6, serão feitas as conclusões e perspectivas do trabalho desenvolvido. É importante ressaltar que por motivos de sigilo industrial, por parte da Smar Equipamentos Industriais, detalhes sobre a implementação dos blocos funcionais serão ocultados. 4

12 Capítulo 2: Fundamentos sobre Foundation Fieldbus A tecnologia Foundation Fieldbus surge como uma nova opção em instrumentação de processos, mas não só como promissora substituta para a instrumentação analógica. Fieldbus é uma solução completa para sistemas de controle baseados em redes, distribuindo funções nos equipamentos de campo e aumentando em muito a quantidade e a qualidade das informações sobre o processo. Figura 4 Evolução das tecnologias Fieldbus é baseado em um protocolo de comunicação digital entre dispositivos de automação da planta e sistemas de supervisão, formando essencialmente uma rede local (LAN) para dispositivos de campo. Figura 5 - Rede Fieldbus 5

13 2.1: Redes Industriais A instalação e manutenção de sistemas de controle tradicionais implicam em altos custos, principalmente quando se deseja ampliar uma aplicação, onde são requeridos novos equipamentos e o cabeamento destes à unidade central de controle [3]. De forma a minimizar estes custos e aumentar a operacionalidade de uma aplicação introduziu-se o conceito de rede para interligar os vários equipamentos. A utilização de redes em aplicações industriais prevê: Diminuição dos custos de instalação Simplificação dos procedimentos de manutenção Aumentar e simplificar as opções de upgrades Melhorar a informação de controle A opção pela implementação de sistemas de controle baseados em redes, requer um estudo para: i) determinar qual o tipo de rede que possui as maiores vantagens de implementação ao usuário, ii) buscar uma plataforma de aplicação compatível com o maior número de equipamentos possíveis. Surge daí a opção pela utilização de arquiteturas de sistemas abertos que, ao contrário das arquiteturas proprietárias onde apenas um fabricante lança produtos compatíveis com a sua própria arquitetura de rede, o usuário pode encontrar em mais de um fabricante a solução desejada. Além disso, muitas redes abertas possuem organizações de usuários que podem fornecer informações e possibilitar trocas de experiências a respeito dos diversos problemas de funcionamento de uma rede, como por exemplo, a Fieldbus Foundation, fundação que se dedica a um padrão interoperável de Fieldbus. As Redes industriais são padronizadas sobre três níveis hierárquicos, cada qual responsável pela conexão de diferentes tipos de equipamentos com suas próprias características de informação, conforme pode ser visto na figura 6. 6

14 Figura 6 - Níveis das redes industriais O nível mais alto, nível de informação da rede, é destinado a um computador central que processa o escalonamento da produção e permite operações de monitoramento estatístico do processo, utilizado, geralmente, por softwares gerenciais (MIS). O padrão Ethernet operando com o protocolo TCP/IP é o mais comumente utilizado neste nível. O nível intermediário, nível de controle da rede, está localizada na planta, e incorpora os PLCs, DCSc e PCs. A informação deve trafegar neste nível em tempo real para garantir a atualização dos dados nos softwares que realizam a supervisão da aplicação. O nível mais baixo, nível de controle discreto, se refere geralmente às ligações físicas da rede ao nível de entrada/saída. Este nível de rede conecta os equipamentos de baixo nível entre as partes físicas e de controle. Neste nível encontram-se os sensores discretos, contatores e blocos de I/O. As redes de equipamentos são classificadas pelo tipo de equipamento conectado a elas e o tipo de dado que trafega pela rede. Os dados podem ser bits, bytes ou blocos. As redes com dados em formato de bits transmitem sinais discretos contendo simples condições ON/OFF. As redes com dados no formato de byte podem conter pacotes de informações discretas e/ou analógicas e as redes com dados em formato de blocos são capazes de transmitir pacotes de informação de tamanhos variáveis. 7

15 A figura 7 mostra os principais tipos de classificação das redes industriais, que podem ser divididas em: Rede sensorbus - dados no formato de bits Rede devicebus - dados no formato de bytes Rede fieldbus - dados no formato de pacotes de mensagens Figura 7 - Classificação das Redes A rede sensorbus conecta equipamentos simples e pequenos diretamente à rede. Os equipamentos deste tipo de rede necessitam de comunicação rápida em níveis discretos e são tipicamente sensores e atuadores de baixo custo. Estas redes não almejam cobrir grandes distâncias, sua principal meta é manter os custos de conexão tão baixos quanto for possível. Exemplos típicos de rede sensorbus incluem Seriplex, ASI e INTERBUS Loop. A rede devicebus preenche o espaço entre redes sensorbus e fieldbus e pode cobrir distâncias de até 500 m. Os equipamentos conectados a esta rede terão mais pontos discretos, alguns dados analógicos ou uma mistura de ambos. Além disso, algumas destas redes permitem a transferência de blocos em uma menor prioridade comparado aos dados no formato de bytes. Esta rede tem os mesmos requisitos de transferência rápida de dados da rede sensorbus, mas consegue gerenciar mais equipamentos e dados. Alguns exemplos de redes deste tipo são DeviceNet, Smart Distributed System (SDS), Profibus DP, LONWorks e INTERBUS-S. A rede Fieldbus interliga equipamentos inteligentes e pode cobrir distâncias maiores. Os equipamentos acoplados à rede possuem capacidade para 8

16 desempenhar funções específicas de controle tais como loops PID, controle de fluxo de informações e processos. Os tempos de transferência podem ser longos mas a rede deve ser capaz de comunicar-se por vários tipos de dados (discreto, analógico, parâmetros, programas e informações do usuário). Exemplo de redes fieldbus incluem IEC/ISA SP50, Fieldbus Foundation, Profibus PA e HART. Os tipos de equipamentos que cada uma destas classes agrupam podem ser vistos na Figura abaixo. Figura 8 - Grupos de Produtos por classe de rede 2.2: Foundation Fieldbus O Foundation Fieldbus é um protocolo de comunicação totalmente digital, serial e bidirecional que interconecta equipamentos Fieldbus tais como sensores, atuadores e controladores. O Fieldbus é uma rede local (LAN) para automação e instrumentação de processos, com capacidade de distribuir o controle no campo. Ao contrário dos protocolos de rede proprietários, o Foundation Fieldbus não pertence a nenhuma empresa, ou é regulado por um único órgão. A tecnologia é controlada pela Fieldbus Foundation, uma organização não lucrativa composta por mais de cem dos principais fornecedores e usuários de controle e instrumentação do mundo. O Foundation Fieldbus mantém muitas das características operacionais do sistema analógico 4-20 ma, tais como uma interface física padronizada da fiação, dispositivos alimentados por um único par de fios e opções de segurança intrínseca, mas oferece uma série de benefícios adicionais aos usuários, como por exemplo: 9

17 Interoperabilidade Com a interoperabilidade, um dispositivo Fieldbus pode ser substituído por um dispositivo similar com maior funcionalidade de um outro fornecedor na mesma rede Fieldbus, mantendo as características originais. Isto permite aos usuários mesclar dispositivos de campo e sistemas de vários fornecedores. Dispositivos individuais Fieldbus podem também transmitir e receber informação, comunicando-se diretamente com outro equipamento sobre o barramento Fieldbus, permitindo que novos dispositivos sejam adicionados ao barramento sem interromper o controle. Dados de Processo Mais Completos Com o Foundation Fieldbus, as variáveis de cada dispositivo podem ser trazidas a sistemas superiores para a análise, arquivo, análise de tendência, estudos de otimização do processo e geração de relatórios. Este acesso aos dados mais exatos e de alta resolução, permite um ajuste fino do processo para melhor operação, reduzindo o tempo ocioso da planta. Estas características permitem melhor desempenho e lucratividade. Vista expandida do processo Dispositivos Fieldbus permitem que os erros de processo possam ser reconhecidos mais rapidamente e com maior certeza. Como conseqüência, os operadores de planta são notificados de condições anormais ou da necessidade de manutenção preventiva, e podem tomar melhores decisões sobre a produção. Os problemas que diminuem a eficiência operacional são corrigidos mais rapidamente, permitindo um aumento no rendimento. Melhor Segurança da Planta A tecnologia Fieldbus ajuda a manter as exigências de segurança. Fornece aos operadores notificações e avisos antecipados de circunstâncias perigosas pendentes e atuais. O Fieldbus permite ainda a ação corretiva antes de uma parada não planejada. As potencialidades de diagnóstico ampliadas da planta reduzem também a necessidade do acesso freqüente às áreas perigosas, minimizando assim os riscos do pessoal no campo. Manutenção Proativa Mais Fácil 10

18 As potencialidades ampliadas de diagnóstico dos dispositivos de campo possibilitam monitorar e registrar condições como, por exemplo, o desgaste de válvulas e entupimento de transmissores. Os operadores podem executar a manutenção proativa sem esperar uma parada programada, evitando ou reduzindo assim o tempo ocioso da planta. Redução de Custos de fiação e de Manutenção O Foundation Fieldbus usa a fiação existente e as conexões multi-drop fornecem economias significativas nos custos de instalação. Redução de custo adicional pode ser conseguida com a redução do tempo necessário para a partida do processo, bem como com a simplificação da programação das funções de controle e monitoramento, usando os blocos funcionais embutidos nos dispositivos. De acordo com estimativas atuais, há sistemas Foundation Fieldbus em operação em mais de 25 países. Estima-se hoje que aproximadamente 80 por cento de todas as novas instalações de sistemas de controle de planta que utilizam a tecnologia fieldbus são compatíveis com o Foundation Fieldbus : Níveis de Protocolo O protocolo Foundation Fieldbus foi desenvolvido baseado no padrão ISO/OSI, no entanto não contempla todos os níveis, pode-se dividi-lo em Camada Física ( Physical Layer - que trata da interligação dos instrumentos) e Camada de 11

19 Software ( Communication Stack ) que trata da comunicação digital entre os equipamentos [8]. THE FOUNDATION FIELDBUS OSI MODEL FIELDBUS MODEL USER LAYER USER LAYER APPLICATION LAYER FIELDBUS MESSAGE SPECIFICATION FIELDBUS ACCESS SUBLAYER PRESENTATION LAYER SESSION LAYER TRANSPORT LAYER COMMUNICATION STACK NETWORK LAYER DATA LINK LAYER PHYSICAL LAYER DATA LINK LAYER PHYSICAL LAYER PHYSICAL LAYER Figura 9 - Níveis de Protocolo : Camada Física outro. A camada física define como o sinal é transmitido de um equipamento a A Norma ANSI/ISA-S , aprovada em 17 de Maio de Fieldbus Standard for Use in Industrial Control Systems Part 2: Physical Layer Specification and Service Definition trata do meio físico para a realização das interligações, os principais itens são: Transmissão de dados somente digital self-clocking Comunicação bi-direcional Código Manchester Modulação de voltagem (acoplamento paralelo) Velocidade de transmissão de 31,25 kb/s No nível de instrumentos ligados aos barramentos de campo, a velocidade normalizada é 31,25 kb/s, as outras velocidades deverão ser utilizadas para a 12

20 interligação de bridges e gateways para a conexão em alta velocidade destes dispositivos (Figura 10). FOUNDATION TECHNOLOGY USER LAYER BRIDGE CAPABILITY COMMUNICATION STACK PHYSICAL LAYER 100 Mbit/s Fieldbus Bridge kbit/s Fieldbus Devices Figura 10 - Utilização de "Bridges" : Camada de Software : Nível de Enlace O nível de enlace (Data Link Layer) controla quando e por quanto tempo um equipamento pode ter acesso à rede, evitando assim o conflito quando um ou mais equipamentos querem transmitir dados. A integridade das mensagens é garantida através de um polinômio aplicado a todos os bytes da mensagem e que é acrescentado no final da mesma. Qualquer instrumento Foundation Fieldbus pode iniciar a comunicação, desde de que tenha permissão para isso. A transmissão é controlada pelo Link Active Scheduler (LAS). 13

21 FOUNDATION TECHNOLOGY USER LAYER DEVICE DESCRIPTION SERVICES (DDS) COMMUNICATION STACK PHYSICAL LAYER Figura 11 - DDL - Garantia de interoperabilidade : Nível de Aplicação (Application Layer) O nível de aplicação fornece uma interface para o software aplicativo do equipamento. Basicamente este nível define como ler, escrever ou disparar uma tarefa em uma estação remota. A principal tarefa é a definição de uma sintaxe para as mensagens. Ele também define o modo pelo qual a mensagem deve ser transmitida: ciclicamente, imediatamente, somente uma vez ou quando requisitado pelo consumidor. O gerenciamento define como inicializar a rede: atribuição do Tag ( nome do equipamento na rede ), atribuição do endereço, sincronização do tempo, escalonamento das transações na rede ou conexão dos parâmetros de entrada e saída dos blocos funcionais. Controla também a operação da rede, com levantamento estatístico de detecção de falhas e de adição de um novo elemento ou remoção de uma estação. O gerenciamento monitora continuamente o barramento para identificar a adição de novas estações : Nível de Usuário (User Layer) Define o modo de acesso à informação dentro de equipamentos Fieldbus e de que forma esta informação pode ser distribuída para outros equipamentos no mesmo nó ou, eventualmente, em outros nós da rede. Este atributo é fundamental para aplicações em controle de processos. A base para arquitetura de um equipamento Fieldbus são os blocos funcionais, os quais executam as tarefas necessárias as aplicações existentes, tais 14

22 como: aquisição de dados, controle PID, cálculos e atuação, intertravamento e comunicação com controladores lógicos (CLPs). Todo bloco funcional contém um algoritmo, entradas e saídas e um nome definido pelo usuário (TAG do bloco, que deve ser único na planta). Os parâmetros do bloco funcional são endereçados no Fieldbus pela seguinte sintaxe: TAG.PARAMETER-NAME. Um equipamento Fieldbus conterá um número definido de blocos funcionais. Figura 12 Modelo de Bloco Funcional Os blocos funcionais são configurados através de parâmetros, onde cada parâmetro tem um propósito específico. Como exemplo de blocos funcionais tem-se: Classe de Entrada: Analog Input (AI) Representa um sinal de entrada analógico, podendo ser utilizado como sinal de medição em uma estratégia de controle; Discrete Input (DI) Representa um sinal de entrada digital; Pulse Input (PI) Representa uma entrada pulso; Classe de Saída: Analog Output (AO) Representa uma saída analógica, podendo ser utilizado como sinal de atuação em uma estratégia de controle; Discrete Output (DO) Representa uma saída digital, podendo ser utilizado para comandar uma bomba, por exemplo. Classe Avançada: PID Realiza um controlador PID Setpoint Generator (SG) Gera curvas de referência para processos 15

23 A conexão entre blocos funcionais de diferentes devices é definida como um link na rede. Os links são comuns nas malhas de controle Fieldbus e imperceptível a quem esteja configurando o sistema (protocolo a nível de usuário) já que a comunicação é tratada diretamente pelos blocos funcionais. O protocolo de comunicação é tratado internamente pelos próprios blocos funcionais que são responsáveis tanto pelas comunicações cíclicas (publicações de parâmetros para supervisão e links) quanto pelas comunicações acíclicas (notificações de alarmes/eventos, informações de diagnóstico e de display, etc.) O tempo de atualização da rede Fielbbus é definido como Macrocycle. O macrocycle define o tempo de atualização de todos os blocos funcionais que estão configurados em uma aplicação, representando a amostragem do sistema. A figura 13 ilustra isso. Figura 13 Macrocycle 2.3: Software de Configuração de Redes Fieldbus SMAR (Syscon) Um projeto Fieldbus, no software configurador de redes Fieldbus SMAR, é dividido em duas partes: o projeto Lógico (Area 1) e o projeto Físico (Fieldbus Networks), como pode ser visto na figura

24 Figura 14 Syscon No projeto Físico é definida a estrutura da rede Fieldbus, como qual bridge Fieldbus será utilizada (no caso da SMAR o DFI 302), e quais instrumentos de campo, de diferentes fabricantes, serão utilizados para compor a rede e desempenhar a função especificada. Como exemplo de instrumentos de campo, pode-se citar, transmissores de temperatura, conversores Fieldbus 4/20 ma, conversores Fieldbus Pressão, transmissores de densidade, entre outros. Na configuração da estratégia a ser executada em uma rede Fieldbus são utilizados os chamados Blocos Funcionais. Representam as funções básicas de automação, cada bloco processa parâmetros de entrada conforme um algoritmo específico e um conjunto interno de parâmetros de controle. Produzem parâmetros de saída utilizados dentro da mesma aplicação ou por outras aplicações. Por exemplo, para configurar um controle PID simples precisa-se dos seguintes blocos funcionais: Analog Input (AI), que representa a realimentação do sistema, ou seja o sinal advindo do elemento sensor; 17

25 PID, realiza um controle PID baseado no erro entre a referência e a variável de processo; Analog Output (AO), representa a atuação do sistema, sinal que enviado ao atuador de modo a manter a variável de processo controlada. Existem dois outros blocos que devem ser configurados nos devices e na bridge: O Bloco Resource e o Transducer. O bloco resource contém dados especificos ao hardware que está associado. O Bloco Transducer é um bloco específico de cada fabricante. Cada device tem um bloco transducer diferente, definindo, por exemplo, a calibração, informação e status do sensor. A estratégia é montada no syscon da seguinte maneira: Figura 15 Controle PID simples A figura 16 mostra os equipamentos necessários para uma aplicação fieldbus simples (cortesia Smar): Figura 16 Equipamentos Fieldbus Smar Os cartões necessários são o DF50, DF51, DF52 e DF53, respectivamente da esquerda para a direita na parte da esquerda da figura. O DF50 é a fonte para o 18

26 barramento, alimentando outros cartões que podem ser utilizados, como entradas e saídas digitais, por exemplo. O DF51 é a bridge Fieldbus, equipamento responsável pelo controle, gerenciamento e supervisão dos quatro canais Fieldbus. O DF52 é a fonte para a rede Fieldbus e o DF53 o casador de impedância dos canais Fieldbus. Os devices mostrados na figura são o TT302 (transmissor de temperatura) e o FI302 (conversor de sinal Fieldbus para 4-20mA). 2.4: OLE for Process Control (OPC) A motivação do OPC é estabelecer um mecanismo padrão de comunicação entre diversas fontes de dados, desde equipamentos em campo até uma base de dados em uma sala de controle. A estrutura da informação em processos industriais pode ser visto na figura 17, e pode ser dividida em: Nível de Campo, com o advento dos equipamentos de campo inteligentes houve um acréscimo considerável na quantidade de informação. Passou-se a ter acesso a, por exemplo, o status do device, parâmetros de comunicação, material do equipamento, entre outros. Toda essa informação deve ser apresentada ao usuário ou a qualquer outra aplicação que precise, de maneira consistente e confiável. Nível de Processo, a instalação de Sistemas de Controle Distribuído (DCS) e sistemas SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) para monitorar e controlar processos, disponibilizou a captura de dados eletronicamente, melhorando em muito a qualidade e a quantidade de informações sobre o processo. Nível Gerencial, a instalação de sistemas de controle gera muitos benefícios. Para isso a informação coletada no processo deve ser integrada aos sistemas que controlam os aspectos financeiros da aplicação. Fornecer esta informação de uma maneira consistente minimiza o esforço requerido para esta integração. 19

27 Figura 17 Arquitetura da Informação em processos Industriais Para realizar essa integração de maneira eficaz, os fabricantes necessitam alcançar dados da planta e disponibilizá-los em seus sistemas existentes de gerência. Os fabricantes devem poder utilizar as ferramentas comerciais (pacotes SCADA, bases de dados, etc.) para montar um sistema que responda às suas necessidades. A chave para isso esta em uma arquitetura de comunicação aberta e efetiva, concentrada no acesso aos dados e não no tipo de dado. Surge ai a idéia principal do OPC. OLE for Process Control (OPC) define guidelines entre fornecedores de Hardware e desenvolvedores de Software. Especifica um mecanismo para fornecer dados (servidor) e comunicar esses dados à aplicação cliente de uma maneira padronizada, independente de fabricantes, aumentando a interoperabilidade do sistema. Figura 18 Ambiente heterogêneo 20

28 2.4.1: Interface Matlab - OPC Para a aquisição dos dados de um servidor OPC, usando o Matlab, utiliza-se um controle ActiveX. Para realizar a comunicação usando esse controle são necessários os seguintes passos: 1º Configuração do cliente 2º Início da conexão 3º Escritas/Leituras 4º Finalização da conexão Cria-se um programa em um arquivo.m do Matlab, onde são definidos os parâmetros necessários e que variáveis (Tags) se deseja acessar. A figura 19 ilustra a comunicação Matlab OPC. É importante citar a relevância que teve essa ferramenta no desenvolvimento do trabalho, pois toda a validação dos blocos desenvolvidos foi feita confrontando dados advindos do Matlab com os dados armazenados a partir do servidor OPC. Figura 19 Comunicação Matlab-OPC 2.5: Smar Equipamentos Industriais A Smar foi fundada em 1 o de abril de 1974 com objetivo de prestar serviços de campo para turbinas a vapor da indústria açucareira brasileira. Os co-fundadores, Sr. Mauro Sponchiado e Sr. José Martinussi aproveitaram as iniciais de seus sobrenomes para formar o nome da empresa, ou seja, SMAR. A pequena empresa continuou prestando serviços de manutenção em turbinas a vapor até Foi 21

29 quando a indústria açucareira começou a utilizar as novas turbinas a vapor com reguladores de velocidade eletrônicos. Não habituada a trabalhar com eletrônica, a Smar buscou assessoramento em um grupo de engenheiros de uma empresa vizinha. O Sr. Edmundo Gorini, chefe da engenharia elétrica daquela empresa, e seus colegas Paulo Lorenzato e Carlos Liboni aceitaram o convite de tornarem-se sócios da Smar. Logo em seguida, Sr. Caldeira, também um engenheiro, integrou-se à empresa, então composta por 13 pessoas, sendo 10 sócios e 3 funcionários. Este foi o início de uma nova era. A prestação de serviço em turbinas a vapor proporcionou o capital para os trabalhos iniciais de Pesquisa e Desenvolvimento. Os resultados de P&D possibilitaram o desenvolvimento de um novo sistema para controlar a quantidade de cana de açúcar que deveria ser usada para alimentar os cortadores de cana e as moendas. Com o sucesso desta primeira inovação, a SMAR teve condições de continuar a investir em pesquisa e desenvolvimento. Novos produtos continuaram a ser desenvolvidos regularmente, sempre voltados para a indústria sucro-alcooleira. A empresa cresceu rapidamente, impulsionada por uma iniciativa do governo federal, o Pró-álcool, que visava substituir a gasolina por álcool como combustível de veículos automotores. Em 1981, com o decréscimo dos investimentos na indústria sucro-alcooleira, a empresa decidiu partir para o projeto de uma linha de instrumentos para controle de processos. Essa decisão foi bem sucedida e a empresa continuou crescendo. Em 1986, com seu contínuo crescimento no mercado nacional, a empresa buscou se expandir no mercado internacional. O sucesso dependeria muito do desenvolvimento de novos produtos que estivessem tecnologicamente atualizados e que fossem, ao mesmo tempo, comercialmente competitivos. A Smar empreendeu então um plano de desenvolvimento que eventualmente tornou tais produtos uma realidade. Após testar os novos produtos no mercado brasileiro, a Smar incrementou seus esforços de venda, inicialmente nos Estados Unidos, a partir de 1989, e depois na Europa, a partir de Em 1988 a SMAR tornou-se o maior fabricante de instrumentos para controle de processos no Brasil, sendo que sua atuação nesta área só começou em

30 Atualmente, mais de um terço da produção da empresa são vendidos no mercado internacional. Como o mercado mundial para produtos como os que a SMAR produz movimenta mais de cinco bilhões de dólares por ano, a empresa tem enormes possibilidades para continuar a crescer ao longo dos próximos anos. 23

31 Capítulo 3: Controle de Processos com Atraso de Transporte Segundo [4], em um artigo onde são mostrados resultados de várias pesquisas realizadas nas Industrias Japonesas, os problemas causados pelo atraso de transporte nos sistemas de controle representam, juntamente com os problemas causados por perturbações e interações entre variáveis, mais de 60% dos problemas importantes encontrados nos processos industriais. Isso, segundo os autores, leva os engenheiros de controle a levar esses problemas em consideração na hora de projetar o sistema de controle. Uma abordagem que permita a implementação de um compensador de atraso, utilizando a tecnologia Foundation Fieldbus, surge então como uma necessidade, já que essa tecnologia está em crescente expansão atualmente. O atraso é parte fundamental da dinâmica de muitos processos industriais, sendo definido como o período de tempo (L) entre o instante em que é introduzida uma mudança na variável de entrada do processo e o instante em que a saída do mesmo começa a mudar. O modelo linear normalmente usado para representar este tipo de planta é definido por (domínio frequencial): P Ls ( s) = G( s) e (eq.1) Onde L representa o tempo de atraso e G(s) uma transferência qualquer. Geralmente o atraso é causado pelo tempo de transporte de energia ou matéria dentro do sistema, ou pela combinação em cascata de vários sistemas de baixa ordem [5]. Para sistemas com baixos tempos de atraso o controlador PID consegue controlar o processo através do correto ajuste de seus parâmetros, principalmente do termo derivativo, que representa uma predição linear. Quando o atraso for grande, maior do que duas vezes a constante de tempo dominante do processo, o PID possui a ação limitada, em muitos casos não consegue controlar o processo se deseja-se obter respostas em malha fechada mais rápidas do que em malha aberta. Nestes casos é necessário um outro tipo de controle ou um com compensação de 24

32 atraso. De forma geral, dado um controle C(s), a transferência em malha aberta do sistema C Ls ( s) G( s) e tem uma resposta em freqüência cujo módulo coincide com o da transferência sem o atraso, C ( s) G( s), porém com uma fase que tende a infinito para altas freqüências. Isto implica que o atraso diminui a margem de fase do sistema, tanto mais quanto maior seja o seu valor. 3.1: Controle com Compensação de Atraso Quando o processo apresenta um atraso de transporte dominante é necessário a utilização de um compensador de atraso ou de outro tipo de controle, como o controle preditivo baseado em modelo, por exemplo. A solução ideal do problema de controle, para plantas representadas pela eq. 1, seria realimentar o sinal de saída sem o atraso como mostra a figura 20, de forma tal que se controle apenas G(s) e a verdadeira saída seja apenas o sinal controlado atrasado L unidades de tempo. Figura 20 controle ideal de plantas com atraso No entanto, na maioria das plantas, não se tem acesso à variável y1. Uma solução simples foi proposta por Smith[1] e baseia-se na introdução de um preditor (Gn(s)) no esquema de controle. Esta estratégia, chamada posteriormente de Preditor de Smith, aplica-se ao controle de processos estáveis. Figura 21 - Esquema do Preditor de Smith 25

33 Do esquema do preditor observa-se que a saída do preditor Gn(s) representa a saída do processo sem o atraso, que no caso ideal (onde não existe diferença entre o preditor e o processo real), equivale ao esquema mostrado na figura 20. Como não é possível obter um modelo para o preditor igual ao processo real, introduz-se um fator de correção, obtido pela diferença entre a saída do processo real e a saída do preditor atrasada. Com um bom modelo do processo e uma boa estimativa do atraso, o controlador pode ser ajustado apenas utilizando-se a transferência Gn(s), obtendo-se respostas muito melhores do que com a utilização de um simples controle PID. Deve-se salientar que em alguns casos a identificação do modelo da planta pode tornar-se uma tarefa difícil. Este fato é uma limitação do método. Em [6] um filtro foi proposto para prover robustez ao sistema para erros em alta freqüência entre o modelo e processo real. O esquema modificado fica: Figura 22 Preditor de Smith Modificado O filtro F(s) é de primeira ordem e de ganho unitário: 1 F ( s) = Tfs + 1 Para processos integradores faz-se necessário um outro esquema para o funcionamento do compensador de atraso, conforme pode ser visto na figura 23 [7]. Este tipo de processo pode ser representado por: G ( s) e n Lns = K s n e Lns 26

34 Figura 23 Preditor de Smith Modificado para plantas Processos Integradores O controlador primário passa a ser um ganho (Kr) e K o é definido em função dos parâmetros do modelo: K o = 1 2L K n n Esta estrutura foi proposta devido a configuração normal do Preditor de Smith não conseguir rejeitar, em processos integradores, perturbações de carga constantes. 27

35 Capítulo 4: Descrição dos Blocos Funcionais Implementados No Syscon, software de configuração de redes Fieldbus da Smar, a representação dos sinais envolvidos, entre os blocos funcionais, é feita de modo contínuo. Na implementação dos blocos funcionais, porém, utilizam-se algoritmos discretos que rodam em controladores embarcados nos equipamentos. Essa abstração facilita muito o desenvolvimento das estratégias de controle. Para alcançar o objetivo proposto pelo trabalho, que é possibilitar o controle com compensação de atraso, foram desenvolvidos blocos funcionais que permitem implementar uma estrutura semelhante à do Preditor de Smith utilizando blocos funcionais. Analisando o digrama do Preditor de Smith e os blocos funcionais disponíveis, definiu-se a necessidade de criação de dois novos blocos. Um para representar o modelo preditor (G(n)) e um que possibilitasse o atraso (e -Lns ), ambos necessários na estratégia de compensação de atraso. A flexibilidade dos blocos desenvolvidos permite a implementação das estruturas de compensação de atraso mostradas no capítulo anterior. Como já foi citado anteriormente, por motivo de sigilo industrial alguns aspectos da implementação dos blocos funcionais serão omitidos. 4.1: Bloco Transfer Function O bloco Transfer Function (TF) tem como finalidade representar sistemas de até 2 a ordem, através da configuração dos coeficientes A, B, C, D, E e F de uma função de transferência do tipo (domínio frequencial): G( s) As Ds = 2 + Bs + C + Es + F Para representar sistemas de maior ordem pode-se utilizar blocos TF em cascata. O bloco possui uma entrada e uma saída. Um sistema para ser realizável deve possuir o grau do denominador maior ou igual ao do numerador, portanto 28 2

36 quando o parâmetro D for igual a zero o parâmetro A deve ser também zero. Optouse por fazer o grau do numerador igual ao do denominador para possibilitar zeros complexos. O bloco permite acesso aos coeficientes A, B, C, D, E e F, possibilitando correlacionar estes como função de outra variável, por exemplo, para a construção de sistemas com múltiplos modelos. Um exemplo deste tipo de aplicação é no controle de sistemas não lineares, em que se pode determinar pontos de operação e para cada ponto encontrar uma função de transferência distinta, fazendo os parâmetros do sistema em função de alguma variável do processo, permitindo assim o uso de técnicas de controle lineares. Na construção do bloco foram utilizadas equações a diferenças a partir da equação no domínio discreto (Z) [9, 10, 11,12]. A representação no domínio discreto (G(z)) foi obtida utilizando tabelas da transformada Z e como período de amostragem o macro-cycle da rede. O método utilizado para essa transformação foi a do segurador de ordem zero (Zero Order Holder): G( z) = (1 z 1 G( s) ) Ζ s As seguintes restrições foram tratadas separadamente para determinação da equação no domínio Z: Raízes Re ais F 0Raízes Complexas 0 Raízes Iguais D E 0 F = 0 E = 0 F = 0 = 0{ E 0 F 0 As equações obtidas foram genéricas para os coeficientes A, B, C, D, E, F e período de amostragem (macro-cycle). As figuras abaixo mostram respostas obtidas na saída do bloco e a comparação com os dados obtidos pelo Matlab (tracejado): 29

37 Figura 24 Comparação entre a saída do bloco e dados do Matlab, A=0, B=0, C=0.89, D=1, E=1, F=0.89 Figura 25 Comparação entre a saída do bloco e dados do Matlab, A=0, B=1, C=-0.89, D=1, E=1, F= : Bloco Predictor O bloco Predictor pode ser utilizado para implementar um Preditor de Smith modificado (inclusão de um filtro no sinal de erro entre o modelo e o processo real) 30

38 ou um atraso configurável entre o sinal de entrada e de saída do bloco. A figura abaixo ilustra o esquema do bloco: Figura 26 Esquema do bloco Predictor O bloco possui três entradas e uma saída: In_1 Entrada do sistema Real com atraso; In_2 Entrada da Estimativa da Planta sem atraso (saída do bloco TF); Delay_Time Entrada fornecendo valor do tempo de atraso em segundos, este tempo não poderá ser superior à 1000 vezes o Tempo de Amostragem (Pred_Sample_Time). A opção por um link neste parâmetro surgiu para tratar sistemas com atrasos variáveis, podendo-se ter o atraso em função de outra variável do processo; Out Saída configurável do bloco. A saída do bloco pode ser configurada de três maneiras distintas de acordo com o parâmetro PRED_SELECTOR: Bypass A saída terá o mesmo valor que a entrada IN_1; Atrasador O bloco terá somente a função de atrasar o sinal recebido pela entrada IN_2; Smith Predictor O bloco terá a função de um Preditor Smith; O filtro possui a seguinte configuração: 1 G ( s) = Tfs

39 O coeficiente Tf é configurado pelo usuário através do parâmetro FILTER. O filtro foi incluído no esquema visando melhorar a resposta do sistema quando existem erros entre o modelo e o processo real, ou seja, aumentando a robustez deste[6]. A figura 27 mostra o funcionamento do bloco quando configurado como atrasador, a entrada é a curva contínua e a saída a curva tracejada. O atraso utilizado foi de 10 s. Figura 27 Entrada e saída do bloco Smith Predictor, quando configurado como atrasador 32

40 Capítulo 5: Resultados e Discussão Nesse capítulo serão apresentados e discutidos os resultados obtidos com a utilização dos blocos desenvolvidos no controle de processos com atrasos de transporte dominantes. Primeiramente serão mostrados resultados de simulação em uma rede Fieldbus, e posteriormente os resultados obtidos no controle de dois processos reais. 5.1: Resultados de Simulação Inicialmente, para validar o funcionamento dos novos blocos, foram feitas simulações na rede Fieldbus. A estrutura utilizada no Syscon foi a seguinte: Figura 28 Esquema de Simulação No esquema acima, o sistema com atraso é representado pelo bloco TF e sua saída passando pelo Delay, que é um bloco Predictor configurado como atrasador. O modelo preditor é feito pelo bloco TF-PSM. Os parâmetros dos blocos TF e o atraso foram considerados os mesmos com a seguinte função de transferência: G( s) = s e + s S A figura 29 mostra os resultados obtidos. 33

41 Figura 29 Resultado da Simulação As curvas tracejadas representam a ação de controle e as curvas contínuas as variáveis de processo. A saída sem oscilação foi a que utilizou a estrutura do preditor de Smith. A saída com oscilação foi obtida com um PID simples, ajustando um pequeno ganho proporcional e uma grande ação integral. Outro teste feito consistiu em inserir um erro de 20% entre os tempos de atraso. Sem o filtro o sistema tornou-se instável. Ajustando o valor do Filtro em 1.3 a resposta obtida pode ser vista na figura 30. Figura 30 Funcionamento com erro de modelagem e ajuste do filtro 34

42 Mesmo com um erro de modelagem, um correto ajuste do filtro permite o controle do processo. 5.2: Controle de um Circuito RC visto abaixo: O processo consiste em dois circuitos RC em cascata, conforme pode ser Figura 31 - Esquema do Processo O circuito representa um sistema de segunda ordem com pólos reais, ou seja sem sobrepasso. A função de transferência do circuito fica: Vo( s) Vi( s) = R1C 1C 2R2s ( R2C2 + R1C 1+ R1C 2) s + 1 O objetivo será controlar a tensão de saída nos pólos do capacitor 2 (Vo) através da tensão de entrada Vi. O atraso no sistema será inserido utilizando-se o bloco Predictor no modo Delay. Será testado o funcionamento do sistema em malha fechada com um controlador PID com e sem o compensador de atraso. Os resultados serão confrontados. No processo atua-se em tensão de 1-5 V e mede-se a tensão nos pólos do segundo capacitor, também de 1-5 V. A instrumentação utilizada consistiu dos seguintes dispositivos Fieldbus: FI302 Conversor de sinal Fieldbus para 4 20 ma IF302 Conversor de corrente 4 20 ma para sinal Fieldbus Além disso, utilizou-se também o IS 400P, distribuidor e isolador de sinal, para isolar e converter o sinal de atuação de 4-20 ma, fornecido pelo FI302, para 1 5 V. Outro 35

43 IS 400P foi utilizado para isolar e converter o sinal de medição de 1 5 V para 4-20 ma de modo a ser adquirido pelo IF : Modelagem do Processo Como os valores de R1, C1, R2 e C2 são conhecidos e com valores, respectivamente, de 3,26 KΩ, 470 µf, 10 KΩ e 1000µF, a função de transferência fica: Vo( s) Vi( s) = 15,32s ,8s + 1 A Figura abaixo mostra a comparação entre o sinal obtido do processo com uma entrada do tipo degrau (curva contínua) e uma simulação do modelo no Matlab (curva tracejada): Figura 32 Comparação entre o modelo estimado e o processo real O atraso inserido no processo foi de 120 segundos. 36

44 5.2.2: Síntese do Controlador Deseja-se mostrar que a estratégia com compensação de atraso apresenta melhores resultados que a simples aplicação de um controle PID : Parâmetros do Controlador Foi projetado um controlador PI para o controle do modelo nominal do processo sem o atraso. Foi utilizado um método analítico para o projeto dos parâmetros do controlador que levou em consideração os seguintes requisitos: a porcentagem do sobre-sinal e a constante de tempo da resposta em malha fechada. Para uma resposta de malha fechada sem sobresinal e uma constante de tempo em torno de 40 segundos chegou-se, depois de feitos alguns ajustes, a: Ganho (Kc) = 1.95 Reset (Ti) = : Implementação da estratégia A implementação do compensador de atraso foi feito de um modo diferenciado, permitindo maior controle e visualização das variáveis envolvidas. Dessa maneira pode ser observada a dinâmica da variável que é compensada. Será mostrado como seria a configuração clássica do Preditor de Smith. Os blocos funcionais utilizados foram: Analog Input medir a tensão de saída do circuito (Vo); Analog Output atuar sobre a tensão de entrada do circuito (Vi); PID Control efetuar o controle PID Transfer Function representar o modelo do preditor; Smith Predictor configurado como atrasador, fornece o atraso para o modelo do processo e para o processo real; Flexible Mathematical Block - realiza as operações de soma e subtração de sinais, previstas no diagrama do Preditor de Smith. A estratégia construída encontra-se na figura

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